CN105425210A

CN105425210A - 一种室内可见光定位系统及方法

Info

Publication number: CN105425210A
Application number: CN201510849295.4A
Authority: CN
Inventors: 林邦姜; 汤璇; 张士灏; 李艺伟
Original assignee: Quanzhou Institute of Equipment Manufacturing
Current assignee: Quanzhou Institute of Equipment Manufacturing
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-03-23

Abstract

本发明公开了一种室内可见光定位系统，通过LED灯、手持接收终端以及定位算法共同完成室内定位技术。LED灯在自身分配到的载波上调制位置信息，并进行逆快速傅里叶变换，然后送入驱动电路，以可见光的形式通过自由空间传播到空气信道。接收端通过光学透镜进行光汇聚，将其转换为电信号，进一步快速傅里叶变换，进行数字解调，并根据所检测的三个最强的功率信息，通过朗伯模型估算接收端与LED灯之间的距离。根据所携带的发射端位置坐标信息以及估计距离信息，最终计算接收坐标，进行定位。本发明可增强通信的可靠性，提高定位精度，有效抵抗LED小区之间通信的干扰。

Description

一种室内可见光定位系统及方法

技术领域

本发明涉及室内可见光通信定位技术领域，尤其涉及基于正交频分复用的可见光定位系统

背景技术

随着多媒体业务的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增加，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、仓库、超市、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。室外定位可以借助全球定位系统(GPS)，通过接受4个或4个以上的卫星信号估计接收终端的位置信息。但对于室内环境，受障碍物及建筑物的影响，其定位精度及灵敏度严重下降。尽管用于室内定位的射频识别(RFID)、红外线、无线局域网(WLAN)等技术可以提供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，不仅影响定位质量，而且不能保障安全性。

可见光通信作为一种新兴无线通信方式，因其能效高，绿色环保，不受电磁干扰影响，兼具照明和通信两种功能等优势而成为近年来的一个研究热点，基于可见光通信的室内定位技术也随之被提出，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。常见的可见光定位系统采用基于LED标签的方法将位置信息加载到不同的LED上，接收端通过对位置信息进行解调处理实现被动定位，其采用基于OOK的强度调制直接检测的方式，易于实现、算法复杂度低、成本低，但是这种方式的定位误差较大，同时存在相邻LED小区光信号干扰。针对相邻LED小区光信号干扰，一种基于可见光标签的室内定位方法(CN103823204B)提出了利用对每个LED编制唯一的ID号来抵抗相邻光干扰。但该方法直接定义利用等边三角形估算接收端坐标位置，未考虑光的遮挡性以及信号传播过程中多径效应的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种室内可见光定位系统及方法，其可增强通信的可靠性，提高定位精度，有效抵抗LED小区之间通信的干扰。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种室内可见光定位方法，通过如下步骤实现：

步骤1：将各个LED灯的二进制位置信息的比特序列进行串并转换，得到多路并行的二进制位置信息，并将此多路并行的二进制位置信息调制到相互正交的子载波上，得到多路并行的调制位置信息；

步骤2：对步骤1所得的多路并行的调制位置信息分别依次进行逆离散傅里叶变换、加入循环前缀和并串转换，分别得到调制编码后的信号，再分别通过驱动电路将相应的调制编码后的信号转换为光信号，通过相应的LED灯将此光信号以光照明的形式发送到空气信道；

步骤3：通过手持接收终端对上述各个LED灯发送来的可见光进行汇聚并转化为电信号；

步骤4：对上述各个电信号分别依次进行同步、去掉循环前缀、串并转换、离散傅里叶变换和子载波解调，对解调后所得的各个子载波进行判断，选取其中射频功率最强的三个子载波；

步骤5：根据此射频功率最强的三个子载波的射频功率信息采用基于朗伯辐射模型的公式估算相应的三个LED灯的位置坐标分别与探测节点之间的距离，分别得到估算的距离值{d_e1,d_e2,d_e3}；

步骤6：通过此估算的距离值{d_e1,d_e2,d_e3}利用三边测量法进行定位计算，其公式如下：

\{\begin{matrix} {d_{e 1}}^{2} = {(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} + {(z_{1} - z)}^{2} \\ {d_{e 2}}^{2} = {(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} + {(z_{2} - z)}^{2} \\ {d_{e 3}}^{2} = {(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} + {(z_{3} - z)}^{2} \end{matrix}

