CN106443586A - 一种室内定位方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位方法与装置，主要涉及室内定位、室内导航技术领域。包括信号发送装置、至少五盏LED灯、光电传感器、信号处理装置，所述信号发送装置用于控制不同的LED灯发出不同的光信号，所述光电传感器用于将接收待测定位点处的光信号转化为电信号，并将电信号传递到信号处理装置，所述信号处理装置用于获得所述光电传感器的坐标值，所述信号处理装置包括相位测量模块、若干路信号处理通道。本发明的有益效果在于：它利用LED可见光进行室内定位，能够减少反射、折射等信号干扰，能够实现高精度定位，并且发射端和接收端信号无需同步，能够降低定位成本。

Description

一种室内定位方法与装置

技术领域

本发明涉及室内定位、室内导航技术领域，具体是一种室内定位方法与装置。

背景技术

目前用于定位的技术方法很多，如GPS、北斗等，此类方法由于无室内信号，只能用于室外定位，室内定位的方法有WLAN、WIFI、RFID、Zigbee、超声、蓝牙等。此类方法易受到电磁干扰，在多用户占居信号通道时，通信质量、传播距离等都受到影响，从而严重影响了定位精度。室内LED可见光由于覆盖面广、节能、布设简单、成本低廉、无电磁辐射、干扰源少等特点，因此在室内定位领域具有较好的前景。

目前，已有较多的基于LED可见光室内定位方法，有些只限于二维定位，也有三维的方法，大致方法归类如下：

1、基于标签的LED可见光室内定位方法，此方法将与位置相关的ID数据加载到不同LED光源上，接收终端通过对ID数据的处理实现被动定位。

2、基于接收光信号强度的定位方法。

3、其它测量方法有图像成像法、三角测量法等。

上述方法，由于没有考虑发射信号的反射、折射等干扰因素，发射信号遇到障碍物，如墙面、玻璃等，会产生反射现象，导致待测定位点接收的信号除了发射源直射信号外，还会接收到反射、折射等信号，从而引入了干扰，影响测量精度。此外，多种定位方法，如到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)等定位方法，发射端和接收端均要实现信号同步，在实际应用中受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内定位方法与装置，它利用LED可见光进行室内定位，能够减少反射、折射等信号干扰，能够实现高精度定位，并且发射端和接收端信号无需同步，能够降低定位成本。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种室内定位装置，包括信号发送装置、至少五盏LED灯、光电传感器、信号处理装置，

所述信号发送装置用于控制不同的LED灯发出不同的光信号，

所述光电传感器用于将接收待测定位点处的光信号转化为电信号，并将电信号传递到信号处理装置，

所述信号处理装置用于获得所述光电传感器的坐标值，所述信号处理装置包括相位测量模块、若干路信号处理通道，所述信号处理通道的数量与LED灯的数量相同，所述信号处理通道包括信号调理模块、带通滤波模块、载波跟踪同步模块、解调模块、伪码捕获跟踪模块、本地PRN、下变频模块、本地载波。

一种室内定位方法，包括以下步骤：

步骤1：在室内天花板的不同位置安装至少五盏所述LED灯，并记录所述LED灯的安装位置(x_i,y_i,z_i)，(x_i,y_i,z_i)为第i盏LED灯的坐标，根据所述LED灯的数量，确定所述信号处理通道的数量，所述信号处理通道与所述LED灯一一对应，第i路信号处理通道处理第i盏LED灯发出的光信号；

步骤2：将所述LED灯与所述信号发送装置连接，由所述信号发送装置控制不同的所述LED灯发出不同的光信号，光信号为：

其中，a(t)＝A₀sin(2πf_it)为所述信号发送装置送入第i盏LED灯的幅度调制信号，i＝1，...，N,N≥5，为伪码序列，T_c为码元宽度，nT_c≤t≤(n+1)T_c，{c_n}∈{±1}，且速率为1/T_c，g_c(t)为门函数，m(t)＝Acosω₀t为幅度调制载波信号，幅度调制信号a(t)频率f_i根据不同LED灯，均不相同；

步骤3：将所述光电传感器与所述信号处理装置连接，在接收待测定位点通过所述光电传感器将接收待测定位点处的不同所述LED发出的光信号转化为相应的电信号，并将电信号传递到相应的所述信号处理通道进行处理；

步骤4：利用所述信号调理模块、带通滤波模块对进入所述信号处理通道的电信号进行处理，获得信号：

其中，β_di为第i盏LED灯直射至接收待测定位点的信号衰减因子，β_Mi为第i盏LED灯经过反射、折射后至接收待测定位点的信号衰减因子，t_di为直射至接收待测定位点的时间延迟，t_Mdi为经过反射、折射后至接收待测定位点的时间延迟，为直射时的调制载波信号相移，为经过反射、折射后调制载波信号的相移，n₀(t)为噪声；

