CN107144816A - 新型led阵列及基于该阵列的室内可见光定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型LED阵列及基于该阵列的室内可见光定位方法及系统。本系统包括多个所述LED阵列，室内定位装置；其中，所述室内定位装置，用于对接收到的LED基本发射单元发送的可见光调制信息进行解调，得到该LED基本发射单元所在LED子阵列的身份信息以及LED阵列的身份信息；然后将得到的LED子阵列的身份信息以及LED阵列的身份信息进行组合，得到对应LED基本发射单元的身份信息；然后根据该室内地图与所得LED基本发射单元的身份信息定位该接收模块的位置；其中，LED子阵列的身份信息为定位信号的正交调制信息。本发明有效提高了定位精度，并降低了定位算法的复杂度。

Description

新型LED阵列及基于该阵列的室内可见光定位方法及系统
技术领域
本发明属于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术领域，涉及可见光定位(Visible Light Localization,VLL)系统的关键技术，具体涉及一种新型发光二极管(Light Emitting Diode,LED)阵列，以及基于此方法的高精度室内可见光定位系统。
背景技术
随着近年来信息技术的快速进步及移动设备的广泛推广，搭载于移动端的定位服务日益成为人们生活的重要辅助工具。尤其是近年来移动互联网的蓬勃发展，使得人们的衣食住行都不可避免地与互联网发生联系，也即催生了以互联网为入口的基于位置的服务(Location Based Services，LBS)。精准的室内定位技术，可以为人们在超市、商场等多种室内场合提供便利，在帮助人们快速定位的同时，也蕴含着巨大的商机。
目前尚没有一种技术能够在不改造普通的移动设备的同时就实现精确的室内定位：WiFi和其他RF类型的方法提供数米精度的无向定位，使得该技术无法在像零售店这样需要精确导航的情形下使用；全球定位系统(Global Positioning System，GPS)也由于室内存在无线射频信号的干扰，并且接收的信号强度十分微弱，因此存在很大的定位误差。在这种情况下，可见光室内定位技术(Visible Light Localization,VLL)应运而生，并得到国内外许多学者的关注。
要实现高精度定位，现有算法只有三角测量法和图像传感器法；TOA(Time ofArrival)相关的算法基于多灯且要求灯之间严格同步，导致网络结构复杂；图像传感器法要求同一图片中必须有两盏及以上的LED达到高精度的定位，可操作性差。现有的基于LED阵列色温的定位方案空间角度划分粒度较大(一般为3色)，定位精度提升有限。利用特殊设计的LED阵列可大大降低空间角度划分粒度，从而高效提升定位精度。
传统LED信号检测方案中，分米级别高精度定位研究几乎都是基于多LED灯，但是LED的主要功能是照明，其次才是定位。因此实际中决定LED灯布局的首要因素是照明和节能的诉求，故在PD或图像传感器的可视范围之内，只存在单个LED灯的概率将会非常高。研究如何基于单个LED灯或单个LED阵列实现高精度定位具有理论和实用双重价值。
据报道苹果公司有可能在其新一代的移动终端产品采用光电二极管(Photodiode,PD)，PD可以用于可见光通信以及定位，其检测精度较高，且检测算法简单，通过移动终端实现可见光的定位是未来的趋势。目前的主流智能终端已集成了多种传感器，它们能实时提供终端的速度、姿态等信息。通过精心设计的算法，可以将这些信息与LED定位所得到的空间信息融合以提升定位的精度。
本发明所描述的系统和所提出的技术，是基于上文所述集成了PD和多种传感器的智能移动终端，以及特殊设计的LED阵列实现的高精度VLL定位系统和技术。通过合理设计LED发射码型，可以有效抑制室内其他背景光噪声的干扰，提高定位精度，优于传统方案。算法融合了手机终端的其它传感器(惯导系统)，寻求多种技术的互补来完善系统性能，具有很大应用潜力。
