CN106501797A - 一种确定各led灯的坐标位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定各LED灯的坐标位置的方法，包括以下步骤：利用现有的接收机装置直接获取各LED灯的信号，并得到该LED灯到接收机之间的距离信息，然后将规划好的各接收机坐标位置矩阵与其到LED灯之间的相对距离矩阵组成方程，最后按照对该方程按超定矩阵求解的方法进行求解，得到各LED灯实际坐标位置。本发明有效降低的获取LED灯坐标信息的工作强度和人工成本。

Description

一种确定各LED灯的坐标位置的方法

技术领域

本发明涉及室内定位进行前获取发射机拓扑图的方法，具体地说，涉及一种用于室内以及便于安装LED照明灯的场所中确定各LED灯位置的空间反向定位方法，特别涉及一种基于可见光进行室内空间定位中LED灯位置拓扑图确定的方法。

背景技术

定位的本质在于获取被测量位置与基准位置之间的相对位置或者距离，因此目前用于室外和室内定位均需要先确定各个基准点的具体位置。例如，GPS和手机移动网络定位均需要先得到准确的卫星或者基站的地理位置拓扑图。再例如，室内的基于Wi-Fi、蓝牙、可见光定位则需要先获取各个发射机的具体位置。这些定位方式，均是通过获取被定位点与基准点之间的相对位置信息，进而获取被定位点的实际地理位置。

对于室内定位，尤其是可见光室内定位，其发射机数量众多。因此，目前常依据建筑物的CAD图纸、施工图纸、电力走线图纸，以及激光点云扫描等方式获取各个LED灯的位置信息。但以上方式往往由于各种原因导致最终定位不准确，初期投入成本高等因素。这些待提高的状况包括：

1)现有CAD图纸无或不全的LED灯具坐标信息。目前大多数可见光室内定位是在旧有建筑物中进行改造，由于其CAD图纸提供数据有限，故往往存在无各LED具体地理坐标说明或说明不清楚。

2)CAD图纸中的LED坐标信息误差较大，导致最终定位误差大。建筑物对于建筑物来说，其图纸精度往往是米级，精确的是0.5米范畴。而该误差会被引入到后期的定位解算过程中。

3)传统获取LED灯具坐标工作需要较高的施工成本。目前精确获取LED灯坐标的方法往往是让施工人员按照建筑物图纸进行各点的测量，并且测量过程中需要尽量减小累计误差带来的影响。显然该方法不仅施工工作量大，并且耗费较长的时间。

4)存在一些使用高成本的技术手段降低施工时间。例如，利用自动轨迹小车上的激光点云扫描方式绘制出室内的3D结构。但是仅使用点云方式只能得到建筑物的内部结构，并不能确定各LED灯的具体坐标信息。因此还必须为每个LED灯附加一些能够在点云结构中可以清晰确定位置的设备或方式。显然，这种方式的成本非常高，尤其对于内部空间距离越大的建筑物成本越高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，为降低施工成本、强度和时间，本发明采用反向定位的方法获取各个LED灯的位置信息，提供一种确定各LED灯的坐标位置的方法，该方法基于反演方法利用现有接收机获取室内可见光定位系统中发射机的具体坐标，并建立发射机拓扑图。本发明与传统方法的主要不同在于仅仅要求施工人员使用接收机沿着建筑物内部进行行走，即可获得LED灯的具体位置，从而将确定LED灯具体坐标位置的工作从天花板顶部转换到地面进行。

其具体技术方案为：

一种确定各LED灯的坐标位置的方法，包括以下步骤：首先利用接收机在某坐标位置接收到LED灯输出的信号，进而推算接收机到LED灯的距离；将接收机在m个位置对n个不同LED灯之间的相对距离表示成相对距离矩阵，即[L_r]_n×m；相对距离矩阵[L_r]_n×m与接收机的坐标位置相对应，应当有接收机坐标位置矩阵[W]_3×m；其中[W]_3×m行元素分别表示接收机在某处的x，y，z坐标，列元素表示所在位置的编号；若定义矩阵[A]_n×3表示n个不同LED灯的坐标，则必然存在关系式[L_r]_n×m＝f([A]_n×3,[W]_3×m)，求解上述关系式，则实现反向定位的过程，即获得[A]_n×3。