步骤5：利用所述伪码捕获跟踪模块的伪码捕获调整所述本地PRN使之与接收到的码序列c(t-t_di)粗同步，利用所述伪码捕获跟踪模块的伪码跟踪在捕获基础之上进一步缩小发送和接收端伪码序列的相位差，达到精确同步并持续保持同步，利用载波跟踪同步模块使得所述本地载波的频率与接收信号的载波频率相位进行对齐，步骤4中的信号r_i(t)经伪码捕获跟踪模块、载波跟踪同步模块处理后表示为：

其中，为第i信号处理通道中本地PRN伪码参考时间延迟，为本地载波的相位；

步骤6：利用所述解调模块对步骤6中的信号进行解调，步骤6中的信号表示为：

r_i(t)≈A′_isin(2πf_it-t_di)

步骤7：经步骤6获得的信号进入所述下变频模块进行下变频处理，将第i＝1路信号处理通道作为基准通道，对应频率为f₁，步骤6获得的信号经过所述下变频后，表示为：

r₁′(t)≈E₁sin(πf₁t-2πf₁d₁/c)

第j路信号处理通道通过下变频后，表示为：

r_j′(t)≈E_jsin[πf₁t-2πf_jd_j/c]

其中，d_j为第j盏LED灯到接收待测点的距离，c为光速；

步骤8：利用所述相位测量模块对经步骤8获得的信号进行处理，第i、j信号处理通道的信号送入相位测量模块，有：

其中，△φ_ij由Hilbert变换求得：

步骤9：(x,y,z)为接收待测定位点的坐标，利用第一公式x＝(A^TA)^-1A^Tm得出接收待测定位点的x,y坐标，

其中，

利用第二公式获得接收待测定位点的z坐标。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明采用至少五盏LED灯，不同的LED灯发出不同的光信号，利用不同光信号相位的不同，获得LED灯与接收待测定位点的距离，进而测得接收待测定位点的坐标，能够减少反射、折射等信号干扰，能够实现高精度定位，并且发射端和接收端信号无需同步，能够降低定位成本。

附图说明

附图1是本发明的室内定位系统结构图；

附图2是本发明信号处理装置接收信号的处理框图；

附图3是室内5×5×3米定位实际值与定位估算值比较图。

附图中标号：1、信号发送装置；2、LED灯；3、光电传感器；4、信号处理装置；5、相位测量模块；6、信号调理模块；7、带通滤波模块；8、载波跟踪同步模块；9、解调模块；10、伪码捕获跟踪模块；11、本地PRN；12、下变频模块；13、本地载波。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

本发明所述是一种室内定位装置，包括信号发送装置1、至少五盏LED灯2、光电传感器3、信号处理装置4，

所述信号发送装置1用于控制不同的LED灯2发出不同的光信号，

所述光电传感器3用于将接收待测定位点处的光信号转化为电信号，并将电信号传递到信号处理装置4，

所述信号处理装置4用于获得所述光电传感器3的坐标值，所述信号处理装置4包括相位测量模块5、若干路信号处理通道，所述信号处理通道的数量与LED灯2的数量相同，所述信号处理通道包括信号调理模块6、带通滤波模块7、载波跟踪同步模块8、解调模块9、伪码捕获跟踪模块10、本地PRN 11、下变频模块12、本地载波13。

一种室内定位方法，包括以下步骤：

步骤1：如图1所示，在室内天花板的不同位置安装至少五盏所述LED灯，并记录所述LED灯的安装位置(x_i,y_i,z_i)，(x_i,y_i,z_i)为第i盏LED灯的坐标，所有LED灯均安装在天花板，z_i＝0，根据所述LED灯的数量，确定所述信号处理通道的数量，所述信号处理通道与所述LED灯一一对应，第i路信号处理通道处理第i盏LED灯发出的光信号；

步骤2：将所述LED灯与所述信号发送装置连接，由所述信号发送装置控制不同的所述LED灯发出不同的光信号，光信号为：

其中，a(t)＝A₀sin(2πf_it)为所述信号发送装置送入第i盏LED灯的幅度调制信号，i＝1，...，N,N≥5，为伪码序列，T_c为码元宽度，nT_c≤t≤(n+1)T_c，{c_n}∈{±1}，且速率为1/T_c，g_c(t)为门函数，m(t)＝Acosω₀t为幅度调制载波信号，幅度调制信号a(t)频率f_i根据不同LED灯，均不相同；

步骤3：将所述光电传感器与所述信号处理装置连接，在接收待测定位点通过所述光电传感器将接收待测定位点处的不同所述LED发出的光信号转化为相应的电信号，并将电信号传递到相应的所述信号处理通道进行处理；

