CN105929366A - 一种室内环境下的平面位置传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种室内环境下的平面位置传感方法。本发明的技术方案：首先在矩形室内场地的每面墙体上水平布置一个LED照明灯带，四面墙体共四个LED照明灯带，并采用四路不同频率的高速开关信号分别控制四个LED照明灯带高频闪烁；在四个LED照明灯带所包围区域内设置需定位区域，在需定位区域内设置移动平台，移动平台上设置高频响应的高速光敏传感器，通过高速光敏传感器检测从四个LED照明灯带发出的光强和闪烁信号，而后提取与四个LED照明灯带闪烁频率一致的谐波分量，输送至设在移动平台上的定位控制器；定位控制器根据横向、纵向墙体上两条相对布置LED照明灯带闪烁频率一致谐波分量幅值的相对关系，分别确定移动平台在室内空间的横向、纵向位置。

Description

一种室内环境下的平面位置传感方法

技术领域

本发明属于电气测试方法类，具体是一种室内环境下的平面位置传感方法。

背景技术

室内环境下的平面位置定位技术是构建自动行走小车、智能服务机器人等自主行走、自主定位平台的关键技术，而这些平台又是构建智能工厂、智能物流、智能公共服务设施以及智能家居设备的基础。在劳动力成本不断上升、人口老龄化加剧的外部形式下，研发具有较高精度的、适应一般建筑内部环境、不依赖特殊地面标志的室内定位技术显得越来越迫切，且具有重要的现实意义。传统的定位技术主要有开放环境下的GPS全球定位系统、封闭环境下的路边标记循迹系统等方式，开放环境下的GPS全球定位系统要求能够较好地接收卫星定位信号，不适用于室内工作环境；后者封闭环境下的路边标记循迹系统则需要在地面铺设显著的特殊标记，仅用于少量特定的工作场合。此外，在定位领域还有采用无线电测向方法，红外、超声测距定位等方式，但其精度或定位范围都有较大局限，且存在算法复杂、漂移补偿困难等固有缺点，特别是上述定位方法均需要设置专用的定位设备，系统应用复杂，成本高。在针对室内场所、普通地面及空间环境条件下的定位需求方面，目前还没有一种原理简单、容易实施、检测精度高的平面位置传感方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有室内定位技术的不足，提供一种新型室内环境下的平面位置传感方法，不依赖于传统测量方法中用于定位的专用发射设备和专用特殊标记，实现运动物体平面位置的精确传感和自主定位，同时达到简化硬件结构，提高系统性价比目的。

本发明的技术方案如下：

一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于：

首先在矩形室内场地的每面墙体上水平布置一个LED照明灯带，四面墙体共四个LED照明灯带，并采用四路不同频率的高速开关信号分别控制四个LED照明灯带高频闪烁；在四个LED照明灯带所包围区域内设置需定位区域，在需定位区域内设置移动平台，移动平台上设置高频响应的高速光敏传感器，通过高速光敏传感器检测从四个LED照明灯带发出的光强和闪烁信号，而后提取高速光敏传感器输出信号中与四个LED照明灯带闪烁频率一致的谐波分量，继而输送至设在移动平台上的定位控制器；定位控制器根据高速光敏传感器从横向墙体上两条相对布置LED照明灯带闪烁频率一致谐波分量幅值的相对关系，确定移动平台在室内空间的横向位置，根据高速光敏传感器从纵向墙体上两条相对布置LED照明灯带闪烁频率一致谐波分量幅值的相对关系，确定移动平台在室内空间的纵向位置；横向和纵向位置结合实现室内移动平台在室内环境下的平面位置传感和自定位。

在所述的一种室内环境下的平面位置传感方法中，所述的四个LED照明灯带安装高度相同，相对两面墙体上安装的LED照明灯带长度一致。

在所述的一种室内环境下的平面位置传感方法中，所述四面墙上的LED照明灯带的长度与需定位范围的尺寸相适应。

在所述的一种室内环境下的平面位置传感方法中，所述的需定位范围为矩形，与矩形的长度同方向的墙面上设置的LED照明灯带的长度不小于矩形的长度，与矩形的宽度同方向的墙面上设置的LED照明灯带的长度不小于矩形的宽度。