其中，x_i、y_i、z_i(i＝1,2,3)分别为与射频功率最强的三个子载波相应的三个LED灯的位置坐标，x、y、z为探测节点的位置坐标，求解式中的三个线性方程，便得到探测节点的具体位置。

上述各个LED灯采用小区网格方式布局，具体是：将空间按照类似移动通信蜂窝布局规则，一个区域划分为8个小区，相邻小区之间采用相互正交的子载波，同时保证多个区域之间相邻处子载波不同，消除相邻小区之间的干扰；每个小区中心点处设置一个LED灯，此时在同一区域及边缘相邻区域之间组成多个三角形，各个三角形分别与探测节点构成不同的倒三棱锥结构；不同频分区域相互组合，形成多个倒三棱锥空间单元，每个倒三棱锥空间单元中，相应的三个LED灯围成此倒三棱锥空间单元的底面，探测节点为此倒三棱锥空间单元顶点。

一种室内可见光定位系统，包括前端信号处理部分、发射端和手持接收终端，前端信号处理部分的输出端连接发射端的输入端，发射端与手持接收终端之间通过空气通道传输信息；

前端信号处理部分包括依次连接的信号产生模块、第一串并转换模块和子载波调制模块，其中：

信号产生模块，产生对应于各个LED灯的二进制位置信息；

第一串并转换模块，将各所述二进制位置信息的比特序列进行串并转换，得到多路并行的二进制位置信息；

子载波调制模块，将所述多路并行的二进制位置信息调制到相互正交的不同的子载波上，得到多路并行的调制位置信息；

发射端对应于各个LED灯设置有多个，每个发射端包括依次连接的逆离散傅里叶变换模块、加入循环前缀模块、并串转换模块、驱动电路和LED灯，其中：

逆离散傅里叶变换模块，连接于子载波调制模块的相应输出端，对相应的上述调制位置信息进行逆离散傅里叶变换；

加入循环前缀模块，为上述逆离散傅里叶变换模块输出的信息加入循环前缀；

并串转换模块，对上述加入循环前缀模块输出的信号进行并串转换，得到调制编码后的信号；

驱动电路，将上述调制编码后的信号转换为光信号；

LED灯，通过LED灯将上述光信号以光照明的形式发送到空气信道；

上述手持接收终端具有光学透镜、光电探测器、同步模块、去循环前缀模块、第二串并转换模块、离散傅里叶变换模块、子载波解调模块和信号处理模块，光电探测器设置于光学透镜的出光侧，且光电探测器、同步模块、去循环前缀模块、第二串并转换模块、离散傅里叶变换模块、子载波解调模块和信号处理模块依次电连接，其中：

光学透镜，对各个LED灯发送来的可见光进行汇聚，得到汇聚可见光；

光电探测器，将上述汇聚可见光的光信号转换为电信号；

同步模块，对光电探测器输出电信号进行同步处理；

去循环前缀模块，将经同步处理的上述电信号中的循环前缀模块去除；

串并转换模块，将对上述去循环前缀模块输出的信号进行串并转换；

离散傅里叶变换模块，将上述串并转换模块输出的信号变换到频域，进行信道均衡；

子载波解调模块，对上述离散傅里叶变换模块输出的信号进行解调；

信号处理模块，对上述子载波解调模块输出的各个解调后的子载波进行判断，选取其中射频功率最强的三个子载波，根据此三个子载波的射频功率信息采用基于朗伯辐射模型的公式估算相应的三个LED灯的位置坐标分别与探测节点之间的距离，分别得到估算的距离值{d_e1,d_e2,d_e3}，通过此估算的距离值{d_e1,d_e2,d_e3}利用三边测量法进行定位计算，其公式如下：

\{\begin{matrix} {d_{e 1}}^{2} = {(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} + {(z_{1} - z)}^{2} \\ {d_{e 2}}^{2} = {(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} + {(z_{2} - z)}^{2} \\ {d_{e 3}}^{2} = {(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} + {(z_{3} - z)}^{2} \end{matrix}