发明内容
如上所述，采用单个LED的定位精度较低，而采用两盏及以上LED的定位技术复杂度较高、可操作性差。本发明的目的在于针对以上问题，提出一种新型LED阵列设计方案，该新型LED阵列可实现多区域的精确定位；并采用了特殊的调制方案发送各区域的身份信息以抑制相邻LED单元之间的串扰，有效提高了定位精度，并降低了定位算法的复杂度；最终基于该方法提出了一种新型可见光定位系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型的LED阵列发射模块(以下简称LED阵列)，其特征在于，包括在一平面或曲面上按照一定间距分布着诸多具有不同发散角和倾角呈现特定排列图案的LED基本单元，组成LED阵列，各LED基本单元的发散角、倾角使用本发明提出的算法根据所需照明高度和范围确立。该LED阵列发射模块被划分为若干个LED子阵列，各LED子阵列由若干LED基本发射单元组成，以可见光的形式发送不同的定位信号。其中，定位信号为LED阵列身份信息经过编码后在各个LED子阵列中采用正交调制得到的信号，每个LED阵列中的各个LED子阵列的时域发射信号是正交的。对于同一个LED阵列中的每一个LED子阵列，它发送的信号既含有所在LED阵列的身份信息，又含有代表自身在LED阵列中位置的LED子阵列身份信息。
将多个LED阵列按照一定间隔排布，不同LED阵列的身份信息不同，不同LED阵列中的子阵列的定位信息可以复用。LED子阵列的定位信息是用于区分处于同一个阵列中的不同子阵列的身份信息，和LED阵列的身份信息不同。复用是指，对于某LED阵列中的LED子阵列a，和另一个LED阵列中的某LED子阵列b，由于它们含有的LED阵列的身份信息不同，可以直接根据LED阵列信息区分这两个子阵列，因此子阵列a和b在所在LED阵列中的位置信息可以相同，即为复用。在本发明中的实施例中，LED子阵列的身份信息是以频率信息来体现的，因此复用的是频率信息。
建立好LED基本发射单元的身份信息和坐标一一对应的室内地图，此地图将精确定位至LED阵列中单个LED子阵列的照明区域。
PD接收模块，可接收检测LED基本发射单元发送的可见光调制信息。该PD接收模块可装配在移动设备上并后接信号采集和处理模块。当接收到可见光后通过信号处理技术得到相应的LED阵列身份信息。
查找地图中与所得LED阵列光源身份信息对应位置的坐标，并将该位置坐标对应到图形界面上实现导航功能。
进一步地，新型的LED阵列发射模块被划分为若干个区域，每一区域对应一LED子阵列，各区域以可见光的形式发送不同的定位信息包括：
1)已确定照明区域形状(如正圆形、正方形)的LED阵列遵循特定的划分规则(如子照明区域面积等分)被分割为多个按照一定规律排列的LED子阵列，每个子阵列在地面上产生一个子照明区域。根据本发明提出的方案进行进一步设计，确定子阵列内部的多个LED基本单元的排列方式；
2)同一子阵列中的LED基本单元使用相同的身份信息(LED阵列身份信息ID)以及调制方式；
3)对每个LED基本单元进行改装，使之能以可见光形式发送不同信息，将编码调制完毕的信号通过LED发送。
进一步地，已确定照明区域形状(如正圆形、正方形)的LED阵列遵循特定的划分规则(如子照明区域面积等分)被分割为多个按照一定规律排列的LED子阵列包括：
1)根据实际应用场景确定LED阵列照明区域的形状和面积，在此基础上将LED阵列划分为若干相互不重叠的子阵列，每个子阵列中有若干相邻的LED基本单元。各子阵列发光区域的形状、面积和密度分布根据所需定位精度设计，并由此决定子阵列内每个LED基本单元的基本发光区域形状及面积的大小；
2)同一子阵列中LED基本单元的基本发光区域相连后构成子阵列的发光区域，此发光区域为连续的即区域内无阴暗区域。
3)同一阵列中子阵列的发光区域相连构成阵列发光区域，该区域亦为连续的。