在所述的一种室内环境下的平面位置传感方法中，所述的LED照明灯带采用驱动器驱动，驱动器连至大功率直流电源。

在所述的一种室内环境下的平面位置传感方法中，所述的四个LED照明灯带的驱动器采用PWM开关控制方式控制LED闪烁发光，四个驱动器的PWM占空比相同，但开关频率相异。

在所述的一种室内环境下的平面位置传感方法中，所述的移动平台上设置有高速光敏传感器，移动平台放置在四个LED照明灯带包围的区域内；移动平台带动高速光敏传感器移动时，由于其与四个LED照明灯带的垂直距离发生变化，导致所接受的光强信号发生变化；通过四个与各自LED照明灯带闪烁频率一致的带通滤波器将高速光敏传感器接收的混合光强信号分离为从四个LED照明灯带接收的独立信号；定位控制器根据光在空间中传播光强随距离远近的变化规律，以及所分离出的四路独立信号交流分量的幅值大小即可判断出光敏传感器及移动平台在四个LED照明灯带所包围区域内的平面位置，从而实现移动平台在室内的平面位置传感和自定位。

在所述的一种室内环境下的平面位置传感方法中，所述的高速光敏传感器的横向位置偏向一侧LED照明灯带，从该侧接收的相应光强及闪烁信号强度变大，从另一侧接收的相应光强及闪烁信号强度变小，反之亦然；因此定位控制器根据从横向两侧LED照明灯带接收传感信号中交流分量的比值判断横向位置；同理，根据从纵向两侧LED照明灯带接收传感信号中交流分量的比值判断纵向位置；由于四个LED照明灯带的驱动器采用一个公共的大功率直流电源供电，因此电源波动对四个LED照明灯带亮度变化的影响亦一致，对横向位置和纵向位置的检测结果没有影响。

本发明的四个LED照明灯带其闪烁频率不同但平均光强相同，由于其属于带状分布光源，容易实现大面积空间的均匀照明，且由于其闪烁频率远高于人眼感知范围(如1kHZ以上)，因此定位功能不影响照明品质，与传统节能灯相比有更优越的照明性能。

本发明的高速光敏传感器发生纵向移动时，由于其横向的照明光带亮度分布均匀，因此不影响横向位置传感信号幅值；高速光敏传感器发生横向移动时，由于其纵向的照明光带亮度分布均匀，因此不影响纵向位置传感信号幅值。

本发明合理利用了LED照明灯带的高速响应性能，将照明功能与定位功能融为一体，适用于家庭、公共场所、工厂企业等多种室内应用场合，由于不需要设置专用的信号发射设备，应用成本低；本发明的平面位置传感方法采用可见光脉冲调制信号，无电磁干扰，光闪烁信号中不携带特殊信号，有利于保持良好的电磁兼容性和信息安全；本发明的平面位置传感方法，其有效范围为四个LED照明灯带所包围区域，且适用于多个移动平台的并行定位，各个移动平台之间互不影响。

附图说明

图1为本发明的元件布局示意图。

图2为本发明的LED照明灯带驱动原理示意图。

图3为本发明的高速光敏传感器信号处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案作一详细阐述。

如图1所示，首先在矩形室内空间1的四面墙体上分别水平布置均匀发光的四个LED照明灯带，分别为LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4和LED照明灯带四5，LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4与LED照明灯带四5的安装高度相同，LED照明灯带一2与LED照明灯带二3的长度一致且相对对齐，LED照明灯带三4与LED照明灯带四5的长度一致且相对对齐，在四个LED照明灯带所包围区域内设置需定位区域，在需定位区域内放置移动平台6，移动平台6上装有高速光敏传感器7；

