CN107589402A - 一种双载波混沌优化的可见光定位方法与系统 - Google Patents
一种双载波混沌优化的可见光定位方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双载波混沌优化的可见光定位方法与系统，涉及可见光定位领域，所述方法根据接收端接收的LED灯具的ID信息确定LED灯的位置，根据光强的衰减因子获取接收端与各LED灯具之间的距离，利用混沌优化算法确定定位点的三维坐标；二次载波过程引入动态调整因子，利用混沌变量产生随机扰动，并随着搜索减小随机扰动的幅度，确定定位点的精确位置。本发明所述的方法定位过程简单，并通过二次载波过程减少了定位过程中的计算量，提高了定位的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及室内可见光定位领域，具体涉及一种提高定位精度的双载波混沌优化可见光定位方法与系统。
背景技术
在定位和导航市场中，全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是良好的户外导航系统。随着定位导航技术的广泛应用和基于位置服务的不断发展，室内定位技术逐渐进入人们的视野，相关需求不断增长，如大型仓库里的物品定位检测，大型建筑内的导航服务等。但是，在全球定位系统中，由于城市中的卫星信号会被高楼遮挡，卫星信号穿墙后会严重衰减，以及多径效应和无线电的干扰，在建筑物内部进行准确定位是困难的。
室内定位系统的研究已经使用了射频、红外线、超声波、蓝牙和Wi-Fi等。近年来，LED(Lighting Emitting Diode)作为绿色能源，具有节能、环保、寿命长、体积小的特点，除了广泛应用于指示和照明，其可见光波段作为光载波可实现无线通信，LED用于光通信日益成熟。与超声波、红外线的室内定位技术相比，可见光定位使用LED作信号源，可以方便地利用现有照明设备进行定位，无需额外信号发射装置，成本更低。与基于Wi-Fi和蓝牙的定位技术相比，可见光定位技术不会产生电磁辐射，不受电磁信号的干扰，定位精度更高且更加稳定。
混沌学作为近年来一门新的学科，混沌的发现，对科学的发展具有空前深远的影响。混沌是一种普遍存在的非线性现象，其行为复杂且类似随机，但又存在着精致的内在规律性。混沌具有独特的性质，具有初值敏感性、遍历性和规律性，利用混沌变量的这些特性可以进行优化搜索。混沌搜索能够在一定范围内不重复遍历每一个状态，克服了常用优化算法容易陷入局部最小的缺点，利用混沌优化解决多极点全局最优解问题，还可应用于实际经济问题中钢材的订购与运输、铺设的模型等。混沌已成为一种新颖的优化技术，受到广泛重视和大量研究。
现有的基于可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)的定位方法大致可以分为三类：场景分析法、邻近法、三角定位法。三种方法各有优劣，定位精度并不是很高。本专利将混沌优化算法与VLC定位相结合，将混沌优化算法这一比较新的算法应用于定位算法中。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种双载波混沌优化的可见光定位方法，所述方法利用混沌变量的随机性、遍历性和规律性进行优化搜索，基于接收的ID信息与光强的衰减因子进行粗定位，在二次载波中引入时变参数，用二次载波后的混沌变量进行细搜索，在近似最优解范围内不断迭代提高定位精度，达到了高精度定位的效果。
本发明的另一目的在于提供一种双载波混沌优化的可见光定位系统。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种双载波混沌优化的可见光定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、可见光源发出带有ID信息的可见光信号，接收端根据接收的可见光信号分辨并还原出不同可见光源的LED灯具的ID信息，根据光强衰减因子获得接收端与各LED灯具之间的距离；
步骤2、利用混沌的遍历性，在整个空间按混沌变量的变化规律依次考察经过的各个点，根据接收端接收的来自各个可见光源的光强衰减因子进行粗定位；
步骤3、以粗定位结果坐标进行二次载波，在二次载波中引入时变参数；
步骤4、用二次载波后的混沌变量进行细搜索，根据光强衰减因子重新计算接收端的位置坐标；
步骤5、判断迭代次数n是否达到预设迭代次数M，并根据判断结果进行如下操作：
5.1、当n<M时，即没有达到预设迭代次数，将n值加1，将步骤4重新计算的接收端的坐标作为新的粗定位坐标，跳至步骤3；
5.2、当n＝M时，即已经达到预设迭代次数，步骤4得到的接收端的位置坐标即为最终的定位结果。
进一步地，所述步骤1的具体过程为：
步骤11、在室内天花板放置N个可见光源，其中N>3，每个可见光源的LED灯具通过可见光信号发送自己的ID位置信息，在完成照明功能的同时作为可见光定位系统的信号源；