步骤4：如图2所述，利用所述信号调理模块、带通滤波模块对进入所述信号处理通道的电信号进行处理，获得信号：

其中，β_di为第i盏LED灯直射至接收待测定位点的信号衰减因子，β_Mi为第i盏LED灯经过反射、折射后至接收待测定位点的信号衰减因子，t_di为直射至接收待测定位点的时间延迟，t_Mdi为经过反射、折射后至接收待测定位点的时间延迟，为直射时的调制载波信号相移，为经过反射、折射后调制载波信号的相移，n₀(t)为噪声；

步骤5：利用所述伪码捕获跟踪模块的伪码捕获调整所述本地PRN使之与接收到的码序列c(t-t_di)粗同步，利用所述伪码捕获跟踪模块的伪码跟踪在捕获基础之上进一步缩小发送和接收端伪码序列的相位差，达到精确同步并持续保持同步，利用载波跟踪同步模块使得所述本地载波的频率与接收信号的载波频率相位进行对齐，

设为第i信号处理通道中本地PRN伪码参考时间延迟，为本地载波的相位，接收信号r_i(t)通过伪码捕获跟踪模块处理后，信号可表示为：

当实现精确的伪码捕获跟踪时，相当于频谱扩展，将干扰信号的功率分散到很宽的频带上，滤波后只有频带相同的干扰进入载波跟踪同步模块。因此，式(4)可表示为：

本地载波相乘载波跟踪同步后，式(5)表示为：

步骤6：利用所述解调模块对步骤6中的信号进行解调，解扩前后频带相差很大，因此解扩后的干扰功率迅速降低，式(6)可表示为：

r_i(t)≈A′_isin(2πf_it-t_di) (7)

同理，在第j路信号处理通道中(j＝1，...，N,N≥5，j≠i)，通过解调后的信号可表示为：

r_j(t)≈A′_jsin(2πf_jt-t_dj) (8)

步骤7：经步骤6获得的信号进入所述下变频模块进行下变频处理，将第i＝1路信号处理通道作为基准通道，对应频率为f₁，步骤6获得的信号经过所述下变频后，表示为：

r₁′(t)≈E₁sin(πf₁t-2πf₁d₁/c) (9)

第j路信号处理通道通过下变频后，表示为：

r_j′(t)≈E_jsin[πf₁t-2πf_jd_j/c] (10)

其中，d_j为第j盏LED灯到接收待测点的距离，c为光速；

步骤8：利用所述相位测量模块对经步骤8获得的信号进行处理，第i、j信号处理通道的信号送入相位测量模块，有：

其中，△φ_ij由Hilbert变换求得：

以第1盏LED灯作为参考，有：

结合式(11)、(13)有：

信号发送装置发送给各盏LED灯的幅度调制信号a(t)＝A₀sin(2πf_it)所对应的频率为f_i＝(2i-1)f₁。式(14)可表示为：

Ax＝m (16)

其中，

步骤9：(x,y,z)为接收待测定位点的坐标，利用第一公式x＝(A^TA)^-1A^Tm得出接收待测定位点的x,y坐标，利用第二公式获得接收待测定位点的z坐标。

本发明采用至少五盏LED灯，不同的LED灯发出不同的光信号，利用不同光信号相位的不同，获得LED灯与接收待测定位点的距离，进而测得接收待测定位点的坐标，能够减少反射、折射等信号干扰，能够实现高精度定位，并且发射端和接收端信号无需同步，能够降低定位成本。

Claims (2)

1.一种室内定位装置，其特征是：包括信号发送装置(1)、至少五盏LED灯(2)、光电传感器(3)、信号处理装置(4)，

所述信号发送装置(1)用于控制不同的LED灯(2)发出不同的光信号，

所述光电传感器(3)用于将接收待测定位点处的光信号转化为电信号，并将电信号传递到信号处理装置(4)，

所述信号处理装置(4)用于获得所述光电传感器(3)的坐标值，所述信号处理装置(4)包括相位测量模块(5)、若干路信号处理通道，所述信号处理通道的数量与LED灯(2)的数量相同，所述信号处理通道包括信号调理模块(6)、带通滤波模块(7)、载波跟踪同步模块(8)、解调模块(9)、伪码捕获跟踪模块(10)、本地PRN(11)、下变频模块(12)、本地载波(13)。

2.一种室内定位方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：在室内天花板的不同位置安装至少五盏所述LED灯，并记录所述LED灯的安装位置(x_i,y_i,z_i)，(x_i,y_i,z_i)为第i盏LED灯的坐标，根据所述LED灯的数量，确定所述信号处理通道的数量，所述信号处理通道与所述LED灯一一对应，第i路信号处理通道处理第i盏LED灯发出的光信号；

