CN106680771B - 一种反向定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光通信技术领域，公开了一种反向定位系统及反向定位方法。该系统包含：定位解析器、发射器、以及位置固定的接收机；发射器，用于发送可见光信号；接收机，用于接收来自发射器的可见光信号，并根据所接收到的可见光信号确定发射器与本接收机的方向信息和距离；还用于向定位解析器发送定位数据；其中，定位数据包括发射器与本接收机的方向信息和距离；定位解析器，用于处理来自两个不同的接收机的定位数据，获取发射器的位置信息。本发明利用可见光信号实现定位以解决电磁敏感环境中的定位问题，并且本方案结构简单、计算简便、易于实施、运行成本低。

Description

一种反向定位系统及方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种反向定位系统及方法。

背景技术

随着科技的发展，定位技术的应用越来越广泛，带来了巨大的社会经济效益。传统的基于移动通信网络的辅助定位系统(Assisted Global Positioning System，辅助定位系统，简称A-GPS)，无线局域网(Wireless Local Area Networks，简称WLAN)、射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)、紫蜂(ZigBee)、蓝牙、超宽带无线电(Ultra Wide Band，UWB)、超声波定位技术等，应用十分广泛。然而，该些无线定位技术在定位过程中，定位装置所发射出的无线电波信号，会与金属导体产生电磁感应，而电磁干扰的影响对于一些电磁敏感环境的破坏可能是致命的。

核电站的安全问题是核电发展中最为关键的问题，微小的安全隐患都可能导致核泄漏等重大事故。为了保障核电站的正常运行与维护，对核岛内部工作人员的快速精确定位必不可少。而前述电磁波定位装置产生的电磁波可能对核一次仪器仪表、二次保护和DCS系统造成电磁干扰，其影响程度难以评估和确定，给核电站带来严重安全隐患。

可见光通信技术是一种可拓宽频谱资源、绿色节能的新型无线通信技术。近年来，可见光通信技术在室内定位系统中的应用成为了一个非常热门的研究课题。可见光定位技术使用发光二极管(LED)作为光源，从而用于室内定位目的的可见光通信系统可以在用于照明的地方都提供服务，而且除了一些必要的信号处理几乎不需要多余的功率消耗。可见光定位系统不会产生任何射频干扰，因此可以部署在射频辐射被严格限制的环境中(如医院，核电站等)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反向定位系统及方法，其利用可见光信号实现定位以解决电磁敏感环境中的定位问题，并且本方案结构简单、计算简便、易于实施、运行成本低。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种反向定位系统，包含：定位解析器、发射器、以及位置固定的接收机；所述发射器，用于发送可见光信号；所述接收机，携带自身唯一标识号，用于接收来自所述发射器的可见光信号，并根据所接收到的可见光信号确定所述发射器与本接收机的方向信息和距离；还用于向所述定位解析器发送定位数据；其中，所述定位数据包括所述本接收机的标识号以及发射器与本接收机的方向信息和距离；所述定位解析器，用于处理来自两个不同的接收机的所述定位数据，获取所述发射器的位置信息。

本发明的实施方式还提供了一种反向定位方法，包含以下步骤：接收机接收来自发射器的可见光信号并解析，获得所述发射器相对本接收机的方向信息和距离；其中，所述接收机携带自身唯一标识号；将所述接收机的标识号以及所述发射器与本接收机的方向信息和距离合并作为定位数据，发送给定位解析器；所述定位解析器根据来自两个不同的接收机的定位数据，获取所述发射器的位置信息。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在使用场所设置两个以上的可见光信号接收机，用于接收发射器发送的可见光信号并根据接收到的可见光信号确定发射器与本接收机的方向信息和距离，同时将确定出的发射器与本接收机的方向信息和距离以及本接收机的标识号一并作为定位数据发送至定位解析器，而定位解析器则根据两个不同的接收机发送的定位数据获取发射器的位置信息。由于本实施方式的发射器和接收机之间传递的是可见光信号，而可见光信号本身不会对例如核岛等的电磁敏感环境造成电磁干扰，从而可保障核岛等的电磁敏感设备的稳定工作；并且，本实施方式通过至少两个接收机以及定位解析器即可实现对发射器的反向定位，整个反向定位系统结构简单、易于实施、运行成本低。

