CN105865458B - 一种led室内定位导航方法及定位导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED室内定位导航方法及定位导航系统，使用LED灯作发射终端，发射端驱动装置控制电流的强弱进而引起光的亮暗变化以传递物理位置数据，设计出码元信息层次分明的数据帧，数据帧的发送和接收中引入零比特填充来实现透明传输，以区别帧头、物理位置信息校验编码和帧尾，帧头具有特定编码序列可以被检测出从而判定数据帧的有效性，对数据帧帧长进行分析，及时检验出无效数据帧并舍弃；依据不同照明面积设计出不同规格宫格单元拓扑组网结构的LED灯组，一个定位单元的各LED灯在每个时隙内仅有一盏LED灯发射数据帧，同时其余的各LED灯均发射等长的全零数据帧，最大程度的减小码间串扰及背景噪声，保障数据帧安全可靠。
Description
技术领域
本发明提供了一种LED室内定位导航方法及定位导航系统，属于室内定位导航技术领域。
背景技术
随着无线技术的不断发展，位置信息服务的作用日渐显著。目前广泛应用的全球定位GPS系统被用于各类交通导航、工程测量、救援行动、航空遥感等等领域。然而GPS系统具有局限性，它要求定位目标与轨道卫星之间要保持视距。于是当处于室内或建筑物中时，信号无法直接传递，定位不准确甚至失效。现在巨型建筑很多，在商场、医院、机场内等都很容易迷路，室内定位系统应运而生。
目前美国的GPS系统，俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统无法完成以上任务:1、不能在室内工作；2、只能在二维世界移动。在地球上GPS信号的强度基本等同于两万多公里外的25瓦灯泡发出的微弱亮光。
目前已经研发出的室内定位系统包括：
(1)谷歌推出了楼层平面图应用，包括商场、机场等大型商区。通过wifi信号追踪移动设备位置，对不同信号源强度进行三角测量，粗略得到大概位置。
(2)诺基亚使用3D模型。应用蓝牙信号信号，能到更精确的结果但是需要部署更多的蓝牙信号源。
(3)博通公司研发的芯片BCM4752，具备三维定位功能，此芯片是通过wifi、蓝牙或NFC等技术提供技术支持。可嵌入智能手机。
综上所诉，目前所有的已经成型或者半成品的定位方案，采用大都是红外(Infrared)技术、超声波(Ultrasound)技术、蓝牙(Bluetooth)技术、wifi技术、Zigbee技术、超宽带技术、射频识别(RFID)技术等。
以上所有的技术都借助于电磁波技术，这些定位系统无法用于对特定的区域进行定位，例如军工场所、机场、医院、矿道等需要电磁屏蔽的场所。因此本发明所涉及的基于智能LED室内定位系统解决了这一技术难题，仅仅利用空间LED灯光的亮灭变化来传递信息，完全摆脱了电磁波的影响，应用更广泛，定位更精确。无线电信号在室内的多径及非视距传播，信号衰减严重，其定位精度及覆盖范围受到很大限制。所以抗电磁干扰，可以应用于医院、飞机或一些电磁敏感的环境；并且无需大量布置节点，节省成本的新的通信技术亟待出现。
如今，随着大众对照明技术的要求不断提高、对于照明安全性的关注度与日俱增，可见光通信技术应运而生。基于可见光通信技术下开发的LED灯泡成长为具有照明、通信、跨界应用等多重意义及用途的智能照明设备。目前，可见光通信已成为美国、日本和欧洲等国家在国际通信研究领域的必争之地，我国863计划于2011年部署可见光通信技术研究后，经过几年的科技攻关，已在调制带宽拓展、实时传输速率、融合网络架构等方面取得了一批重要研究成果。
但是由于室内定位环境的复杂性，室内无线定位信号及定位传感器功能的局限性，导致现有基于LED照明的室内定位导航技术均存在信息传输码间串扰以及较大的背景噪声等一系列问题，严重影响定位精度。
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LED室内定位导航方法及定位导航系统，保证可见光通信的畅通高效，以及数据的安全可靠性，实现定位系统的信息数据在发射端、接收端以及客户端之间安全高效的传输，从而实现精准的定位。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种LED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灯进行划分，划分为2个以上定位单元，各定位单元包含2个以上LED灯，对室内LED照明系统中的各LED灯根据其所处的物理位置进行二进制字符串编码得到物理位置信息编码，对物理位置信息编码进行零比特填充，零比特填充的具体内容为在连续5个1后填入一个0，得到物理位置信息校验编码；
