CN106019227B - 一种可见光定位系统和定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种可见光定位系统和方法，系统包括控制端、LED光源和移动端；控制端产生LED光源的控制信号，用于控制LED光源；LED光源包括LED驱动电路和LED灯组；驱动电路为LED灯组提供偏置电流，并将控制端产生的控制信号加载到LED灯组上；LED灯组的位置固定、多灯共点，且各LED灯的朝向不同；在控制端产生的LED控制信号的作用下，移动端对LED光源发出的光进行探测和处理，通过计算得到移动端的位置参数并显示出来。本发明提供的技术方案集成度高、安装方便，能够降低系统搭建成本、提高定位精度，增大系统可适用范围。
Description
技术领域
本发明属于定位技术领域，涉及可见光通信定位技术，尤其涉及一种基于可见光的定位系统和定位方法。
背景技术
现如今，主流商用定位技术一般通过在环境中提前布置一些无线网络设备，利用其发送的信号强度特征来进行定位；或者使用一些特殊设备例如FM(频率调制)信号接收器，RFID(射频识别技术)信号接收器，利用这些特殊设备独有的特性来进行定位。
然而，基于无线网络信号的定位技术精度较低，在超市、图书馆这样的大场景中易出现较大定位误差，且提前布置这些设备的要求也一定程度上影响了方案的易用性。与此同时，基于特殊设备的定位方案由于特殊设备的布置成本等限制，应用性不够广泛，存在成本和易用性等问题。
近年来，随着LED在照明、通信和传感技术等各个领域的广泛应用，可见光通信(VLC)由于具有同时用于照明和通信的优势，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。在基于VLC的各种应用中，VLC定位系统成为一大亮点。VLC技术使用LED作信号源，可以方便的利用现有的照明设备进行定位，几乎不需多余的功率消耗和搭建成本。同时，基于VLC的定位系统不会产生任何射频干扰，可以在一些射频辐射被严格控制的场合应用，比如矿山和医院。此外VLC的传输信道一般采用直射信道，因此拥有较高的信噪比，且多径干扰相对较小，可以实现更高的定位精度。
目前，基于VLC技术的定位方法主要有三角定位方法、场景分析方法和邻近方法。多数已经实现了的VLC定位系统往往需要建立一个LED阵列才能进行定位，这在很多环境下并不具备可实现性，比如矿井中只能通过工人的矿灯来进行定位。此外，固定的LED定位网络在针对快速移动的物体时会产生较大的定位误差与捕捉延迟。
发明内容
为了克服上述现有可见光通信定位技术的不足，本发明提供一种基于辐照角参量的可见光通信定位系统及方法，目的是降低定位系统的搭建时间和成本、提高定位精度、增大系统适用范围。
本发明的原理是：发明是一种基于辐照角参量的可见光通信定位技术，将多个LED固定在同一基点上且朝向不同，LED的辐射服从朗伯体模型；在待定位点处，通过测量各LED所发出的光的强度确定从各LED到待定位点处所引的辐照角；由于朝向不同的各LED的中心轴线形成一个极坐标系，通过各LED对待定位点的辐照角可以在该极坐标系中求得待定位点在笛卡尔坐标系中相对LED光源的位置；又由于LED光源的位置显然是已知的，因此可以得到待定位点处的位置参数。
本发明提供的技术方案是：
一种可见光定位系统，包括：控制端、LED光源和移动端；所述控制端产生所述LED光源的控制信号，用于控制所述LED光源的明灭；所述LED光源包括LED驱动电路和LED灯组；所述驱动电路为所述LED灯组提供偏置电流，并将所述控制端产生的控制信号加载到LED灯组上；所述LED灯组的位置固定、多灯共点，且各LED灯的朝向不同；在所述控制端产生的LED控制信号的作用下，移动端对所述LED光源发出的光进行探测和处理，通过计算得到移动端的位置参数并显示出来。
针对上述的可见光定位系统，进一步地，本发明实施例中，所述LED控制信号为时隙方波信号，所述时隙方波信号的占空比根据所述LED灯组中LED的个数决定；所述LED控制信号在不同时刻点亮不同的LED，用时隙来区分各LED。
针对上述的可见光定位系统，进一步地，所述移动端包括探测模块、处理模块和显示模块；所述探测模块包含可见光波段光电探测器和数据采集器，所述可见光波段光电探测器位于待定位点处；所述处理模块用于计算得到所述移动端的可见光波段光电探测器的位置；所述显示模块用于显示定位结果。
