CN105823477A - 一种基于rssr的led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RSSR的LED室内定位方法及系统。方法包括步骤:S1,在室内天花板上的不同位置部署至少三组LED灯,所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;S2,利用光电探测器接收每组LED灯的光信号,分别记录三组LED灯的接收信号强度;S3,根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,计算出光电探测器的位置。系统包括接收装置和至少三个发射装置。本发明采用的是多个LED灯定位,在多个LED光源时,然后通过多次测量接收到的LED灯的光信号强度,多次测量可降低单次测量偏差的影响,减小位置估算的误差,本发明对环境依赖度低,系统复杂度低,提高了定位精度和定位系统的稳定性。本发明可广泛应用于各种LED室内定位系统。
Description
技术领域
本发明涉及LED可见光室内定位技术领域,尤其涉及一种基于RSSR的LED室内定位方法及系统。
背景技术
为解决定位导航“最后一公里”的问题,各研究机构在室内定位技术方面开展了大量的研究,涌现了很多新的技术,如基于红外线、超声波、蓝牙、超宽带、射频识别、WiFi、LED可见光定位技术等的室内无线定位技术,有效填补了LBS在室内定位这一块的空白。红外线定位技术主要受视距传播和通信距离短的限制,需要部署大量发射器和接收器,复杂度高、功耗大、成本高。超声波具有良好的方向性,且不受视距影响,定位精度较高,但通常需要其他无线通信技术辅助,硬件开销较大。蓝牙最大的优势在于能集成在手机等移动终端上,实用性强,但蓝牙设备的性能不够稳定,并且对于相应的移动终端而言耗电量比较大。超宽带定位具有良好的多径分辨能力,可以提供更高的定位精度,但目前的研究还不够成熟,没有统一的接口标准,硬件成本较大。射频识别和WiFi都是目前发展较为成熟的无线通信技术,已经有了广泛的应用,未来室内定位领域的研究方向为提高定位精度和系统稳定性,精简设备,降低成本。
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,兼具照明和定位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。但是现有技术中基于可见光通信的室内定位技术存在要么系统复杂、要么定位精度低、定位不稳定等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种对环境依赖度低,系统复杂度低,提高了定位精度和定位系统的稳定性的基于可见光通信的室内定位方法及系统。
本发明所采用的技术方案是:
一种基于RSSR的LED室内定位方法,包括步骤:
S1,在室内天花板上的不同位置部署至少三组LED灯,所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
S2,利用光电探测器接收每组LED灯的光信号,分别记录三组LED灯的接收信号强度;
S3,根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,计算出光电探测器的位置。
优选的,所述步骤S3具体包括子步骤:
S31,根据第一公式
计算三组LED灯中每两组LED灯的信号强度比,其中,Pr1为光
电探测器接收到第一组LED灯光信号的光功率、Pr2为光电探测器接收到第二组LED灯光信号的光功率、Pr3为光电探测器接收到第三组LED灯光信号的光功率,RSSR12为第一LED灯和第二LED灯信号强度比,RSSR13为第一LED灯和第三LED灯信号强度比,d1、d2、d3为各LED灯与探测器的直线距离,m为朗伯指数;
S32,根据第二公式
计算出光电探测器的位置坐标(x,y,0),其中,(LED1x,LED1y,h)是第一组LED灯在天花板上的坐标,同样的(LED2x,LED2y,h)是LED2灯在天花板上的坐标,(LED3x,LED3y,h)是LED3灯在天花板上的坐标。
优选的,其特征在于,
所述步骤S1具体为:在室内的不同位置部署至少四组LED灯,
所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
所述方法还包括步骤:
S4,从四组LED灯中,按照排列组合方式选择其中三个LED组执行所述步骤S2和步骤S3得到对应四组光电探测器位置;
S5,根据LED灯到带有探测器的距离值对四组光电探测器位置进行加权平均处理得出最终光电探测器位置。
优选的,所述步骤S1具体包括子步骤:
S11,在室内的不同位置部署至少六组LED灯,所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
S12,利用光电探测器接收每组LED灯的光信号,分别记录六组LED灯的接收信号强度,并选择接收信号强度最大的四组LED灯执行步骤S4和S5。
一种基于RSSR的LED室内定位系统,包括接收装置和至少三个发射装置,所述发射装置包括信号发生电路和LED灯,所述信号发生电路的输出端与LED灯连接,所述三个发射装置对应的三组LED灯部署在室内天花板上的不同位置;所述接收装置包括光电探测器和信号处理电路,所述光电探测器用于接收每组LED灯的光信号,所述信号处理电路用于分别记录至少三组LED灯的接收信号强度,并根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,计算出光电探测器的位置。
优选的,所述信号发生电路包括依次连接的原始基带信号模块、信号处理与控制模块、调制模块、偏置电路模块,所述偏置电路模块的输入端连接有LED驱动电源模块。
优选的,所述信号处理电路包括解调模块、信号处理与控制模块、终端模块,所述解调模块的输入端与光电探测器的输出端连接,所述解调模块的输出端与信号处理与控制模块连接,所述信号处理与控制模块的输出端与终端模块的输入端连接。
优选的,所述发射装置有至少四组,所述信号处理电路用于执行步骤:从四组LED灯中,按照排列组合方式选择其中三个LED组,并根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,初步计算出光电探测器的位置,并根据四组LED灯到带有探测器的距离值对四组初步计算的光电探测器位置进行加权平均处理得出最终光电探测器位置。
优选的,在室内天花板上的不同位置部署至少六组LED灯,所述信号处理电路用于从六组LED灯中选择接收信号强度最大的四组LED灯执行上述的步骤。
本发明的有益效果是:
本发明采用的是多个LED灯定位,在多个LED光源时,然后通过多次测量接收到的LED灯的光信号强度,多次测量可降低单次测量偏差的影响,减小位置估算的误差,本发明对环境依赖度低,系统复杂度低,提高了定位精度和定位系统的稳定性。
另外,本发明合理的从中选出四组LED灯作为发射节点,从这四组作为发射节点的LED灯中,选择其中三个LED灯定位。这样做,当在六个LED灯中,有部分LED灯不可用时,仍能实现定位,提高系统的稳定性。然后通过测量接收到的LED光信号强度,计算接收信号强度比RSSR并由此确定目标物体的位置。与单纯接收信号强度定位方案相比,该方案调制方法简便,降低了节点对硬件的要求,大大减少了数据的传输量和计算量,缩短了定位时间,降低了能耗,并且能够消除不同LED设备之间的参数差异,使室内定位的精度进一步提高。
本发明可广泛应用于各种LED室内定位系统。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明:
图1为本发明一种实施例的发明方法流程图;
图2为本发明一种实施例的可见光通信原理示意图;
图3为本发明LED的朗伯传输模型示意图;
图4为本发明LED数量对定位的影响关系示意图;
图5为本发明一种实施例的由三个LED得到三条曲线的定位点示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示,本发明采用调制灯光信号以区别不同的LED灯,利用部署在室内的六个LED灯,然后通过测量接收到的LED灯的光信号强度,合理的从中选出四组LED灯作为发射节点,从这四组作为发射节点的LED灯中,选择其中三个LED灯,计算接收信号强度比RSSR并由此确定一组目标物体的坐标。在室内四组LED发射节点,只用其中3个LED灯去估计目标物体的坐标,就可以得到C4 3=4组目标物体的坐标,然后将这4组目标物体坐标估计,利用LED到目标物体的距离值进行加权平均处理,算出最终目标物体的坐标。
如图2所示,一种基于RSSR的LED室内定位系统,包括接收装置和至少三个发射装置,所述发射装置包括信号发生电路和LED灯,所述信号发生电路的输出端与LED灯连接,所述三个发射装置对应的三组LED灯部署在室内天花板上的不同位置;所述接收装置包括光电探测器和信号处理电路,所述光电探测器用于接收每组LED灯的光信号,所述信号处理电路用于分别记录至少三组LED灯的接收信号强度,并根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,计算出光电探测器的位置。
优选的,所述信号发生电路包括依次连接的原始基带信号模块、信号处理与控制模块、调制模块、偏置电路模块,所述偏置电路模块的输入端连接有LED驱动电源模块。