步骤12、可见光信号在空间传播的光强衰减因子通过如下的信道增益表示：
其中，d表示理论上LED灯具与接收端的距离；φ表示相对于接收端法线方向的光强入射角；θ表示LED灯具相对于法线方向的发射角；A为接收端的光电检测器的有效面积；Ts(φ)为光滤波器的增益；G(φ)为聚光透镜增益；mt和mr为朗伯阶数；h为接收端所在平面与LED灯具间的垂直距离；此处mt＝mr＝1，故上式简化为：
其中：
其中，Pr (i)表示接收端的光信号强度，i＝1,2,...,N，i表示第i盏LED灯具，Pt表示LED灯具发射的光信号强度；
当接收端水平放置时，根据光强衰减因子计算出的接收端与各个LED灯具的距离如下所示：
进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21、通过Logistic映射变换得到三个可见光定位系统空间定位坐标轨迹的混沌变量：
xj,n+1＝4·xj,n·(1-xj,n)，j＝1、2、3
并进行初始化变量，xj，0为(0,1)区间三个相异的初始值；xj,n为初始值xj，0由Logistic映射过的第n步迭代后所产生的混沌变量,xj,n+1为初始值xj，0由Logistic映射过的第n+1步迭代后所产生的混沌变量；
步骤22、运用载波的方法将混沌变量的取值范围变化到相应优化变量的取值范围，即整个室内空间范围：
x'j,n+1＝cj+dj·xj,n+1
其中，x'j,n+1表示混沌变量xj,n+1经载波放大后的混沌变量，cj和dj为放大倍数，都为常数；
步骤23、利用放大后的混沌变量进行迭代搜索，确定定位坐标点的粗位置；
令目标函数F表示接收端与LED灯具距离的实测值与预测值的误差，则目标函数表达式为：
其中，N为可见光源的个数，为第i盏LED灯具的空间坐标，L(i)为混沌搜索的空间坐标点与第i盏LED灯具的距离，d(i)表示由光强衰减因子计算出的接收端与第i盏LED灯具的距离，记录目标函数的最大值Fmax，最小值Fmin。
进一步地，步骤3中在二次载波中引入时变参数，以粗定位结果坐标进行二次载波的公式为：
其中，为目标函数F取得最小值时的空间坐标解，即为当前最优解，zj为时变参数，zj的初值z0＝(Fmin-Fmax)/lnp，其中p为选定的参数，0<p<1，更新zj+1＝γzj，γ表示时变参数zi的衰减因子，γ<1，这里取γ∈[0.95,0.999]，x'j,n+1为二次载波后的变量。
进一步地，步骤4中用二次载波后的混沌变量重新计算接收端的位置坐标，目标函数仍表示接收端与LED灯具距离的实测值与预测值的误差，则目标函数表达式为：
其中，
进一步地，步骤5中所述的预设迭代次数M由可见光定位系统的定位精确度要求来决定。
本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：
一种双载波混沌优化的可见光定位系统，所述系统包括LED光源和接收子系统，所述LED光源包括LED驱动电路和LED灯组；所述LED驱动电路为所述LED灯组提供偏置电流；所述LED灯组的位置固定；所述接收子系统包括光电检测器件、信号解调处理模块和显示模块；所述光电检测器件能够将光信号转换为电信号；所述电信号通过信号解调处理模块处理后还原出LED灯组的ID位置信息以及获得光强衰减因子；根据所述ID位置信息获得定位的位置区域；根据光强衰减因子通过双载波混沌优化算法获得精确的位置坐标，最后通过显示模块显示出定位结果。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过利用混沌优化的遍历性特点，具体通过混沌优化与可见光定位相结合的手段，从而避免陷入局部最优，实现可见光定位系统的空间定位。
2、本发明采用二次载波的方法，通过“粗搜索”与“细搜索”相结合，变尺度不断缩小优化变量的搜索空间，从而达到提高搜索速度与提高定位精度的目的。
附图说明
图1为本发明实施例实现可见光定位的模型图。
图2为本发明实施例一种双载波混沌优化的可见光定位方法的流程图。
图3为本发明实施例一种双载波混沌优化的可见光定位系统的架构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例提供了一种双载波混沌优化的可见光定位方法，实现可见光定位的模型图如图1所示，假设在室内房间进行定位，房间的大小为3米*3米*4米，天花板上有4盏灯在提供照明的同时作为可见光定位系统的信号源，这4盏LED灯发送包含ID信息的光信号，分别为(0,0,4)、(0,3,4)、(3,0,4)和(3,3,4)，与此同时，接收端位于光源下方；所述方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、在接收端接收来自4个不同LED光源的光信号，根据不同的频率对其进行识别并分别测量光强衰减因子；与此同时，对分别来自4个LED光源的光信号进行解调，并获取他们的位置坐标，即(0,0,4)、(0,3,4)、(3,0,4)和(3,3,4)，并将光强衰减因子与光源位置坐标一一对应。
