CN105353347A - 一种基于led照明的室内定位导航方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于LED照明的室内定位导航方法，每个LED具有一个可编程的ID编码，各LED灯具有不同且唯一的发光功率变化形式，形成接收端可识别的可见数据光信号，以时分复用的形式将这些可编程的ID编码发射出去；接收端接收到的数据光信号进行解析，并计算接收到的来自不同LED灯的功率；根据定位算法测算出接收端的初始三维坐标，并通过非线性拟合算法对初始三维坐标进行修正；本发明还对应提供了用于该方法的室内定位导航装置，LED的亮暗变化肉眼无法识别，故同时建立LED照明系统；该方法在个别LED灯出现异常的情况下仍可为用户提供精度精确的定位服务，通过非线性拟合算法修正坐标，可保障厘米级的定位精确度。

Description

一种基于LED照明的室内定位导航方法及装置

技术领域

本发明涉及一种室内定位导航方法和装置，属于定位导航技术领域。

背景技术

定位导航服务因其时效性和准确性在商业活动、搜救抢险以及科学研究等行业领域应用极为广泛。近些年来，室内定位系统作为实现室内位置服务的一种方式，正以其不可替代的便利性和移动性迅速扩展适用领域，比如大型商场和博物馆的自动化导游、大型停车场的车位自动导航、医院的病患追踪、矿井的自动定位导航、建筑物中的应急导向等等。一般来说，室内定位服务通常由两大部分组成。首先，通过一些定位方式，获取用户的位置信息；其次，通过用户的位置信息，向用户推送相关的位置服务。目前的位置服务多限于室外，对于现阶段而言暂时还没有定位精度高、定位频率快、建设成本低、易用性强并有较低的用户成本的室内定位服务方案。

现有的定位系统主要基于全球定位系统(GPS)和无线电波技术。GPS能很好地应用于室外定位，然而因为其定位依赖于无线电波传播，室内覆盖小，导致在室内环境中会出现较大的定位误差，因此不适用于室内定位。过去10年，基于无线电波技术提出许多室内定位方案。主要有：WLAN、RFID、UWB、WIFI、超声系统、蓝牙等，这些方法提供了从几米到几十厘米的定位精度。然而，大多数基于无线通信的系统会受到电磁干扰影响，在多个用户共享的情况下通信质量下降，这些都直接影响了定位质量。此外，基于RF的系统不能在医院、飞机或一些电磁敏感的环境中使用。

中国发明专利“一种基于可见光标签的室内定位方法”(授权公告号：CN103823204B)公开了一种基于可见光标签的室内定位方法，该方法基于可见光通信，发射端通过控制LED阵列发射具有定位码型的可见光信号，使位于室内的用户从接收到的光信号解析出其所在的位置。每个LED具有唯一的ID号，设计LED循环发送的定位数据帧结构，加载到LED驱动放大电路上，驱动LED灯阵列发出数据光信号；探测器在识别帧头的同时将用户定位于光功率最大的子小区。该方法具有如下缺点：

1.“LED灯阵列由LED灯以等边三角形的分布方式向四面拓展而成”，该设计中每个阵列三盏灯组成，其精度取决于LED灯间距离，所以提高精度意味着减小距离，灯的数目变多、变密，容易造成眩光效应，并且设备成本增加，安装要求加大，实施困难；

2.因为是定位到子小区对应的某盏灯，一旦某盏灯出现故障那定位系统精度将急剧下降；

3.“对每个LED编号，记作(i＝1,2,3)，其中下标(x,y)表示LED在室内的横纵坐标，横纵坐标能通过编码转换成LED的ID号(LED-ID)”，“室内用户携带探测器，探测器所在平面作为参考面”。因为探测器的高度z是不断变化的，参考平面也在随时变化，所以定位的目标体(x,y)只是在二维平面上有效，而实际情况中我们需要三维空间的精确坐标(x,y,z)，故有待进一步改善；

