CN106707237A - 一种基于可见光的室内定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可见光的室内定位方法及系统，该方法包括：建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式；预设并记录当前室内每个信标LED光源的坐标信息和编码信息；接收由与被测位置相邻的4个信标LED光源发送的编码信息，分别对4个编码信息进行解码，转化为相应的坐标信息和相应的电压采样值；根据转化后的电压采样值和所述函数表达式，分别计算得到被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离；根据计算得到的4个投影距离和与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标。由此有利于提高定位精度，成本低，方便且容易推广，具有可扩展性和可移植性，功能稳定且功耗低。

Description

一种基于可见光的室内定位方法及系统

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，特别涉及一种基于可见光的室内定位方法及系统。

背景技术

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。随着经济和现代技术的不断发展，人们对导航和定位服务的需求也日益增大，在机场大厅、展览大厅、超市、图书馆、仓库、地下停车场等复杂的室内环境中，经常需要确定移动终端或其持有者以及设备与物品在室内的位置信息。尤其是智能手机的普及和移动互联网的发证，地图与导航类软件将进入一个新的时代，也即室内导航。

因此，室内定位有着广泛的应用前景，传统的室内定位技术由于精度比较低，无法满足一些特定的需求。而可见光室内定位技术由于精度相对较高，且不需要复杂的基站做支持，成为了新一代室内定位技术发展的趋势。现有可见光室内定位技术主要分为以下两类：

1)利用LED光源发出位置ID来实现定位，这种定位方式相对来说比较成熟且容易实现，现有产品大多采用这种方案。但其定位精度偏低，无法满足更高的需求；

2)根据LED信号的强弱来估计接收端与LED光源之间的距离，以此计算出接收端的位置。但是，这种技术由于其工作原理是测量光源亮度，导致接收端的抗干扰能力较差，并且基于这种技术的接收端只能在二维的平面内实现精确定位。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于可见光的室内定位方法及系统，提高定位精度，成本低，方便且容易推广，具有可扩展性和可移植性，功能稳定且功耗低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于可见光的室内定位方法，包括以下步骤：

建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式；

预设并记录当前室内每个信标LED光源的坐标信息和编码信息；

接收由与被测位置相邻的4个信标LED光源发送的编码信息，分别对4个编码信息进行解码，转化为相应的坐标信息和相应的电压采样值；

根据转化后的电压采样值和所述函数表达式，分别计算得到被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离；

根据计算得到的4个投影距离和与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标。

作为本发明的进一步改进，所述步骤建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式，包括以下步骤：

S11：记录被测位置在不同位置上到信标LED光源的多个实际投影距离；

S12：于不同位置上的被测位置处分别接收信标LED光源发送的光信号，并转换成分别对应于不同位置的多个电压采样值：

S13：根据所述多个实际投影距离和分别与多个实际投影距离一一对应的多个电压采样值建立样本库；

S14：对样本库中的数据进行处理，并剔除异常数据，生成取样库；

S15：根据取样库中的多个电压采样值和与其对应的实际投影距离拟合生成相应的函数表达式，该函数表达式中，电压采样值是自变量，实际投影距离是因变量；

S16：于所述函数表达式中依次代入所述多个电压采样值，并依次得到与所述多个电压采样值一一对应的多个结果投影距离；

S17：比较所述多个结果投影距离与其对应的实际投影距离的大小，得到比较结果；并根据比较结果对所述函数表达式进行修整，得到优化后的电压采样值和与其对应的实际投影距离之间的函数表达式；

S18：根据所述步骤S11～S17得到被测位置与每个信标LED光源的电压采样值和对应的距离之间优化后的函数表达式。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S17和S18中，所述函数表达式表示的是被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的电压采样值和对应的距离关系，该函数表达式包括：

其中，d₁、d₂、d₃、d₄分别代表被测位置到与其相邻的4个信标LED光源在地面上的投影距离；U₁、U₂、U₃、U₄分别表示被测位置与四个信标LED光源的投影距离对应的已经处理的ADC电压采样值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤根据转化后的电压采样值和所述函数表达式，分别计算得到被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离，是通过将转化后的4个ADC电压采样值U₁、U₂、U₃、U₄分别代入与其对应的函数表达式中，分别求得被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离d₁、d₂、d₃、d₄。

作为本发明的进一步改进，所述步骤根据计算得到的4个投影距离和与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标，包括以下步骤：