(2)将各LED灯的物理位置信息校验编码以时分多址及时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成由帧头、物理位置信息校验编码、奇校验位和帧尾组成的数据帧，每帧数据长度为λ，帧头和帧尾均为标志字段01111110，奇校验位为“1”或“0”使得数据帧中“1”的个数为奇数，一个定位单元的各LED灯按顺序循环发射数据帧，每个时隙t内仅有一盏LED灯发射数据帧，同时其余的各LED灯均发射等长的全零数据帧；
(3)接收端接收数据帧，首先检测帧头标志字段，进行标志字段匹配，当检测到连续两个与标志字段匹配的数据串时则选取第二个数据串作为帧头标志字段；接着对帧头标志字段后的物理位置信息校验编码进行扫描，当扫描出5个连续1时，将5个连续1之后的第一个0删除，还原物理位置信息编码；最后检测帧尾标志字段，进行标志字段匹配，当检测到连续两个与标志字段匹配的数据串时则选取第一个数据串作为帧尾标志字段；
(4)对还原后的物理位置信息编码进行帧长分析：
a)当分析出的帧长与设定帧长λ相同时进入步骤(5)；
b)当分析出的帧长与设定帧长λ不同时则直接舍弃该数据帧，返回步骤(3)继续接收下一条数据帧；
(5)对帧长分析合格的数据帧进行检错，具体内容为将一条数据帧的全部数据相加：
c)若相加结果为奇数则判断此数据帧正确，进入步骤(6)；
d)若相加结果为偶数则判断此数据帧错误，舍弃该数据帧，返回步骤(3)继续接收下一条数据帧；
(6)检错合格后对数据帧中的物理位置信息编码进行译码，获取定位坐标，配合对应的室内地图进行导航。
步骤(2)发射的数据帧中“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。
步骤(1)中以N*N个LED灯构成的N行N列LED灯阵列为一个宫格定位单元，N≥2，物理位置信息编码包含楼栋字段、楼层字段、定位空间字段、空间内部宫格编码和宫格内部LED编号字段。
步骤(2)中通过驱动频率为f的驱动装置驱动各LED灯发光，一个宫格定位单元的各LED灯按顺时针或逆时针方向从外至内顺序循环发射数据帧，前后两个LED灯的数据帧发射时间间隔为t，t＝λ/f。
本发明还对应提供了用于上述LED室内定位导航方法的定位导航系统，包括发射端和接收端，发射端包括电性连接的发射端处理器、驱动装置和LED灯组，接收端包括电性连接的光电检测设备和接收端处理器，所述LED灯组包括1个以上LED宫格单元定位阵列，LED宫格单元定位阵列为由N*N个LED灯构成的N行N列LED灯阵列，N≥2，LED灯组为由1个以上LED宫格单元定位阵列扩展构成的m行n列宫格单元拓扑组网，其中R为定位空间内LED灯行数，C为定位空间内LED灯列数，L为定位空间的长度，W为定位空间的宽度，D为LED宫格单元定位阵列的灯距。
LED灯组中相邻两个LED宫格单元定位阵列在同一个时隙t内发光的两盏LED灯的间距为时复用灯最小间距S，S≤2*r，其中r为临界光照半径， 为LED灯的光照角，h为定位空间的高度，
LED灯组中相邻两个LED灯的间距为灯距D，时复用灯最小间距S＝2*r。
所述LED灯为白光LED。
由上述技术方案可知，本发明提供了一种完全摒弃电磁波，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系统和定位方法，在使用LED灯照明的地方均可提供定位导航服务，发射端驱动装置控制电流的强弱进而引起光的亮暗变化(在人眼无法感知的范围内)，设计出码元信息层次分明的数据帧，帧头具有特定编码序列可以被检测出从而判定数据帧的有效性，同时利用灯光的亮暗变化传递物理位置信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明提出的宫格编码及宫格单元拓扑组网的方式，使用时分多址技术(TDMA)，同时隙异空间(Same Time Asynchronous Space，STAS)的时间复用技术，即在相同的一个时间段内，同一空间内所有宫格并行发射数据，相比传统LED灯顺序组网及编码方式的同一空间内所有LED灯顺次串行发射数据，本发明的信道利用率更高；