优选地，所述相对距离矩阵的定义具体为：

首先定义m个接收机的位置点；

然后，接收机在1#坐标位置(x_r1,y_r1,z_r1)获取到各个LED灯的距离，若有n个LED灯则其矩阵可定义为[L_r1]＝[L_t1r1 L_t2r1 L L_tnr1]^T；并且，由于接收机在1#位置仅能接收到有限数量的LED灯信号，因此对于未接收到信号的LED灯距离赋值为-1；

移动接收机到2#坐标点(x_r2,y_r2,z_r2)能获取矩阵[L_r2]；

以此类推，第m个坐标点则可得矩阵[L_rm]；

将以上m个n×1维矩阵可组成矩阵[L_r]，维数为n×m，或者表示为[L_r]_n×m。

优选地，所述接收机坐标位置矩阵具体为：接收机所处的每个位置均表示为坐标(x,y,z)^T，并按照距离矩阵的对应关系，从1#位置开始排列矩阵，得到接收机坐标位置矩阵[W]_3×m。

进一步，所述接收机坐标位置矩阵的接收机位置数量m应当按照基本原则和要求进行确定，具体为：

首先为保证权力要求2中所描述的关系式存在唯一解，应当要求每个LED灯对应至少3个接收机位置；更进一步，即每个LED灯对应至少3个相对距离长度L；

其次，考虑测量误差Δ₁对相对距离长度L的影响，以及对权利要求2中所描述的关系式求解的影响，以及提高反演运算精度，应当增加LED灯对应的接收机位置数量到5以上；

再次，若每个LED灯对应的接收机位置数量为5，并非说明m＝5n；而是应当按照信号获取的信噪比要求统筹规划m个接收机位置，使得接收机位置数量m不为LED灯数量的整数倍，从而减小m数值大小，并降低计算量；

最后，增加接收机位置数量的本质在于求解超定方程，因此本质上数量越多越精确，但是应当与安排接收机各位置点进行统筹安排。

再进一步，接收机位置的确定应当至少按照以下三个原则进行，具体为：

首先，尽量保证LED灯到接收机位置之间的距离处于接收机最大测量范围的20％到70％之间；因为根据测量中信息熵的评判标准，在实际测量值在测量范围的中间测量最准确；

其次，LED灯到接收机之间的距离位置越近越好；一般来说距离越近则信号越大，以至于相接收机的本底噪声而言则信噪比越高，故而测量准确度越高；

最后，应当在上述两个基本原则下，尽量提高每个LED灯对应接收机位置的数量，但并非无限度增加数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将确定LED灯的坐标位置工作从天花板转换到地面进行，并且在保证足够高精度的状况下，减小了劳动强度，减小人工成本。

附图说明

图1是本发明确定各LED灯的坐标位置的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实例进一步阐述本发明。

一种确定各LED灯的坐标位置的方法，包括以下步骤：

首先由于接收机与LED灯之间能够利用可见光进行通信，并进而确定接收机与该通信LED灯之间的距离。这是能够进行室内精确定位的条件之一，也是使用本发明的先决条件。然后使用者持有接收机在应用场景中进行行走，并记录有限的几个接收机坐标位置。最后进行逆问题求解，从而得到各LED灯的坐标位置。

其具体过程的第一步，应当对接收机行走的位置坐标及其数量进行规划。这些坐标位置及其数量必须在满足信噪比的要求进行设定，并至少保证每个LED灯对应的接收机位置不少于3个。另外上述规划的目的在于使得多个LED灯可以共用接收机位置，即使得接收机位置数量远小于发射机数量的3倍，从而减小测量工作量。然后接收机在规划的坐标位置接收各LED灯的信息，并得到该接收机到LED灯的距离。并可将接收机坐标位置按照矩阵[W]_3×m进行排列，对应的LED灯测量的距离形成矩阵[L_r]_n×m。最后，按照逆问题求解的方式，进行反向定位计算。该计算过程为基于正定和超定矩阵的求解过程。