如图2所示，大功率直流电源20为LED照明灯带一2的驱动电路一21、LED照明灯带二3的驱动电路二22、LED照明灯带三4的驱动电路三23与LED照明灯带四5的驱动电路五24提供电源，驱动电路一21、驱动电路二22、驱动电路三23和驱动电路四24发出的脉冲电源分别驱动LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4和LED照明灯带四5发光，驱动电路一21、驱动电路二22、驱动电路三23和驱动电路四24所发出脉冲电源的开关占空比相同但开关频率相异，因此LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4和LED照明灯带四5发出的照明光线，其平均亮度一致，但闪烁频率不同；

如图3所示，高速光敏传感器7检测到的照明光线闪烁信号连接至缓冲放大器8，缓冲放大器8的输出信号分别连接至带通滤波器一9、带通滤波器二10、带通滤波器三11和带通滤波器四12，需指出的是带通滤波器一9的中心频率与驱动电路一21的开关频率相同，带通滤波器二10的中心频率与驱动电路二22的开关频率相同，带通滤波器三11的中心频率与驱动电路三23的开关频率相同，带通滤波器四12的中心频率与驱动电路四24的开关频率相同；带通滤波器一9的输出信号连接至真有效值电路一13，带通滤波器二10的输出信号连接至真有效值电路二14，通滤波器三11的输出信号连接至真有效值电路三15，通滤波器四12的输出信号连接至真有效值电路四16，真有效值电路一13与真有效值电路二14的输出信号连接至除法器一17；真有效值电路三15与真有效值电路四16的输出信号连接至除法器二18；除法器一18与除法器二19的输出信号连接至定位控制器19；

本发明为一种室内环境下的平面位置传感方法，具体采用如下步骤：

A、首先在矩形室内空间1的四面墙体上水平布置均匀发光的四个LED照明灯带即LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4与LED照明灯带四5，四个LED照明灯带安装高度相同，LED照明灯带一2与LED照明灯带二3的长度一致且相对对齐，LED照明灯带三4与LED照明灯带四5的长度一致且相对对齐；所述的需定位区域为矩形，LED照明灯带一2与LED照明灯带二3的长度不小于需定位区域的长度，LED照明灯带三4与LED照明灯带四5的长度不小于需定位区域的宽度，需定位区域在四个LED照明灯带所包围区域内，在需定位区域内放置移动平台6，移动平台6上装有高频响应的高速光敏传感器7；

B、采用大功率直流电源20为驱动电路一21、驱动电路二22、驱动电路三23和驱动电路四24提供电源，驱动电路一21、驱动电路二22、驱动电路三23和驱动电路四24输出开关占空比相同但开关频率相异的脉冲电源，分别驱动LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4与LED照明灯带四5发光，LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4与LED照明灯带四5所发出的光线，按不同的频率高速闪烁，但各自的平均亮度一致；

C、高速光敏传感器7同时接受LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4与LED照明灯带四5的照射，并将所承受的光线闪烁转化为相应的脉冲电流信号，该脉冲电流信号中与LED照明灯带一2、LED照明灯带二3闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台6及高速光敏传感器7所处的横向位置有关、与所处的纵向位置无关，位置越靠近LED照明灯带一2则与LED照明灯带一2闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与LED照明灯带二3闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然；该脉冲电流信号中与LED照明灯带三4、LED照明灯带四5闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台6及高速光敏传感器7所处的纵向位置有关、与所处的横向位置无关，位置越靠近LED照明灯带三4则与LED照明灯带三4闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与LED照明灯带四5闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然；

D、放大器8对高速光敏传感器7输出的脉冲电流信号进行放大后分别送入到带通滤波器一9、带通滤波器二10、带通滤波器三11与带通滤波器四12，以分别提取与LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4与LED照明灯带四5闪烁频率相同的谐波分量；而后将所提取的各个谐波分量分别送入至真有效值电路一13、真有效值电路二14、真有效值电路三15真有效值电路四16，以得到与LED照明灯带一2、LED照明灯带二3、LED照明灯带三4与LED照明灯带四5闪烁频率相同的谐波分量的幅值；

