CN105717488B - 一种基于可见光通信的优选二光源室内定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可见光通信的优选二光源室内定位方法,包括以下步骤:S1:初始化,S2:启动系统,S3:信号接收及信号处理,S4:排序,S5:初步定位,S6:选定光源,S7:测量距离,S8:计算相对坐标,S9:计算精确坐标。本发明还公开了一种基于可见光通信的优选二光源室内定位系统,包括LED照明通信控制管理系统,所述LED照明通信控制管理系统与LED照明通信一体化模块双向电信号连接,所述LED照明通信一体化模块与定位模块单向信号连接。本发明用于定位系统具有定位速度快、结构简单、稳定性高、定位精度高于同类系统等特点。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位方法领域,具体为一种基于可见光通信的优选二光源室内定位方法及系统。
背景技术
基于LED绿色照明光源的可见光通信定位技术具有室内覆盖广、节能、安全、布设简单、成本低、电磁兼容性好等突出优点。目前研究中涉及到的定位算法主要有指纹识别法、可见光信标、图像传感器成像法和几何测量法。几何测量法主要采用三边定位法、三角定位法和双曲线定位法,这三种方法都需要通过测量几何关系中的边长或角度,从而计算出待测点的位置信息,具体的测量方法主要有:信号到达时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号强度(RSS)、信号往返时间(RTOF)、信号到达角度(AOA)等。目前几何测量法主要针对二维平面点的定位,算法效率不够高,定位速度比较慢,最少需要解三个方程,有的需要解四个以上的方程,而不同测距方法对定位精度影响较大,在室内环境由于信号多径反射、发光强度波动、人和物的移动会对信号光的遮挡都会影响定位的精度和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于可见光通信的优选二光源室内定位方法及系统,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于可见光通信的优选二光源室内定位方法,包括以下步骤:
S1:初始化,LED照明通信控制管理系统根据设定的各LED灯信标、坐标数据、被定位物体所处平面距LED照明灯分布平面的垂直距离h、多址方式和正交码配置对LED照明通信一体化模块进行数据初始化;
S2:启动系统,LED照明通信一体化模块的驱动电路为LED上电,使各LED发光,调制电路根据设置的数字调制方式和多址方式周期性的发送各LED的信标和坐标数据,同时,一体化模块根据发光强度检测电路检测到的各LED发光强度调整直流偏置电流的大小,使得各LED发光强度相等;
S3:信号接收及信号处理,定位模块通过光探测器接收光信号并转换为电信号,通过滤波、信号放大、以及同发送端相对应的解调及解码方式,得到照明系统各LED所发射的信标、坐标、垂直高度的数值,通过测量与各LED灯所对应的接收信号的强度大小,并保存这些数据供下一步的排序操作使用;
S4:排序,通过比较所接收到的各LED信号强度的大小,按由大到小的顺序排序;
S5:初步定位,通过接收到的LED信标及其对应信号强度大小,可判断接收器所处的位置范围,在此基础上优选出两个信号质量最好的LED光源;
S6:选定光源,确定优选的定位LED光源后,以此两光源的连线为x轴,其中一个光源为坐标原点,通过判断接收器投影到LED照明灯分布平面的位置,此位置到x轴的垂直连线的平行线且过坐标原点,方向指向接收器投影一侧为y轴方向;
S7:测量距离,测量两个优选光源与定位物体之间的距离,由接收信号强度法(RSS)测距,得到r1和r2的值;
S8:计算相对坐标,通过公式(4)和公式(5)得出接收器的相对位置坐标信息(x,y),其中公式(4)为;公式(5)为;
