CN108279400A - 一种基于单led光源的多探测器定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单LED光源的多探测器定位方法，能够提高定位精度。所述方法包括：接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度，其中，接收机由五个探测器组成，其中一个探测器水平放置于接收机中心，其余四个探测器以倾斜的方式位于水平探测器的四周，与水平探测器的距离均为r，相邻两个倾斜探测器的夹角为90度；选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置；对得到的四组初步估计位置求平均值，得到接收机的位置。本发明涉及可见光通信技术领域。

Description

一种基于单LED光源的多探测器定位方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别是指一种基于单LED光源的多探测器定位方法。

背景技术

随着LBSs服务的增长，室内定位技术吸引了越来越多研究人员的关注。目前常用的室内定位技术有红外技术、RFID技术、超声波技术和Wi-Fi技术等，但是这些技术通常需要额外装置的辅助、硬件成本高，且无法应用于射频敏感区域。基于白光LED(LightEmitting Diode，LED)的可见光室内定位，简称VLP(Visible Light Positioning)，具有定位精度高、定位成本低、绿色环保以及无电磁干扰等优势，弥补了现有技术的不足，成为近年来的研究热点。

现阶段，VLP技术的研究大多集中于多光源模型，通常需要至少三个发射光源同时发射定位信息。由于不同的光源之间存在干扰，因此多光源模型中常采用时分复用、载波分配和正交频分复用等技术来降低干扰，但同时也带来了需要同步或者滤波器等新的问题。而单光源模型避免了光源之间的干扰问题，使得系统复杂度降低，且可以应用于一些光源个数受限的场景。

现有技术中，一般利用三个探测器(两个方位角差不等于0°和180°的倾斜探测器和一个水平的探测器)即可实现二维平面的位置估计，但是实验证明，利用三个探测器定位位置具有较大的定位误差，不具有实用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于单LED光源的多探测器定位方法，以解决现有技术所存在的利用三个探测器定位位置具有较大的定位误差，不具有实用性的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于单LED光源的多探测器定位方法，包括：

通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度，其中，所述接收机由五个探测器组成，其中一个探测器水平放置于接收机中心，其余四个探测器以倾斜的方式位于水平探测器的四周，与水平探测器的距离均为r，相邻两个倾斜探测器的夹角为90度；

选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置；

对得到的四组初步估计位置求平均值，得到接收机的位置。

进一步地，所述通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度包括：

加载LED灯的位置信息到LED光源上，通过LED光源发射加载有LED灯位置信息的可见光信号；

通过预先确定的接收机接收所述可见光信号，获得LED灯的坐标(x_t,y_t,z_t)和每个探测器的接收信号强度；

其中，发射平面和接收平面的垂直距离h＝z_t。

进一步地，在接收机中，倾斜探测器和水平探测器的位置关系为：

其中，(x_r,y_r,z_r)表示水平探测器PD₀的坐标；是倾斜探测器PD_i的坐标，i＝1、2、3、4；ω_i表示接收机中心到倾斜探测器PD_i的连线与x轴正方向的夹角。

进一步地，所述选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置包括：

计算倾斜探测器PD_i与水平探测器PD₀的强度比其中，表示倾斜探测器PD_i接收到的信号强度，表示水平探测器PD₀接收到的信号强度；

利用其中每两个方位角差不为0°和180°的2个倾斜探测器与水平探测器的强度比RSSR_i和RSSR_j，结合倾斜探测器和水平探测器的位置关系及获得的LED灯的坐标，组建方程组，得到接收机的四组初步估计位置。

进一步地，组建的方程组表示为：

A_i＝sin(α)cos(β_i)

B_i＝sin(α)sin(β_i)

t_i＝[x_t-rcos(ω_i)]A_i+[y_t-rsin(ω_i)]B_i+hcos(α)

其中，方程组中的i、j表示两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器的编号，α表示倾斜探测器的仰角，β_i表示倾斜探测器PD_i的方位角，A_i、A_j、B_i、B_j、t_i、t_j为简化表达式的简写形式。