优选地，所述反向定位系统中包含的发射器数量大于1个；所述发射器发送的可见光信号中携带自身唯一标识号；所述接收机还用于解析出可见光信号中携带的所述标识号，并将所述标识号添加入所述定位数据；所述定位解析器所处理的所述定位数据为添加过所述标识号的定位数据。从而使得反向定位系统具有同时定位更多对象的能力，提高反向定位系统的实用性。

优选地，所述接收机包含：位于中间的第一类光电接收器和位于所述第一类光电接收器周围的第二类光电接收器；所述第二类光电接收器，用于接收来自发射器的可见光信号，并确定所述发射器与本接收机的方向信息；所述第一类光电接收器，用于接收来自所述发射器的可见光信号，并确定所述发射器与本接收机的距离。通过位置不同的光电接收器分别确定发射器相对于本接收机的距离和方向信息，从而可以提高计算精度。

优选地，所述定位数据的数据传输形式采用帧结构。从而可以提高在发射端和定位解析器之间传输定位数据的效率，提高定位效率。

优选地，所述接收机通过485总线向所述定位解析器发送所述定位数据。485总线具有布线简单，信号传输稳定可靠等有益效果，从而使得数据可以远距离稳定地传输。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式反向定位系统的结构框图；

图2是根据本发明第一实施方式反向定位系统可见光光强与接收距离关系图；

图3至图4是根据本发明第一实施方式反向定位系统的结构示意图；

图5是根据本发明第二实施方式反向定位系统的结构示意图；

图6是根据本发明第四实施方式反向定位方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种反向定位系统。本实施方式的反向定位系统通过固定于两个不同位置的接收机接收并解析发射器发送的可见光信号，从而提取出发射器相对于本接收机的距离和方向信息并将提取出的方向信息和距离信息以及本接收机的标识号一并作为定位数据发送至定位解析器，定位解析器即可根据接收到的定位数据获取发射器的位置，从而实现对目标的反向定位。如图1所示，该反向定位系统包含：发射器1、以及位置固定的接收机2、定位解析器3。

发射器1，用于发送可见光信号。发射器包含LED光源，本实施方式的LED光源优选白光LED，LED光源的输入电压、电流可以由逻辑电路直接控制。如图2示出了光强与接收距离的关系，可见，LED的光强随着接收距离的增大而减小，所以，接收机可以根据接收到的光强计算出LED光源到接收机的距离。本实施方式中的发射器可以为用户随身携带，在使用过程中，既可用于照明，又可实时发送可见光信号进行定位。

接收机2，用于接收来自发射器1的可见光信号，并根据所接收到的可见光信号确定发射器1与本接收机的方向信息和距离。在实际应用中，接收机一般可以固定于使用场所的顶部，比如天花板等。如图3、4所示，本实施方式中有两个接收机2，分别是：第一接收机20和第二接收机21。第一、第二接收机分别包含位于中间的第一类光电接收器4和位于第一类光电接收器4周围的第二类光电接收器5。本实施方式中，第一类光电接收器4和第二类光电接收器5均采用光电二极管PIN，各光电二极管分别将接收到的可见光信号转换成电信号，并输出至接收机的处理单元，需要说明的是，本实施方式中，第一接收机20包含分别连接于各光电接收器的第一处理单元(图未示)，第二接收机21包含分别连接于各光电接收器的第二处理单元(图未示)。

第一类光电接收器4用于接收来自发射器1的可见光信号并确定发射器1与本接收机的距离。本实施方式中根据图2所示的光强与接收距离的关系可以分别得出D1(D1为发射器到第一接收机的距离)，D2(D2为发射器到第二接收机的距离)。

