CN105785318A - 基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内定位系统及方法，它包括：近红外LED参考光源、近红外LED待测光源、PIN光电接收单元、脉冲计时器、FPGA数据处理单元、PC主机用户端；该套系统通过分布式的光电探测器获取标准光源和待测光源之间脉冲时间差从而求出标准光源和待测光源到各个光电探测器之间的距离差。通过不同的距离差组合我们可以反解出待测光源的位置。该套系统简单且精度高，只需要设置一定的光电探测分布式阵列，无需传统的定位标签，应用范围从零售部署、自动化物流控制、智能机器人方位识别到增强现实高精度定位肢体任意动作以及其他动作捕捉，以低成本胜任高精度需求。

Description

基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种室内高精度定位方法和系统，尤其涉及一种基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内定位系统及方法。

背景介绍

室内三维定位技术可广泛应用于各领域，目前有很多方案都可以实现不同级别精度的定位。通常来说室内定位的商业价值跟精度成正比、甚至是指数关系：精度越高，商业价值越大。当然不可否认的是以目前的技术方案来看定位精度的提高也会带来成本的极大提高。

现在的室内定位需求大部分为客流统计分析(常用在商场)、实时导航(停车场找车)、基于地理围栏的广告推送，安全监控(火车站甚至矿井)等。这些室内定位的精度需求本身不高因此使得米级别的定位系统方案得以推广。但目前市场上随着智能硬件、智能机器人、增强现实等市场的长足发展，逐渐使得对于毫米级甚至亚毫米级精确定位呈现井喷的需求。室内定位技术正在成为市场竞争的一个热点。

地理位置在未来不仅是人的行为活动的重要基础之一，而且也是所有机器人的活动的眼睛所获得的信息。因此室内定位必定有非常广阔的应用前景。目前比如在汽车厂生产活动中，有很多机械手臂还是需要人控制进行定位工作。在增强现实眼镜中是需要靠陀螺仪以及加速度传感器进行测算头部位移，然而这种测算方式目前有严重的缺陷，在传感器高灵敏度状态下，头部静止会导致画面抖动，然而降低传感器灵敏度会导致眼镜观察图像转换的刷新速度远远跟不上头部转换速度，因此会造成拖影和观察方位不准导致的头晕目眩的不良效果。为了解决此增强现实的问题，关键是解决高精度高速定位的问题。

我们提出的方法是飞行时间法，这种方法使用脉冲光源进行定位。其优势在于高精度毫米到亚毫米精度；反应速度快。

发明内容

本发明的目的在于针对现有室内定位技术的精度局限和不足，提供一种基于一种分布式光电探测器的亚毫米室内精确定位系统及方法。本发明利用相对低廉的LED/激光光源和普通PIN光电接收单元以及GP-21高速时间数字转换器进行系统设计。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内精确定位系统，它包括：近红外LED参考光源、近红外LED待测光源、四个或四个以上PIN光电接收单元、四个或四个以上脉冲计时器、FPGA数据处理单元、PC主机用户端和全相透镜；每个PIN光电接收单元分别与一个脉冲计时器对应；其中，所述近红外LED参考光源和近红外LED待测光源均通过全相透镜发射出近半球状的扇面状的光脉冲信号，近红外LED参考光源的光脉冲信号触发近红外LED待测光源发出光脉冲信号；近红外LED参考光源和近红外LED待测光源的光脉冲信号触发PIN光电接收单元；PIN光电接收单元分别触发对应的脉冲计时器开始计时或停止计时；脉冲计时器将把测得时间差发送到FPGA数据处理单元，FPGA数据处理单元根据时间差，以及近红外LED参考光源、PIN光电接收单元的位置信息，得到精确的LED待测光源位置。

进一步地，所述近红外LED参考光源和近红外LED待测光源均是由能产生纳秒级光脉冲的脉冲光源构成，例如，激光器。

进一步地，所述PIN光电接收单元的精度可达10ps。

进一步地，所述脉冲计时器基于的精度可达10ps。

一种基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内精确定位方法，包括以下步骤：

(1)近红外LED参考光源，通过全相透镜发射出扇面状的光脉冲信号，光脉冲信号触发近红外LED待测光源通过全相透镜也发出一个扇面状的光脉冲信号。当近红外LED参考光源的光脉冲信号到达PIN光电接收单元后，触发脉冲计时器开始计时，当近红外LED待测光源的光脉冲信号到达PIN光电接受单元之后，触发脉冲计时器停止计时。