进一步地，本发明提出的确定子阵列内部多个LED基本单元排列方式的方案包括：
1)每个LED基本单元发射可见光时都具有一些重要的参数：发散角θ、倾角根据以上两个角度参数和LED发射单元相对地面的高度H即可确定LED基本单元在地面上的发光区域(以下称：基本发光区域)的坐标范围，其面积为S；
2)由于LED基本单元的尺寸和相对地面的高度H以及投影区域面积相比可忽略不计，可将LED阵列视作平面光源；
3)在实际应用中，根据LED阵列高度H和LED阵列中各LED基本单元对应的发光区域的分布情况，可确定各LED基本单元的发散角θ和倾角以及三维坐标系中的具体坐标。
进一步地，根据布灯高度H和各LED基本单元对应的发光区域的分布情况，可确定各LED基本单元的发散角θ和倾角以及三维坐标系中的具体坐标包括：
1)每个基本发光区域可等效为一个圆锥体，LED基本单元等效为圆锥体的顶点，基本发光区域为一个椭圆形区域；
2)基本发光区域的形状、大小和位置与其发散角θ和倾角以及每个LED基本单元的位置相对应，可等效为水平面和一倾角为顶点和水平面垂直距离为H且顶角为θ的圆锥相切形成的切面。其位置与H和LED基本单元的位置，即圆锥体顶点的位置相对应，形状和大小由H、发散角θ和倾角决定；
3)其中，H可由实施场地实际情况决定，根据需要的亮度和定位精度确定所需S的大小，通过解析几何计算出对应的发散角θ和倾角以及每个LED基本单元的位置坐标。
进一步地，LED阵列身份信息经编码后在各个LED子阵列中采用正交调制得到定位信号包括：
1)对于任意一个LED阵列中的任意一个LED子阵列，其包含的所有LED基本单元均由相同的用于标识该LED子阵列及其所在LED阵列的定位信号驱动；
2)同一LED阵列中的不同LED子阵列采用正交调制的方法，将所在LED阵列的身份信息转换为驱动LED基本单元的定位信号，本发明提出以下两种调制和组帧方案：
a.定位信号的帧结构一如图1所示：
i.LED阵列身份信息经二值化变为固定长度的0、1序列，序列中符号0和符号1时域上的持续时间相等。
ii.对0、1序列进行调制得到定位信号，其中，符号0和符号1采用不同的调制方式，分别为调制方式0和调制方式1，符号0通过调制方式0调制为调制信号0，符号1通过调制方式1调制为调制信号1，其中调制方式0和调制方式1之间相互正交以便区分，调制所得调制信号0和调制信号1为正交信号。则定位信号由若干个调制信号0和调制信号1组成，同一LED阵列中的不同LED子阵列的定位信号彼此正交，而不同LED阵列中的定位信号无需正交。
b.定位信号的帧结构二如图2所示：
i.LED阵列身份信息经二值化变为固定长度的0、1序列，所有LED阵列身份信息序列中符号0和符号1在时域上的持续时间均相等。
ii.在0、1序列后拼接时域上持续时间相等、具有特定频率的信号(如正弦信号、方波信号)即得到持续时间固定的定位信号。同一LED阵列中的不同LED子阵列使用不同频率的信号，而不同LED阵列使用的频率可复用。
3)将根据上述调制和组帧方案得到的定位信号作为LED基本单元的驱动信号循环发送，从而将定位信息包含在了LED基本单元发送的可见光信号中。
进一步地，PD接收模块接收检测LED发射模块发送的可见光调制信息包括：
1)在PD接收模块后端接信号采集和处理设备，使之在接收到可见光信号时，可通过信号处理技术得到相应的信号幅度和频率信息；
2)将改装后的PD接收模块装配到移动设备上；
3)将移动设备放置于LED阵列的发光区域内，PD接收模块可接收LED阵列的光信号并将其转化为数字信号。
进一步地，PD接收模块接收可见光信号并通过信号处理技术得到相应的定位信息包括：
1)针对本发明提出的两种调制和组帧方案，采取不同的处理方式：
a.若定位信号使用帧结构一：
i.对PD接收得到的可见光信号进行正交解调处理，此过程可得到包含LED阵列身份信息的二进制序列及用于区分LED子阵列的正交调制参数(如FSK调制中频率参数)。
ii.从二进制序列中提取对应LED阵列的身份信息。