4.定位时比较子小区内的三盏LED灯的功率大小仅能得到一个相对的定位结果，无法求平均而得到相对精确的定位结果，精度的提升比较困难。

5.由于该技术采用比较功率大小来进行位置判定的方式，为了保证定位精度在一米左右，对光探测器的灵敏度要求很高，故该技术需要选用雪崩光二极管APD进行检测，使得定位接收端的成本较高。

中国发明专利“基于室内照明的定位导航系统”(授权公告号：CN102967307B)公开了一种可见光定位导航系统和方法，该系统包括控制计算机、发射部件、接收部件和多个便携设备，发射部件由信息加载电路、LED驱动电路和LED光源组成，接收部件由凸透镜以及光电接收器、滤波放大整形电路以及解调解码器连接而成；导航方法为：控制计算机向发射部件发送附加服务信息和控制命令，接收部件把附加服务信息连同LED的ID地址信息解码后发送给便携设备用于显示，其中光电接收器采用凸透镜加上光电检测PD阵列的光路接收方案，便于精确确定用户的地理位置。该申请提供的内容具有如下缺点：

1.该申请提供了三种定位方式：“第一种，单灯粗略定位”、“第二种，双灯粗略定位”和“第三种，多灯精确定位”，比较周到的考虑了不同区域内的定位需求，从而采用不同的照明方式，然而缺陷在于这种定位方式不够准确，定位服务的体验不好；另外，若某段距离的灯出现故障，此段距离将无法实现定位；

2.光源的影像如果只照在一个图像传感器上，会导致信道矩阵不是满秩的，从而所有通道无法实现独立的数据传输；

3.该申请若需达到理想效果，其发射器光束角必须足够大，以照亮接收机在覆盖区域的边缘，成像透镜的直径必须足够大，以收集到足够的光线，以维持所需的链路预算，而以上两点要求会大大增加该系统的总成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种基于LED照明的室内定位导航方法和装置，通过对不同LED灯设计唯一的ID编码，使得不同LED灯按照其唯一的ID编码发光，各可LED灯的发光功率变化形式均不同，可保证厘米级的定位精度。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种基于LED照明的室内定位导航方法，包括如下步骤：

(1)对室内LED照明系统中的各LED灯进行编码，设置与各LED灯相对应的ID编码，ID编码由位置编码和识别码构成，其中位置编码为M位二进制字符串，位置编码与对应LED灯所在的三维空间坐标(x_i，y_i，z_i)相对应，识别码为N位二进制字符串，识别码中“1”表示亮，对应的LED灯发射功率为P₁，“0”表示暗，对应发射功率为P₂，P₁：P₂＝10：6～10：9，各ID编码的识别码中“0”的个数相同，i、N和M均为正整数；

(2)将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成数据光信号；

(3)接收端接收各LED灯的数据光信号，根据公式①计算接收的数据光信号所对应LED灯的功率P_ri，公式①为：

①

其中，α为设定的接收端内部接收电路的矫正系数，V_i为接收端测得的对应LED灯的光电流转换电压，R是接收端内部接收电路的输出电阻，G是接收端内部接收电路的增益，是设定的接收端的光电响应度；

(4)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算垂直距离 根据公式②计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算空间距离公式②为：

${\hat{d}}_i=\sqrt{\frac{(m+1)*{\hat{h}}_i^2*A*T_s\left(\mathrm{\ψ}\right)*g\left(\mathrm{\ψ}\right)*P_t}{2{\mathrm{\πP}}_{ri}}}$ ②

其中，m是LED灯的朗伯系数，ψ是LED灯入射光与探测器的角度，A是接收端光接收面的物理探测面积，A＝5mm²～15mm²，T_s(ψ)是接收端的传播系数，T_s(ψ)＝0～1，g(ψ)是接收端的电学增益，g(ψ)＝1～10，P_t为设定的LED灯的发射功率，为接收端的估算高度，

(5)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算水平距离计算公式为 ${\hat{r}}_i=\sqrt{{\hat{d}}_i^2-{\hat{h}}_i^2};$

(6)进行初步位置估算：

a、当接收端接收到3个不在同一直线上的LED灯或4个以上LED灯的数据光信号时，选择接收的数据光信号功率强度最大的k个LED灯，k≥3，根据三角定位法计算初始三维坐标初始三维坐标中为步骤(4)中确定的接收端的估算高度，计算公式为：