2、本发明中定位单元为宫格结构，即最小定位单元由四盏LED灯组成，一方面由于三盏灯就可以实现定位，该最小定位单元可以求出定位目标更加精确的加权定位坐标；另一方面，当有一盏灯不工作时其他三盏灯同样可以实现定位，而不造成影响，每个定位单元内可以确定一盏灯的物理位置信息，每个定位单元可以定位多个持接收终端的目标体；
3、本发明提出了LED宫格单元定位阵列，采用了时分多址技术(TDMA)，及同时隙异空间(STAS)的时间复用技术，所有宫格并行发射数据，故所有LED灯轮询一遍的时间等于一个宫格单元所有LED灯轮询一遍的时间，一个宫格单元的各LED灯按顺时针或逆时针方向从外至内顺序循环发射数据帧，其轮询一次所用发射频率f1，普通环型轮循组网方式顺序串行发射频率f2，则在相同时间内所有灯轮询一次的频率之比为：
相对普通环型轮循组网方式，该宫格组网方式降低了对LED灯驱动装置发射频率的要求，减小了技术难度；
4、为减少背景干扰及LED灯之间的噪声干扰，依据不同照明面积设计出不同规格LED宫格拓扑结构的LED灯组，在不改变灯距的情况下，调节时复用灯最小间距(相邻两个LED宫格单元中在同一时隙t内发送数据帧的两盏LED灯的间距)，使得LED照明范围无重叠，很大程度上提高了对于多光源、时变信道环境以及多径反射带来的噪声干扰的抵抗和过滤能力，以期更快捷、更准确的进行定位；
5、一个定位单元的各LED灯在每个时隙内仅有一盏LED灯发射数据帧，同时其余的各LED灯均发射等长的全零数据帧，一个时隙内同时发射数据帧的灯数即为整个定位房间内定位单元(LED宫格单元定位阵列)的数量，最大程度的减小码间串扰及背景噪声，保障数据帧安全可靠，提供快捷高效传输的信息传输链路，从而保证厘米级的定位精度；
6、本发明提供的数据帧包括帧头、物理位置信息校验编码、奇校验位和帧尾，帧头和帧尾为由相同二进制字符串组成的标志字段，帧头的主要功能是判断接收数据帧的起始标志，帧尾用来判断一帧数据的结束，奇校验位用来校验接收到的数据帧码元是否准确，本发明在数据帧的发送和接收中引入零比特填充来实现透明传输，以区别帧头、物理位置信息校验编码和帧尾，方便辨别帧头和帧尾，删除填充的零比特的过程中同时对数据帧帧长进行分析，及时检验出无效或错误数据帧并舍弃，有效缩减数据数量，提高定位效率。
附图说明
图1为零比特填充机制原理框图。
图2为数据帧格式图。
图3为全零数据帧格式图。
图4为帧头判断步骤图。
图5为帧长分析步骤图。
图6为定位空间高度与临界光照半径r计算图。
图7为定位空间内N宫格拓扑立体图。
图8为LED宫格单元定位阵列的结构示意图。
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。
本发明提供的LED室内定位导航方法，通过接收系统接收、判决、处理接收到的数据帧信息，并进行定位，主要采用基于距离的多功率检测的思想，其设计思想是接收端(负责可编程的定位数据帧的发射)通过时分复的形式发送给接收端，接收端(包括简单的CPU对接收的数据帧进行处理及相应算法得出其坐标)把十进制的(x,y)坐标数据分别用二进制表示，重新编码成帧，发送给对应手机客户端并在APP地图上得以显示，具体包括如下步骤：
(1)对室内LED照明系统中的各LED灯进行划分，划分为2个以上定位单元，以N*N个LED灯构成的N行N列LED灯阵列为一个宫格定位单元，N≥2，，对室内LED照明系统中的各LED灯根据其所处的物理位置进行二进制字符串编码得到物理位置信息编码，参见图2，物理位置信息编码包含楼栋字段、楼层字段、定位空间字段、空间内部宫格编码和宫格内部LED编号字段，其中：
A字段：发射时段控制字段，给E字段中各定位单元内的LED灯编号(1～N2)，依照时分复用形式依次轮流发射信号；
B字段：区域内的楼栋总数编码，设置字段长度为b(bit)，每片区域最多容纳2b栋楼房；
C字段：楼栋内的楼层数编码，设置字段长度为c(bit)，每栋楼最多容纳2c层；
D字段：楼层内分块单元区域编码，设置字段长度为d(bit)，每层楼最多容纳2d间定位空间；
E字段：定位空间内的宫格编码段，可以采用行列式的排序，即(i，j)，其中i和j均用二进制编码；