式中,Rxy为R在xy平面的垂直投影,R为定位接收器的位置,R距LED灯分布的xy平面垂直距离为h,R2距离优选的两个LED灯L4和L5的距离分别为r1和r2,L4为LED灯L4的位置,L5为LED灯L5的位置,a为每行和每列相邻的LED灯间距,
S9:计算精确坐标,根据接收到的两个优选光源的绝对坐标信息,把代入公式得出的接收器相对位置坐标(x,y)转换为室内空间的绝对坐标,即确定出被定位物体在室内空间的位置信息。
一种基于可见光通信的优选二光源室内定位系统,包括LED照明通信控制管理系统,所述LED照明通信控制管理系统与LED照明通信一体化模块双向电性连接,所述LED照明通信一体化模块与定位模块信号连接。
优选的,所述定位模块由光信号接收模块、信号处理模块构成。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明通过简化三边定位算法,只需要优选出两个LED光源,通过这两个LED光源的位置信息和测距结果确定定位点的坐标,本发明通过提出的算法,避免了普通算法效率低的问题,同时通过测量条件的优化提高了定位精度,本发明用于定位系统具有定位速度快、结构简单、稳定性高等特点。
附图说明
图1为本发明室内定位系统结构示意图;
图2为定位的流程图;
图3为室内照明模型图;
图4为二光源定位几何关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4,本发明提供一种技术方案:一种基于可见光通信的优选二光源室内定位方法,包括以下步骤:
S1:初始化,LED照明通信控制管理系统根据设定的各LED灯信标、坐标数据、被定位物体所处平面距LED照明灯分布平面的垂直距离h、多址方式和正交码配置对LED照明通信一体化模块进行数据初始化;
S2:启动系统,LED照明通信一体化模块的驱动电路为LED上电,使各LED发光,调制电路根据设置的数字调制方式和多址方式周期性的发送各LED的信标和坐标数据,同时,一体化模块根据发光强度检测电路检测到的各LED发光强度调整直流偏置电流的大小,使得各LED发光强度相等;
S3:信号接收及信号处理,定位模块通过光探测器接收光信号并转换为电信号,通过滤波、信号放大、以及同发送端相对应的解调及解码方式,得到照明系统各LED所发射的信标、坐标、垂直高度等数据,通过测量与各LED灯所对应的接收信号的强度大小,并保存这些数据供下一步的排序操作使用;
S4:排序,通过比较所接收到的各LED信号强度的大小,按由大到小的顺序排序;
S5:初步定位,通过接收到的LED信标及其对应信号强度大小,可判断接收器所处的位置范围,在此基础上优选出两个信号质量最好的LED光源;
S6:选定光源,确定优选的定位LED光源后,以此两光源的连线为x轴,其中一个光源为坐标原点,通过判断接收器投影到LED照明灯分布平面的位置,此位置到x轴的垂直连线的平行线且过坐标原点,方向指向接收器投影一侧为y轴方向;
S7:测量距离,测量两个优选光源与定位物体之间的距离,由接收信号强度法(RSS)测距,得到r1和r2的值;
S8:计算相对坐标,通过公式(4)和公式(5)得出接收器的相对位置坐标信息(x,y),公式(4)为:
公式(5)为:
式中,Rxy为R在xy平面的垂直投影,R为定位接收器的位置,R距LED灯分布的xy平面垂直距离为h,距离优选的两个LED灯L4和L5的距离分别为r1和r2,L4为LED灯L4的位置,L5为LED灯L5的位置,a为每行和每列相邻的LED灯间距,
S9:计算精确坐标,根据接收到的两个优选光源的绝对坐标信息,把代入公式得出的接收器相对位置坐标(x,y)转换为室内空间的绝对坐标,即确定出被定位物体在室内空间的位置信息。
一种基于可见光通信的优选二光源室内定位系统,包括LED照明通信控制管理系统,LED照明通信控制管理系统与LED照明通信一体化模块双向电性连接,LED照明通信一体化模块与定位模块信号连接,定位模块由光信号接收模块、信号处理模块构成。