(2)选取任意四个PIN光电接受单元，四个PIN光电接受单元的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)；四个PIN光电接受单元对应的四个脉冲计时器获得的时间差分别为时间τ₁、τ₂、τ₃、τ₄。

(3)假设LED参考光源的坐标为(0,0,0)，近红外LED参考光源和第一个PIN光电接受单元的距离为：

$L1=\sqrt{x_1^2+y_1^2+z_1^2}$

根据第一个脉冲计时器获得的时间差τ₁，可得到近红外LED待测光源到近红外LED参考光源的距离与近红外LED待测光源到第一个PIN光电接受单元之间的距离和：

L2＝τ₁×c+L1

其中c为光速。根据到两点到定点的距离之和为恒定值，可知，近红外LED待测光源的坐标的解集是一个椭球。该椭球方程为：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}={\mathrm{\τ}}_1\×c+L1$

同理，根据第二个脉冲计时器获得的时间差τ₂，以及第二个PIN光电接受单元的坐标(x₂,y₂,z₂)，得到近红外LED待测光源的坐标的另一个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2+{(z_0-z_2)}^2}={\mathrm{\τ}}_2\×c+L1$

根据第三个脉冲计时器获得的时间差τ₃，以及第三个PIN光电接受单元的坐标(x₃,y₃,z₃)，得到近红外LED待测光源的坐标的第三个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2+{(z_0-z_3)}^2}={\mathrm{\τ}}_3\×c+L1$

根据第四个脉冲计时器获得的时间差τ₄，以及第四个PIN光电接受单元的坐标(x₄,y₄,z₄)，得到近红外LED待测光源的坐标的第四个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_4)}^2+{(y_0-y_4)}^2+{(z_0-z_4)}^2}={\mathrm{\τ}}_4\×c+L1$

(4)联合以上四个方程，可获得LED待测光源所在位置的精确解；

(5)多次重复步骤2～4，得到多个精确解；

(6)对步骤4和5得到的精确解进行平均，得到高精度的位置信息。

本发明的有益效果是，本发明利用PIN光电探测单元对两个光源的脉冲进行高频探测，通过两个脉冲间隔时间进行位置的反推定位，通过四组三元二次方程进行定位求解，每秒钟可脉冲频率可以做到20KHZ到100KHZ。有足够的数据量进行优化计算，并且分布式的多探测点可以组合不同的方程进行求解，这样我们得到的解集有足够样本进行算法筛选。因此可以极大地提高计算精度。这样高精度的三维定位有可能应用在未来虚拟现实VR(VirtualReality)甚至增强现实(ARAugmentedReality)的人位置与虚拟物体之间的定位计算。另外在未来火热的智能硬件方向，在某些有高精度定位要求的场合比如：工厂内机械手臂进行精准细微操作的过程中可以起到非常关键性的作用、

附图说明

图1：是本发明基于分布式光电探测器的亚毫米室内精确定位系统原理示意图；

图2：脉冲计时器对于脉冲时序接收的原理示意图；

图3：脉冲计时器和PIN光电接收单元的原理示意图；

图4为近红外LED待测光源到近红外LED参考光源的距离与近红外LED待测光源到第一个PIN光电接受单元之间的距离的示意图；

图中，近红外LED参考光源1、近红外LED待测光源2、PIN光电接收单元3、脉冲计时器4、FPGA数据处理单元5、PC主机用户端6、全相透镜7。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明一种分布式光电探测器的亚毫米室内精确定位系统，包括：近红外LED参考光源1、近红外LED待测光源2、PIN光电接收单元3、脉冲计时器4、FPGA数据处理单元5、PC主机用户端6、全相透镜7；其中，PIN光电接收单元3和脉冲计时器4均统称为高速测时模块，脉冲计时器4均与FPGA数据处理单元5相连，FPGA数据处理单元5和PC主机用户端6相连；近红外LED参考光源1、近红外LED待测光源2、四个或四个以上PIN光电接收单元3、四个或四个以上脉冲计时器4、FPGA数据处理单元5、PC主机用户端6和全相透镜7；每个PIN光电接收单元3分别与一个脉冲计时器4对应；其中，所述近红外LED参考光源1和近红外LED待测光源2均通过全相透镜7发射出近半球状的扇面状的光脉冲信号，近红外LED参考光源1的光脉冲信号触发近红外LED待测光源2发出光脉冲信号；近红外LED参考光源1和近红外LED待测光源2的光脉冲信号触发PIN光电接收单元3；PIN光电接收单元3分别触发对应的脉冲计时器4开始计时或停止计时；脉冲计时器4将把测得时间差发送到FPGA数据处理单元5，FPGA数据处理单元5根据时间差，以及近红外LED参考光源1、PIN光电接收单元3的位置信息，得到精确的近红外LED待测光源2位置；其中全相透镜7置于两个近红外LED光源之前，确保所发出的光脉冲是全相的，保证在其上方的PIN光电接收单元3都可以接收到。

