CN106441304A - 一种利用可见光通信的三维室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用可见光通信的三维室内定位方法，在室内放置任意数目的发光二极管(LED)，并在目标终端设备上安置任意数目的光电二极管(PD)作为光接收装置。假设LED的坐标位置和发射功率已知，PD和目标终端在同一水平高度且其相对位置已知。通过测量每个接收装置PD的接收功率，利用几何关系计算可确定目标终端的三维坐标位置。本发明实现了室内三维空间定位，计算量小，精度高，适用于常见的电子移动终端设备，比如手机，平板电脑等。

Description

一种利用可见光通信的三维室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种利用可见光通信的三维室内定位方法，属于可见光通信技术。

背景技术

近年来，为了提供基于位置的服务(location based service，LBS)，GPS等室外定位技术发展迅速，为人们的生活工作以及娱乐提供了极大的便利。GPS需要接收卫星的信号信息，对于室内系统来说，墙壁等建筑物的遮挡会造成严重的信号衰落。因此室内定位一般采用其他方法，比如射频信号、红外线、超声波、激光等等。虽然一些技术和产品已经投入使用，但是其定位精度一般从几十分米到几米，精度比较低，而且都受到电磁干扰和多径衰落的影响。

相比而言，采用发光二极管(LED)的可见光通信(VLC)系统拥有丰富的频带资源、不受电磁干扰的影响、安全性较高、用于定位时具有精度高、延时短等优点；和传统的照明设备相比，LED灯具有耗能小、使用寿命长、绿色环保等优点。不仅如此，LED灯在提供照明的同时可以作为光信号发射端，因此可见光定位系统不需要额外的硬件设施，成本较低。

至今为止，已经有很多相关的可见光定位算法被提出，其中最主要的是几何方法。几何方法可以分为两种，一是三边定位法，通过计算多个接收端与目标的距离来定位；二是三角定位法，通过计算多个接收端与目标的相对夹角从而实现定位。在三边定位法中，采用幅度调制/直接检测(intensity modulation/direct detection，IM/DD)，主要通过测量接收信号功率(RSS)或者接收信号功率比(RSSR)来估计接收端和目标的距离。传统的三边定位方法大多需要多个接收端的绝对位置坐标信息，假设目标终端的高度已知，仅仅针对其剩下的二维坐标进行定位，且需要采用穷举或迭代算法，系统计算量较大。

在实际应用中，包含高度信息的三维坐标定位方法具有非常大的应用价值。在手机、便携式平板电脑等电子设备上安装光电二极管(PD)作为光信号接收装置，室内照明LED灯作为光信号发射装置，采用VLC可对目标设备进行精确定位。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用可见光通信的三维室内定位方法，定位精度高。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用可见光通信的三维室内定位方法，包括如下步骤：

(1)在室内天花板上设置M个LED以发射光信号，在目标终端上配置N个PD以接收光信号，满足MN≥4；设LED的竖直高度为0，PD和目标终端的竖直高度均为h，则第i个LED的三维坐标为(x_{t_i},y_{t_i},0)，第j个PD的三维坐标为(x_{r_j},y_{r_j},h)，目标终端的三维坐标为(x,y,h)，且存在如下关系：

其中：r_j为第j个PD距离目标终端定位点的距离，φ_j为第j个PD相对于目标终端定位点的极坐标角度；

(2)使用三维坐标表示第i个LED和第j个PD之间的距离d_ij，则有：

(3)使用第j个PD对第i个LED的光接收功率P_{r_ij}表示第i个LED和第j个PD之间的距离d_ij，具体计算步骤如下：

(31)测量第j个PD对第i个LED的光接收功率P_{r_ij}，设光信道直流增益为H_ij(0)，第i个LED的光发射功率为P_{t_i}，则有：

P_{r_ij}＝H_ij(0)P_{t_i} (3)