为说明本发明的算法,不失一般性给出室内照明模型如图3所示,图3中给出的室内LED照明灯分布平面图,每行和每列相邻的照明灯间距为常数a,间距的大小可根据室内光照度的要求和LED灯发光功率的大小在照明系统设计时进行调整,随着室内空间的增大,照明灯行列数可相应增加。
每个照明灯都分配唯一的ID号标识,并有确定的位置坐标,模型要求每个灯的发光强度相等,实际系统可以通过发光强度控制模块实时监控,保证每个LED等发光强度的一致性。
定位接收器能接收并解调LED灯发射的信标ID和坐标位置信息,接收器能区分不同LED灯所发信号是由于系统采用了以下可选的多址技术:频分多址(包括正交频分多址、波分多址)、时分多址、码分多址等技术。不失一般性,通常反射耗损较大,室内反射光的影响可忽略不计,仅考虑光直线传播(LOS)的情况即可达到一定的定位精度。
定位接收器R可处于室内任意位置,LED灯到接收器R的直线距离随位置变化。
对于实际的室内环境,由于存在人和物的分布变化及移动等情况,会对不同位置的LED灯有不同程度的遮挡,会降低接收对应LED灯发射信号的质量,从而影响到定位精度,为减小这种不利影响,可通过优选用于定位的LED信号灯,以确保测距时获取较高精度的测距值。
LED信号灯优选的具体方法:通过接收器R接收到的LED等信息及其信号强弱判断接收器所处的大致位置范围,在此基础上优选出两个信号质量最好的LED光源。
确定优选的定位LED光源后,以此两光源的连线为x轴,其中一个光源为坐标原点,通过判断接收器投影到LED照明灯分布平面的位置,此位置到x轴的垂直连线的平行线且过坐标原点,方向指向接收器投影一侧为y轴方向,即可由此两个优选光源通过测距及本发明提出的算法得出接收器的位置信息。
接收器R所处的位置正投影到LED灯平面的投影点的判断方法:在保证各LED灯发光功强度一致的条件下,距离LED灯越近,接收到的信号越强,通过比较接收到的各灯信号强度,排出强度前6,接收器R所处的位置在LED灯平面的投影一定在此6灯所围最大面积内。如图3所示,比如接收器R的位置正投影到LED灯平面位于A点,接收到L1、L2、L4、L5灯的信号强度大致相等且大于接收到其它灯的信号强度,可粗略判断接收器R处于L1、L2、L4、L5灯的投影中心位置。如接收器R的位置正投影到LED灯平面位于B点,接收到L5灯和L8灯的信号强度最大,接收到L6灯和L9灯的信号强度次之,可判断LED灯处于L5、L8、L6、L9所围成的正方形区域偏L2、L5灯连线侧。如接收器R的位置正投影到LED灯平面位于C点,接收信号强度排序为L6、L5、L3、L9、L2、L8,且L3、L9强度相等,L2、L8强度相等,则可判断C位于L5、L6连线上。
图4为二光源定位几何关系图,通过优选光源建立空间坐标系,LED灯的空间坐标通过测量已知,或在照明系统设计时确定并在照明工程实施后测量得到实际坐标值,R为定位接收器的位置,假设其距LED分布的xy平面垂直距离为h,距离优选的两个LED灯的距离分别为r1和r2。
定位算法需求出R的坐标x和y,图4中,Rxy为R在xy平面的垂直投影,∠L5 有:
对于三角形ΔL4RxyL5有:
直角三角形ΔRRxyL4、ΔRRxyL5有:
|RxyL4|=(r1 2-h2)1/2,|RxyL5|=(r2 2-h2)1/2 (3)
所以有:
从上表达式可见,相邻灯距和垂直距离h已知,只需测出r1和r2即可实现对R的定位。如图4所示,当R点z轴方向垂直距离变化为h+Δh时,x,y不变。
r1和r2值具体测量可以选择的方法有:信号到达时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号强度(RSS)、信号往返时间(RTOF)、信号到达角度(AOA)等,从简化系统结构考虑,当前推荐采用最简单的信号强度法测量,其他方法成熟后,采用这些方法可以进一步提高定位精度。
本发明实现定位的流程图如图2所示,具体可分为九个步骤:初始化,基本数据载入,功率控制;信号接收及处理;信号解调及多路信号输出;接收信号强度排序;定位物位置初判及优选二个光源;建立坐标系;测出定位点到光源的距离;代入公式(4)、(5)计算出定位点坐标;坐标转换为原始坐标系输出定位物坐标。仿真计算表明,由于优选光源提高了定位精度,由于算法简单,加快了定位时间,由于系统结构简单,保证了运行的稳定性。