$\hat{S}=\[{\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0\],\hat{S}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B,$

其中： $A=\left[\begin{array}{cc}{x}_2-x_1& y_2-y_1\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_k-x_1& y_k-y_1\end{array}\right],B=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_2^2)+(x_2^2+y_2^2)-(x_1^2+y_1^2)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ ({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_k^2)+(x_k^2+y_k^2)-(x_1^2+y_1^2)\end{array}\right];$

b、当接收端仅接收到3个共线的LED灯的数据光信号时，通过公式 $({\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0)=\left(\right(X_a+X_b)/2,(y_a+y_b)/2)$ 计算初始三维坐标其中X_a和Y_a为方程组①的解，X_b和Y_b为方程组②的解，x₂和y₂分别为位于中间的LED灯的横坐标和纵坐标，方程组①和方程组②分别为：

$\left\{\begin{array}{c}(2x_2-2x_1)Xa+(2y_2-2y_1)Ya={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-y_1^2\\ (y_2-y_1)Xa-(x_2-x_1)Y_a=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$ ①，

$\left\{\begin{array}{c}(2x_2-2x_3)X_b+(2y_2-2y_3)Y_b={{\hat{r}}_3}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_3}^2\\ (y_2-y_3)X_b-(x_2-x_3)Y_b=x_3{y}_2-y_3{x}_2\end{array}\right.$ ②；

c、当接收端仅接收到2个LED灯的数据光信号时，计算初始三维坐标 其中和为方程组③的解，方程组③为：

$\left\{\begin{array}{c}(2x_2-2x_1){\hat{X}}_0+(2y_2-2y_1){\hat{Y}}_0={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_1}^2\\ (y_2-y_1){\hat{X}}_0-(x_2-x_1){\hat{Y}}_0=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$ ③；

d、当接收端仅接收到1个LED灯的数据光信号时，则初始三维坐标 其中x_i和y_i分别为该LED灯的横坐标和纵坐标；

(7)对初始三维坐标进行非线性拟合修正，得到修正坐标 使用置信域方法对修正坐标(X，Y，Z)的坐标值进行修正迭代，直到非线性拟合算子收敛，此时的修正坐标(X，Y，Z)即为定位坐标非线性拟合算子的计算公式为：

${\tilde{S}}_l=\underset{i}{\Σ}(F\left(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i\right)-{\hat{d}}_i{)}^2,$

其中 $F(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i)=\sqrt{{(X-x_i)}^2+{(Y-y_i)}^2+{(Z-z_i)}^2},$ f、g和h均为随机整数，l为迭代次数，△为设定的增量；

(8)将定位坐标发送至用户，配合对应的室内地图进行导航。

步骤(2)中将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号的具体内容为，设计由帧头和定位时段组成的定位数据帧，其中帧头确定所发送的定位时段，定位时段等分为2个以上时隙，分别记作时隙1、时隙2……，定位时段标志对应LED灯发光的时隙，各LED灯按照与其对应的时隙发光照明。

本发明还对应提供了一种用于上述方法的室内定位导航装置，至少包括发射端和接收端，所述发射端包括依次电性连接的控制器A、驱动电路和LED灯阵列，所述驱动电路包括2个以上驱动芯片，所述LED灯阵列由2个以上呈矩形网格排布的LED灯构成，LED灯阵列中各LED灯分别由各驱动芯片驱动动作；所述接收端包括光电接收电路、信号调理电路、控制器B和用户界面，光电接收电路和信号调理电路连接控制器B的输入端，用户界面连接控制器B的输出端。