S51：设定被测位置的坐标为(x’，y’)；

S52：以被测位置、与被测位置相邻的4个信标LED光源中的其中两信标LED光源为顶点形成一第一三角形；

S53：根据第一三角形中的两信标LED光源的坐标信息、及根据被测位置与第一三角形中的两信标LED光源之间的投影距离，通过余弦定理求得第一三角形中以任一信标LED光源为顶点的夹角的余弦值，得到第一余弦值；

S54：根据所述第一余弦值求出被测位置的第一个横向坐标值x_a，并根据三角函数关系求出被测位置的第一个纵向坐标值y_a；

S55：根据步骤S52～S54求得由被测位置、与被测位置相邻的4个信标LED光源中的另外两信标LED光源为顶点形成的第二三角形中以任一信标LED光源为顶点的夹角的余弦值，得到第二余弦值；

S56：根据所述第二余弦值求出被测位置的第二横向坐标值x_b，并根据三角函数关系求出被测位置的第二个纵向坐标值y_b；

S57：根据公式求出被测位置的坐标(x’，y’)。

作为本发明的进一步改进，本发明基于可见光的室内定位方法还包括被测位置的坐标优化计算，其包括以下步骤：

优化准备步骤：

当前室内的多个信标LED光源以阵列排布方式设置，且以4个相邻的信标LED光源为顶点形成一正方形区域，该正方形区域为相同编码区域，且每相邻的两相同编码区域互不重叠相交；

对每一相同编码区域中的4个信标LED光源设定相同的编码和互不相同的调制频率，且所有相同编码区域的编码互不相同；

以任意相邻的4个信标LED光源为顶点形成一最小正方形区域，该最小正方形区域为中心定位区域；且每相邻的两中心定位区域相互重叠有两个信标LED光源；

预设并记录每一中心定位区域的中心位置上的定位基点的坐标信息和对应的编码，该定位基点的坐标信息对应的编码为其对应的中心定位区域中的4个信标LED光源的中n位编码按序依次排列形成的4n位编码；

及优化计算步骤：

根据对与被测位置相邻的4个信标LED光源发送的编码信息进行解码，得到一4n位的解码；

在所有定位基点的4n位编码中查询与所述4n位解码一致的一4n为编码，得到该4n位解码对应的定位基点的坐标(X_i,Y_j)；

根据步骤S56中求出的被测位置的坐标(x’，y’)，根据公式计算得到被测位置优化后的位置坐标(x，y)。

作为本发明的进一步改进，所有信标LED光源中仅携带有4种调制频率，且任意一中心定位区域中的4个信标LED光源携带的调制频率互不相同。

相应地，本发明还提供了一种与上述基于可见光的室内定位方法对应的基于可见光的室内定位系统，该系统包括函数模拟模块、发送模块、接收模块和处理模块；

所述函数模拟模块用于建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式，并保存至所述处理模块；

所述发送模块为信标LED光源发射模块，用于发送编码信息和调制频率至所述接收模块；

所述接收模块用于接收由所述发送模块发送的编码信息和调制频率，并传送至所述处理模块；

所述处理模块包括

记录子模块，用于预设并记录当前室内信标LED光源发射模块中的每个信标LED光源的坐标信息、编码信息和调制频率；

解码子模块，用于对接收模块传送的编码信息进行解码，输出解码信息；

解调子模块，用于对接收模块传送的调制频率进行解调，转化成相应的电压采样值；

以及处理子模块，用于根据由解码子模块得到解码信息处理得到相应的坐标信息，根据由解调子模块转化得到的电压采样值和所述函数表达式计算得到被测位置与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离，并根据计算得到的4个投影距离和由记录子模块记录的与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标。

作为本发明的进一步改进，所述信标LED光源发射模块包括

N个信标LED光源，用于以光的形式发射编码信号，N为4的整数倍；

LED驱动电路，用于驱动所述N个信标LED光源；

频率发生器，用于产生4种不同的调制频率信号；

基带调制器，用于对所述4种不用的调制频率信号进行通断调制和脉冲编码，形成N个编码信号，N个编码信号中有N/4种不同的编码；

稳压电路，用于接收由基带调制器传送的N个编码信号，并发送至LED驱动电路，由LED驱动电路驱动N个信标LED光源发出携带有编码信号的光信号。

作为本发明的进一步改进，所述接收模块包括硅光电二极管和跨阻放大器；所述硅光电二极管接收由信标LED发送的光信号，并转化为电流信号，再经跨阻放大器将所述电流信号转化为电压信号；