仿真计算表明,其它诸如信号到达时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号往返时间(RTOF)、信号到达角度(AOA)测距方法可获取更高的定位精度。
采用信号到达时间(TOA)测距,最好的可见光定位的精度为0.0018m,仿真计算表明,本发明通过优选光源可把定位精度提高到0.0012m。由于算法简单,加快了定位时间,由于系统结构简单,保证了运行的稳定性。
采用信号强度(RSS)测距,最好的可见光定位的精度为0.298m,仿真计算表明,本发明通过优选光源可把定位精度大幅提高到0.0516m。
采用本发明方法,由于算法公式解析表达式已确定,只需代入公式即可得出结果,相比其它算法复杂性大为降低,利于缩短定位时间,实现快速定位。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种基于可见光通信的优选二光源室内定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:初始化,LED照明通信控制管理系统根据设定的各LED灯信标、坐标数据、被定位物体所处平面距LED照明灯分布平面的垂直距离h、多址方式和正交码配置对LED照明通信一体化模块进行数据初始化;
S2:启动系统,LED照明通信一体化模块的驱动电路为LED上电,使各LED发光,调制电路根据设置的数字调制方式和多址方式周期性的发送各LED的信标和坐标数据,同时,一体化模块根据发光强度检测电路检测到的各LED发光强度调整直流偏置电流的大小,使得各LED发光强度相等;
S3:信号接收及信号处理,定位模块通过光探测器接收光信号并转换为电信号,通过滤波、信号放大、以及同发送端相对应的解调及解码方式,得到照明系统各LED所发射的信标、坐标、垂直高度的数值,通过测量与各LED灯所对应的接收信号的强度大小,并保存这些数据供下一步的排序操作使用;
S4:排序,通过比较所接收到的各LED信号强度的大小,按由大到小的顺序排序;
S5:初步定位,通过接收到的LED信标及其对应信号强度大小,可判断接收器所处的位置范围,在此基础上优选出两个信号质量最好的LED光源;
S6:选定光源,确定优选的定位LED光源后,以此两光源的连线为x轴,其中一个光源为坐标原点,通过判断接收器投影到LED照明灯分布平面的位置,此位置到x轴的垂直连线的平行线且过坐标原点,方向指向接收器投影一侧为y轴方向;
S7:测量距离,测量两个优选光源与定位物体之间的距离,由接收信号强度法(RSS)测距,得到r1 和r2 的值;
S8:计算相对坐标,通过公式(4)和公式(5)得出接收器的相对位置坐标信息(x,y),其中公式(4)为;公式(5)为;
式中,Rxy为R在xy平面的垂直投影,R为定位接收器的位置,R距LED灯分布的xy平面垂直距离为h,距离优选的两个LED灯L4和L5的距离分别为r1和r2,L4为LED灯L4的位置,L5为LED灯L5的位置,a为每行和每列相邻的LED灯间距,
S9:计算精确坐标,根据接收到的两个优选光源的绝对坐标信息,把代入公式得出的接收器相对位置坐标(x,y)转换为室内空间的绝对坐标,即确定出被定位物体在室内空间的位置信息。
2.一种实现权利要求1方法的优选二光源室内定位系统,包括LED照明通信控制管理系统,其特征在于:室内LED照明灯分布,其每行和每列相邻的照明灯间距为常数a,照明灯行、列数及常数a可根据需要调整以确定光源空间坐标系;所述LED照明通信控制管理系统与LED照明通信一体化模块双向电性连接,所述LED照明通信一体化模块与定位模块信号连接。
3.根据权利要求2所述的优选二光源室内定位系统,其特征在于:所述定位模块由光信号接收模块、信号处理模块构成。
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