b.对于使用帧结构二的定位信号：
i.提取PD接收得到的可见光信号帧结构中第二部分信号的频率用于区分LED子阵列，同时提取帧结构中第一部分包含LED阵列身份信息的二进制序列。
ii.从二进制序列中提取对应LED阵列的身份信息。
2)将解调所得用于区分LED子阵列的信息作为LED子阵列的身份信息，并与LED阵列身份信息组成光源身份信息。
进一步地，查找地图中与所得光源身份信息对应位置的坐标，并将该位置坐标对应到图形界面上实现导航功能包括：
1)将解调所得光源身份信息发送给服务器；
2)从服务器中的数据库查找该身份信息组合对应的位置坐标，先通过LED阵列身份信息查找到LED阵列，再通过LED子阵列身份信息查找到LED阵列中对应子阵列的位置坐标；
3)将位置坐标数据传送给移动设备图形界面，并显示在地图上。
一种基于LED阵列的可实现多区域精确定位的新型可见光定位系统，包括：光源，用于以阵列形式在阵列不同区域发出经过调制的含有不同身份信息的可见光；基于可见光的室内定位装置，用于接收光源发送的可见光并将其转化为数字信号，运用信号处理方法将信号解调成光源LED基本单元的身份信息，并查找地图中与该身份信息相对应的位置信息，获取当前位置。
所述光源包括：ID发生器，循环产生LED的ID信号；控制器，用于对光源传输的信息进行调制，并根据调制好的信号产生驱动信号用以驱动光源发送调制后的光脉冲信号。
进一步地，控制器采用一定编码方式对LED阵列的身份信息进行编码，并采用正交调制的方式对每个LED子阵列的身份信息进行调制，并将此格式的待发送信号作为驱动信号，驱动LED以光信号的形式发送经过调制编码后的身份信息。
所述基于可见光的室内定位装置包括：移动设备，用于接收光源发送的可见光并将其转化为数字信号，运用信号处理方法将信号解调成光源LED基本单元的身份信息；服务器，用于查找地图中与光源身份信息对应的位置，作为当前位置，并将当前位置以坐标形式发送给移动设备，在移动设备的地图上显示。
进一步地，移动设备上装置PD接收器，将LED阵列发送的可见光转化为数字信号后，通过解调算法对数字信号进行解调，解调出LED基本单元的身份信息，LED基本单元的身份信息与地图上的位置坐标一一对应；移动设备可与服务器通信，或将LED基本单元的身份信息对应的坐标信息存储在移动设备的存储器中，将当前位置对应的位置坐标显示在移动设备的地图上，实现导航定位。
与现有方法相比，本发明的优点和积极效果如下：
新型LED阵列可以实现多区域的精确定位，定位的精度可以大大提高，同时由于解调算法复杂度低，可实现高效定位；并且由于LED阵列的图案和各个LED基本单元的参数都可根据实际应用场景调节，本发明的可调节度很高，可以在许多场景中灵活应用；此外，通过相邻区域采用正交编码的方法，可以使得相邻区域交叠部分错误率降低，有效提高了可见光定位结果的精确性。本发明适用于需要分区域精确定位的大型停车场、商场等场所的可见光定位。
附图说明
图1为本发明定位信号的帧结构一。
图2为本发明定位信号的帧结构二。
图3为实施例的基于可见光的室内定位系统示意图。
图4为实施例的基于可见光的室内定位系统光源示意图。
图5为光源在地面产生发光区域示意图。
图6为组成实施例的光源的LED基本单元的构成示意图。
图7给出了解算LED基本单元发散角、倾角的方法原理图。
图8为实施例的一种LED阵列图案设计示意图。
图9为实施例的另一种LED阵列图案设计示意图。
图10为实施例的另一种LED阵列图案设计示意图。
图11为实施例的另一种LED阵列图案设计示意图。
图12为实施例的一种LED阵列的身份信息分布；
(a)为实施例的LED阵列1的身份信息；(b)为实施例的LED阵列2的身份信息。
图13为实施例的一种LED阵列的身份信息序列的结构。
图14为基于帧结构1的实施例的一种LED阵列内部的子阵列身份信息分布。
图15为基于帧结构2的实施例的一种LED阵列内部的子阵列身份信息分布。
图16为身份信息序列的波形图；