近红外LED参考光源1、近红外LED待测光源2是由能产生纳秒级光脉冲的脉冲光源。

PIN光电接收单元3是一种能够将光脉冲信号转为电信号的二极管。

脉冲计时器4用于将PIN光电接收单元3得到的电脉冲信号时间差测算出来，最高精度可达10ps。脉冲计时器4可直接基于现有的GP21芯片实现，也可以由光电二极管、光电转换电路、增益信号电路、恒比电路、时差测量电路、电源电路、通信端口组合而成，细节如图3：

(1)红外脉冲PIN光电接收单元3进行光电转换；

(2)其中的增益电路将电信号进行放大；

(3)将先后两个脉冲通过恒比电路后，在时差测量模块中计算出两个脉冲的时间差。

(4)最后得到的时间差通过通信接口传输至FPGA数据处理单元5

FPGA数据处理单元5可以通过嵌入式系统将测算得出的时差数据处理出位置数据的模块。

本发明基于延时积分的三维成像方法，包括以下步骤：

(1)近红外LED参考光源1，通过全相透镜7发射出扇面状的光脉冲信号，光脉冲信号触发近红外LED待测光源2通过全相透镜7也发出一个扇面状的光脉冲信号。当近红外LED参考光源1的光脉冲信号到达PIN光电接收单元3后，触发脉冲计时器4开始计时，当近红外LED待测光源2的光脉冲信号到达PIN光电接收单元3之后，触发脉冲计时器4停止计时。

(2)选取任意四个PIN光电接受单元(3)，四个PIN光电接受单元(3)的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)；四个PIN光电接受单元(3)对应的四个脉冲计时器4获得的时间差分别为时间τ₁、τ₂、τ₃、τ₄。

(3)假设近红外LED参考光源1的坐标为(0,0,0)，近红外LED参考光源1和第一个PIN光电接收单元3的距离为：

$L1=\sqrt{x_1^2+y_1^2+z_1^2}$

根据第一个脉冲计时器4获得的时间差τ₁，可得到近红外LED待测光源2到近红外LED参考光源1的距离与近红外LED待测光源2到第一个PIN光电接收单元3之间的距离和：

L2＝τ₁×c+L1

其中c为光速。根据到两点到定点的距离之和为恒定值，如图4所示，可知，近红外LED待测光源2的坐标的解集是一个椭球。该椭球方程为：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}={\mathrm{\τ}}_1\×c+L1---\left(1\right)$

同理，根据第二个脉冲计时器4获得的时间差τ₂，以及第二个PIN光电接收单元3的坐标(x₂,y₂,z₂)，得到近红外LED待测光源2的坐标的另一个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2+{(z_0-z_2)}^2}={\mathrm{\τ}}_2\×c+L1---\left(2\right)$

根据第三个脉冲计时器4获得的时间差τ₃，以及第三个PIN光电接收单元3的坐标(x₃,y₃,z₃)，得到近红外LED待测光源2的坐标的第三个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2+{(z_0-z_3)}^2}={\mathrm{\τ}}_3\×c+L1---\left(3\right)$

根据第四个脉冲计时器4获得的时间差τ₄，以及第四个PIN光电接收单元3的坐标(x₄,y₄,z₄)，得到近红外LED待测光源2的坐标的第四个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_4)}^2+{(y_0-y_4)}^2+{(z_0-z_4)}^2}={\mathrm{\τ}}_4\×c+L1---\left(4\right)$

(4)联列方程(1)～(4)，可获得近红外LED待测光源2所在位置的精确解，(a₁,b₁,c₁)；

(5)多次重复步骤2～4，得到多个精确解,(a₂,b₂,c₂)、(a₃,b₃,c₃)、……(a_n,b_n,c_n)；

(6)对步骤4和5得到的精确解进行平均，得到高精度的位置信息

$(a,b,c)=(\frac{a_1+a_2+...a_n}{n},\frac{b_1+b_2+...b_n}{n},\frac{c_1+c_2+...c_n}{n}).$

步骤5中，重复次数越多，结果往往越精确，假设我们在室内设置100组光脉冲探测单元，然而我们已知4组光脉冲单元可以确定一个精确解，因此就会存在：组精确解，N＝3921225，通过这些解进行算法测算可信度以及筛选，将可信度阈值内的解进行平均，可以极大地减小其中的随机误差。