采用上述方案后，本发明通过采用可见光通信实现室内定位，将广泛普及密集覆盖的LED光源用于定位，同时兼顾照明和定位两种功能，实现泛在覆盖绿色通信；本发明的室内可见光定位系统不占用频谱资源，对于解决现有的频谱资源紧缺的问题提供了较好的途径和方法。定位过程引入多个LED发射端，并合理地选择三个功率最强的子载波采用三边定位算法估计探测节点坐标信息，有效地解决了光线遮挡问题，将误差距离降低为厘米级。

进一步地，本发明采用正交频分复用技术，有效抑制多径效应，进一步提升传输速率，提供百Mbps甚至Gbps的无线光通信速率，在人口密集区域也可以作为一种高速率的通信方式。LED小区网格布局采用蜂窝网络结构，基于载波分配的方法抑制相邻小区之间的可见光干扰，增强抗干扰能力以及健壮性、并可以将带宽资源分配灵活，满足室内定位系统的高灵敏度通信需求。

本发明中，发射端先进行载波分配，并进行逆离散傅里叶变换，然后在接收端经过离散傅里叶变换，解调信息，有效降低了多径效应的影响。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图；

图2为本发明中基于正交频分复用的LED小区网络结构示意图；

图3为本发明中LED小区网络结构的三维立体示意图；

图4为本发明中LED定位系统模型图；

图5为本发明的定位算法流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例来进一步详细说明本发明的实施方式。

本发明的一种室内可见光定位方法，如图5所示，通过如下步骤实现：

步骤4：对上述各个电信号分别依次进行同步、去掉循环前缀和串并转换，再分别通过离散傅里叶变换将经串并转换的各个电信号变换到频域，进行信道均衡，然后分别对经离散傅里叶变换的各个电信号进行子载波解调，对所得的各个子载波进行判断，选取其中射频功率最强的三个子载波；

\{\begin{matrix} {d_{e 1}}^{2} = {(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} + {(z_{1} - z)}^{2} \\ {d_{e 2}}^{2} = {(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} + {(z_{2} - z)}^{2} \\ {d_{e 3}}^{2} = {(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} + {(z_{3} - z)}^{2} \end{matrix}

本发明的一种室内可见光定位系统，如图1所示，包括前端信号处理部分、发射端和手持接收终端，前端信号处理部分的输出端连接发射端的输入端，发射端与手持接收终端之间通过空气通道传输信息；

信号产生模块，产生对应于安装在天花板上的各个LED灯的二进制位置信息；

驱动电路，将上述调制编码后的信号转换为光信号；

光电探测器，将上述汇聚可见光的光信号转换为电信号；

同步模块，对光电探测器输出电信号进行同步处理；

\{\begin{matrix} {d_{e 1}}^{2} = {(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} + {(z_{1} - z)}^{2} \\ {d_{e 2}}^{2} = {(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} + {(z_{2} - z)}^{2} \\ {d_{e 3}}^{2} = {(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} + {(z_{3} - z)}^{2} \end{matrix}

本发明中，各个LED灯采用小区网格方式布局，具体是：如图2所示，将空间按照类似移动通信蜂窝布局规则，一个区域划分为8个小区(图2中虚线所连的部分f1-f8构成一个区域)，相邻小区之间采用相互正交的子载波，同时保证多个区域之间相邻处子载波不同，以消除相邻小区之间的干扰；每个小区中心点处，如图2中虚线区域内各个顶点处分别设置一个LED灯，此时在同一区域及边缘相邻区域之间组成多个三角形，各个三角形分别与探测节点形成不同的倒三棱锥结构；如图3所示，不同频分区域相互组合，形成多个倒三棱锥空间单元，每个倒三棱锥空间单元中，相应的三个LED灯围成此倒三棱锥空间单元的底面，(图3中，T₁、T₂和T₅围成倒三棱锥空间单元的底面)，探测节点为倒三棱锥空间单元的顶点。

本发明中，相邻小区之间采用相互正交的子载波，手持接收终端离散傅里叶变换后，在频域将不同小区的数据信息区分开，有效地缓解了相邻LED灯间光噪声干扰的影响，提高接收端抗干扰能力。当其中一个小区的光线发生遮挡时，探测节点可根据接收功率情况，自动更新选择能力，增强系统的鲁棒性，避免因光线遮挡，引起的估计结果误差等情况。