进一步地，得到的接收机的初步估计位置表示为：

其中，方程组中的i、j表示两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器的编号。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度，其中，所述接收机由五个探测器组成，其中一个探测器水平放置于接收机中心，其余四个探测器以倾斜的方式位于水平探测器的四周，与水平探测器的距离均为r，相邻两个倾斜探测器的夹角为90度；选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置；对得到的四组初步估计位置求平均值，得到接收机的位置。本发明中，所述接收机是由五个探测器组成的且具有对称性，所述接收机中存在四组可独立完成定位的组合，将这四组定位组合的定位结果的平均值作为接收机的位置，与现有技术中只使用三个探测器直接定位的结果相比，本发明能够提高定位精度，适合在实际环境中应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于单LED光源的多探测器定位方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于单LED光源的多探测器定位系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的接收机的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的实验环境模型示意图；

图5为本发明实施例提供的PD₁和PD₂组合的定位误差示意图；

图6为本发明实施例提供的PD₁和PD₄组合的定位误差示意图；

图7为本发明实施例提供的PD₃和PD₂组合的定位误差示意图；

图8为本发明实施例提供的PD₃和PD₄组合的定位误差示意图；

图9为本发明实施例提供的定位误差示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的利用三个探测器定位位置具有较大的定位误差，不具有实用性的问题，提供一种基于单LED光源的多探测器定位方法。

如图1所示，本发明实施例提供的基于单LED光源的多探测器定位方法，包括：

S101，通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度，其中，所述接收机由五个探测器组成，其中一个探测器水平放置于接收机中心，其余四个探测器以倾斜的方式位于水平探测器的四周，与水平探测器的距离均为r，相邻两个倾斜探测器的夹角为90度；

S102，选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置；

S103，对得到的四组初步估计位置求平均值，得到接收机的位置。

本发明实施例所述的基于单LED光源的多探测器定位方法，通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度，其中，所述接收机由五个探测器组成，其中一个探测器水平放置于接收机中心，其余四个探测器以倾斜的方式位于水平探测器的四周，与水平探测器的距离均为r，相邻两个倾斜探测器的夹角为90度；选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置；对得到的四组初步估计位置求平均值，得到接收机的位置。本发明中，所述接收机是由五个探测器组成的且具有对称性，所述接收机中存在四组可独立完成定位的组合，将这四组定位组合的定位结果的平均值作为接收机的位置，与现有技术中只使用三个探测器直接定位的结果相比，本发明能够提高定位精度，适合在实际环境中应用。

为了实现本发明实施例所述的基于单LED光源的多探测器定位方法，还需一套配套的定位系统，如图2所示，所述定位系统包括：控制器、LED信号源、接收机和上位机；其中，

所述控制器主要包括信号发生器，用于控制LED光源；

LED信号源由LED驱动电路和单个LED灯组成，用于通过无线光信道发射加载有LED灯位置信息的可见光信号；

如图3所示，接收机由一个水平的探测器PD₀和四个倾斜的探测器PD_i(i＝1、2、3、4)组成，相邻两个倾斜探测器的夹角为90度，探测器将接收到的可见光信号转换为电信号；

上位机主要包括信号处理模块(也可以称为：处理器模块)和位置显示模块，所述信号处理模块用于根据得到的LED灯的位置信息和来自探测器的电信号执行定位算法，所述位置显示模块用于显示接收机当前位置，包括：数据信息和/或图像信息。

在前述基于单LED光源的多探测器定位方法的具体实施方式中，进一步地，所述通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度包括：

加载LED灯的位置信息到LED光源上，通过LED光源发射加载有LED灯位置信息的可见光信号；

通过预先确定的接收机接收所述可见光信号，获得LED灯的坐标(x_t,y_t,z_t)和每个探测器的接收信号强度；

其中，发射平面和接收平面的垂直距离h＝z_t。

本实施例中，LED光源发射加载有LED灯位置信息的可见光信号，接收机中的探测器把接收到的光信号转化为电信号，获得LED的坐标(x_t,y_t,z_t)和每个探测器的接收信号强度。

本实施例中，根据探测器之间的相对位置和每个探测器的接收信号强度，可完成定位功能。

在前述基于单LED光源的多探测器定位方法的具体实施方式中，进一步地，在接收机中，倾斜探测器和水平探测器的位置关系为：

其中，(x_r,y_r,z_r)表示水平探测器PD₀的坐标；是倾斜探测器PD_i的坐标，i＝1、2、3、4；ω_i表示接收机中心到倾斜探测器PD_i的连线与x轴正方向的夹角。