(a)为图12(a)中LED阵列的身份信息序列的波形图；(b)为图12(b)中LED阵列的身份信息序列的波形图。
图17为载波波形图；
(a)为图14中LED子阵列1在帧结构1中身份信息为1时的载波波形图；(b)为图14中LED子阵列1在帧结构1中身份信息为0时的载波波形图；(c)为图14中LED子阵列2在帧结构1中身份信息为1时的载波波形图；(d)为图14中LED子阵列2在帧结构1中身份信息为0时的载波波形图。
图18定位信号波形图；
(a)为图12中LED阵列1的身份信息序列经过图17(a)中载波调制后所产生的用于驱动LED的定位信号波形图；(b)为图12中LED阵列2的身份信息序列经过图17(b)中载波调制后所产生的用于驱动LED的定位信号波形图。
图19为信号波形图；
(a)为图12中LED子阵列1中的基本单元经过图18(a)中驱动信号驱动后发射的信号波形图；(b)为图12中LED子阵列2中的基本单元经过图18(b)中驱动信号驱动后发射的信号波形图。
图20为接收端对帧结构1身份信息解调解码的流程图。
图21为接收端对帧结构2身份信息解调解码的流程图。
图22为服务器中存储根据光源身份信息和发光区域坐标的对应关系建立起来的树状图结构；
(a)为LED阵列1身份信息和发光区域坐标的对应关系树状图；(b)为LED阵列2身份信息和发光区域坐标的对应关系树状图。
图23为当前位置与LED子阵列的对应示意图。
图24为已知一光源身份信息时，在服务器中查找当前位置的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做详细的说明。
图3是本发明实施例基于的可见光室内定位系统示意图，包括光源和接收设备。
该光源的示意图如图4所示，由多个LED基本单元组成LED阵列，阵列按照一定规律被分为多个子阵列。
该光源在地面产生发光区域如图5所示，每个LED子阵列在地面上产生一个子阵列发光区域，相邻发光区域有少部分交叠。
组成该光源的LED基本单元的构成如图6所示。
使用如下算法解算LED基本单元的发散角、倾角，相应的原理图如图7所示。设LED基本单元的坐标为(X0，Y0，Z0)，光线法线方向与Z轴及X轴的夹角分别为和α，LED基本单元发散角为θ，地面为XOY平面，光线法线方向与地面的交点为(X1，Y1，0)，在地面上的投影区域如图中所示，(X2，Y2，0)为投影区域边界上的点。
Z0为LED基本单元距离地面的高度，可计算得出交点的坐标：
在此基础上，根据发散角的定义得出发散角、倾角、LED基本单元坐标和投影区域边界坐标的关系：
以最简单的情况为例，当LED基本单元垂直照明时，上述公式简化为：
此时，投影区域边界符合公式：
基于此种方法，可以根据不同的场景需求设计LED阵列中的各LED基本单元的投影区域的坐标及大小，具有极高的适应性。
根据上述算法，可由所需LED子阵列发光区域计算出LED子阵列中各基本单元的位置坐标、倾角和发散角。其中LED子阵列的发光区域的面积和形状需要根据实际情况设计。
图8为实施例的一种LED阵列图案设计示意图，其中各个区域的面积相等，内圆和外圆半径比为1：3。
图9为实施例的另一种LED阵列图案设计示意图，其中各个区域的面积相等，由内而外圆的半径比为1：
图10为实施例的另一种LED阵列图案设计示意图，其中各个区域的面积相等，LED阵列的形状为正方形。此种LED阵列设计方案的主要优点是可以完整且无重叠地覆盖一片区域，且实现难度较低。
图11为实施例的另一种LED阵列图案设计示意图，其中各个区域的面积相等，LED阵列的形状为正六边形。此种LED阵列设计方案的主要优点是可以完整且无重叠地覆盖一片区域，且定位精度较高。
举例说明LED阵列的身份信息分布，如图12所示，LED阵列1的身份信息ID1为00001010，LED阵列2的身份信息ID2为00000101，不同的LED阵列对应不同的身份信息序列以实现相互的区分。
LED阵列的身份信息编码和组帧方法：