驱动芯片由MOS管构成，驱动芯片的开关频率不小于1MHz。

LED灯阵列中相邻两个LED灯间隔1m～2m。

所述光电接收电路为PIN光电二极管。

所述信号调理电路由低噪声放大电路和低通滤波电路构成。

所述控制器A为支持IEEE1588硬件时间同步协议的高速以太网单片机，控制器B为内部带有A/D转换电路和译码电路的单片机。

所述接收端封装于可穿戴物品或固定夹上。

由上述技术方案可知，本发明提供的室内定位导航方法，各LED灯的所发射的数据光信号的功率变化不同，即各LED灯拥有不同且唯一的ID编码，接收端接收不同LED灯的所发射的数据光信号后，通过RSS距离估计算法，得出相对于参考点的距离信息，最后通过多点定位拟合算法，估计出接收端的坐标位置，将数据通过解码及误码校验过程，得出要推送的信息并发送至用户，本发明在提供位置服务的同时，保持了照明效果，从而降低了部分(发射端)成本；为减少本方法的运算量，提高运算时间，本方法选取有限个(k≥3)功率值相对较强的数据光信号，并通过上述k个数据光信号计算用户的初始三维坐标随后通过非线性拟合算法对初始三维坐标 进行修正，使用置信域方法对非线性拟合算子进行迭代计算至非线性拟合算子收敛，非线性拟合算子代表通过初始三维坐标计算得到的接收端与对应LED灯的空间距离和估算得到的估算空间距离之间的差值，收敛时差值最小，可视为该坐标与接收端的实际坐标近似一致，选取此时的修正坐标(X，Y，Z)作为定位坐标

本发明选用的时分多址(TDMA)让每个LED灯轮流发射信号，时分多址(TDMA)的N个时隙(信道)在时间轴上互不重叠，满足时间正交性，把时间分割成周期性的帧(对应本申请为定位时段)，每一帧(定位时段)再分割成若干个时隙向接收端发送信号，在满足定时和同步的条件下众多LED发射端发射的信号都按顺序安排在给定的时隙中传输，各接收端接收到具有唯一编码的发射信号，就能在不同信号中区分不同LED灯并获得与该LED灯之间的距离变化。

本发明提供的ID编码由位置编码和识别码构成，其中位置编码为M位二进制字符串，位置编码与LED灯所在的三维空间坐标(x_i，y_i，z_i)相对应，M位二进制字符串分为三部分，依次代表LED灯所在的三维空间坐标x_i、y_i和z_i和的具体数值，该坐标在安装各LED灯时即可确认，用于粗略确定目标的位置；识别码为N位二进制字符串，识别码中“1”表示亮，对应的LED灯发射功率为P₁，“0”表示暗，各LED灯的识别码不同且唯一，识别码表征对应的LED灯发射功率的变化形式，因此各LED灯在提供定位服务时相互独立，彼此无影响，故本发明提供的方法在个别灯泡损坏的情况下仍可为用户提供精确的定位服务，设定P₂，P₁：P₂＝10：6～10：9，肉眼难以识别LED灯的明暗变化，对LED灯照明无影响，各ID编码的识别码中“0”的个数相同，即保证各LED灯的总发光功率相同，符合照明用灯的使用要求。

LED灯的ID编码包括位置编码和识别码两部分，其中位置编码与LED灯所在的楼层及房间号相对应，用于；识别码为N位二进制字符串，识别码中“1”表示亮，对应的LED灯发射功率为P₁，“0”表示暗，对应发射功率是P₂，P₁＞P₂，限定两个功率差值在2W以内，则各ID编码的识别码中“0”和“1”的个数分别相同，以确保各LED灯的总功率相同。

本发明提供的室内定位导航装置，由控制器A、驱动电路和LED灯阵列构成发射端，LED灯阵列同时为室内照明系统，本装置的LED灯阵列由多个呈矩形网格排布LED灯构成，各LED灯分别由对应的驱动电路进行控制，可达到误差小于1us的时间同步精度；为保证LED灯的明暗变化不影响其照明功能，选用由MOS管组成的驱动芯片构成的电流自动控制开关，MOS管组成的驱动开关频率不小于1M，使得输出电流(LED灯的功率)不断变化但人眼难以识别。