为了能够辨别数据帧中的帧头和帧尾，用零比特填充来实现透明传输，参见图1，对物理位置信息编码进行零比特填充，零比特填充的具体内容为在连续5个1后填入一个0，得到物理位置信息校验编码；
(2)将各LED灯的物理位置信息校验编码以时分多址及时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成由帧头、物理位置信息校验编码、奇校验位和帧尾组成的数据帧，每帧数据长度为λ，如图2所示，帧头和帧尾均为0x7E(01111110)标志字段，通过驱动频率为f的驱动装置驱动各LED灯发光，数据帧中“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>P2，一个定位单元的各LED灯按顺时针或逆时针方向从外至内顺序循环发射数据帧，每个时隙内仅有一盏LED灯发射数据帧，同时其余的各LED灯均发射等长的全零数据帧，如图3所示；每比特数据的发射的时间为t0＝1/f，前后两个LED灯的数据帧发射时间间隔为t，则t＝λ*t0＝λ/f；
(3)接收端接收数据帧，经过信号调理、AD采样、RAM缓存单元、时序控制、码元判决等一系列处理，接收到完整数据帧；获取完整数据帧后首先检测帧头标志字段，进行标志字段匹配，如图4所示，当检测到连续两个与标志字段匹配的数据串时则选取第二个数据串作为帧头标志字段；接着对帧头标志字段后的物理位置信息校验编码进行扫描，当扫描出5个连续1时，将5个连续1之后的第一个0删除，还原物理位置信息编码；最后检测帧尾标志字段，进行标志字段匹配，当检测到连续两个与标志字段匹配的数据串时则选取第一个数据串作为帧尾标志字段；
(4)如图5所示，对还原后的物理位置信息编码进行帧长分析和检错：
a)当分析出的帧长与设定帧长λ相同时进入步骤(5)；
b)当分析出的帧长与设定帧长λ不同时(参见图5)则直接舍弃该数据帧，返回步骤(3)继续接收下一条数据帧；
(5)对帧长分析合格的数据帧进行检错，具体内容为将一数据帧的全部数据相加：
c)若相加结果为奇数则判断此数据帧正确，进入步骤(6)；
d)若相加结果为偶数则判断此数据帧错误，舍弃该数据帧，返回步骤(3)继续接收下一条数据帧；
(6)检错合格后对数据帧中的物理位置信息编码进行译码，获取定位坐标，配合对应的室内地图进行导航，此处传送给客户端的方案有多种：
a、经过蓝牙，接收端直接同步到用户手机；
b、经互联网服务器，数据上传到服务器，再实时同步到客户端APP；
c、手机摄像头直接作为接收端，这一步的实现前提是得将接受装置系统与手机开发结合。
本发明还对应提供了用于上述LED室内定位导航方法的定位导航系统，包括发射端和接收端，发射端包括电性连接的发射端处理器、驱动装置和LED灯组，接收端包括电性连接的光电检测设备和接收端处理器，所述LED灯组包括1个以上LED宫格单元定位阵列，LED宫格单元定位阵列为由N*N个LED灯构成的N行N列LED灯阵列，N≥2，LED灯组为由1个以上LED宫格单元定位阵列扩展构成的m行n列宫格单元拓扑组网，其中R为定位空间内LED灯行数，C为定位空间内LED灯列数，L为定位空间的长度，W为定位空间的宽度，D为LED宫格单元定位阵列的灯距，LED灯优选普通白光LED，不同定位空间设置的LED宫格单元定位阵列(以下简称宫格)规模和数量不同，所有宫格异空间同时间复用，同步并行发射数据帧，所有宫格按照矩阵排列，这样节省了数据帧编码空间，提高了定位速率。
例如，在L*W*h＝300m×80m×4m的定位空间内，定位空间内相邻两个LED灯的间距为灯距D，灯距D＝4m，LED灯的组网方式采用如图8所示的宫格拓扑结构，定位空间内各宫格的复用分布阵列如图7所示；参见图6，LED灯的光照角为2π/3，为确保LED照明范围无重叠，则临界光照半径对应的定位空间内相邻两个宫格在同一个时隙t内发光的两盏LED灯的间距为时复用灯最小间距S，时复用灯最小间距S＝2*r＝16m，即每个宫格包含4*4＝16盏LED灯，以此拓扑单元划分大厅，经计算，所述R表示长度方向灯排列数量(行数)、C表示宽度方向的灯排列数量(列数)，该定位空间内的宫格单元拓扑组网阵列的规模为m行n列，共19×6＝114个16宫格，每个时隙会有114盏灯同时发射信号帧。