所述解码子模块包括信号分离器、AD转换器和基带解调器；所述信号分离器对所述电压信号进行分离处理得到4个不同频率的电压信号；所述AD转换器对由所述信号分离器处理得到的4个电压信号进行处理，得到4个相应的电压值，并输送至一检波电路；所述基带解调器对检波电路输出的4个电压值进行转换，生成可被处理子模块识别的4个电平信号；所述处理模块对所述4个电平信号进行处理，得到相应的解码信息和电压采样值。

通过上述技术方案，本发明达到了以下有益的技术效果：

(1)有效地提高定位精度，成本低，方便且容易推广，具有可扩展性和可移植性，功能稳定且功耗低。

(2)通过利用“大区域编码，小区域分频”的方式，也即，确认相同编码区域(也即大区域)位置：首先对每个相同编码区域进行编码，并使每个编码代表着相同编码区域的中心原点坐标，也即每个编码代表着每个定位基点的坐标信息，由此即可通过分离、解调、解码得出被测位置所在的大致位置。然后，结合中心定位区域(也即小区域)位置：先用RSSI直接法测出被测位置到4个信标LED光源的投影距离，然后利用被测位置到最近的4个信标LED的距离配合改良后的三角定位算法算出被测位置在中心定位区域的位置坐标。最后将被测位置在中心定位区域的坐标加上相同编码区域中的定位基点的坐标就可以优化并准确地确定被测位置的最终位置坐标。进一步提高定位精度。

(3)另外，通过本发明的系统结合外部PC端的程序该可以实现将被测位置的定位坐标结果可视化。且本系统结构简单，发送模块具有灵活扩展的特性，方便安装和布局。接收模块和处理模块具有便携、小巧、移植性强的特点，有利于提高了本系统的实用性，有利于工业和生活上的广泛应用。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明基于可见光的室内定位方法的方法流程图；

图2是本发明中第一横向坐标值x_a和第二个纵向坐标值y_a的计算图形示意图；

图3是本发明中第二横向坐标值x_b和第二个纵向坐标值y_b的计算图形示意图；

图4是本发明实现被测位置的定位测试移动轨迹图；

图5是被测位置的实际变化移动轨迹图；

图6是本发明对若干信标LED光源进行分区的结构示意图；

图7是被测黑点在若干信标LED光源中的位置示意图；

图8是本发明的LED驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于可见光的室内定位方法，包括以下步骤：

S1：建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式；

S2：预设并记录当前室内每个信标LED光源的坐标信息和编码信息；在本实施例中，所述编码信息包括编码数据和调制频率；

S3：接收由与被测位置相邻的4个信标LED光源发送的编码信息，分别对4个编码信息进行解码，转化为相应的坐标信息和相应的电压采样值；

S4：根据转化后的电压采样值和所述函数表达式，分别计算得到被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离；

S5：根据计算得到的4个投影距离和与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标。

进一步，所述步骤S1：建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式，包括以下步骤：

S11：记录被测位置在不同位置上到信标LED光源的多个实际投影距离；

S12：于不同位置上的被测位置处分别接收信标LED光源发送的光信号，并转换成分别对应于不同位置的多个电压采样值：

S13：根据所述多个实际投影距离和分别与多个实际投影距离一一对应的多个电压采样值建立样本库；

S14：对样本库中的数据进行处理，并剔除异常数据，生成取样库；在本发明中，所述异常数据是指严重偏离拟合函数曲线的数据。也即，对样本库进行处理得到样本库中所有数据拟合形成相应的函数曲线后，剔除严重偏离该函数曲线的点。

S15：根据取样库中的多个电压采样值和与其对应的实际投影距离拟合生成相应的函数表达式，该函数表达式中，电压采样值是自变量，实际投影距离是因变量；在本实施例中，利用matlab对处理好的电压采样值和其对应的投影距离进行拟合出相应的函数表达式。

S16：于所述函数表达式中依次代入所述多个电压采样值，并依次得到与所述多个电压采样值一一对应的多个结果投影距离；

S17：比较所述多个结果投影距离与其对应的实际投影距离的大小，得到比较结果；并根据比较结果对所述函数表达式进行修整，得到优化后的电压采样值和与其对应的实际投影距离之间的函数表达式；由此通过与实际结果进行比较得出拟合度和运算深度较为合适的函数表达式；

S18：根据所述步骤S11～S17得到被测位置与每个信标LED光源的电压采样值和对应的距离之间优化后的函数表达式。

进一步，所述步骤S17和S18中，所述函数表达式表示的是被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的电压采样值和对应的距离关系，该函数表达式包括：