接收端包括光电接收电路、信号调理电路、控制器B和用户界面，光电接收电路采用接收靶面较大的PIN光电二极管，在降低成本的同时，能够检测接收到较微弱的光信号；信号调理电路由低噪声放大电路和低通滤波电路构成，低噪声放大电路将光电二极管输出的高频电流信号放大；该接收端封装于可穿戴物品或固定夹上，便于用户携带。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明照明和定位同时进行：使用LED灯作发射终端，从而用于室内定位目的的可见光通信的VLC系统均可在用于照明的地方提供服务。利用其光束的强弱变化进行编号，依此定位其附近的目标体。从而降低成本，且基本可实现全面定位覆盖。而且除一些必要的信号处理，几乎不需多余的功率消耗，在一定程度上节约了设备成本；

2、本发明基于VLC设计的定位系统不会产生任何射频干扰，因此可以部署在射频辐射被严格限制的环境中(如机舱、医院等)；

3、本发明定位精度高：利用光波作为媒介，波长小，能有效抵抗多径效应以及来自其他无线手持设备的干扰，定位精度可以保持厘米级别，所以比无线电波能提供更高的定位精度；

4、本发明的服务用户数不限：由于本发明采用广播的传输方式，并非一对一的用户传输，可以同时服务于所有用户，保证定位频率；

5、本发明的数据信息的推送：在定位的同时，可以根据用户的位置，推送相关服务信息；

6、本发明提供的定位方法，在个别LED灯出现异常的情况下仍可为用户提供精确的定位服务，通过多次求得定位坐标的平均值并进行拟合估计，保障了定位精确度。

附图说明

图1为本发明提供的室内定位导航装置的结构框图。

图2为LED灯阵列的分布示意图。

图3为单个LED灯的驱动电路图。

图4为接收端低噪声放大电路的电路图。

图5为接收端二阶低通滤波电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

以各房间中由6个LED灯正方形的分布方式、四面拓展而成的LED灯阵列为例，本发明提供的基于LED照明的室内定位导航方法，包括如下步骤：

(1)对室内LED照明系统中的各LED灯进行编码，设置与各LED灯相对应的ID编码，ID编码由位置编码和识别码构成，其中位置编码为M位二进制字符串，位置编码与对应LED灯所在的三维空间坐标(x_i，y_i，z_i)相对应，识别码为N位二进制字符串，识别码中“1”表示亮，对应的LED灯发射功率为5W，“0”表示暗，对应发射功率是3W，各ID编码的识别码中“0”的个数相同，i＝1，2，3，4，5，6；

(2)设计由帧头和定位时段组成的定位数据帧，其中帧头确定所发送的定位时段，定位时段等分为2个以上时隙，分别记作时隙1、时隙2……，定位时段标志对应LED灯发光的时隙，各LED灯按照与其对应的时隙发光照明，各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成数据光信号；

(3)接收端接收各LED灯的数据光信号，根据公式①计算接收的数据光信号所对应LED灯的功率P_ri，公式①为：

①

其中，α为设定的接收端内部接收电路的矫正系数，α＝0～10，V_i为接收端测得的对应LED灯的光电流转换电压，R是接收端内部接收电路的输出电阻，G是接收端内部接收电路的增益，是设定的接收端的光电响应度，优选

(4)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算垂直距离 根据公式②计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算空间距离公式②为：

${\hat{d}}_i=\sqrt{\frac{(m+1)*{\hat{h}}_i^2*A*T_s\left(\mathrm{\ψ}\right)*g\left(\mathrm{\ψ}\right)*P_t}{2{\mathrm{\πP}}_{ri}}}$ ②

其中，m是LED灯的朗伯系数，ψ是LED灯入射光与探测器的角度，A是接收端光接收面的物理探测面积，A＝5mm²～15mm²，优选A＝10mm²，T_s(ψ)是接收端的传播系数，T_s(ψ)＝0～1，优选T_s(ψ)＝1，g(ψ)是接收端的电学增益，g(ψ)＝1～10，优选g(ψ)＝3，P_t为设定的LED灯的发射功率，为接收端的估算高度，

(5)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算水平距离计算公式为 ${\hat{r}}_i=\sqrt{{\hat{d}}_i^2-{\hat{h}}_i^2};$