本实施例中，水平探测器PD₀位于接收机中心，水平探测器PD₀的坐标也是要求的位置，接收机中心到每个倾斜探测器的连线与x轴正方向的夹角记为ω_i(ω_i∈[0°,360°))；倾斜探测器PD_i的仰角均为α；倾斜探测器PD_i的方位角记为β_i(i＝1、2、3、4)。

在定位时，始终保持接收机中心到其中一个倾斜探测器的连线与x轴正方向平行，且从该探测器开始依次逆时针将这四个倾斜探测器编号为PD₁、PD₂、PD₃、PD₄，则根据该模型可知ω₁＝0°,ω₂＝90°,ω₃＝180°,ω₄＝270°；β₁＝180°,β₂＝270°,β₃＝0°,β₄＝90°。因此，可实现定位的组合，即方位角差不等于0°和180°的组合，有PD₁、PD₂，PD₁、PD₄、PD₃、PD₂以及PD₃、PD₄。

在前述基于单LED光源的多探测器定位方法的具体实施方式中，进一步地，所述选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置包括：

计算倾斜探测器PD_i与水平探测器PD₀的强度比其中，表示倾斜探测器PD_i接收到的信号强度，表示水平探测器PD₀接收到的信号强度；

利用其中每两个方位角差不为0°和180°(β_j-β_i≠0°和180°)的2个倾斜探测器与水平探测器的强度比RSSR_i和RSSR_j，结合倾斜探测器和水平探测器的位置关系及获得的LED灯的坐标，组建方程组，得到接收机的四组初步估计位置。

在前述基于单LED光源的多探测器定位方法的具体实施方式中，进一步地，组建的方程组表示为：

A_i＝sin(α)cos(β_i)

B_i＝sin(α)sin(β_i)

t_i＝[x_t-rcos(ω_i)]A_i+[y_t-rsin(ω_i)]B_i+hcos(α)

其中，方程组中的i、j表示两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器的编号，α表示倾斜探测器的仰角，β_i表示倾斜探测器PD_i的方位角，A_i、A_j、B_i、B_j、t_i、t_j为简化表达式的简写形式。

从理论上说，任意两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器和接收机中心的水平探测器的组合即可求出一组x和y估计值，记为x_{r_ij}、y_{r_ij}(i，j表示方位角差不为0°和180°的2个倾斜探测器的编号)。

本实施例中，方程组的解就是由三个探测器(方位角差不为0°和180°(β_j-β_i≠0°和180°)的2个倾斜探测器与水平探测器)得到的接收机的初步估计位置。

在前述基于单LED光源的多探测器定位方法的具体实施方式中，进一步地，得到的接收机的初步估计位置表示为：

其中，方程组中的i、j表示两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器的编号。

本实施例中，根据所设计的接收机，可以得到四组位置估计值，分别记为x_{r_12}、y_{r_12}；x_{r_14}、y_{r_14}；x_{r_32}、y_{r_32}；x_{r_34}、y_{r_34}，其中，ij＝12、14、32、34。

将这四种组合的结果取平均值作为最终定位结果，即：接收机的位置：

至此，得到最终的定位结果。

本发明实施例所述的基于单LED光源的多探测器定位方法的具体原理为：

步骤1.1，根据LED光源的朗伯辐射模型，从发射端到接收端的直射视距光信道直流增益H为

其中，m表示朗伯辐射系数，由半功率半角φ_1/2决定，m＝-ln(2)/ln(cos(φ_1/2))；d表示LED光源到探测器之间的传输距离；A表示探测器实际接收物理面积；φ和ψ分别表示辐射角和入射角；T_s(ψ)和G(ψ)分别表示光滤波器增益和光聚光器增益，在本实施例提出的系统中，T_s(ψ)＝G(ψ)＝1；ψ_C表示探测器的接收视场角，始终满足0≤ψ≤ψ_C。

因此，探测器接收到的光功率P_r为：

其中，P_t表示LED光源发射的平均光功率。另外，辐射角和入射角的表达式分别为：

其中，h表示发射平面到接收平面的垂直距离；(x_t,y_t,z_t)和(x_r,y_r,z_r)分别表示发射机(LED灯)和接收机坐标；α和β分别表示倾斜探测器的仰角和方位角。