其中，d₁、d₂、d₃、d₄分别代表被测位置到与其相邻的4个信标LED光源在地面上的投影距离；U₁、U₂、U₃、U₄分别表示被测位置与四个信标LED光源的投影距离对应的已经处理的ADC电压采样值。

进一步，所述步骤S4：根据转化后的电压采样值和所述函数表达式，分别计算得到被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离，是通过将转化后的4个ADC电压采样值U₁、U₂、U₃、U₄分别代入与其对应的函数表达式中，分别求得被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离d₁、d₂、d₃、d₄。

进一步，所述步骤S5：根据计算得到的4个投影距离和与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标，包括以下步骤：

S51：设定被测位置的坐标为(x’，y’)；

S52：以被测位置、与被测位置相邻的4个信标LED光源中的其中两信标LED光源为顶点形成一第一三角形；

S53：根据第一三角形中的两信标LED光源的坐标信息、及根据被测位置与第一三角形中的两信标LED光源之间的投影距离，通过余弦定理求得第一三角形中以任一信标LED光源为顶点的夹角的余弦值，得到第一余弦值；

S54：根据所述第一余弦值求出被测位置的第一个横向坐标值x_a，并根据三角函数关系求出被测位置的第一个纵向坐标值y_a；

S55：根据步骤S52～S54求得由被测位置、与被测位置相邻的4个信标LED光源中的另外两信标LED光源为顶点形成的第二三角形中以任一信标LED光源为顶点的夹角的余弦值，得到第二余弦值；

S56：根据所述第二余弦值求出被测位置的第二横向坐标值x_b，并根据三角函数关系求出被测位置的第二个纵向坐标值y_b；

S57：根据公式求出被测位置的坐标(x’，y’)。

本实施例中，x_a与x_b，y_a与y_b没有绝对的大小关系，即x’和y’可以是0，正数，负数。

具体地，所述步骤S52～S54的实际计算过程为：

请参阅图2，假设与被测位置相邻的4个信标LED光源所在的位置分别为A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(x3，y3)和D(x4，y4)，由于E到A、B、C和D点的投影距离都知道，也即，图2中的BE和DE的长度都为已知，且BD的长度可由B和D点的坐标计算得知。则利用其中一三角形BDE求出x_a和y_a：

1)利用余弦定理求出cosb的大小：

2)求出Be的距离大小：Be＝BE*cosB；

3)求出第一个横向坐标值x_a，x_a＝Be-BD/2；

4)利用三角函数关系求出第一个纵向坐标值y_a，y_a＝±BE*sinb；

请参阅图3，同理，根据上述步骤S52～S54的实际计算过程。利用另一三角形ACE中的cosc和三角函数关系分别求出第二横向坐标值x_b和第二个纵向坐标值y_b。

由此，通过上述方法，本发明对被测位置的定位误差限定在5cm内，请参阅图4和图5，其中，图4为本发明实现被测位置的定位测试移动轨迹图(可理解为接收端的位置变化定位测试轨迹图)；图5为被测位置的实际变化移动轨迹图(可理解为接收端的实际位置变化移动轨迹图)。

作为本发明的进一步改进，本发明基于可见光的室内定位方法还包括被测位置的坐标优化计算，其包括以下步骤：

S61：优化准备步骤：

S611：当前室内的多个信标LED光源以阵列排布方式设置，且以4个相邻的信标LED光源为顶点形成一正方形区域，该正方形区域为相同编码区域，且每相邻的两相同编码区域互不重叠相交；

S612：对每一相同编码区域中的4个信标LED光源设定相同的编码和互不相同的调制频率，且所有相同编码区域的编码互不相同；

S613：以任意相邻的4个信标LED光源为顶点形成一最小正方形区域，该最小正方形区域为中心定位区域；且每相邻的两中心定位区域相互重叠有两个信标LED光源；

S614：预设并记录每一中心定位区域的中心位置上的定位基点的坐标信息和对应的编码，该定位基点的坐标信息对应的编码为其对应的中心定位区域中的4个信标LED光源的中n位编码按序依次排列形成的4n位编码；