(6)进行初步位置估算：

a、当接收端接收到3个不在同一直线上的LED灯或4个以上LED灯的数据光信号时，选择接收的数据光信号功率强度最大的k个LED灯，k≥3，根据三角定位法计算初始三维坐标初始三维坐标中为步骤(4)中确定的接收端的估算高度，计算公式为：

$\hat{S}=\[{\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0\],\hat{S}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B,$

其中： $A=\left[\begin{array}{cc}{x}_2-x_1& y_2-y_1\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_k-x_1& y_k-y_1\end{array}\right],B=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_2^2)+(x_2^2+y_2^2)-(x_1^2+y_1^2)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ ({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_k^2)+(x_k^2+y_k^2)-(x_1^2+y_1^2)\end{array}\right];$

b、当接收端仅接收到3个共线的LED灯的数据光信号时，通过公式 $({\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0)=\left(\right(X_a+X_b)/2,(y_a+y_b)/2)$ 计算初始三维坐标其中X_a和Y_a为方程组①的解，X_b和Y_b为方程组②的解，x₂和y₂分别为位于中间的LED灯的横坐标和纵坐标，方程组①和方程组②分别为：

$\left\{\begin{array}{c}(2x_2-2x_1)X_a+(2y_2-2y_1)Y_a={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-y_1^2\\ (y_2-y_1)X_a-(x_2-x_1)Y_a=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$ ①，

$\left\{\begin{array}{c}(2x_2-2x_3)X_b+(2y_2-2y_3)Y_b={{\hat{r}}_3}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_3}^2\\ (y_2-y_3)X_b-(x_2-x_3)Y_b=x_3{y}_2-y_3{x}_2\end{array}\right.$ ②；

c、当接收端仅接收到2个LED灯的数据光信号时，计算初始三维坐标 其中和为方程组③的解，方程组③为：

$\left\{\begin{array}{c}(2x_2-2x_1){\hat{X}}_0+(2y_2-2y_1){\hat{Y}}_0={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_1}^2\\ (y_2-y_1){\hat{X}}_0-(x_2-x_1){\hat{Y}}_0=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$ ③；

d、当接收端仅接收到1个LED灯的数据光信号时，则初始三维坐标 其中x_i和y_i分别为该LED灯的横坐标和纵坐标；

(7)对初始三维坐标进行非线性拟合修正，得到修正坐标 使用置信域方法对修正坐标(X，Y，Z)的坐标值进行修正迭代，直到非线性拟合算子收敛，此时的修正坐标(X，Y，Z)即为定位坐标非线性拟合算子的计算公式为：

${\tilde{S}}_l=\underset{i}{\Σ}(F\left(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i\right)-{\hat{d}}_i{)}^2,$

其中 $F(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i)=\sqrt{{(X-x_i)}^2+{(Y-y_i)}^2+{(Z-z_i)}^2},$ f、g和h均为随机整数，l为迭代次数，△为设定的增量；

(8)将定位坐标发送至用户，配合对应的室内地图进行导航。

本发明还对应提供了用于上述方法的室内定位导航装置，包括发射端和接收端，接收端封装于可穿戴物品或固定夹上；参见图1，发射端包括依次电性连接的控制器A、驱动电路和LED灯阵列；接收端包括光电接收电路、信号调理电路、控制器B和用户界面，光电接收电路和信号调理电路连接控制器B的输入端，用户界面连接控制器B的输出端；

控制器A采用单片机型号为MSP430F133或同类支持IEEE1588硬件时间同步协议的高速以太网单片机实现，单片机负责光定位功能所需的分布式时钟校准，待广播数据的存储，控制LED电路工作；

驱动电路，包括2个以上驱动芯片，参见图3，驱动芯片由MOS管构成，驱动芯片的开关频率不小于1MHz，LED灯阵列中各LED灯均配以相应功率的高速开关型驱动电路，实现发射信号的编码，即当驱动开关打开代表示送编码为“1”，当开关关闭表示发送编码“0”，并且使得各LED灯的ID编码以不小于1M的符号速率在可见光数据链路上进行数据发送，形成数据光信号；