改变LED灯的灯距D，或者改变定位空间的定位面积，相应最小宫格单元会变为4宫格，9宫格等等；同理，当定位空间的高度h改变时，将对应不同的临界光照半径r和时复用灯最小间距S，此处不再一一赘述。
Claims (8)
1.一种LED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灯进行划分，划分为2个以上定位单元，各定位单元包含2个以上LED灯，对室内LED照明系统中的各LED灯根据其所处的物理位置进行二进制字符串编码得到物理位置信息编码，对物理位置信息编码进行零比特填充，零比特填充的具体内容为在连续5个1后填入一个0，得到物理位置信息校验编码；
(2)将各LED灯的物理位置信息校验编码以时分多址及时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成由帧头、物理位置信息校验编码、奇校验位和帧尾组成的数据帧，每帧数据长度为λ，帧头和帧尾均为标志字段01111110，奇校验位为“1”或“0”使得数据帧中“1”的个数为奇数，一个定位单元的各LED灯按顺序循环发射数据帧，每个时隙t内仅有一盏LED灯发射数据帧，同时其余的各LED灯均发射等长的全零数据帧；
(3)接收端接收数据帧，首先检测帧头标志字段，进行标志字段匹配，当检测到连续两个与标志字段匹配的数据串时则选取第二个数据串作为帧头标志字段；接着对帧头标志字段后的物理位置信息校验编码进行扫描，当扫描出5个连续1时，将5个连续1之后的第一个0删除，还原物理位置信息编码；最后检测帧尾标志字段，进行标志字段匹配，当检测到连续两个与标志字段匹配的数据串时则选取第一个数据串作为帧尾标志字段；
(4)对还原后的物理位置信息编码进行帧长分析：
a)当分析出的帧长与设定帧长λ相同时进入步骤(5)；
b)当分析出的帧长与设定帧长λ不同时则直接舍弃该数据帧，返回步骤(3)继续接收下一条数据帧；
(5)对帧长分析合格的数据帧进行检错，具体内容为将一条数据帧的全部数据相加：
c)若相加结果为奇数则判断此数据帧正确，进入步骤(6)；
d)若相加结果为偶数则判断此数据帧错误，舍弃该数据帧，返回步骤(3)继续接收下一条数据帧；
(6)检错合格后对数据帧中的物理位置信息编码进行译码，获取定位坐标，配合对应的室内地图进行导航。
2.根据权利要求1所述的LED室内定位导航方法，其特征在于：步骤(2)发射的数据帧中“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。
3.根据权利要求1所述的LED室内定位导航方法，其特征在于：步骤(1)中以N*N个LED灯构成的N行N列LED灯阵列为一个宫格定位单元，N≥2，物理位置信息编码包含楼栋字段、楼层字段、定位空间字段、空间内部宫格编码和宫格内部LED编号字段。
4.根据权利要求3所述的LED室内定位导航方法，其特征在于：步骤(2)中通过驱动频率为f的驱动装置驱动各LED灯发光，一个宫格定位单元的各LED灯按顺时针或逆时针方向从外至内顺序循环发射数据帧，前后两个LED灯的数据帧发射时间间隔为t，t＝λ/f。
5.一种用于权利要求1所述LED室内定位导航方法的定位导航系统，至少包括发射端和接收端，发射端包括电性连接的发射端处理器、驱动装置和LED灯组，接收端包括电性连接的光电检测设备和接收端处理器，其特征在于：所述LED灯组包括1个以上LED宫格单元定位阵列，LED宫格单元定位阵列为由N*N个LED灯构成的N行N列LED灯阵列，N≥2，LED灯组为由1个以上LED宫格单元定位阵列扩展构成的m行n列宫格单元拓扑组网，其中R为定位空间内LED灯行数，C为定位空间内LED灯列数，L为定位空间的长度，W为定位空间的宽度，D为LED宫格单元定位阵列的灯距。
6.根据权利要求5所述的定位导航系统，其特征在于：LED灯组中相邻两个LED宫格单元定位阵列在同一个时隙t内发光的两盏LED灯的间距为时分复用灯最小间距S，S≤2*r，其中r为临界光照半径， 为LED灯的光照角，h为定位空间的高度，
7.根据权利要求6所述的定位导航系统，其特征在于：LED灯组中相邻两个LED灯的间距为灯距D，时分复用灯最小间距S＝2*r。
8.根据权利要求5所述的定位导航系统，其特征在于：所述LED灯为白光LED。
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