其中：n为LED的朗伯模型阶数(取n＝1)，A_j为第j个PD的光接收面积，为第i个LED对第j个PD的辐射角度，θ_ij为第j个PD对第i个LED的入射角度；

(32)由于带入式(3)可得：

(4)对式(2)和式(5)进行整合，得到目标终端的三维坐标为(x,y,h)的方程为：

由于存在M个LED和N个PD，因此可以得到MN个式(6)，将其中未知数的平方项消除，得到MN-1个线性方程，用矩阵形式表示，并采用最小二乘法对目标终端的三维坐标进行估计。

具体的，采用最小二乘法对目标终端的三维坐标进行估计的过程包括如下步骤：

(41)将MN-1个线性方程表示成如下的矩阵形式：

Ax＝b (7)

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1} (11)

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1} (12)

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1；

(42)在定位时，首先由已知参数(x_{t_i},y_{t_i},0)、已知参数r_j、已知参数φ_j和测量值P_{r_ij}，根据式(9)～(14)计算得到A和b，然后采用最小二乘法估计目标终端的三维坐标：

其中：(·)^T表示矩阵的转置，(·)^-1表示矩阵的逆，是对目标终端的三维坐标的估计。

有益效果：本发明提供的利用可见光通信的三维室内定位方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、本发明中目标终端的高度坐标不再假设为常数，而是同样需要进行估计的未知变量，实现了真正意义上的三维空间定位；2、本发明克服了传统可见光定位方案中需要多个接收装置的绝对位置的条件，仅需要接收装置与目标终端的相对位置即可实现定位；3、本发明中LED数目M和PD数目N取值灵活，只要满足MN大于等于4即可；因此，该方案不仅适用于一发多收和多发一收系统，也适用于多发多收系统；4、把方程用矩阵形式表示，采用最小二乘法估计目标终端的位置坐标，定位精度高，计算量小，且避免了传统定位方案中的穷举遍历，迭代计算；5、本发明对于实际应用具有重要价值；可见光定位系统适用于常见的移动终端设备，例如配置多摄像头的手机，便携式平板电脑等；如果目标终端上多个接收装置的相对位置关系已知，则通过测量接收装置的接收信号功率，就可计算确定目标终端的位置坐标。

附图说明

图1为本发明定位方法的系统框图；

图2为本发明系统一般性的布局示意图；

图3为本发明采用4个LED和2个PD时的布局示意图；

图4为在图3所示布局下得到的定位误差图；

图5为在图3所示布局下平均定位误差与目标终端高度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1展示了可见光定位方案的系统框图。首先，LED发送经过调制的光信号；然后光信号通过信道被接收端的PD接受；最后，终端采用本发明的算法经过计算得到目标终端的三维坐标估计值。可见室内可见光定位系统不需要额外的硬件设备，实施方便，成本低廉。

图2展示了本发明定位方法的一般布局。在天花板上放置若干个LED作为光信号发射端，在目标终端上配置若干个PD作为光信号接收端。具体实施过程如下：

步骤一：在室内天花板上设置M个LED以发射光信号，在目标终端上配置N个PD以接收光信号，满足MN≥4；设LED的竖直高度为0，PD和目标终端的竖直高度均为h，则第i个LED的三维坐标为(x_{t_i},y_{t_i},0)，第j个PD的三维坐标为(x_{r_j},y_{r_j},h)，目标终端的三维坐标为(x,y,h)，且存在如下关系：

其中：r_j为第j个PD距离目标终端定位点的距离，φ_j为第j个PD相对于目标终端定位点的极坐标角度。

步骤二：使用三维坐标表示第i个LED和第j个PD之间的距离d_ij，则有：

步骤三：使用第j个PD对第i个LED的光接收功率P_{r_ij}表示第i个LED和第j个PD之间的距离d_ij，具体计算步骤如下：

(31)测量第j个PD对第i个LED的光接收功率P_{r_ij}，设光信道直流增益为H_ij(0)，第i个LED的光发射功率为P_{t_i}，则有：

P_{r_ij}＝H_ij(0)P_{t_i} (3)