LED灯阵列由2个以上呈矩形网格排布的LED灯构成，参见图2，6个LED灯以正方形形式安装于每个空间单元的顶面即天花板上，灯距1m～2m，LED灯选用最常见的白光LED，可以根据照明需要调整其照明功率；

光电接收电路采用接收靶面较大的PIN光电二极管OSRAMBPW34，在降低成本的同时，能够检测接收到较微弱的光信号；

信号调理电路采用AD8304，参见图4，其内部的低噪声JFET放大电路，负责将光电二极管输出的高频电流信号放大；参见图5，二阶低通滤波电路采用LF353A进行滤波，输出至控制器B；

控制器B为具有超低功耗特性的功能强大的16位单片机MSP430F133，内部带有A/D转换电路和译码电路，MSP430F133子系列具有FLASH存储器，具备适合应用在自动信号采集系统、能进行数模之间的相互转换，以及编码译码功能，电池供电便携式装置、超长时间连续工作的设备等领域的特点，开发方便，也可以现场编程，A/D转换电路和译码电路，接收A/D转换完的数据，对调理过的光电信号进行采样，实时解码，同时将数据连同光强信息存入缓冲区，并以并行总线的方式高速传输给MSP430F133控制中心；

用户界面中预置室内地图，起导航显示作用。

Claims (9)

1.一种基于LED照明的室内定位导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对室内LED照明系统中的各LED灯进行编码，设置与各LED灯相对应的ID编码，ID编码由位置编码和识别码构成，其中位置编码为M位二进制字符串，位置编码与对应LED灯所在的三维空间坐标(x_i，y_i，z_i)相对应，识别码为N位二进制字符串，识别码中“1”表示亮，对应的LED灯发射功率为P₁，“0”表示暗，对应发射功率为P₂，P₁：P₂＝10：6～10：9，各ID编码的识别码中“0”的个数相同，i、N和M均为正整数；

(2)将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成数据光信号；

(3)接收端接收各LED灯的数据光信号，根据公式①计算接收的数据光信号所对应LED灯的功率P_ri，公式①为：

①

其中，α为设定的接收端内部接收电路的矫正系数，V_i为接收端测得的对应LED灯的光电流转换电压，R是接收端内部接收电路的输出电阻，G是接收端内部接收电路的增益，是设定的接收端的光电响应度；

(4)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算垂直距离 根据公式②计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算空间距离公式②为：

${\hat{d}}_i=\sqrt{\frac{\left(m+1\right)*{{\hat{h}}_i}^2*A*T_s\left(\mathrm{\ψ}\right)*g\left(\mathrm{\ψ}\right)*P_t}{2{\mathrm{\πP}}_{ri}}}$ ②

其中，m是LED灯的朗伯系数，ψ是LED灯入射光与探测器的角度，A是接收端光接收面的物理探测面积，A＝5mm²～15mm²，T_s(ψ)是接收端的传播系数，T_s(ψ)＝0～1，g(ψ)是接收端的电学增益，g(ψ)＝1～10，P_t为设定的LED灯的发射功率，为接收端的估算高度， ${\hat{Z}}_0=0m~2.0m;$

(5)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算水平距离计算公式为 ${\hat{r}}_i=\sqrt{{{\hat{d}}_i}^2-{{\hat{h}}_i}^2};$

(6)进行初步位置估算：

a、当接收端接收到3个不在同一直线上的LED灯或4个以上LED灯的数据光信号时，选择接收的数据光信号功率强度最大的k个LED灯，k≥3，根据三角定位法计算初始三维坐标初始三维坐标中为步骤(4)中确定的接收端的估算高度，计算公式为：

$\hat{S}=\[{\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0\],\hat{S}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B,$