第二类光电接收器5用于接收来自发射器1的可见光信号并确定发射器1与本接收机的方向信息。下面结合图3、图4进行详细说明：

第一接收机20、第二接收机21分别包含1个第一类光电接收器4与8个第二类的光电接收器5，较佳地，本实施方式中第一接收机20的8个第二类光电接收器(501、502、503、504、505、506、507、508)以第一类光电接收器40为圆心，以45°圆心角为间隔呈环形排列于第一类光电接收器40周围，第二接收机21的8个第二类光电接收器(511、512、513、514、515、516、517、518)以其第一类光电接收器41为圆心，同样以45°圆心角为间隔呈环形排列于第一类光电接收器41周围。

接着对接收机如何确定发射器的方向信息的方法进行详细说明：一个第一类光电接收器位于圆心，而8个第二类光电接收器均匀排列在以R为半径的圆环上，第一接收机20、第二接收机21所在平面为接收平面，LED所在平面为发射平面，发射平面与接收平面之间的距离用H表示，第一接收机20、第二接收机21之间的距离为L，本实施方式中，L为第一接收机20的第一类光电接收器40与第二接收机21的第一类光电接收器41之间的距离。第一处理单元判断出接收到最大光强(即最大光功率)和次大光强(即次大光功率)的两个第二类光电接收器，比如，第一接收机中，光电二极管PIN7(即507)与PIN8(即508)分别接收到最大光强和次大光强。第二处理单元(图未示)判断出接收到最大光强和次大光强的两个第二类光电接收器，比如，第二接收机中，光电二极管PIN6(即516)和PIN7(即517)分别接收到最大光强和次大光强。然后通过公式(1)和(2)分别得到定位角

和β。

其中，定位角

表示发射器、第一接收机20所在线与H的夹角，定位角β表示发射器、第二接收机21所在线与H的夹角，power6为接收机上6号光电接收器接收到的光强。接下来即可根据得到的定位角

β，D1、D2以及L，利用公式(3)求出H的值。

然后，在以接收机的第一类光电接收器4为顶点的、以过该顶点的H为一条直角边的，以

或β分别为一个锐角的，以D1、D2为斜边的两直角三角形中，再根据定位角

和β以及垂直距离H即可以得到LED的平面位置。

由此可见，本实施方式的反向定位系统通过两个位置不同的接收机即可实现对发射器(目标)的反向定位，与现有技术中的可见光定位相比，系统的整体结构更加简化。由于本实施方式中的接收机仅需利用若干个光电接收器即可解析出发射器相对于本接收机的方向信息和距离，而光电二极管等的光电接收器技术成熟、成本低廉，从而使得整个反向定位系统的成本较低。

需要说明的是，为了保证定位的灵敏度，在实际应用中，可以根据定位区域的大小安装多个接收机，各接收机可以等间距布置。并且，各接收机的处理单元可以根据预设的光强阈值触发定位数据的发送。比如，第一处理单元判断出第一类光电接收器接收到的光强小于预设阈值时，说明发射器(定位目标)距离本接收机的距离较远，则第一处理单元不作动，当第一处理单元判断出第一类光电接收器接收到的光强大于预设阈值时，说明发射器(定位目标)距离本接收机较近，则第一处理单元将解析出的定位数据发送至定位解析器。通过各接收机的相对位置以及阈值的合理设置，即可使得无论发射器移动至任何位置，定位解析器总能收到两个接收机发送的定位数据，从而，既保证了定位的准确性，又降低了系统计算的复杂度。

需要说明的是，接收机还用于向定位解析器发送定位数据。其中，定位数据包括发射器与本接收机的方向信息和距离以及本接收机的标识号。定位解析器用于处理来自两个不同的接收机的定位数据，获取发射器的位置信息。即定位解析器根据D1、D2、

β、H求出发射器的位置。具体地说，本实施方式中的定位解析器可以为受监控区域的监视台，接收机通过传输介质将解析出的方向信息和距离传输至监视台。监视台将获取到的发射器的位置信息实时显示在受控区域的电子地图上。本实施方式可以满足核电站人员的定位和调度，当工作人员在核岛内进行各种活动时，定位解析器(比如为核岛的监控中心)即可实时地监控到工作人员的位置。