及S62：优化计算步骤：

S621：根据对与被测位置相邻的4个信标LED光源发送的编码信息进行解码，得到一4n位的解码；

S622：在所有定位基点的4n位编码中查询与所述4n位解码一致的一4n为编码，得到该4n位解码对应的定位基点的坐标(X_i,Y_j)；

S623：根据步骤S56中求出的被测位置的坐标(x’，y’)，根据公式计算得到被测位置优化后的位置坐标(x，y)。

在本实施例中，所有信标LED光源中仅携带有4种调制频率，且任意一中心定位区域中的4个信标LED光源携带的调制频率互不相同。

为方便理解步骤S611～S623，以下举例说明，请参阅图6，图6中的每个圆圈代表着一个信标LED光源，圆圈中的数字代表着一个调制频率，数字相同则表示调制频率相同。图6中以A、C、G、I为中心的附近的四个LED带相同的编码信息，也即，以A、C、G、I为中心的4个相邻信标LED之间形成的区域为所述相同编码区域。这样的布局拓扑达到了以下有益效果：第一，任意相邻并组成正方形四个LED都具有不同的调制频率。第二，相同调制频率的LED都不相邻，减少了干扰。请参阅图7，对每个由任意相邻的4个信标LED光源组成的正方形区域中心坐标进行编码，每个编码对应特定的坐标信息，也即每个定位基点A、B、C、D、E、F、G、H、I对应特定的坐标信息。而且在被测位置上的接收端接收到的信号大部分来自离它最近的4个信标LED光源，而这4个信标LED恰光源好组成正方形区域，也即所述中心定位区域。每个LED可以携带n位编码，则4个LED有4n位编码，4n位二进制编码有2⁴ⁿ种组合结果。以下，具体说明图7中的定位基点E右上角处的黑点的坐标计算过程，设n＝2。

第一步：解码，确定被测位置所在的相同编码区域中E点的坐标

表1解码对应表

频率1	频率2	频率3	频率4	对应字母	对应区域中心坐标
						00	00	00	00	A	(-200，0)
01	00	01	00	B	(-100，0)
						01	01	01	01	C	(0，0)
10	10	00	00	D	(-200，-100)
						11	10	01	00	E	(-100，-100)
10	10	10	10	F	(0，-100)
						11	10	11	10	H	(-100，-200)
11	11	11	11	I	(0，-200)

根据解码对应表解码可得到解码信号11100100，则可知被测位置(也即接收端所在的位置)在E区域内，对应区域中心坐标为(-100，-100)。

第二步：利用本发明中改良后的三角法计算出黑点在E区域的位置(x_e,y_e)，计算过程中先令E区域中心坐标为(0，0)。

第三步：计算黑点具体位置(x，y)，这时E区域中心坐标是(-100，-100)，根据计算公式：即可精确确定黑点的具体位置坐标。

相应地，本发明还提供了一种与上述基于可见光的室内定位方法对应的基于可见光的室内定位系统，该系统包括函数模拟模块、发送模块、接收模块和处理模块。

所述函数模拟模块用于建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式，并保存至所述处理模块；

所述发送模块为信标LED光源发射模块，用于发送编码信息和调制频率至所述接收模块；

所述接收模块用于接收由所述发送模块发送的编码信息和调制频率，并传送至所述处理模块；

所述处理模块包括：

记录子模块，用于预设并记录当前室内信标LED光源发射模块中的每个信标LED光源的坐标信息、编码信息和调制频率；

解码子模块，用于对接收模块传送的编码信息进行解码，输出解码信息；

解调子模块，用于对接收模块传送的调制频率进行解调，转化成相应的电压采样值；

以及处理子模块，用于根据由解码子模块得到解码信息处理得到相应的坐标信息，根据由解调子模块转化得到的电压采样值和所述函数表达式计算得到被测位置与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离，并根据计算得到的4个投影距离和由记录子模块记录的与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标。

具体地，所述信标LED光源发射模块包括N个信标LED光源、LED驱动电路、频率发生器、基带调制器和稳压电路。

所述N个信标LED光源，用于以光的形式发射编码信号，N为4的整数倍；

请参阅图8，所述LED驱动电路，用于驱动所述N个信标LED光源。在本实施例中，所述LED驱动电路为恒流源驱动电路，如图8所示，且图8中的R1、R2决定LED直流偏置电压，R1、R4为大功率电阻，起限流作用。

所述频率发生器，用于产生4种不同的调制频率信号；在本实施例中，所述频率发生器为正弦波发生器，其采用了四个ICL8038器件和四个运放TL082器件产生四个不同频率的正弦波，并实现频率和信号幅度可调。所述基带调制器，用于对所述4种不用的调制频率信号进行通断调制和脉冲编码，形成N个编码信号，N个编码信号中有N/4种不同的编码；在本实施例中，所述基带调制器为单片机STC60S2，由此可以灵活改变编码内容。