实施例

首先确定具有多少个LED灯，并对每一个LED灯具进行编号。可以设定1#LED灯的坐标为(x₁,y₁,z₁)，因此若有n个LED灯，则可组成n×3维的LED灯坐标位置矩阵[A]_n×3。其中该矩阵的行号为LED灯的编号，列号为坐标位置。例如元素A_i1表示x坐标，A_i2表示y坐标，A_i3表示z坐标。由于LED灯坐标位置待定，因此矩阵[A]_n×3以未知量出现。

然后，选择接收机的第1个接收点。接收机所放置的接收点必须满足：至少能够接收到1个LED灯发射的光信号，原则上处于该接收点能接收到的LED灯信号越多越好。记录接收机在该接收位置上能够获取的LED信号的编号，以及测量出的相对距离。

为保证测量精度，应当在所测量得到的LED灯距离，按照测量范围的20％到70％之间进行筛选。去除测量距离过长和过短所对应的LED灯及其测量值。例如，当前已经获取i#、(i+1)#、(i+2)#、(i+3)#、(i+5)#LED灯的信号，并且可以分别获得测量值L_i′、L_i+1′、L_i+2′、L_i+3′、L_i+5′。另一方面由于接收机测量距离的最大值为L_meansure，并且根据测量信息熵最优进行选取。因此若L_i′小于L_meansure×20％则可以舍去，同样，若L_i+5′大于L_meansure×70％也可舍去。于是仅留下(i+1)#、(i+2)#、(i+3)#LED灯。

将上述数值分别填入矩阵[L_r]_n×m和[W]_3×m。由于上述为第一个接收点，因此接收机坐标位置填入矩阵[W]_3×m，并用W₁₁、W₂₁、W₃₁表述该接收机的坐标(x_r1,y_r1,z_r1)。显然，矩阵[W]_3×m的第一行表示在各位置的x坐标，第二行为y坐标，第三行为z坐标。另外，将L_i+1′、L_i+2′、L_i+3′分别作为元素L_(i+1)1、L_(i+2)1、L_(i+3)1填入矩阵[L_r]_n×m中。显然，矩阵的行号表示LED灯的编号，列号表示接收机所处的位置编号。

由于距离不可能为负数，因此可以对矩阵[L_r]_n×m中除上述获取测量值的元素之外，均赋值为-1。

移动接收机到第二个测量点。重复上述步骤。

应当保证矩阵[L_r]_n×m中每一行至少不少于3个正数，即保证每个LED灯经过不少于3次的距离测量。为保证测量精度，可对个别或所有的LED灯具有5次测量，即矩阵[L_r]_n×m该行有5个正数。

一直移动接收机到第m个测量点，并检查最后的矩阵[L_r]_n×m是否满足上述条件，若不满足则需要补充测量。

显然矩阵[L_r]_n×m、[A]_n×3、[W]_3×m之间应当依据欧氏距离公式存在，即可定义为公式：

[L_r]_n×m＝f([A]_n×3,[W]_3×m)

但实际上该公式按照欧氏距离公式并不容易直接计算，并且显然矩阵[A]_n×3、均[W]_3×m既非方阵也非满秩矩阵，不能直接求逆矩阵。若直接使用迭代计算则计算量大。为简化计算，可将上述3个矩阵进行拆分，从而分别对每一个LED灯坐标进行求解。

首先对于1#LED则从矩阵[L_r]_n×m中第1行寻找所有正数的数值，并按照顺序进行排列。然后按照从矩阵[L_r]_n×m中取出的行号，在矩阵[W]_3×m取出所有对应数据，可用向量组表示；同时从矩阵[A]_n×3取出1#LED坐标并用向量表示。显然可以按照求解向量距离的方式得到，对于接收机在第i个位置针对1#LED的方程

将所有方程进行联立，则有方程组，可表示为

显然对于求解上述方程组存在3个未知量，因此至少需要三个方程。另一方面由于测量必然存在误差，因此单纯依靠求解方程的方法不可能得到解，或者解偏差较大。故而本发明前文期望针对每个LED灯的测量数据量达到5。由于数量大于3则可以按照最小二乘原理求解超定方程。通过该方法可以得到较精确的实际测量值。

求解完毕1#LED灯的具体位置后，则可按照相同方法求解后继所有LED灯的位置。

通过该方法可以推算出每个LED灯的位置误差Δ_T由接收机位置误差Δ_R和相对距离测量误差Δ_L共同决定。一般而言，进行天花板位置的测量误差往往大于直接测量地面坐标的误差，因此相对于其他获取LED灯位置信息的方法而言，接收机位置误差可以忽略。若忽略接收机位置误差的影响，那么LED灯位置误差由距离计算公式决定，即有