针对上述的可见光定位系统，进一步地，所述驱动电路输出恒流信号。
针对上述的可见光定位系统，进一步地，所述LED灯组中LED的个数不少于三个。
针对上述的可见光定位系统，进一步地，所述LED灯组中各LED的方向角为固定角度；优选地，所述LED灯组中的一个LED的朝向设置为垂直向下。
上述的可见光定位系统不需要单独布设LED网络或建立固定的坐标系，而是把整个网络系统集成为一体，使得空间定位坐标系与LED装置相伴随。一方面可以集成使用，减少铺设成本，另一方面也同时拓展了使用场景，增加了定位的灵活性与适应性，可以跟踪捕捉快速移动的目标。
本发明还提供一种利用上述可见光定位系统进行定位的可见光定位方法，所述可见光定位系统包括控制端、LED光源和移动端；所述移动端包括探测模块、处理模块和显示模块；所述探测模块包含可见光波段光电探测器和数据采集器；
所述可见光定位方法包括离线参数确定过程和在线运行定位过程；具体包括如下步骤：
步骤1：离线参数确定过程，执行操作1a～1b：
步骤1a：放置好LED光源，所述LED光源包含多个LED；
步骤1b：获取所述移动端的可见光波段光电探测器的光敏面的面积，记为A；获取所述LED的特性参数m和LED的发光强度P0，并分别测量得到各LED的朝向；
步骤2：在线运行定位过程，执行操作2a～2e：
步骤2a：将所述移动端置于任意位置；
步骤2b：在所述控制端产生的控制信号的驱动下，各LED轮流循环点亮；移动端的可见光波段光电探测器实时读取各LED对应的探测光强，记为(P1,P2,…,Pn)；
步骤2c：处理模块根据LED所发出的光的光强分布模型，输入所述探测光强(P1,P2,…,Pn)，计算得到对应的LED至光电探测器的辐射角，记为
步骤2d：处理模块根据步骤2c得到的辐射角计算得到移动端所处位置的位置参数；
步骤2e：显示模块将步骤2d得到的移动端所处位置的位置参数显示出来。
针对上述可见光定位方法，本发明实施例中，所述LED光源包含三个LED，分别为第一LED、第二LED和第三LED；所述三个LED的朝向固定并各不相同；所述第一LED朝向为垂直向下。所述LED所发出的光的光强分布模型满足朗伯体辐射模型。
本发明实施例中，步骤2c所述LED所发出的光的光强分布模型满足式1：
其中，P为探测光强；P0为LED发光强度；m为与LED特性相关的参数，取值范围通常在3～8之间；A为光电探测器光敏面积；h为光电探测器到LED的垂直距离；为LED至光电探测器的辐射角。本发明通过辐照角的三角函数的指数上的参数进行描述，相比于传统的基于RSSI的光强探测在灵敏度上有了很大提升，具有了更高的精度。
针对上述可见光定位方法，进一步地，所述可见光波段光电探测器的响应波段范围包含可见光波段；优选地，光电探测器的响应波段范围为400nm～1100nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种基于辐照角参量的可见光通信定位系统及方法。本发明提供的技术方案建立在三角定位方法的基础之上，但不需要单独布设LED网络或建立固定的坐标系，而是把整个网络系统集成为一体，使得空间定位坐标系与LED装置相伴随。一方面可以集成使用，减少铺设成本，另一方面也同时拓展了使用场景，增加了定位的灵活性与适应性，可以跟踪捕捉快速移动的目标。此外，本发明所建立的定位模型的定位精度通过辐照角的三角函数的指数上的参数进行描述，相比于传统的基于RSSI的光强探测在灵敏度上有了很大提升，具有了更高的精度。与现有定位系统相比，本发明所提出的可见光定位技术方案能够降低系统搭建成本，提高定位精度，增大系统可适用范围。本发明具有以下特点：
(一)本发明所述的可见光定位系统集成度高、安装方便，可适应各种复杂环境的应用；
(二)本发明所述的可见光定位方法的定位精度取决于LED的特性参数m，由于LED的特性参数m位于辐照角的指数项上，而辐照角与位置参数对应，因此本发明所述的可见光定位方法具有很高的定位灵敏度；
(三)本发明所述的可见光定位方法的定位精度取决于LED的特性参数m，当特性参数m的测定精度较高时，本发明所述的可见光定位方法的精度也较高。
附图说明
图1为本发明提供的可见光定位系统的结构框图。
图2为本发明实施例提供的可见光定位方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