所述稳压电路，用于接收由基带调制器传送的N个编码信号，并发送至LED驱动电路，由LED驱动电路驱动N个信标LED光源发出携带有编码信号的光信号。

通过上述对N个信标LED光源、LED驱动电路、频率发生器、基带调制器和稳压电路的限定，可得到信标LED光源发射模块相应的电路图，故在此不再赘述。

具体地，所述接收模块包括硅光电二极管和跨阻放大器；所述硅光电二极管接收由信标LED发送的光信号，并转化为电流信号，再经跨阻放大器将所述电流信号转化为电压信号。

具体地，所述解码子模块包括信号分离器、AD转换器和基带解调器；所述信号分离器对所述电压信号进行分离处理得到4个不同频率的电压信号；所述AD转换器对由所述信号分离器处理得到的4个电压信号进行处理，得到4个相应的电压值，并输送至一检波电路；所述基带解调器对检波电路输出的4个电压值进行转换，生成可被处理子模块识别的4个电平信号。

所述处理模块对所述4个电平信号进行处理，得到相应的解码信息和电压采样值。

在本实施例中，AD转换器采用STM32103内置的AD模块，它是12位的高精度AD转换器，所以采样值理论上是0到4095。

在本实施例中，所述信号分离器为窄带带通有源滤波器。

进一步，通过实验，由频谱仪观察ICL8038输出58.5kHz频率时的频谱特性图可知，ICL8038存在震荡频率整数倍的杂散频率，而这些不需要的杂散频率会对定位精度造成较大的影响，为解决上述问题，作为一种更优的技术方案，本发明将每个震荡电路的地线用磁珠做隔离，由此避免震荡电路的震荡频率通过地线对其它震荡电路造成串扰。且，本发明还选用纹波系数更小的稳压电源，由于震荡器的震荡频率由调频电阻和调幅电阻分出的电压Vcon决定，而电压Vcon的稳定性由电源电压决定。另外，本发明选择的4个频率参数上避免在整数倍上重叠，并考虑到接收端的信号分离器性能上的限制，所以频率的选择范围优选在50kHz至250kHz，而且4个频率的间隔设定在30kHz以上。最后结合信号分离器实际分离条件得出表2。

表2震荡频谱及增益系数选择表

	震荡频率(kHz)	二倍频(kHz)	三倍频(kHz)	增益系数
					震荡电路1	58.5	117.0	175.5	1.00
震荡电路2	97.0	194.0	291.0	1.20
					震荡电路3	138.5	277.0	415.5	1.11
震荡电路4	210.0	420.0	630.0	1.31

因此，通过表2可知，每个震荡电路的震荡频率都与其它振荡电路的二倍、三倍频有15kHz以上的距离，有利于避免了相互的干扰和造成震荡频率的不稳定的问题发生。

进一步，由于阻容元件的存在和电路板的寄生参数的存在，实际的电路参数与理论值存在误差。为解决上述问题，作为一种更优的技术方案，本发明还根据测出每一路滤波器的实际中心频率和增益，对发送模块的载波频率和增益进行相应的调整，调整结果如表3所示。

表3滤波器的实际中心频率和增益与理论值对比表

本发明中，震荡电路与滤波器相当于串联连接，由控制工程理论可知，系统的总增益为二者的乘积，为了每路信号增益相同，所以必须调整发送模块的增益系数。在本实施例中，令振荡电路1的增益系数为1，所以系统的总增益为10.2，再以10.2算出其它震荡电路的增益系数。计算结果分别为，震荡电路2的增益系数为1.02，震荡电路3的增益系数为1.11,震荡电路4的增益系数为1.31。这样能够保证每路的总增益都为10.2。

相对于现有技术，本发明基于可见光的室内定位方法及系统达到了以下有益的技术效果：

(1)有效地提高定位精度，成本低，方便且容易推广，具有可扩展性和可移植性，功能稳定且功耗低。

(2)通过利用“大区域编码，小区域分频”的方式，也即，确认相同编码区域(也即大区域)位置：首先对每个相同编码区域进行编码，并使每个编码代表着相同编码区域的中心原点坐标，也即每个编码代表着每个定位基点的坐标信息，由此即可通过分离、解调、解码得出被测位置所在的大致位置。然后，结合中心定位区域(也即小区域)位置：先用RSSI直接法测出被测位置到4个信标LED光源的投影距离，然后利用被测位置到最近的4个信标LED的距离配合改良后的三角定位算法算出被测位置在中心定位区域的位置坐标。最后将被测位置在中心定位区域的坐标加上相同编码区域中的定位基点的坐标就可以优化并准确地确定被测位置的最终位置坐标。进一步提高定位精度。