LED阵列的身份信息发送序列的结构如图13所示，由同步头和信息序列组成。其中同步头为0000，信息序列为曼彻斯特(Manchester)编码后的OOK调制身份序列，因为曼彻斯特编码蕴含时钟信息，且01交替紧密，不会出现长串的0或1，方便解调。信息序列的长度根据所需LED阵列的数量而定，2k长度的信息序列可容纳2k个LED身份信息。
举例说明LED阵列内部的子阵列身份信息分布：
对于发明的帧结构1，如图14所示，采用频移键控(FSK)方法，对任意一个LED阵列中的任意一个LED子阵列，其包含的所有LED基本单元均使用相同调制频率(即子阵列调制频率)对LED阵列的身份信息进行调制，而不同的LED子阵列对应不同的子阵列调制频率。图14中LED子阵列1符号1的调制频率f1为1kHz，符号0的调制频率f2为1.5kHz，LED子阵列2的符号1的调制频率f3为2kHz，符号0的调制频率f4为2.5kHz。
对于发明的帧结构2，如图15所示，在LED阵列的身份信息序列后拼接不同频率的正弦信号，即得到定位信号。其中，对任意一个LED阵列中的任意一个LED子阵列，其包含的所有LED基本单元均使用相同调制频率(即子阵列调制频率)调制的正弦信号，而不同的LED子阵列对应不同的子阵列调制频率。图15中LED子阵列1的调制频率f1为1kHz，LED子阵列2的调制频率f2为2kHz。
LED子阵列的身份信息调制方法：
对于发明的帧结构1，LED子阵列采用FSK方法，将LED子阵列所在LED阵列的身份信息序列经过FSK调制转换成高频信号。其中，序列中的符号1调制成频率为F1持续时间为T的正弦信号，符号0调制成频率为F0持续时间为T的正弦信号。同一LED子阵列中的LED基本单元使用相同的调制频率F1和F0，不同LED子阵列中的基本单元使用不同的调制频率F1和F0，且对同一LED子阵列中的基本单元，F1不等于F0。
对于发明的帧结构2，将LED阵列的身份信息序列经过OOK调制转换成方波信号。其中，符号1和符号0的持续时间均为Ts0，Ts0为一固定值。在上述方波信号后拼接持续时间为Ts1、调制频率为Fk的方波信号。其中，同一LED子阵列中的LED基本单元的Fk相同，不同LED子阵列中的基本单元Fk不同，不同的LED阵列中的子阵列使用的调制频率Fk可复用，Ts1为一固定值。
由于人眼可识别的频率为100Hz，故本实施例中取调制频率的范围为100Hz～fs，其中fs为接收机采样频率，调制频率应小于采样频率。频率间隔Δf根据所需LED子阵列的数目n确定：
Δf＝(fs-100Hz)/n
图16为图12中LED阵列的身份信息序列的波形图。
图17(a)为图14中LED子阵列1在帧结构1中的载波波形图。其中f1为身份信息为1时的频率，f2为身份信息为0时的频率。
图17(b)为图14中LED子阵列2在帧结构1中的载波波形图。其中f3为身份信息为1时的频率，f4为身份信息为0时的频率。
图18(a)为图12中LED阵列1的身份信息序列经过图17(a)中载波调制后所产生的用于驱动LED的定位信号波形图。
图18(b)为图12中LED阵列2的身份信息序列经过图17(b)中载波调制后所产生的用于驱动LED的定位信号波形图。
图19(a)为图12中LED子阵列1中的基本单元经过图18(a)中驱动信号驱动后发射的信号波形图。
图19(b)为图12中LED子阵列2中的基本单元经过图18(b)中驱动信号驱动后发射的信号波形图。
LED子阵列排列分布方式可以根据需求按照图7中所示方案进行设计。在LED子阵列投影重叠区域，通过比较两个频率分量的幅度大小获知对应的LED子阵列。不同的LED阵列中LED子阵列使用的频率是可复用的。
接收设备包括移动设备和服务器。其中移动设备用于接收光源发送的可见光并将其转化为数字信号，运用信号处理方法将信号解调成光源LED基本单元的身份信息。移动设备包括：PD，单片机，移动终端。