较佳地，本实施方式的接收机通过485总线向定位解析器发送定位数据。485总线具有信号传输稳定可靠，成本低廉，布线简单等优点，因此采用485总线将各接收机的信号汇集至定位解析器，可满足信号的远距离稳定传输。由此可见，本实施方式的反向定位系统，从发射器发送可见光信号到定位解析器处理接收机传输的定位数据，整个系统的信号传输过程都不会产生无线电波干扰，因此，可有效满足电磁敏感环境的定位。

本实施方式相对于现有技术而言，通过两个位置不同的接收机即可实现对目标的反向定位，并且，接收机采用数量较少的光电二极管即可准确解析出发射器相对于本接收机的距离和方向信息以获取发射器的位置，可见，本实施方式的反向定位系统结构简单，易于实施、成本较低，并且通过可见光信号实现定位，尤其可满足电磁敏感环境的定位需求。

本发明的第二实施方式涉及一种反向定位系统。第二实施方式在第一实施方式的基础上略有改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，反向定位系统中包含的发射器的数量为多个。为便于区分不同的发射器，发射器发送的可见光信号中携带自身唯一标识号，接收机还用于解析出可见光信号中携带的标识号，并将标识号添加入定位数据，定位解析器所处理的定位数据为添加过标识号的定位数据。从而使得本实施方式的反向定位系统可以根据发射器的标识号同时定位多个目标，极大地提高了本实施方式的适用性。

结合图5所示，现通过具体示例对本实施方式进行详细说明：本实施方式包含有N个发射器(10、11、12、…1N)，即多个定位目标，以及由多个接收机(20、21、22等)覆盖到的定位区域。各发射器1自身的唯一标识号可以由发射器的控制单元直接产生唯一的ID，然后将该ID信号输入到LED的驱动电路，便可以将发射器的ID调制到LED上，然后通过可见光发送出去。

在实际应用中，发射器还可以包含标识号输入模块，用于向存储器输入标识号信息，从而便于在实际使用中加强对定位目标的管理。LED光源输出包含有自身唯一标识号的可见光信号，接收机的第一类光电接收器从接收到的可见光信号中提取标识号，并将发射器相对于本接收机的距离、方向信息、接收机的标识号以及发射器的标识号合并为一个数据帧后发送至定位解析器3。定位解析器3根据判断出的包含有同一发射器标识号的数据帧解析出该发射器的位置。

较佳地，定位数据的数据传输形式采用帧结构。比如，每个接收机传送至定位解析器的一个数据帧可以包含：起始码(为了实现帧同步所设置的标识码)，发射器的ID(即发射器自身携带的唯一标识号)，接收机的ID(即接收机自身携带的唯一标识号)，以及发射器相对于本接收机的方向信息和距离。具体地，如下表1所示，起始码可以包含8个二进制位；发射器的ID可以包含8个二进制位，用于区分不同的定位目标；接收机的ID可以包含8个二进制位，发射器相对于本接收机的方向可以包含3个二进制位，发射器相对于本接收机的距离可以包含5个二进制位，即发射器相对于本接收机的方向信息和距离共包含8个二进制位。因此，定位解析器可以通过比较接收机ID，从接收到的来自不同接收机的两帧数据中确定发射器的位置，从而提高定位解析器的效率。

表1

本发明的第三实施方式涉及一种反向定位系统。第三实施方式与第一、第二实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，接收机第二类光电接收器的数量为8个。而在本发明第二实施方式中，接收机第二类光电接收器的数量为4个。由第一实施方式中提及的光强与接收距离之间的关系可知，当发射器距离接收机各第二类光电接收器之间的距离较大时，各第二类光电接收器接收到的光强越小，并且各第二类光电接收器接收到的光强差越小，因此，为了使相邻的第二类光电接收器的光强差增大，可以适当减小第二类光电接收器的数量，这样在满足定位精度的同时也降低了成本。

显然，在另一些使用场景中，可以通过适当增加第二类光电接收器的数量来提高定位精度。本实施方式对于第二类光电接收器的数目不作具体限制，用户可以根据实际需要的定位精度进行设置。