(3)另外，通过本发明的系统结合外部PC端的程序该可以实现将被测位置的定位坐标结果可视化。且本系统结构简单，发送模块具有灵活扩展的特性，方便安装和布局。接收模块和处理模块具有便携、小巧、移植性强的特点，有利于提高了本系统的实用性，有利于工业和生活上的广泛应用。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种基于可见光的室内定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式；

预设并记录当前室内每个信标LED光源的坐标信息和编码信息；

接收由与被测位置相邻的4个信标LED光源发送的编码信息，分别对4个编码信息进行解码，转化为相应的坐标信息和相应的电压采样值；

根据转化后的电压采样值和所述函数表达式，分别计算得到被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离；

根据计算得到的4个投影距离和与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标。

2.根据权利要求1所述的基于可见光的室内定位方法，其特征在于：所述步骤建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式，包括以下步骤：

S11：记录被测位置在不同位置上到信标LED光源的多个实际投影距离；

S12：于不同位置上的被测位置处分别接收信标LED光源发送的光信号，并转换成分别对应于不同位置的多个电压采样值：

S13：根据所述多个实际投影距离和分别与多个实际投影距离一一对应的多个电压采样值建立样本库；

S14：对样本库中的数据进行处理，并剔除异常数据，生成取样库；

S15：根据取样库中的多个电压采样值和与其对应的实际投影距离拟合生成相应的函数表达式，该函数表达式中，电压采样值是自变量，实际投影距离是因变量；

S16：于所述函数表达式中依次代入所述多个电压采样值，并依次得到与所述多个电压采样值一一对应的多个结果投影距离；

S17：比较所述多个结果投影距离与其对应的实际投影距离的大小，得到比较结果；并根据比较结果对所述函数表达式进行修整，得到优化后的电压采样值和与其对应的实际投影距离之间的函数表达式；

S18：根据所述步骤S11～S17得到被测位置与每个信标LED光源的电压采样值和对应的距离之间优化后的函数表达式。

3.根据权利要求2所述的基于可见光的室内定位方法，其特征在于：所述步骤S17和S18中，所述函数表达式表示的是被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的电压采样值和对应的距离关系，该函数表达式包括：

$d_1=-0.0964\×U_1^3+2.6780\×U_1^2-28.4139\×U_1+146.0;$

$d_2=-0.2509\×U_2^3+4.9020\×U_2^2-38.3163\×U_2+148.6;$

$d_3=-0.1990\×U_3^3+4.5687\×U_3^2-40.0105\×U_3+158.5;$

$d_4=-0.4826\×U_4^3+8.8679\×U_4^2-61.4449\×U_4+190.1;$

其中，d₁、d₂、d₃、d₄分别代表被测位置到与其相邻的4个信标LED光源在地面上的投影距离；U₁、U₂、U₃、U₄分别表示被测位置与四个信标LED光源的投影距离对应的已经处理的ADC电压采样值。

4.根据权利要求3所述的基于可见光的室内定位方法，其特征在于：所述步骤根据转化后的电压采样值和所述函数表达式，分别计算得到被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离，是通过将转化后的4个ADC电压采样值U₁、U₂、U₃、U₄分别代入与其对应的函数表达式中，分别求得被测位置和与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离d₁、d₂、d₃、d₄。

5.根据权利要求2所述的基于可见光的室内定位方法，其特征在于：所述步骤根据计算得到的4个投影距离和与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标，包括以下步骤：

S51：设定被测位置的坐标为(x’，y’)；

S52：以被测位置、与被测位置相邻的4个信标LED光源中的其中两信标LED光源为顶点形成一第一三角形；

S53：根据第一三角形中的两信标LED光源的坐标信息、及根据被测位置与第一三角形中的两信标LED光源之间的投影距离，通过余弦定理求得第一三角形中以任一信标LED光源为顶点的夹角的余弦值，得到第一余弦值；

S54：根据所述第一余弦值求出被测位置的第一个横向坐标值x_a，并根据三角函数关系求出被测位置的第一个纵向坐标值y_a；

S55：根据步骤S52～S54求得由被测位置、与被测位置相邻的4个信标LED光源中的另外两信标LED光源为顶点形成的第二三角形中以任一信标LED光源为顶点的夹角的余弦值，得到第二余弦值；