其中：n为LED的朗伯模型阶数(取n＝1)，A_j为第j个PD的光接收面积，为第i个LED对第j个PD的辐射角度，θ_ij为第j个PD对第i个LED的入射角度。

(32)由于带入式(3)可得：

步骤四：对式(2)和式(5)进行整合，得到目标终端的三维坐标为(x,y,h)的方程为：

由于存在M个LED和N个PD，因此可以得到MN个式(6)，将其中未知数的平方项消除，得到MN-1个线性方程，将这MN-1个线性方程表示成如下的矩阵形式：

Ax＝b (7)

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1} (11)

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1} (12)

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1。

步骤五：在定位时，首先由已知参数(x_{t_i},y_{t_i},0)、已知参数r_j、已知参数φ_j和测量值P_{r_ij}，根据式(9)～(14)计算得到A和b，然后采用最小二乘法估计目标终端的三维坐标：

其中：(·)^T表示矩阵的转置，(·)^-1表示矩阵的逆，是对目标终端的三维坐标的估计。

图3展示了进行仿真实验时的具体布局情况。结合图3对仿真过程进行说明：

仿真参数：房间大小为6m×6m×3m(长，宽，高)，天花板上布置4个LED，其坐标分别为LED1(1,-1,0)，LED2(2,2,0)，LED3(-2,-2,0)，LED4(-1,1,0)；4个LED灯的发射信号功率均为P_t＝1W；目标终端配置有2个PD作为光接收装置，2个PD到目标终端定位点的距离均为r＝0.2m，2个PD的光接收器面积均为A＝1mm²，2个PD相对于目标终端定位点的极坐标角度分别为φ₁＝120°，φ₂＝60°。

仿真过程：

1)按如下公式计算矩阵A和b：

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1}

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1}

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1。

2)按下式估计目标终端的三维坐标：

图4给出了在图3所示情形下，当目标终端距离天花板3m时，目标终端在各个位置的定位误差。定位误差最小为0.7mm，最大为8.45mm。从图中可以看出，当目标终端位于房间角落时，定位误差较大；当目标终端位于房间中心时，定位误差较小。整体来说，定位误差达到毫米量级，定位精度较高。

图5给出了在图3所示布局下，平均定位误差与目标终端距LED垂直距离的关系。从图中可以看出，当终端与LED距离从1m增加到2m时，平均误差减小，这是因为光信号入射角减小，造成直流增益增加；当距离从2m增加到3m时，平均误差增大，这是因为PD与LED距离增大，造成直流增益减小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用可见光通信的三维室内定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)在室内天花板上设置M个LED以发射光信号，在目标终端上配置N个PD以接收光信号，满足MN≥4；设LED的竖直高度为0，PD和目标终端的竖直高度均为h，则第i个LED的三维坐标为(x_{t_i},y_{t_i},0)，第j个PD的三维坐标为(x_{r_j},y_{r_j},h)，目标终端的三维坐标为(x,y,h)，且存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{r\_j}=x+r_j{\mathrm{cos\φ}}_j\\ y_{r\_j}=y+r_j{\mathrm{sin\φ}}_j\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：r_j为第j个PD距离目标终端定位点的距离，φ_j为第j个PD相对于目标终端定位点的极坐标角度；

(2)使用三维坐标表示第i个LED和第j个PD之间的距离d_ij，则有：

$d_{ij}^2={(x_{t\_i}-x-r_j{\mathrm{cos\φ}}_j)}^2+{(y_{t\_i}-y-r_j{\mathrm{sin\φ}}_j)}^2+h^2---\left(2\right)$