优选的,所述信号处理电路包括解调模块、信号处理与控制模块、终端模块,所述解调模块的输入端与光电探测器的输出端连接,所述解调模块的输出端与信号处理与控制模块连接,所述信号处理与控制模块的输出端与终端模块的输入端连接。
优选的,所述发射装置有至少四组,所述信号处理电路用于执行步骤:从四组LED灯中,按照排列组合方式选择其中三个LED组,并根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,初步计算出光电探测器的位置,并根据四组LED灯到带有探测器的距离值对四组初步计算的光电探测器位置进行加权平均处理得出最终光电探测器位置。
优选的,在室内天花板上的不同位置部署至少六组LED灯,所述信号处理电路用于从六组LED灯中选择接收信号强度最大的四组LED灯执行上述的步骤。
一种基于RSSR的LED室内定位方法,包括步骤:
S1,在室内天花板上的不同位置部署至少三组LED灯,所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
S2,利用光电探测器接收每组LED灯的光信号,分别记录三组LED灯的接收信号强度;
S3,根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,计算出光电探测器的位置。
优选的,所述步骤S3具体包括子步骤:
S31,根据第一公式
计算三组LED灯中每两组LED灯的信号强度比,其中,Pr1为光电探测器接收到第一组LED灯光信号的光功率、Pr2为光电探测器接收到第二组LED灯光信号的光功率、Pr3为光电探测器接收到第三组LED灯光信号的光功率,RSSR12为第一LED灯和第二LED灯信号强度比,RSSR13为第一LED灯和第三LED灯信号强度比,d1、d2、d3为各LED灯与探测器的直线距离;
S32,根据第二公式
计算出光电探测器的位置坐标(x,y,0),其中,(LED1x,LED1y,h)是第一组LED灯在天花板上的坐标,同样的(LED2x,LED2y,h)是LED2灯在天花板上的坐标,(LED3x,LED3y,h)是LED3灯在天花板上的坐标。
优选的,其特征在于,
所述步骤S1具体为:在室内的不同位置部署至少四组LED灯,
所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
所述方法还包括步骤:
S4,从四组LED灯中,按照排列组合方式选择其中三个LED组执行所述步骤S2和步骤S3得到对应四组光电探测器位置;
S5,根据LED灯到带有探测器的距离值对四组光电探测器位置进行加权平均处理得出最终光电探测器位置。
优选的,所述步骤S1具体包括子步骤:
S11,在室内的不同位置部署至少六组LED灯,所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
S12,利用光电探测器接收每组LED灯的光信号,分别记录六组LED灯的接收信号强度,并选择接收信号强度最大的四组LED灯执行步骤S4和S5。
该实施例中,首先在5*5*3米(长5米,宽5米,高3米)的室内部署六组LED灯;然后通过调制灯光信号以区别不同的白光LED灯;(本实施例中,6组LED灯节点的光照范围和光强等参数相同,每组LED灯有4*4个LED二极管组成,6组LED灯经过调制后,经过调制后的可见光频率满足条件为人眼看不到的闪烁。为了保证接收端能够正确接收每个LED灯源数据信息,精确的测量相应的LED光源的光照强度而不被其他灯源干扰,本系统对各个LED灯源采用时分多路复用的调整方式)。然后通过测量接收到的LED光信号强度,合理的从中选出四组LED作为发射节点;从这四组作为发射节点的LED中,按照排列组合方式选择其中三个LED,计算接收信号强度比RSSR并由此确定一组目标物体的坐标,选中的进行定位的3组LED,假设是LED1,LED2,LED3,它们单独发光时接收器接收到的光功率数值分别为Pr1,Pr2,Pr3,,LED灯的发光可以被描述为朗伯传输模型如图3所示,探测器表面接收的光功率可以用下式表示:
则由数学计算可得:
其中,ψ是光电探测器的接收角,FOV为探测器的视场角,假定接收角始终小于视场角。φ1/2是LED的半功率半角,φ为LED的发射角,d为LED与探测器的直线距离,h是LED灯与光电探测器所在平面的距离,Pt是LED的发射功率,m为朗伯指数,Ar为探测器的有效面积,m由φ1/2决定:
则联立这两个公式,可以求得目标(光电探测器)位置的坐标XT(XT1,YT1,0)。
对于某个LED灯遮挡程度越大,光电探测器接收到它的光照强度就越小,定位误差也越大,在完全遮挡情况下,定位节点处的光电探测器完全收不到信号,定误差会变得无穷大即无法定位。这只是假设只有一个信号被遮挡,若两个信号被遮挡误差更大。