步骤1.2，在本实施例所提出的接收机中，倾斜探测器和水平探测器的位置关系为：

其中，(x_r,y_r,z_r)表示PD₀的坐标，也是待求的接收机坐标；是倾斜探测器的坐标；ω_i表示接收机中心到倾斜探测器的连线与x轴正方向的夹角。

步骤1.3，由于五个探测器之间排列紧密，从LED光源到探测器的传输距离d和垂直距离h的差异可以忽略不计，因此对于每个探测器而言，辐射角均为h/d。但是，入射角不仅与光源和探测器的位置相关，还与每个探测器的倾斜程度有关，所以水平探测器和倾斜探测器的入射角分别表示为

其中，ψ₀是水平探测器的入射角，ψ_i是倾斜探测器的入射角。

步骤1.4，每个探测器的接收信号强度表示为：

其中，由于只存在一个LED光源且所有探测器的型号一致，所以k为常数。表示水平探测器的接收信号强度，表示倾斜探测器的接收信号强度。

步骤1.5，根据步骤1.4，可得：

步骤1.6，把式代入步骤1.5中的公式，为了简便，定义

A_i＝sin(α)cos(β_i)

B_i＝sin(α)sin(β_i)

t_i＝[x_t-rcos(ω_i)]A_i+[y_t-rsin(ω_i)]B_i+hcos(α)

步骤1.7，公式：

化简为：

t_i-h·RSSR_i＝x_rA_i+y_rB_i

步骤1.8，由公式t_i-h·RSSR_i＝x_rA_i+y_rB_i可知，至少需要两个方程才能得到接收机的坐标值。也就是说，至少需要两个倾斜的探测器，记为PD_i和PD_j。则列出方程组为

步骤1.9，求解方程组得到接收机的坐标

其中，ij＝12、14、32、34，表示倾斜探测器的下标。方程成立的条件为A_iB_j-A_jB_i≠0，即β_j-β_i≠0°且β_j-β_i≠180°。定义θ＝β₂-β₁，所以θ∈(0°,180°)∪(180°,360°)。

至此可知，任意两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器和水平探测器的组合均可得到一组估计值，但是实验证明，这种三个探测器的结构不具有实用性，定位精度低。接下来分析三个探测器结构的定位误差以及本实施例提出的五个探测器结构的定位误差。

步骤1.10，本实施例提出的接收机中，已知β₁＝180°、β₂＝270°、β₃＝0°、β₄＝90°，所以，A₁＝-sin(α)、A₂＝0、A₃＝sin(α)、A₄＝0；B₁＝0、B₂＝-sin(α)、B₃＝0、B₄＝sin(α)。

步骤1.11，根据公式和步骤1.10，可得四种组合的x和y表达式：

其中，ij＝12、14、32、34。表示倾斜探测器的组合为PD₁、PD₂，PD₁、PD₄、PD₃、PD₂以及PD₃、PD₄。

步骤1.12，由式可知，由于t_i、h和A_i、B_i(i＝1、2、3、4)是常数，所以每组的估计误差主要来自于RSSR的测量误差。假设测量误差为△_i，即△_i＝RSSR_i-RSSR_{i_r}，其中，RSSR_i是本实施例中测量得到的强度比值，RSSR_{i_r}是理论上的强度比值。

步骤1.13，根据假设的测量误差△_i，式可以改写为：

其中，x_{r_ij_m}和y_{r_ij_m}是PD_i和PD_j组合测量得到的坐标估计值，x_r和y_r是实际的坐标值。

步骤1.14，总的定位误差表达式为

由总的定位误差表达式可知，当垂直高度为1.5m，接收机仰角为15°时，RSSR的测量误差△_i＝△_j＝0.01时，将会产生8.2cm的定位误差。而实验测得△_i(i＝1、2、3、4)的平均值均接近0.02，因此产生的误差较大。

步骤1.15，为了提高定位精度，将四组测量结果求平均值作为最终估计结果：

因此，平均后的定位误差表达式为：

本实施例提出的接收机由于具有对称性，不同组合的x和y测量误差具有符号相反，大小接近的特性，因此，将四种组合求平均值后，可以大幅度提高定位精度，适合在实际环境中应用。