其中： $A=\left[\begin{array}{cc}{x}_2-x_1& y_2-y_1\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_k-x_1& y_k-y_1\end{array}\right],$ $B=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_2^2)+(x_2^2+y_2^2)-(x_1^2+y_1^2)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ ({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_k^2)+(x_k^2+y_k^2)-(x_1^2+y_1^2)\end{array}\right];$

b、当接收端仅接收到3个共线的LED灯的数据光信号时，通过公式 $({\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0)=\left(\right(X_a+X_b)/2,(Y_a+T_b)/2)$ 计算初始三维坐标其中X_a和Y_a为方程组①的解，X_b和Y_b为方程组②的解，x₂和y₂分别为位于中间的LED灯的横坐标和纵坐标，方程组①和方程组②分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(2x_2-2x_1\right)X_a+\left(2y_2-2y_1\right)Y_a={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_1}^2\\ \left(y_2-y_1\right)X_a-\left(x_2-x_1\right)Y_a=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$ ①，

$\left\{\begin{array}{c}\left(2x_2-2x_3\right)X_b+\left(2y_2-2y_3\right)Y_b={{\hat{r}}_3}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_3}^2\\ \left(y_2-y_3\right)X_b-\left(x_2-x_3\right)Y_b=x_3{y}_2-y_3{x}_2\end{array}\right.$ ②；

c、当接收端仅接收到2个LED灯的数据光信号时，计算初始三维坐标 其中和为方程组③的解，方程组③为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(2x_2-2x_1\right){\hat{X}}_0+\left(2y_2-2y_1\right){\hat{Y}}_0={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_1}^2\\ \left(y_2-y_1\right){\hat{X}}_0-\left(x_2-x_1\right){\hat{Y}}_0=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$ ③；

d、当接收端仅接收到1个LED灯的数据光信号时，则初始三维坐标 其中x_i和y_i分别为该LED灯的横坐标和纵坐标；

(7)对初始三维坐标进行非线性拟合修正，得到修正坐标 使用置信域方法对修正坐标(X，Y，Z)的坐标值进行修正迭代，直到非线性拟合算子收敛，此时的修正坐标(X，Y，Z)即为定位坐标非线性拟合算子的计算公式为：

${\tilde{S}}_l=\underset{i}{\Σ}{\left(F\right(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i)-{\hat{d}}_i)}^2,$

其中 $F(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i)=\sqrt{{(X-x_i)}^2+{(Y-y_i)}^2+{(Z-z_i)}^2},$ f、g和h均为随机整数，l为迭代次数，△为设定的增量；

(8)将定位坐标发送至用户，配合对应的室内地图进行导航。

2.根据权利要求1所述的基于LED照明的定位导航方法，其特征在于：步骤(2)中将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号的具体内容为，设计由帧头和定位时段组成的定位数据帧，其中帧头确定所发送的定位时段，定位时段等分为2个以上时隙，分别记作时隙1、时隙2……，定位时段标志对应LED灯发光的时隙，各LED灯按照与其对应的时隙发光照明。

3.一种用于权利要求1所述方法的室内定位导航装置，至少包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端包括依次电性连接的控制器A、驱动电路和LED灯阵列，所述驱动电路包括2个以上驱动芯片，所述LED灯阵列由2个以上呈矩形网格排布的LED灯构成，LED灯阵列中各LED灯分别由各驱动芯片驱动动作；所述接收端包括光电接收电路、信号调理电路、控制器B和用户界面，光电接收电路和信号调理电路连接控制器B的输入端，用户界面连接控制器B的输出端。

4.根据权利要求3所述的室内定位导航装置，其特征在于：驱动芯片由MOS管构成，驱动芯片的开关频率不小于1MHz。

5.根据权利要求3所述的室内定位导航装置，其特征在于：LED灯阵列中相邻两个LED灯间隔1m～2m。

6.根据权利要求3所述的室内定位导航装置，其特征在于：所述光电接收电路为PIN光电二极管。

7.根据权利要求3所述的室内定位导航装置，其特征在于：所述信号调理电路由低噪声放大电路和低通滤波电路构成。

8.根据权利要求3所述的室内定位导航装置，其特征在于：所述控制器A为支持IEEE1588硬件时间同步协议的高速以太网单片机，控制器B为内部带有A/D转换电路和译码电路的单片机。

9.根据权利要求3所述的室内定位导航装置，其特征在于：所述接收端封装于可穿戴物品或固定夹上。