各区域的具体工作方式以如图4所示的模型为例，其中T₁、T₂、T₅和探测节点P构成三棱锥空间单元，T₁、T₂、T₅载频分别为f₁、f₂、f₅，其位置分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₅,y₅,z₅)，T₁、T₂、T₅与P的距离分别用d₁、d₂、d₅表示。当探测节点处于如图3中某位置，手持接收终端探测到不同功率的信标节点信息，并在未遮挡光源的情况下，通过检测，得到三个功率最强，如在图3中所示区域的探测点，通过测得数据分析，得到T₁，T₂，T₅节点的功率最强。当T₂处光源受到遮挡，手持接收终端自动检测到T₁，T₆，T₅处功率最强，舍弃其他检测到的功率值，通过朗伯模型估算该探测节点分别与这三个信标节点之间的距离，并通过离散傅里叶变换后，由解调模块和信号处理模块得到这三个节点所携带的信息，包括其标号，位置坐标，以及其他信息，比如商业广告类信息。

本发明的室内可见光定位系统，通过安装在天花板上的LED灯、手持接收终端以及定位算法共同完成室内定位技术。在手持接收终端的信号处理模块的输出端连接一显示模块，用户便可通过手持接收终端的显示模块看到自己的实时位置，并且可以看到目的地的位置。

本发明的室内可见光定位系统，使用LED灯作为参考信号发射源，LED灯与手持接收终端距离以及功率的计算方法可由室内可见光的信道特性以及基于信号功率的感知方法来确定，除上述估计方法之外，还可以根据实际情况对估计距离进行相应的校正。

Claims

1.一种室内可见光定位方法，其特征在于，通过如下步骤实现：

\{\begin{matrix} {d_{e 1}}^{2} = {(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} + {(z_{1} - z)}^{2} \\ {d_{e 2}}^{2} = {(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} + {(z_{2} - z)}^{2} \\ {d_{e 3}}^{2} = {(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} + {(z_{3} - z)}^{2} \end{matrix}

2.根据权利要求1所述的一种室内可见光定位方法，其特征在于：上述各个LED灯采用小区网格方式布局，具体是：将空间按照类似移动通信蜂窝布局规则，一个区域划分为8个小区，相邻小区之间采用相互正交的子载波，同时保证多个区域之间相邻处子载波不同，消除相邻小区之间的干扰；每个小区中心点处设置一个LED灯，此时在同一区域及边缘相邻区域之间组成多个三角形，各个三角形分别与探测节点构成不同的倒三棱锥结构；不同频分区域相互组合，形成多个倒三棱锥空间单元，每个倒三棱锥空间单元中，相应的三个LED灯围成此倒三棱锥空间单元的底面，探测节点为此倒三棱锥空间单元顶点。

3.一种室内可见光定位系统，其特征在于：包括前端信号处理部分、发射端和手持接收终端，前端信号处理部分的输出端连接发射端的输入端，发射端与手持接收终端之间通过空气通道传输信息；

信号产生模块，产生对应于各个LED灯的二进制位置信息；

驱动电路，将上述调制编码后的信号转换为光信号；

光电探测器，将上述汇聚可见光的光信号转换为电信号；

同步模块，对光电探测器输出电信号进行同步处理；

\{\begin{matrix} {d_{e 1}}^{2} = {(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} + {(z_{1} - z)}^{2} \\ {d_{e 2}}^{2} = {(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} + {(z_{2} - z)}^{2} \\ {d_{e 3}}^{2} = {(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} + {(z_{3} - z)}^{2} \end{matrix}

4.根据权利要求3所述的一种一种室内可见光定位系统，其特征在于：上述各个LED灯采用小区网格方式布局，具体是：将空间按照类似移动通信蜂窝布局规则，一个区域划分为8个小区，相邻小区之间采用相互正交的子载波，同时保证多个区域之间相邻处子载波不同，消除相邻小区之间的干扰；每个小区中心点处设置一个LED灯，此时在同一区域及边缘相邻区域之间组成多个三角形，各个三角形分别与探测节点构成不同的倒三棱锥结构；不同频分区域相互组合，形成多个倒三棱锥空间单元，每个倒三棱锥空间单元中，相应的三个LED灯围成此倒三棱锥空间单元的底面，探测节点为此倒三棱锥空间单元顶点。