F、采用除法器一17将真有效值电路一13、真有效值电路二14输出的幅值信号相除，得到高速光敏传感器7从LED照明灯带一2、LED照明灯带二3接收到光线强度的比值；采用除法器二18将真有效值电路三15、真有效值电路四16输出的幅值信号相除，得到高速光敏传感器7从LED照明灯带三4、LED照明灯带四5接收到光线强度的比值；

G、定位控制器19通过判断除法器一17输出的比值即可判断移动平台6及高速光敏传感器7在LED照明灯带一2、LED照明灯带二3所限定区域的横向位置；通过判断除法器二18输出的比值即可判断移动平台6及高速光敏传感器7在LED照明灯带三4、LED照明灯带四5所限定区域的纵向位置，从而实现对移动平台6平面位置的传感检测。

Claims (8)

1.一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于：首先在矩形室内场地的每面墙体上分别水平布置一个LED照明灯带，四面墙体共四个LED照明灯带并采用四路不同频率的高速开关信号分别控制四个LED照明灯带高频闪烁；在四个LED照明灯带所包围区域内设置需定位区域，在需定位区域内设置移动平台，移动平台上设置高频响应的高速光敏传感器，通过高速光敏传感器检测从四个LED照明灯带发出的光强和闪烁信号，而后提取高速光敏传感器输出信号中与四个LED照明灯带闪烁频率一致的谐波分量，继而输送至设在移动平台上的定位控制器；定位控制器根据高速光敏传感器从横向墙体上两条相对布置LED照明灯带闪烁频率一致谐波分量幅值的相对关系，确定移动平台在室内空间的横向位置，根据高速光敏传感器从纵向墙体上两条相对布置LED照明灯带闪烁频率一致谐波分量幅值的相对关系，确定移动平台在室内空间的纵向位置；横向和纵向位置结合实现室内移动平台在室内环境下的平面位置传感和自定位。

2.根据权利要求1所述的一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于所述的四个LED照明灯带安装高度相同，相对两面墙体上安装的LED照明灯带长度一致。

3.根据权利要求2所述的一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于所述四面墙上的LED照明灯带的长度与需定位范围的尺寸相适应。

4.根据权利要求3所述的一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于所述的需定位范围为矩形，与矩形的长度同方向的墙面上设置的LED照明灯带的长度不小于矩形的长度，与矩形的宽度同方向的墙面上设置的LED照明灯带的长度不小于矩形的宽度。

5.根据权利要求1或2所述的一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于所述的LED照明灯带采用驱动器驱动，驱动器连至大功率直流电源。

6.根据权利要求5所述的一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于所述的四个LED照明灯带的驱动器采用PWM开关控制方式控制LED闪烁发光，四个驱动器的PWM占空比相同，但开关频率相异。

7.根据权利要求1或2所述的一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于所述的移动平台上设置有高速光敏传感器，移动平台放置在四个LED照明灯带包围的区域内；移动平台带动高速光敏传感器移动时，由于其与四个LED照明灯带的垂直距离发生变化，导致所接受的光强信号发生变化；通过四个与各自LED照明灯带闪烁频率一致的带通滤波器将高速光敏传感器接收的混合光强信号分离为从四个LED照明灯带接收的独立信号；定位控制器根据光在空间中传播光强随距离远近的变化规律，以及所分离出的四路独立信号交流分量的幅值大小即可判断出光敏传感器及移动平台在四个LED照明灯带所包围区域内的平面位置，从而实现移动平台在室内的平面位置传感和自定位。

8.根据权利要求7所述的一种室内环境下的平面位置传感方法，其特征在于所述的高速光敏传感器的横向位置偏向一侧LED照明灯带，从该侧接收的相应光强及闪烁信号强度变大，从另一侧接收的相应光强及闪烁信号强度变小，反之亦然；因此定位控制器根据从横向两侧LED照明灯带接收传感信号中交流分量的比值判断横向位置；同理，根据从纵向两侧LED照明灯带接收传感信号中交流分量的比值判断纵向位置；由于四个LED照明灯带的驱动器采用一个公共的大功率直流电源供电，因此电源波动对四个LED照明灯带亮度变化的影响亦一致，对横向位置和纵向位置的检测结果没有影响。