步骤2、通过Logistic映射变换得到三个可见光定位系统空间定位坐标轨迹的混沌变量：
xj,n+1＝4·xj,n·(1-xj,n)，j＝1、2、3
并进行初始化变量，xj，0为(0,1)区间三个相异的初始值；xj,n为初始值xj，0由Logistic映射过的第n步迭代后所产生的混沌变量,xj,n+1为初始值xj，0由Logistic映射过的第n+1步迭代后所产生的混沌变量；
进一步地，运用载波的方法将混沌变量的取值范围变化到相应优化变量的取值范围，即整个室内空间范围：
x'j,n+1＝cj+dj·xj,n+1
其中，x'j,n+1表示混沌变量xj,n+1经载波放大后的混沌变量，cj和dj为放大倍数，都为常数；
利用放大后的混沌变量进行迭代搜索，确定定位坐标点的粗位置；
令目标函数F表示接收端与LED灯具距离的实测值与预测值的误差，则目标函数表达式为：
其中，为第i盏LED灯具的空间坐标，L(i)为混沌搜索的空间坐标点与第i盏LED灯具的距离，d(i)表示由光强衰减因子计算出的接收端与第i盏LED灯具的距离，记录目标函数的最大值Fmax，最小值Fmin。
步骤3、以粗定位结果坐标进行二次载波，在二次载波中引入时变参数的公式为：
其中，为目标函数F取得最小值时的空间坐标解，即为当前最优解，zj为时变参数，zj的初值z0＝(Fmin-Fmax)/lnp，其中p为选定的参数，这里p＝0.7，更新zj+1＝γzj，γ表示时变参数zi的衰减因子，γ<1，这里取γ∈[0.95,0.999]，x'j,n+1为二次载波后的变量。
步骤4、用二次载波后的混沌变量重新计算接收端的位置坐标，目标函数仍表示接收端与LED灯具距离的实测值与预测值的误差，则目标函数表达式为：
其中，
步骤5、判断迭代次数n是否达到预设迭代次数M＝1000，并根据判断结果进行如下操作：
5.1、当n<1000时，即没有达到预设迭代次数，将n值加1，将步骤4重新计算的接收端的坐标作为新的粗定位坐标，跳至步骤3；
5.2、当n＝1000时，即已经达到预设迭代次数，步骤4得到的接收端的位置坐标即为最终的定位结果。
实施例2：
本实施例提供了一种双载波混沌优化的可见光定位系统，所述系统的架构图如图3所示，包括LED光源和接收子系统，所述LED光源包括LED驱动电路和LED灯组；所述LED驱动电路为所述LED灯组提供偏置电流；所述LED灯组的位置固定；所述接收子系统包括光电检测器件、信号解调处理模块和显示模块；所述光电检测器件能够将光信号转换为电信号；所述电信号通过信号解调处理模块处理后还原出LED灯组的ID位置信息以及获得光强衰减因子；根据所述ID位置信息获得定位的位置区域；根据光强衰减因子通过双载波混沌优化算法获得精确的位置坐标，最后通过显示模块显示出定位结果。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种双载波混沌优化的可见光定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、可见光源发出带有ID信息的可见光信号，接收端根据接收的可见光信号分辨并还原出不同可见光源的LED灯具的ID信息，根据光强衰减因子获得接收端与各LED灯具之间的距离；
步骤2、利用混沌的遍历性，在整个空间按混沌变量的变化规律依次考察经过的各个点，根据接收端接收的来自各个可见光源的光强衰减因子进行粗定位；
步骤3、以粗定位结果坐标进行二次载波，在二次载波中引入时变参数；
步骤4、用二次载波后的混沌变量进行细搜索，根据光强衰减因子重新计算接收端的位置坐标；
步骤5、判断迭代次数n是否达到预设迭代次数M，并根据判断结果进行如下操作：
5.1、当n<M时，即没有达到预设迭代次数，将n值加1，将步骤4重新计算的接收端的坐标作为新的粗定位坐标，跳至步骤3；
5.2、当n＝M时，即已经达到预设迭代次数，步骤4得到的接收端的位置坐标即为最终的定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种双载波混沌优化的可见光定位方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：
步骤11、在室内天花板放置N个可见光源，其中N>3，每个可见光源的LED灯具通过可见光信号发送自己的ID位置信息，在完成照明功能的同时作为可见光定位系统的信号源；
步骤12、可见光信号在空间传播的光强衰减因子通过如下的信道增益表示：
<mrow>
<mi>H</mi>
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</mrow>
其中，d表示理论上LED灯具与接收端的距离；φ表示相对于接收端法线方向的光强入射角；θ表示LED灯具相对于法线方向的发射角；A为接收端的光电检测器的有效面积；Ts(φ)为光滤波器的增益；G(φ)为聚光透镜增益；mt和mr为朗伯阶数；h为接收端所在平面与LED灯具间的垂直距离；此处mt＝mr＝1，故上式简化为：