步骤2：将所述LED灯与所述信号发送装置连接，由所述信号发送装置控制不同的所述LED灯发出不同的光信号，光信号为：

$s\left(t\right)=a\left(t\right)c\left(t\right)m\left(t\right)=A_{0}sin\left(2{\mathrm{\πf}}_{i}t\right)\·\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{c}_n{g}_c(t-{\mathrm{nT}}_c)\·A{\mathrm{cos\ω}}_{0}t$

其中，a(t)＝A₀ sin(2πf_it)为所述信号发送装置送入第i盏LED灯的幅度调制信号，i＝1，...，N,N≥5，为伪码序列，T_c为码元宽度，nT_c≤t≤(n+1)T_c，{c_n}∈{±1}，且速率为1/T_c，g_c(t)为门函数，m(t)＝A cosω₀t为幅度调制载波信号，幅度调制信号a(t)频率f_i根据不同LED灯，均不相同；

步骤3：将所述光电传感器与所述信号处理装置连接，在接收待测定位点通过所述光电传感器将接收待测定位点处的不同所述LED发出的光信号转化为相应的电信号，并将电信号传递到相应的所述信号处理通道进行处理；

步骤4：利用所述信号调理模块、带通滤波模块对进入所述信号处理通道的电信号进行处理，获得信号：

其中，β_di为第i盏LED灯直射至接收待测定位点的信号衰减因子，β_Mi为第i盏LED灯经过反射、折射后至接收待测定位点的信号衰减因子，t_di为直射至接收待测定位点的时间延迟，t_Mdi为经过反射、折射后至接收待测定位点的时间延迟，为直射时的调制载波信号相移，为经过反射、折射后调制载波信号的相移，n₀(t)为噪声；

步骤5：利用所述伪码捕获跟踪模块的伪码捕获调整所述本地PRN使之与接收到的码序列c(t-t_di)粗同步，利用所述伪码捕获跟踪模块的伪码跟踪在捕获基础之上进一步缩小发送和接收端伪码序列的相位差，达到精确同步并持续保持同步，利用载波跟踪同步模块使得所述本地载波的频率与接收信号的载波频率相位进行对齐，步骤4中的信号r_i(t)经伪码捕获跟踪模块、载波跟踪同步模块处理后表示为：

其中，为第i信号处理通道中本地PRN伪码参考时间延迟，为本地载波的相位；

步骤6：利用所述解调模块对步骤6中的信号进行解调，步骤6中的信号表示为：

r_i(t)≈A′_isin(2πf_it-t_di)

步骤7：经步骤6获得的信号进入所述下变频模块进行下变频处理，将第i＝1路信号处理通道作为基准通道，对应频率为f₁，步骤6获得的信号经过所述下变频后，表示为：

r₁′(t)≈E₁ sin(πf₁t-2πf₁d₁/c)

第j路信号处理通道通过下变频后，表示为：

r_j′(t)≈E_j sin[πf₁t-2πf_jd_j/c]

其中，d_j为第j盏LED灯到接收待测点的距离，c为光速；

步骤8：利用所述相位测量模块对经步骤8获得的信号进行处理，第i、j信号处理通道的信号送入相位测量模块，有：

$d_i=\frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_{ij}}{2{\mathrm{\πf}}_i}+\frac{f_i{d}_j}{f_i}$

其中，△φ_ij由Hilbert变换求得：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{ij}=arctg\frac{I_{ij}}{Q_{ij}}=arctg\frac{{r_i}^{\′}\left(t\right)\·Hilbert\[{r_j}^{\′}\left(t\right)\]-Hilbert\[{r_i}^{\′}\left(t\right)\]\·{r_j}^{\′}\left(t\right)}{{r_i}^{\′}\left(t\right)\·{r_j}^{\′}\left(t\right)+Hilbert\[{r_i}^{\′}\left(t\right)\]\·Hilbert\[{r_j}^{\′}\left(t\right)\]}$

步骤9：(x,y,z)为接收待测定位点的坐标，利用第一公式x＝(A^TA)^-1A^Tm得出接收待测定位点的x,y坐标，

其中，

$A=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1-x_2& y_1-y_2& -\frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_{i1}}{18\mathrm{\π}}& \frac{4}{9}\\ x_1-x_3& y_1-y_3& -\frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_{i1}}{50\mathrm{\π}}& \frac{12}{25}\\ x_1-x_4& y_1-y_4& -\frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_{i1}}{98\mathrm{\π}}& \frac{24}{49}\\ x_1-x_5& y_1-y_5& -\frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_{i1}}{162\mathrm{\π}}& \frac{40}{81}\end{array}\right],$

$x=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ d_1\\ d_1^2\end{array}\right],$

$m=\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\\ M_4\end{array}\right]$

$M_i=\frac{1}{2}\[{\left(\frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_{i1}}{2{\mathrm{\πf}}_1{f}_i}\right)}^2+x_1^2+y_1^2-x_i^2-y_i^2\]$

利用第二公式获得接收待测定位点的z坐标。