PD用于接收光源发送的可见光，并将其转化为电信号，以便后续的数字信号处理。其主要参数是灵敏度和接收面积。理论上灵敏度越高，接收面积越大，PD的性能越好。实际应用时需要考虑美观性和便携性，通常接收面积很小，在平方毫米量级。
单片机用于将PD转化后的信号运用信号处理方法解调成光源LED基本单元的身份信息，并将身份信息发送到服务器。本发明的实施例中使用的解调方法复杂度较低，且在两个区域信号交叠的部分可正确解调出光源的身份信息。
LED阵列身份信息的解调方式：
对于发明的帧结构1，在收端接收到FSK信号后，先通过信号处理方法将接收到的信号二值化为二进制序列，考虑到LED阵列及子阵列间均存在投影区域交叠的情况，故接收到的信号中含有多个频率成分。首先通过对接收到的序列进行FFT处理得到信号的频谱，幅度最高的两个频率成分包含有效的LED阵列身份信息，这两个频率即对应LED子阵列的身份信息。基于上述得到的两个频率对接收序列进行滤波及包络检波处理，得到LED阵列的身份信息序列，再对LED阵列的身份信息序列进行曼彻斯特解码，得到LED阵列的身份信息，完成LED阵列及子阵列的身份信息的解调解码。
图20为接收端对帧结构1身份信息解调解码的流程图。
对于发明的帧结构2，在收端接收到方波信号后，先通过信号处理方法将接收到的信号二值化为二进制序列，寻找二进制序列中的同步头获取单个完整周期的待解调序列。去除同步头后将上述序列分割为包含LED阵列身份信息和LED子阵列身份信息的前后两段序列。其中，对于前者采用OOK解调得到LED阵列的身份信息序列，再对其进行曼彻斯特码解调得到LED阵列的身份信息；对于后者，对序列进行FFT处理后得到序列中包含的频率信息即LED子阵列的身份信息，从而完成LED阵列及子阵列身份信息的解调解码。
图21为接收端对帧结构2身份信息解调解码的流程图。
移动终端，用于接收服务器发送的位置信息，并将其在终端的地图上显示，实现定位。
服务器，用于接收单片机发送的光源身份信息，查找数据库中与光源身份信息对应的位置信息，作为当前位置，并将当前位置以坐标形式发送给移动设备，在移动设备的地图上显示。
服务器中存储的位置信息是在设计LED阵列形状及子阵列位置分布过程中确定的。具体来说，LED阵列设计过程中，根据实际需求确定LED子阵列发光区域的面积、形状和位置并由此得到各子发光区域在地图中的坐标范围，将其与LED阵列身份信息和子阵列身份信息匹配后存入服务器中。同时，对于已确定坐标范围的子投影区域，由实施例中所述方法，解方程可得LED子阵列中LED基本单元的发散角和倾角。建立地图过程中，服务器中存储根据上述光源身份信息和发光区域坐标的对应关系建立起来的如图22所示的树状图结构。其中LED阵列ID1、LED阵列ID2分别为两个LED阵列的身份信息，LED子阵列id1，LED子阵列id2，LED子阵列id3……LED子阵列idn分别为每个LED阵列中LED子阵列的身份信息，当前位置1，当前位置2，当前位置3……当前位置n分别为每个LED阵列中LED子阵列所对应的发光区域位置坐标。本发明实施例中取每个子发光区域的中心位置作为当前位置坐标。
图23为当前位置与LED子阵列的对应示意图。
图24为已知一光源身份信息时，在服务器中查找当前位置的示意图。服务器接收到光源身份信息后，先通过LED阵列身份信息查找到该子阵列所在的LED阵列，再根据LED子阵列身份信息从该LED阵列中查找对应子阵列的位置坐标。
通常来说，由于LED子阵列的面积可以设计成很小，则位置坐标的范围也相应地很小，可达到厘米量级的精度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种新型LED阵列，其特征在于，包括多个LED子阵列，每一LED子阵列包括若干LED基本发射单元，以可见光的形式发送定位信号；其中，所述定位信号为LED子阵列对编码后的LED阵列身份信息进行正交调制得到的信号，各LED子阵列发送的定位信号在时域上正交；各LED基本单元的发散角、倾角根据所需照明高度和照明范围确定。