(3)使用第j个PD对第i个LED的光接收功率P_{r_ij}表示第i个LED和第j个PD之间的距离d_ij，具体计算步骤如下：

(31)测量第j个PD对第i个LED的光接收功率P_{r_ij}，设光信道直流增益为H_ij(0)，第i个LED的光发射功率为P_{t_i}，则有：

P_{r_ij}＝H_ij(0)P_{t_i} (3)

其中：n为LED的朗伯模型阶数(取n＝1)，A_j为第j个PD的光接收面积，为第i个LED对第j个PD的辐射角度，θ_ij为第j个PD对第i个LED的入射角度；

(32)由于带入式(3)可得：

$d_{ij}^2={\[\frac{(n+1)P_{t\_i}}{2{\mathrm{\πP}}_{r\_ij}}{A}_j{h}^{n+1}\]}^{\frac{2}{n+3}}---\left(5\right)$

(4)对式(2)和式(5)进行整合，得到目标终端的三维坐标为(x,y,h)的方程为：

${\[\frac{(n+1)P_{t\_i}}{2{\mathrm{\πP}}_{r\_ij}}{A}_j{h}^{n+1}\]}^{\frac{2}{n+3}}={(x_{t\_i}-x-r_j{\mathrm{cos\φ}}_j)}^2+{(y_{t\_i}-y-r_j{\mathrm{sin\φ}}_j)}^2+h^2---\left(6\right)$

由于存在M个LED和N个PD，因此可以得到MN个式(6)，将其中未知数的平方项消除，得到MN-1个线性方程，用矩阵形式表示，并采用最小二乘法对目标终端的三维坐标进行估计。

2.根据权利要求1所述的利用可见光通信的三维室内定位方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用最小二乘法对目标终端的三维坐标进行估计的过程包括如下步骤：

(41)将MN-1个线性方程表示成如下的矩阵形式：

Ax＝b (7)

$x=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ h\end{array}\right]---\left(8\right)$

$A={\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\α}}_{1\×2}& {\mathrm{\β}}_{1\×2}& {\mathrm{\γ}}_{1\×2}\\ {\mathrm{\α}}_{1\×3}& {\mathrm{\β}}_{1\×3}& {\mathrm{\γ}}_{1\×3}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ {\mathrm{\α}}_{M\×N}& {\mathrm{\β}}_{M\×N}& {\mathrm{\γ}}_{M\×N}\end{array}\right]}_{(MN-1)\×3}---\left(9\right)$

$b={\left[\begin{array}{c}{b}_{1\×2}\\ b_{1\×3}\\ .\\ .\\ .\\ b_{M\×N}\end{array}\right]}_{(MN-1)\×1}---\left(10\right)$

α_i×j＝2r_jcosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1} (11)

β_i×j＝2r_jsinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1} (12)

${\mathrm{\γ}}_{i\×j}={\left(\frac{n+1}{2\mathrm{\π}}{A}_j{P}_{t\_i}\right)}^{\frac{2}{n+3}}\·\[P_{r\_11}^{\frac{-2}{n+3}}-P_{r\_ij}^{\frac{-2}{n+3}}\]---\left(13\right)$

$b_{i\×j}=x_{t\_1}^2+y_{t\_1}^2-x_{t\_i}^2-y_{t\_i}^2+2x_{t\_i}{r}_j{\mathrm{cos\φ}}_j+2y_{t\_i}{r}_j{\mathrm{sin\φ}}_j-2x_{t\_1}{r}_1{\mathrm{cos\φ}}_1-2y_{t\_1}{r}_1{\mathrm{sin\φ}}_1---\left(14\right)$

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1；

(42)在定位时，首先由已知参数(x_{t_i},y_{t_i},0)、已知参数r_j、已知参数φ_j和测量值P_{r_ij}，根据式(9)～(14)计算得到A和b，然后采用最小二乘法估计目标终端的三维坐标：

$\hat{x}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b---\left(15\right)$

其中：(·)^T表示矩阵的转置，(·)^-1表示矩阵的逆，是对目标终端的三维坐标的估计。