本发明第四实施方式涉及一种反向定位方法，应用于如第一、第二、第三实施方式所述的反向定位系统，如图6所示，包含以下步骤：

步骤402：接收机接收来自发射器的可见光信号并解析，获得发射器相对本接收机的方向信息和距离。即接收机可以根据发射器发出的可见光信号的光强，解析发射器相对于本接收机的距离和方向信息。

步骤404：将接收机的标识号以及发射器与本接收机的方向信息和距离合并作为定位数据，发送给定位解析器。其中，各接收机携带自身唯一标识号，用于将多个接收机区分开来。

步骤406：定位解析器根据来自两个不同的接收机的定位数据，获取发射器的位置信息。从而，本实施方式利用可见光信号实现对目标的反向定位，可见光定位技术不仅定位精度高，而且整个定位过程不会产生电磁干扰，可满足核电站等的电磁敏感环境的定位。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种反向定位系统，其特征在于，所述反向定位系统包含：定位解析器、发射器、以及位置固定的接收机；

所述发射器，用于发送可见光信号；

所述接收机，携带自身唯一标识号，用于接收来自所述发射器的可见光信号，并根据所接收到的可见光信号确定所述发射器与本接收机的方向信息和距离；还用于向所述定位解析器发送定位数据；其中，所述定位数据包括所述本接收机的标识号以及发射器与本接收机的方向信息和距离；

所述定位解析器，用于处理来自两个不同的接收机的所述定位数据，获取所述发射器的位置信息；

其中，所述接收机包含：位于中间的第一类光电接收器和位于所述第一类光电接收器周围的第二类光电接收器；

所述第一类光电接收器，用于接收来自所述发射器的可见光信号，并确定所述发射器与本接收机的距离；

所述第二类光电接收器，用于接收来自发射器的可见光信号，并确定所述发射器与本接收机的方向信息；

其中，所述第二类光电接收器数量为N；所述N为大于1的自然数，各所述第二类光电接收器以第一类光电接收器为圆心，环形排列；所述确定所述发射器与本接收机的方向信息包括：根据N个所述第二类光电接收器所接收到的可见光信号光强，确定所述发射器与本接收机的方向信息。

2.根据权利要求1所述的反向定位系统，其特征在于，所述反向定位系统中包含的发射器数量大于1个；

所述发射器发送的可见光信号中携带自身唯一标识号；

所述接收机还用于解析出可见光信号中携带的所述标识号，并将所述标识号添加入所述定位数据；

所述定位解析器所处理的所述定位数据为添加过所述标识号的定位数据。

3.根据权利要求1所述的反向定位系统，其特征在于，所述N为8。

4.根据权利要求1所述的反向定位系统，其特征在于，所述第一类光电接收器和第二类光电接收器为光电二极管PIN。

5.根据权利要求1所述的反向定位系统，其特征在于，所述定位数据的数据传输形式采用帧结构。

6.根据权利要求1所述的反向定位系统，其特征在于，所述接收机通过485总线向所述定位解析器发送所述定位数据。

7.一种反向定位方法，其特征在于，包含以下步骤：

接收机接收来自发射器的可见光信号并解析，获得所述发射器相对本接收机的方向信息和距离；其中，所述接收机携带自身唯一标识号；

将所述接收机的标识号以及所述发射器与本接收机的方向信息和距离合并作为定位数据，发送给定位解析器；

所述定位解析器根据来自两个不同的接收机的定位数据，获取所述发射器的位置信息；

其中，所述接收机包含：位于中间的第一类光电接收器和位于所述第一类光电接收器周围的第二类光电接收器；

所述第一类光电接收器，用于接收来自所述发射器的可见光信号，并确定所述发射器与本接收机的距离；

所述第二类光电接收器，用于接收来自发射器的可见光信号，并确定所述发射器与本接收机的方向信息；

其中，所述第二类光电接收器数量为N；所述N为大于1的自然数，各所述第二类光电接收器以第一类光电接收器为圆心，环形排列；所述确定所述发射器与本接收机的方向信息包括：根据N个所述第二类光电接收器所接收到的可见光信号光强，确定所述发射器与本接收机的方向信息。

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