如附图1所示，本发明提出的可见光定位系统包括控制端、LED光源和移动端；所述控制端通过控制信号发生模块产生LED光源的控制信号；所述LED光源包括LED驱动电路和LED灯组；所述驱动电路为LED提供合适的偏置电流，并将控制信号加载到LED上；LED为多灯共点、位置固定，且各LED朝向不同；由此达到的效果是：一方面可以集成使用，减少铺设成本，另一方面也同时拓展了使用场景，增加了定位的灵活性与适应性，可以跟踪捕捉快速移动的目标；控制信号发生模块产生的控制信号经过驱动电路与LED灯连接；所述移动端包括探测模块、处理模块和显示模块。
本实施例中，所述移动端包括探测模块、处理模块和显示模块；所述探测模块包含可见光波段光电探测器和数据采集器，所述可见光波段光电探测器位于待定位点处；所述处理模块为加载给定算法的数字信号处理模块；所述显示模块用来显示定位结果；
本实施例提供的可见光定位系统中，所述LED光源包含3个LED，其中一个LED朝向垂直向下，另外2个LED朝向固定且已知；
上述可见光定位系统中，进一步地，所述控制信号可以采用占空比为33.3％的时隙方波信号；
上述可见光定位系统工作时，LED光源中的各LED在时隙方波信号的作用下依次轮流点亮，移动端对待定位点处各时隙的光强进行探测和处理，通过定位模型计算得待定位点处的位置参数并显示出来。具体来说，朝向不同的LED所发出的可见光到达待定位点处所经历的衰减是不同的。因此，虽然3个LED固定于同一基点上，但是仍然能够通过待定位点处所探测得的3个LED所发出的可见光的强度来唯一确定待定位点的位置参数。
基于上述系统，本发明还提出了一种可见光定位方法，图2为本发明实施例提供的可见光定位方法的流程框图，具体包括如下步骤：
步骤1：离线参数确定
步骤1a：放置好LED光源；
在本实施例中，LED光源包含3个LED，其中LED-1的朝向垂直向下，LED-2与LED-1的朝向所夹的空间角Z2和LED-3与LED-1的朝向所夹的空间角Z3均为60°。
步骤1b：查阅移动端的光电探测器和LED光源的说明书，确定光电探测器的光敏面面积A、LED的特性参数m以及LED的发光强度P0，并测量各LED的朝向；
在本实施例中，移动端光电探测器光敏面的面积A＝0.5cm2，LED的特性参数m＝4.3，LED的发光强度P0＝125.49μW；
步骤2：在线运行定位；
步骤2a：移动端置于任意位置；
步骤2b：在控制端产生的控制信号的驱动下，各LED轮流循环点亮；移动端的光电探测器实时读取各LED对应的探测光强(P1,P2,P3)；
步骤2c：处理模块将探测光强(P1,P2,P3)；分别代入方程(式1)中，计算得对应的
LED所发出的光的光强分布模型满足式1：
其中，P为探测光强，P0为LED发光强度，m为与LED特性相关的参数，A为光电探测器光敏面积，h为光电探测器到LED的垂直距离，为LED至光电探测器的辐射角。
步骤2d：处理模块根据计算移动端所处位置的位置参数；
步骤2d-1：根据移动端探测到的由垂直向下的LED-1所发出光强度计算移动端在竖直方向上的位置参数z：
其中，h0为LED光源到地面的垂直高度，为一常量，其中P0,1为LED-1的发光强度；P1为LED-1对应的探测光强；m为与LED特性相关的参数。
步骤2d-2：根据三个灯对移动端的辐射角以及竖直方向的位置参数z计算移动端在水平面上的位置参数x和y：
式3中，Z2为LED-2与LED-1的朝向所夹的空间角；Z3为LED-3与LED-1的朝向所夹的空间角；
在本实施例中，计算得到为(0.6001rad,0.5797rad,0.2324rad)，最终得到的位置参数误差为2.2138mm。
步骤2e：显示模块将移动端所处位置的位置参数显示出来。
本发明不同于现有技术中的“三点定位法”。“三点定位法”中，不同LED的位置不同；而本发明的定位方法中，不同LED位于同一基点上，LED的朝向不同。