2.如权利要求1所述的LED阵列，其特征在于，各LED子阵列的照明面积和形状需根据实际情况设计，各LED子阵列中的LED基本发射单元不互相重叠。
3.一种基于权利要求1所述LED阵列的室内可见光定位方法，其步骤为：
1)建立各LED基本发射单元的身份信息和坐标一一对应的室内地图；
2)每一LED子阵列包括的LED基本发射单元以定位信号调制发送的可见光；
3)接收模块对接收到的LED基本发射单元发送的可见光调制信息进行解调，得到该LED基本发射单元所在LED子阵列的身份信息以及LED阵列的身份信息；其中，LED子阵列的身份信息为定位信号的正交调制信息；
4)将步骤3)得到的LED子阵列的身份信息以及LED阵列的身份信息进行组合，得到对应LED基本发射单元的身份信息；然后根据该室内地图与所得LED基本发射单元的身份信息定位该接收模块的位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，生成所述定位信号的方法为：首先将LED阵列的身份信息进行二值化变为固定长度的序列；其中，序列中符号0和符号1时域上的持续时间相等；然后对该序列中符号0和符号1采用不同的调制方式，分别为第一调制方式和第二调制方式，符号0通过第一调制方式调制为调制信号0，符号1通过第二调制方式调制为调制信号1，其中第一调制方式与第二调制方式之间相互正交，调制所得调制信号0和调制信号1为正交信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述解调方法为：对接收的可见光信号进行正交解调处理，得到包含LED阵列身份信息的二进制序列及用于区分LED子阵列的正交调制参数；从该二进制序列中提取对应LED阵列的身份信息，所述正交调制参数为LED子阵列的身份信息。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，生成所述定位信号的方法为：首先将LED阵列的身份信息经二值化变为固定长度的序列，所述身份信息序列中符号0和符号1在时域上的持续时间均相等；然后在该序列后拼接时域上持续时间相等、具有设定频率的信号，得到持续时间固定的定位信号；其中，同一LED阵列中的不同LED子阵列使用不同频率的信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述解调方法为：从接收的可见光信号中提取设定的频率信号以及包含LED阵列身份信息的二进制序列；然后从该二进制序列中提取对应LED阵列的身份信息，所述设定频率信号为LED子阵列的身份信息。
8.一种基于权利要求1所述LED阵列的室内可见光定位系统，其特征在于，包括多个所述LED阵列，室内定位装置；其中，所述室内定位装置，用于对接收到的LED基本发射单元发送的可见光调制信息进行解调，得到该LED基本发射单元所在LED子阵列的身份信息以及LED阵列的身份信息；然后将得到的LED子阵列的身份信息以及LED阵列的身份信息进行组合，得到对应LED基本发射单元的身份信息；然后根据该室内地图与所得LED基本发射单元的身份信息定位该接收模块的位置；其中，LED子阵列的身份信息为定位信号的正交调制信息。
9.如权利要求8所述的室内可见光定位系统，其特征在于，所述LED阵列中的LED基本发射单元包括：ID发生器，用于循环产生LED的ID信号；控制器，用于对发出的可见光信息进行调制，并根据调制好的信号产生驱动信号用以驱动LED基本发射单元发送调制后的光脉冲信号。
10.如权利要求8或9所述的室内可见光定位系统，其特征在于，所述室内定位装置包括移动设备和服务器；其中，所述移动设备，用于接收LED基本发射单元发送的可见光并将其转化为数字信号、解调成LED基本发射单元的身份信息；服务器，用于查找室内地图中与LED基本发射单元身份信息对应的位置，并将该位置的坐标发送给移动设备。
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