Claims (5)

1.一种基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内定位系统，其特征在于，它包括：近红外LED参考光源(1)、近红外LED待测光源(2)、四个或四个以上PIN光电接收单元(3)、四个或四个以上脉冲计时器(4)、FPGA数据处理单元(5)、PC主机用户端(6)和全相透镜(7)；每个PIN光电接收单元(3)分别与一个脉冲计时器(4)对应；其中，所述近红外LED参考光源(1)和近红外LED待测光源(2)均通过全相透镜(7)发射出近半球状的扇面状的光脉冲信号，近红外LED参考光源(1)的光脉冲信号触发近红外LED待测光源(2)发出光脉冲信号；近红外LED参考光源(1)和近红外LED待测光源(2)的光脉冲信号触发PIN光电接收单元(3)；PIN光电接收单元(3)分别触发对应的脉冲计时器(4)开始计时或停止计时；脉冲计时器(4)将把测得时间差发送到FPGA数据处理单元(5)，FPGA数据处理单元(5)根据时间差，以及近红外LED参考光源(1)、PIN光电接收单元(3)的位置信息，得到精确的LED待测光源(2)位置。

2.根据权利要求1所述基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内精确定位系统，其特征在于，所述近红外LED参考光源(1)和近红外LED待测光源(2)均是由能产生纳秒级光脉冲的脉冲光源构成，例如，激光器。

3.根据权利要求1所述基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内精确定位系统，其特征在于，所述PIN光电接收单元(3)的精度可达10ps。

4.根据权利要求1所述的基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内精确定位系统，其特征在于，所述脉冲计时器(4)基于的精度可达10ps。

5.一种基于飞行时间分布式光脉冲探测的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)近红外LED参考光源(1)，通过全相透镜(7)发射出扇面状的光脉冲信号，光脉冲信号触发近红外LED待测光源(2)通过全相透镜(7)也发出一个扇面状的光脉冲信号。当近红外LED参考光源(1)的光脉冲信号到达PIN光电接收单元(3)后，触发脉冲计时器(4)开始计时，当近红外LED待测光源(2)的光脉冲信号到达PIN光电接受单元(3)之后，触发脉冲计时器(4)停止计时。

(2)选取任意四个PIN光电接受单元(3)，四个PIN光电接受单元(3)的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)；四个PIN光电接受单元(3)对应的四个脉冲计时器(4)获得的时间差分别为时间τ₁、τ₂、τ₃、τ₄。

(3)假设LED参考光源(1)的坐标为(0,0,0)，近红外LED参考光源(1)和第一个PIN光电接受单元(3)的距离为：

$L1=\sqrt{x_1^2+y_1^2+z_1^2}$

根据第一个脉冲计时器(4)获得的时间差τ₁，可得到近红外LED待测光源(2)到近红外LED参考光源(1)的距离与近红外LED待测光源(2)到第一个PIN光电接受单元(3)之间的距离和：

L2＝τ₁×c+L1

其中c为光速。根据到两点到定点的距离之和为恒定值，可知，近红外LED待测光源(2)的坐标的解集是一个椭球。该椭球方程为：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}={\mathrm{\τ}}_1\×c+L1$

同理，根据第二个脉冲计时器(4)获得的时间差τ₂，以及第二个PIN光电接受单元(3)的坐标(x₂,y₂,z₂)，得到近红外LED待测光源(2)的坐标的另一个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2+{(z_0-z_2)}^2}={\mathrm{\τ}}_2\×c+L1$

根据第三个脉冲计时器(4)获得的时间差τ₃，以及第三个PIN光电接受单元(3)的坐标(x₃,y₃,z₃)，得到近红外LED待测光源(2)的坐标的第三个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2+{(z_0-z_3)}^2}={\mathrm{\τ}}_3\×c+L1$

根据第四个脉冲计时器(4)获得的时间差τ₄，以及第四个PIN光电接受单元(3)的坐标(x₄,y₄,z₄)，得到近红外LED待测光源(2)的坐标的第四个解集：

$\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}+\sqrt{{(x_0-x_4)}^2+{(y_0-y_4)}^2+{(z_0-z_4)}^2}={\mathrm{\τ}}_4\×c+L1$

(4)联合以上四个方程，可获得LED待测光源(2)所在位置的精确解；

(5)多次重复步骤2～4，得到多个精确解；

(6)对步骤4和5得到的精确解进行平均，得到高精度的位置信息。