本发明提供的可见光定位系统的工作过程是：先离线测量不同已知位置的辐射角和探测光强P，以此通过公式1联立求解，得到公式的参数LED发光强度P0和LED特性参数m。然后将参数LED发光强度P0和LED特性参数m代入到公式1中，并将算法写入移动端的处理模块中。在系统运行定位阶段，LED灯依次点亮，移动端的接收模块将探测光强P输入处理模块中，得到对应LED的辐照角最后，通过不同LED的不同辐照角在极坐标系中联立求解得到待定位点的位置参数。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可见光定位系统，包括：控制端、LED光源和移动端；所述控制端产生所述LED光源的控制信号，用于控制所述LED光源的明灭；所述LED光源包括LED驱动电路和LED灯组；所述驱动电路为所述LED灯组提供偏置电流，并将所述控制端产生的控制信号加载到LED灯组上；所述LED灯组的位置固定、多灯共点，且各LED灯的朝向不同；所述LED控制信号为时隙方波信号，所述时隙方波信号的占空比根据所述LED灯组中LED的个数决定；所述LED控制信号在不同时刻点亮不同的LED，用时隙来区分各LED；在所述控制端产生的LED控制信号的作用下，所述移动端对所述LED光源发出的光进行探测和处理，通过计算得到移动端的位置参数并显示出来。
2.如权利要求1所述的可见光定位系统，其特征是，所述移动端包括探测模块、处理模块和显示模块；所述探测模块包含可见光波段光电探测器和数据采集器，所述可见光波段光电探测器位于待定位点处；所述处理模块用于计算得到所述移动端的可见光波段光电探测器的位置；所述显示模块用于显示定位结果。
3.如权利要求1所述的可见光定位系统，其特征是，所述驱动电路输出恒流信号。
4.如权利要求1所述的可见光定位系统，其特征是，所述LED灯组中LED的个数不少于三个。
5.如权利要求1所述的可见光定位系统，其特征是，所述LED灯组中各LED的方向角为固定角度。
6.如权利要求1所述的可见光定位系统，其特征是，优选地，所述LED灯组中的一个LED的朝向设置为垂直向下。
7.一种利用权利要求1所述可见光定位系统进行定位的可见光定位方法，所述可见光定位系统包括控制端、LED光源和移动端；其特征是，所述移动端包括探测模块、处理模块和显示模块；所述探测模块包含可见光波段光电探测器和数据采集器；
所述可见光定位方法包括离线参数确定过程和在线运行定位过程；具体包括如下步骤：
步骤1：离线参数确定过程，执行操作1a～1b：
步骤1a：放置好LED光源，所述LED光源包含多个LED；
步骤1b：获取所述移动端的可见光波段光电探测器的光敏面的面积，记为A；获取所述LED的特性参数m和LED的发光强度P0，并分别测量得到各LED的朝向；
步骤2：在线运行定位过程，执行操作2a～2e：
步骤2a：将所述移动端置于任意位置；
步骤2b：在所述控制端产生的控制信号的驱动下，各LED轮流循环点亮；移动端的可见光波段光电探测器实时读取各LED对应的探测光强，记为(P1,P2,…,Pn)；
步骤2c：处理模块根据LED所发出的光的光强分布模型，输入所述探测光强(P1,P2,…,Pn)，计算得到对应的LED至光电探测器的辐射角，记为
步骤2d：处理模块根据步骤2c得到的辐射角计算得到移动端所处位置的位置参数；
步骤2e：显示模块将步骤2d得到的移动端所处位置的位置参数显示出来。
8.如权利要求7所述可见光定位方法，其特征是，步骤1a中，所述LED光源包含三个LED，分别为第一LED、第二LED和第三LED；所述三个LED的朝向固定并各不相同；所述第一LED朝向为垂直向下；步骤2d所述计算具体为如下过程：
步骤2d-1：根据移动端探测到的由垂直向下的第一LED所发出光强度，通过式2计算得到移动端在竖直方向上的位置参数z：
其中，h0为LED光源到地面的垂直高度；为一常量，其中P0,1为LED-1的发光强度；为第一LED对移动端的辐射角；P1为LED-1对应的探测光强；m为与LED特性相关的参数；
步骤2d-2：根据第一LED、第二LED和第三LED对移动端的辐射角以及步骤2d-1得到的竖直方向的位置参数z，通过式3分别计算得到移动端在水平面上的位置参数x和y：
式3中，Z2为LED-2与LED-1的朝向所夹的空间角；Z3为LED-3与LED-1的朝向所夹的空间角。
9.如权利要求7所述可见光定位方法，其特征是，步骤2c所述LED所发出的光的光强分布模型满足式1：
其中，P为探测光强；P0为LED发光强度；m为与LED特性相关的参数，取值范围在3～8之间；A为光电探测器光敏面积；h为光电探测器到LED的垂直距离；为LED至光电探测器的辐射角。
10.如权利要求7所述可见光定位方法，其特征是，所述可见光波段光电探测器的响应波段范围为400nm～1100nm。
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