最后搭建一个基于单LED光源的多探测器定位系统的实验平台对本发明实施例进行验证，实验环境模型图如图4所示，其中，定位空间大小为100cm×100cm×150cm，LED灯的坐标为(50,50,150)，接收机半径为1.2cm，倾斜PD_i与接收机正方向的夹角分别为ω₁＝0°,ω₂＝90°,ω₃＝180°,ω₄＝270°，倾斜PD_i的仰角为α＝15°，倾斜PD_i的方位角分别为β₁＝180°,β₂＝270°,β₃＝0°,β₄＝90°。图5-图8是实验测得的四种组合的定位误差，从图5-图8中可以看出，单独使用三个探测器获得的误差较大，平均误差均在15cm—17cm之间。图9是根据本发明提出的接收机和方法得出的定位误差，误差范围为0.75cm—7.05cm，平均误差为3.92cm，与三个探测器的结构相比，精度提高明显，适合在实际环境中应用。

实验证明，四组求平均值后可以在很大程度上提高定位精度，与只有三个探测器直接定位的结果相比，精度提高明显，适合在实际环境中应用。

需要说明的是，在本实施例中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于单LED光源的多探测器定位方法，其特征在于，包括：

通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度，其中，所述接收机由五个探测器组成，其中一个探测器水平放置于接收机中心，其余四个探测器以倾斜的方式位于水平探测器的四周，与水平探测器的距离均为r，相邻两个倾斜探测器的夹角为90度；

选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置；

对得到的四组初步估计位置求平均值，得到接收机的位置。

2.根据权利要求1所述的基于单LED光源的多探测器定位方法，其特征在于，所述通过预先确定的接收机接收LED光源发射的加载有LED灯位置信息的可见光信号，获得LED灯的坐标和每个探测器的接收信号强度包括：

加载LED灯的位置信息到LED光源上，通过LED光源发射加载有LED灯位置信息的可见光信号；

通过预先确定的接收机接收所述可见光信号，获得LED灯的坐标(x_t,y_t,z_t)和每个探测器的接收信号强度；

其中，发射平面和接收平面的垂直距离h＝z_t。

3.根据权利要求2所述的基于单LED光源的多探测器定位方法，其特征在于，在接收机中，倾斜探测器和水平探测器的位置关系为：

其中，(x_r,y_r,z_r)表示水平探测器PD₀的坐标；是倾斜探测器PD_i的坐标，i＝1、2、3、4；ω_i表示接收机中心到倾斜探测器PD_i的连线与x轴正方向的夹角。

4.根据权利要求3所述的基于单LED光源的多探测器定位方法，其特征在于，所述选取方位角差不等于0°和180°的2个倾斜探测器和水平探测器组成组合，共得到四组组合，结合获得的LED灯的坐标和探测器的接收信号强度，得到接收机的四组初步估计位置包括：

计算倾斜探测器PD_i与水平探测器PD₀的强度比其中，表示倾斜探测器PD_i接收到的信号强度，表示水平探测器PD₀接收到的信号强度；

利用其中每两个方位角差不为0°和180°的2个倾斜探测器与水平探测器的强度比RSSR_i和RSSR_j，结合倾斜探测器和水平探测器的位置关系及获得的LED灯的坐标，组建方程组，得到接收机的四组初步估计位置。

5.根据权利要求4所述的基于单LED光源的多探测器定位方法，其特征在于，组建的方程组表示为：

A_i＝sin(α)cos(β_i)

B_i＝sin(α)sin(β_i)

t_i＝[x_t-rcos(ω_i)]A_i+[y_t-rsin(ω_i)]B_i+hcos(α)

其中，方程组中的i、j表示两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器的编号，α表示倾斜探测器的仰角，β_i表示倾斜探测器PD_i的方位角，A_i、A_j、B_i、B_j、t_i、t_j为简化表达式的简写形式。

6.根据权利要求5所述的基于单LED光源的多探测器定位方法，其特征在于，得到的接收机的初步估计位置表示为：

其中，方程组中的i、j表示两个方位角差不为0°和180°的倾斜探测器的编号。