S56：根据所述第二余弦值求出被测位置的第二横向坐标值x_b，并根据三角函数关系求出被测位置的第二个纵向坐标值y_b；

S57：根据公式求出被测位置的坐标(x’，y’)。

6.根据权利要求5所述的基于可见光的室内定位方法，其特征在于：还包括被测位置的坐标优化计算，其包括以下步骤：

优化准备步骤：

当前室内的多个信标LED光源以阵列排布方式设置，且以4个相邻的信标LED光源为顶点形成一正方形区域，该正方形区域为相同编码区域，且每相邻的两相同编码区域互不重叠相交；

对每一相同编码区域中的4个信标LED光源设定相同的编码和互不相同的调制频率，且所有相同编码区域的编码互不相同；

以任意相邻的4个信标LED光源为顶点形成一最小正方形区域，该最小正方形区域为中心定位区域；且每相邻的两中心定位区域相互重叠有两个信标LED光源；

预设并记录每一中心定位区域的中心位置上的定位基点的坐标信息和对应的编码，该定位基点的坐标信息对应的编码为其对应的中心定位区域中的4个信标LED光源的中n位编码按序依次排列形成的4n位编码；

及优化计算步骤：

根据对与被测位置相邻的4个信标LED光源发送的编码信息进行解码，得到一4n位的解码；

在所有定位基点的4n位编码中查询与所述4n位解码一致的一4n为编码，得到该4n位解码对应的定位基点的坐标(X_i,Y_j)；

根据步骤S56中求出的被测位置的坐标(x’，y’)，根据公式计算得到被测位置优化后的位置坐标(x，y)。

7.根据权利要求6所述的基于可见光的室内定位方法，其特征在于：所有信标LED光源中仅携带有4种调制频率，且任意一中心定位区域中的4个信标LED光源携带的调制频率互不相同。

8.一种基于可见光的室内定位系统，其特征在于：包括函数模拟模块、发送模块、接收模块和处理模块；

所述函数模拟模块用于建立电压采样值与其对应的实际投影距离之间的函数表达式，并保存至所述处理模块；

所述发送模块为信标LED光源发射模块，用于发送编码信息和调制频率至所述接收模块；

所述接收模块用于接收由所述发送模块发送的编码信息和调制频率，并传送至所述处理模块；

所述处理模块包括

记录子模块，用于预设并记录当前室内信标LED光源发射模块中的每个信标LED光源的坐标信息、编码信息和调制频率；

解码子模块，用于对接收模块传送的编码信息进行解码，输出解码信息；

解调子模块，用于对接收模块传送的调制频率进行解调，转化成相应的电压采样值；

以及处理子模块，用于根据由解码子模块得到解码信息处理得到相应的坐标信息，根据由解调子模块转化得到的电压采样值和所述函数表达式计算得到被测位置与其相邻的4个信标LED光源之间的投影距离，并根据计算得到的4个投影距离和由记录子模块记录的与被测位置相邻的4个信标LED光源的坐标信息计算得到被测位置的坐标。

9.根据权利要求8所述的基于可见光的室内定位系统，其特征在于：所述信标LED光源发射模块包括

N个信标LED光源，用于以光的形式发射编码信号，N为4的整数倍；

LED驱动电路，用于驱动所述N个信标LED光源；

频率发生器，用于产生4种不同的调制频率信号；

基带调制器，用于对所述4种不用的调制频率信号进行通断调制和脉冲编码，形成N个编码信号，N个编码信号中有N/4种不同的编码；

稳压电路，用于接收由基带调制器传送的N个编码信号，并发送至LED驱动电路，由LED驱动电路驱动N个信标LED光源发出携带有编码信号的光信号。

10.根据权利要求8所述的基于可见光的室内定位系统，其特征在于：

所述接收模块包括硅光电二极管和跨阻放大器；所述硅光电二极管接收由信标LED发送的光信号，并转化为电流信号，再经跨阻放大器将所述电流信号转化为电压信号；

所述解码子模块包括信号分离器、AD转换器和基带解调器；所述信号分离器对所述电压信号进行分离处理得到4个不同频率的电压信号；所述AD转换器对由所述信号分离器处理得到的4个电压信号进行处理，得到4个相应的电压值，并输送至一检波电路；所述基带解调器对检波电路输出的4个电压值进行转换，生成可被处理子模块识别的4个电平信号；

所述处理模块对所述4个电平信号进行处理，得到相应的解码信息和电压采样值。