其中：
其中，Pr (i)表示接收端的光信号强度，i＝1,2,...,N，i表示第i盏LED灯具，Pt表示LED灯具发射的光信号强度；
当接收端水平放置时，根据光强衰减因子计算出的接收端与各个LED灯具的距离如下所示：
<mrow>
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<mn>4</mn>
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<mo>.</mo>
</mrow>
3.根据权利要求1所述的一种双载波混沌优化的可见光定位方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21、通过Logistic映射变换得到三个可见光定位系统空间定位坐标轨迹的混沌变量：
xj,n+1＝4·xj,n·(1-xj,n)，j＝1、2、3
并进行初始化变量，xj，0为(0,1)区间三个相异的初始值；xj,n为初始值xj，0由Logistic映射过的第n步迭代后所产生的混沌变量,xj,n+1为初始值xj，0由Logistic映射过的第n+1步迭代后所产生的混沌变量；
步骤22、运用载波的方法将混沌变量的取值范围变化到相应优化变量的取值范围，即整个室内空间范围：
x'j,n+1＝cj+dj·xj,n+1
其中，x'j,n+1表示混沌变量xj,n+1经载波放大后的混沌变量，cj和dj为放大倍数，都为常数；
步骤23、利用放大后的混沌变量进行迭代搜索，确定定位坐标点的粗位置；
令目标函数F表示接收端与LED灯具距离的实测值与预测值的误差，则目标函数表达式为：
<mrow>
<mi>F</mi>
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</mrow>
其中，N为可见光源的个数，为第i盏LED灯具的空间坐标，L(i)为混沌搜索的空间坐标点与第i盏LED灯具的距离，d(i)表示由光强衰减因子计算出的接收端与第i盏LED灯具的距离，记录目标函数的最大值Fmax，最小值Fmin。
4.根据权利要求1所述的一种双载波混沌优化的可见光定位方法，其特征在于，步骤3中在二次载波中引入时变参数，以粗定位结果坐标进行二次载波的公式为：
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<mi>x</mi>
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</mrow>
其中，为目标函数F取得最小值时的空间坐标解，即为当前最优解，zj为时变参数，zj的初值z0＝(Fmin-Fmax)/lnp，其中p为选定的参数，0<p<1，更新zj+1＝γzj，γ表示时变参数zi的衰减因子，γ<1，这里取γ∈[0.95,0.999]，x'j,n+1为二次载波后的变量。
5.根据权利要求1所述的一种双载波混沌优化的可见光定位方法，其特征在于，步骤4中用二次载波后的混沌变量重新计算接收端的位置坐标，目标函数仍表示接收端与LED灯具距离的实测值与预测值的误差，则目标函数表达式为：
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<mi>F</mi>
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</mrow>
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</mrow>
</msqrt>
</mrow>
其中，
6.根据权利要求1所述的一种双载波混沌优化的可见光定位方法，其特征在于：步骤5中所述的预设迭代次数M由可见光定位系统的定位精确度要求来决定。
7.一种双载波混沌优化的可见光定位系统，其特征在于：所述系统包括LED光源和接收子系统，所述LED光源包括LED驱动电路和LED灯组；所述LED驱动电路为所述LED灯组提供偏置电流；所述LED灯组的位置固定；所述接收子系统包括光电检测器件、信号解调处理模块和显示模块；所述光电检测器件能够将光信号转换为电信号；所述电信号通过信号解调处理模块处理后还原出LED灯组的ID位置信息以及获得光强衰减因子；根据所述ID位置信息获得定位的位置区域；根据光强衰减因子通过双载波混沌优化算法获得精确的位置坐标，最后通过显示模块显示出定位结果。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109324311A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-02-12 | 中山大学 | 一种基于不同朗伯辐射波瓣模数的双模led定位方法和系统 |
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