显然可以看出即使Δ_L变化较大，也不会导致误差Δ_T发生较大的变化。并且若L较大，则Δ_T至少差Δ_L的一个数量级以上，因此该反演计算并不需要涉及到病态矩阵的求解。更进一步目前可见光测距，已经能够得到小于0.05m的误差，因此获得的实际LED灯位置误差将小于0.05m。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种确定各LED灯的坐标位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先利用接收机在某坐标位置接收到LED灯输出的信号，进而推算接收机到LED灯的距离；将接收机在m个位置对n个不同LED灯之间的相对距离表示成相对距离矩阵，即[L_r]_n×m；相对距离矩阵[L_r]_n×m与接收机的坐标位置相对应，应当有接收机坐标位置矩阵[W]_3×m；其中[W]_3×m行元素分别表示接收机在某处的x，y，z坐标，列元素表示所在位置的编号；若定义矩阵[A]_n×3表示n个不同LED灯的坐标，则必然存在关系式[L_r]_n×m＝f([A]_n×3,[W]_3×m)，求解上述关系式，则实现反向定位的过程，即获得[A]_n×3。

2.根据权利要求1所述的确定各LED灯的坐标位置的方法，其特征在于，所述相对距离矩阵的定义具体为：

首先定义m个接收机的位置点；

然后，接收机在1#坐标位置(x_r1,y_r1,z_r1)获取到各个LED灯的距离，若有n个LED灯则其矩阵定义为[L_r1]＝[L_t1r1 L_t2r1 L L_tnr1]^T；并且，由于接收机在1#位置仅能接收到有限数量的LED灯信号，因此对于未接收到信号的LED灯距离赋值为-1；

移动接收机到2#坐标点(x_r2,y_r2,z_r2)能获取矩阵[L_r2]；

以此类推，第m个坐标点则得到矩阵[L_rm]；

将以上m个n×1维矩阵组成矩阵[L_r]，维数为n×m，或者表示为[L_r]_n×m。

3.根据权利要求1所述的确定各LED灯的坐标位置的方法，其特征在于，所述接收机坐标位置矩阵具体为：接收机所处的每个位置均表示为坐标(x,y,z)^T，并按照距离矩阵的对应关系，从1#位置开始排列矩阵，得到接收机坐标位置矩阵[W]_3×m。

4.根据权利要求3所述的确定各LED灯的坐标位置的方法，其特征在于，所述接收机坐标位置矩阵的接收机位置数量m应当按照基本原则和要求进行确定，具体为：

首先为保证权力要求2中所描述的关系式存在唯一解，应当要求每个LED灯对应至少3个接收机位置；更进一步，即每个LED灯对应至少3个相对距离长度L；

其次，考虑测量误差Δ₁对相对距离长度L的影响，以及对权利要求2中所描述的关系式求解的影响，以及提高反演运算精度，应当增加LED灯对应的接收机位置数量到5以上；

再次，若每个LED灯对应的接收机位置数量为5，并非说明m＝5n；而是应当按照信号获取的信噪比要求统筹规划m个接收机位置，使得接收机位置数量m不为LED灯数量的整数倍，从而减小m数值大小，并降低计算量；

最后，增加接收机位置数量的本质在于求解超定方程，因此本质上数量越多越精确，但是应当与安排接收机各位置点进行统筹安排。

5.根据权利要求4所述的确定各LED灯的坐标位置的方法，其特征在于，接收机位置的确定应当至少按照以下三个原则进行，具体为：

首先，尽量保证LED灯到接收机位置之间的距离处于接收机最大测量范围的20％到70％之间；因为根据测量中信息熵的评判标准，在实际测量值在测量范围的中间测量最准确；

其次，LED灯到接收机之间的距离位置越近越好；一般来说距离越近则信号越大，以至于相接收机的本底噪声而言则信噪比越高，故而测量准确度越高；

最后，应当在上述两个基本原则下，尽量提高每个LED灯对应接收机位置的数量，但并非无限度增加数量。