其次,参照图4,如果仅使用3个定位光源导致定位节点(PN)在区域边缘定位精度下降。此外,当信源被遮挡(例如,人走动)时,系统无法完成定位功能。当LED数量从3个到6组时,定位精度改善明显,当LED数量超过6组时,其定位精度反而下降。其原因在于,LED数量增多,算法定位时可利用的冗余信息多,从而提高了定位精度;而当LED数量进一步增多时,由时延估计的计算误差引入的定位误差也会随之增大。折中考虑算法复杂度与性能指标,一般选择6组LED灯进行定位计算,这就是为什么要引入6组LED灯。引入6组LED灯可以有效减少由于遮挡而引起的误差,因为如果某组LED灯由于人的走动而被遮挡,则光电探测器接收到该LED灯的光照强度最小,则定位单元会摒弃该信号强度值。从而提高了定位的精度和定位系统的稳定性。光电探测器接收到的六组LED灯的光照强度分别为Pr1、Pr2、Pr3、Pr4、Pr5、Pr6,在这六个光照强度中,合理的从中选出光电探测器接收的最大的四组光照强度的LED灯作为发射节点,从这四组作为发射节点的LED灯中,选择其中三组LED灯来定位目标物体。在室内四组LED发射节点,只用其中3个组LED去估计目标物体的坐标,就可以得到C4 3=4组目标物体的坐标。
然后将这4组目标物体坐标估计,利用LED到目标物体的距离值进行加权平均处理,算出最终目标物体的坐标。
优选地,各所述各组LED灯的位置呈位于同一平面上。
再次,由四组LED分别到目标物体的距离构成的圆,其中的圆中部分曲线三条曲线的定位点示意图如图5所示,在理想的没有任何干扰的情况下,四组LED灯以各自分别到目标物体的距离的圆必交于一点。但是在实际的室内定位中,由于环境等因素的影响,LED灯以各自分别到待定位标签的距离的圆一般会相交于一个小的区域,如图4所示,阴影区域中的黑色物体就是我们要定位的目标物体,目标物体的位置在这个阴影小区域范围内,阴影小区域越小越精确,假设是由LED1,LED2,LED3,LED4作为发射节点,从中选出三个LED灯计算它们的光信号强度比从而算出目标物体的坐标。假设LED1和LED2之间的信号强度比表示为RSSR12,LED1和LED3之间的信号强度比表示为RSSR13,表则由式(1)可以推出关于接收光信号强度比的关系式:
设目标物体与两个光源之间LED2和LED1的距离比d2/d1为
R12,目标物体与两个光源之间LED3和LED1的距离比d3/d1为R13,(LED1x,LED1y,h)是LED1灯在天花板上的坐标,同样的(LED2x,LED2y,h)是LED2灯在天花板上的坐标,(LED3x,LED3y,h)是LED3灯在天花板上的坐标.目标物体的坐标为(x,y,0)因此可以得到下面的公式:
两个方程解两个未知数,最后可以得到两组x、y的解,其中一组解离阴影区域较远把它滤掉,另一个点就在阴影区域上或在阴影区域内则就是得到我们要定位的目标物体的坐标。
在室内天花板上用4组LED灯作为发射端,只用其中3组LED灯去估计待定位的坐标,就可以得到C4 3=4组目标物体的坐标,然后将这4组目标物体的坐标估计利用LED灯到带有光电探测器的目标物体的距离值进行加权平均处理,算出目标物体的坐标。假设用公式(2)算的待定位标签坐标是T1(XT1,YT1),T2(XT2,YT2),T3(XT3,YT3),T4(XT4,YT4),然后将这4组目标物体的坐标估计利用LED灯到带有光电探测器的目标物体的距离值进行加权平均处理,算出T(XT,YT)的坐标如下:
如果不对这4组进行加权平均的话,如果其中某个点由于被障碍物遮挡而算出错误的坐标,而我们又把它当做我们测得的实际坐标,这样就会产生误差,所以最后用这种加权平均的算法,就是为了避免这样的误差。这种4组的加权平均的处理方法算出的最终坐标,会比用4组中的某一组坐标当最终坐标,更准确。
本发明采用的是多个LED灯定位,在多个LED光源时,然后通过多次测量接收到的LED灯的光信号强度,多次测量可降低单次测量偏差的影响,减小位置估算的误差。
另外,本发明合理的从中选出四组LED灯作为发射节点,从这四组作为发射节点的LED灯中,选择其中三个LED灯定位。这样做,当在六个LED灯中,有部分LED灯不可用时,仍能实现定位,提高系统的稳定性。然后通过测量接收到的LED光信号强度,计算接收信号强度比RSSR并由此确定目标物体的位置。与单纯接收信号强度定位方案相比,该方案调制方法简便,降低了节点对硬件的要求,大大减少了数据的传输量和计算量,缩短了定位时间,降低了能耗,并且能够消除不同LED设备之间的参数差异,使室内定位的精度进一步提高。
本发明可广泛应用于各种LED室内定位系统。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种基于RSSR的LED室内定位方法,其特征在于,包括步骤:
S1,在室内天花板上的不同位置部署至少三组LED灯,所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
S2,利用光电探测器接收每组LED灯的光信号,分别记录三组LED灯的接收信号强度;
S3,根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,计算出光电探测器的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于RSSR的LED室内定位方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括子步骤:
S31,根据第一公式
计算三组LED灯中每两组LED灯的信号强度比,其中,Pr1为光电探测器接收到第一组LED灯光信号的光功率、Pr2为光电探测器接收到第二组LED灯光信号的光功率、Pr3为光电探测器接收到第三组LED灯光信号的光功率,RSSR12为第一LED灯和第二LED灯信号强度比,RSSR13为第一LED灯和第三LED灯信号强度比,d1、d2、d3为各LED灯与探测器的直线距离,m为朗伯指数;
S32,根据第二公式
计算出光电探测器的位置坐标(x,y,0),其中,(LED1x,LED1y,h)是第一组LED灯在天花板上的坐标,同样的(LED2x,LED2y,h)是LED2灯在天花板上的坐标,(LED3x,LED3y,h)是LED3灯在天花板上的坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于RSSR的LED室内定位方法,其特征在于,
所述步骤S1具体为:在室内的不同位置部署至少四组LED灯,
所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
所述方法还包括步骤:
S4,从四组LED灯中,按照排列组合方式选择其中三个LED组执行所述步骤S2和步骤S3得到对应四组光电探测器位置;
S5,根据LED灯到带有探测器的距离值对四组光电探测器位置进行加权平均处理得出最终光电探测器位置。
4.根据权利要求3所述的一种基于RSSR的LED室内定位方法,其特征在于,所述步骤S1具体包括子步骤:
S11,在室内的不同位置部署至少六组LED灯,所述每组LED灯分别发出具有识别信息的光信号;
S12,利用光电探测器接收每组LED灯的光信号,分别记录六组LED灯的接收信号强度,并选择接收信号强度最大的四组LED灯执行步骤S4和S5。
5.一种基于RSSR的LED室内定位系统,其特征在于,包括接收装置和至少三个发射装置,所述发射装置包括信号发生电路和LED灯,所述信号发生电路的输出端与LED灯连接,所述三个发射装置对应的三组LED灯部署在室内天花板上的不同位置;所述接收装置包括光电探测器和信号处理电路,所述光电探测器用于接收每组LED灯的光信号,所述信号处理电路用于分别记录至少三组LED灯的接收信号强度,并根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,计算出光电探测器的位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于RSSR的LED室内定位系统,其特征在于,所述信号发生电路包括依次连接的原始基带信号模块、信号处理与控制模块、调制模块、偏置电路模块,所述偏置电路模块的输入端连接有LED驱动电源模块。
7.根据权利要求5所述的一种基于RSSR的LED室内定位系统,其特征在于,所述信号处理电路包括解调模块、信号处理与控制模块、终端模块,所述解调模块的输入端与光电探测器的输出端连接,所述解调模块的输出端与信号处理与控制模块连接,所述信号处理与控制模块的输出端与终端模块的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于RSSR的LED室内定位系统,其特征在于,所述发射装置有至少四组,所述信号处理电路用于执行步骤:从四组LED灯中,按照排列组合方式选择其中三个LED组,并根据每组LED灯的位置信息和接收信号强度信息,初步计算出光电探测器的位置,并根据四组LED灯到带有探测器的距离值对四组初步计算的光电探测器位置进行加权平均处理得出最终光电探测器位置。
9.根据权利要求8所述的一种基于RSSR的LED室内定位系统,其特征在于,在室内天花板上的不同位置部署至少六组LED灯,所述信号处理电路用于从六组LED灯中选择接收信号强度最大的四组LED灯执行权利要求8中所述的步骤。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |