CN108802681B - 一种基于多接收端的可见光定位方法及定位系统 - Google Patents

一种基于多接收端的可见光定位方法及定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多接收端的可见光定位方法及定位系统，属于可见光定位技术领域，包括以下步骤：构建可见光室内高精度定位系统，对LED发射模块独立调制，收集每个LED所对应的特性，将接收到的光信号转变为电信号，经放大和模数转换后，进行数据处理，得到不同发射模块的光强，求得发射端距离两个接收模块的距离，通过测得多个LED的距离，再采用三边定位算法即可确定物体中心所在的位置信息。本发明利用两个接收机，在三边定位的基础上加以改进，提高定位精度，通过对比两个接收端的定位信息，判断出物体的朝向，在运动过程中，通过两个点位置的变换反映出物体的行进轨迹以及转弯方向。

Description

一种基于多接收端的可见光定位方法及定位系统
技术领域
本发明涉及一种可见光定位方法及定位系统，特别是涉及一种基于多接收端的可见光定位方法及定位系统，属于可见光定位技术领域。
背景技术
室内定位作为导航的“最后一公里”，一直是科技巨头和研究机构的关注热点，如大型仓库的产品定位检测、大型建筑物内的导航服务等等，但由于室内环境情况较为复杂，GPS容易受多径衰弱和其他设备影响而导致室内定位存在较大的误差，随之出现了大量新的室内定位技术，如基于无线局域网WLAN、ZigBee、蓝牙、超声波定位等，这些方法提供了几米到几十厘米的定位精度，然而大多数基于无线通信的系统会受到电磁干扰的影响，直接影响定位精度。
与上述技术方案相比，可见光室内定位技术是基于可见光通信VLC的室内定位技术，通过人眼识别不了的高频率来控制LED光强，在保证正常照明的同时传播定位的ID信息，因其具有精度高、保密性好、没有电磁辐射等优点，因此成为国内外研究人员的研究热点。
由于在实际运用中，常常会出现影响因素，用单点定位可能会导致对LED的定位信息产生偏差，所得与发射端的距离值并不准确，最终出现较大的定位误差。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种基于多接收端的可见光定位方法及定位系统，利用两个接收机，在三边定位的基础上加以改进，提高定位精度，通过对比两个接收端的定位信息，判断出物体的朝向，在运动过程中，通过两个点位置的变换反映出物体的行进轨迹以及转弯方向。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种基于多接收端的可见光定位方法，包括以下步骤：
步骤1：构建可见光室内高精度定位系统；
步骤2：对同一小区内所有LED发射模块进行独立调制；
步骤3：根据实际场景和LED特性，在光接收模块的处理器中收集每个LED所对应的特性，收集其位置等信息；
步骤4：光电探测器将接收到的光信号转变为电信号，电信号经过放大和模数转换之后传输到处理器；
步骤5：在处理器中对电信号进行数据处理，得到此时接收模块所处位置接收到的不同发射模块的光强；
步骤6：利用步骤5得到的信息，求得发射端距离两个接收模块的距离d1、d2；
步骤7：通过测得多个LED的距离，再采用三边定位等算法即可确定物体中心所在的位置信息。
进一步的，所述步骤2中，每个LED经驱动后发送可见光信号，发射时LED闪烁频率满足人眼看不到的频率，同一小区内的所有LED采用统一控制。
进一步的，所述步骤5中，光强与检测到的电压幅度成正比。
进一步的，所述步骤6中，由朗勃辐射体模型可知，LED与定位点之间距离及接收光强度之间存在如下式(1)的关系：
Figure BDA0001741893920000021
其中：d表示某发射模块与光探测器之间的距离；
Figure BDA0001741893920000022
Figure BDA0001741893920000031
是LED的半功率角；
P0是LED的发射功率；
P为光电探测器接收到的光强度；
A为光电探测器有效面积；
h为LED1距离接收模块的垂直距离。
进一步的，所述步骤7中，采用如下公式(2)和公式(3)计算得出中线D的长度：
Figure BDA0001741893920000032
Figure BDA0001741893920000033
其中：d1、d2为发射端距离两个接收模块的距离；
L为两个接收端的中点到LED的距离；
h为LED距离接收模块的垂直高度。
一种基于多接收端的可见光定位系统，包括网关、LED发射模块、定位接收模块和定位服务器。
优选的，所述LED发射模块包括发送端处理器和发射模块，同一小区的发射模块共用一个网关，每一个发射模块独立调制，不同小区采用不同的时隙，发送端处理器采用FPGA实现功能，每个发射模块发送单载波信号，每个模块之间相互独立，互不干扰。
优选的，所述发射模块由驱动电路和LED组成，发射模块为驱动电路提供合适的直流偏置并将发送端处理器产生的信号加载到LED上发送出去，LED闪烁频率为人眼不能辨识的频率。
优选的，所述定位接收模块包括光电转换模块、模数转换器和处理器，所述光电转换模块包括光电探测器和放大电路，所述处理器由FPGA和上位机组成。
优选的，所述定位接收模块先由光电转换模块将光信号转换成电信号并进行放大，然后经由模数转换器采集到FPGA，FPGA将数据进行处理之后发送至定位服务器，服务器对数据进行计算并将计算结果反馈给上位机。
本发明的有益技术效果：按照本发明的基于多接收端的可见光定位方法及定位系统，本发明提供的基于多接收端的可见光定位方法及定位系统，利用两个接收机，在三边定位的基础上加以改进，提高定位精度，另外，由于接收端位于定位物体对角位置，因此通过对比两个接收端的定位信息，即可判断出物体的朝向，在运动过程中，两个点位置的变换也能反映出物体的行进轨迹以及转弯方向。
附图说明
图1为按照本发明的基于多接收端的可见光定位方法的一优选实施例的可见光信号传输场景示意图；
图2为按照本发明的基于多接收端的可见光定位方法的一优选实施例的流程图；
图3为按照本发明的基于多接收端的可见光定位系统的一优选实施例的定位原理框图；
图4为按照本发明的基于多接收端的可见光定位系统的一优选实施例的实施系统框图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，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。
如图1和图2所示，本实施例提供的一种基于多接收端的可见光定位方法，包括以下步骤：
步骤1：构建可见光室内高精度定位系统；
步骤2：对同一小区内所有LED发射模块进行独立调制，每个LED经驱动后发送可见光信号，发射时LED闪烁频率满足人眼看不到的频率，同一小区内的所有LED采用统一控制；
步骤3：根据实际场景和LED特性，在光接收模块的处理器中收集每个LED所对应的特性，收集其位置等信息；
步骤4：光电探测器将接收到的光信号转变为电信号，电信号经过放大和模数转换之后传输到处理器；
步骤5：在处理器中对电信号进行数据处理，得到此时接收模块所处位置接收到的不同发射模块的光强，光强与检测到的电压幅度成正比；
步骤6：利用步骤5得到的信息，求得发射端距离两个接收模块的距离d1、d2，由朗勃辐射体模型可知，LED与定位点之间距离及接收光强度之间存在如下式(1)的关系：
Figure BDA0001741893920000051
其中：d表示某发射模块与光探测器之间的距离；
Figure BDA0001741893920000052
Figure BDA0001741893920000053
是LED的半功率角；
P0是LED的发射功率；
P为光电探测器接收到的光强度；
A为光电探测器有效面积；
h为LED1距离接收模块的垂直距离；
步骤7：通过测得多个LED的距离，再采用三边定位等算法即可确定物体中心所在的位置信息，采用如下公式(2)和公式(3)计算得出中线D的长度：
Figure BDA0001741893920000061
Figure BDA0001741893920000062
其中：d1、d2为发射端距离两个接收模块的距离；
L为两个接收端的中点到LED的距离；
h为LED距离接收模块的垂直高度。
在本实施例中，如图3和图4所示，本实施例提供的一种基于多接收端的可见光定位系统，包括网关、LED发射模块、定位接收模块和定位服务器；LED发射模块包括发送端处理器和发射模块，同一小区的发射模块共用一个网关，每一个发射模块独立调制，不同小区采用不同的时隙，发送端处理器采用FPGA实现功能，每个发射模块发送单载波信号，每个模块之间相互独立，互不干扰；发射模块由驱动电路和LED组成，发射模块为驱动电路提供合适的直流偏置并将发送端处理器产生的信号加载到LED上发送出去，LED闪烁频率为人眼不能辨识的频率；定位接收模块包括光电转换模块、模数转换器和处理器，所述光电转换模块包括光电探测器和放大电路，所述处理器由FPGA和上位机组成；定位接收模块先由光电转换模块将光信号转换成电信号并进行放大，然后经由模数转换器采集到FPGA，FPGA将数据进行处理之后发送至定位服务器，服务器对数据进行计算并将计算结果反馈给上位机。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的基于多接收端的可见光定位方法及定位系统，本实施例提供的基于多接收端的可见光定位方法，利用两个接收机，在三边定位的基础上加以改进，提高定位精度，另外，由于接收端位于定位物体对角位置，因此通过对比两个接收端的定位信息，即可判断出物体的朝向，在运动过程中，两个点位置的变换也能反映出物体的行进轨迹以及转弯方向。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明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所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多接收端的可见光定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建可见光室内高精度定位系统；
步骤2：对同一小区内所有LED发射模块进行独立调制；
步骤3：根据实际场景和LED特性，在光接收模块的处理器中收集每个LED所对应的特性，收集其位置信息；
步骤4：光电探测器将接收到的光信号转变为电信号，电信号经过放大和模数转换之后传输到处理器；
步骤5：在处理器中对电信号进行数据处理，得到此时接收模块所处位置接收到的不同发射模块的光强；
步骤6：利用步骤5得到的信息，求得发射端距离两个接收模块的距离d1、d2；
步骤7：通过测得多个LED的距离，再采用三边定位算法即可确定物体中心所在的位置信息，其中，所述步骤7中，采用如下公式(2)和公式(3)计算得出中线D的长度：
Figure FDA0003572222990000011
Figure FDA0003572222990000012
其中：d1、d2为发射端距离两个接收模块的距离；
L为两个接收端的中点到LED的距离；
h为LED距离接收模块的垂直高度。
2.如权利要求1所述的一种基于多接收端的可见光定位方法，其特征在于，所述步骤2中，每个LED经驱动后发送可见光信号，发射时LED闪烁频率满足人眼看不到的频率，同一小区内的所有LED采用统一控制。
3.如权利要求1所述的一种基于多接收端的可见光定位方法，其特征在于，所述步骤5中，光强与检测到的电压幅度成正比。
4.如权利要求1所述的一种基于多接收端的可见光定位方法，其特征在于，所述步骤6中，由朗勃辐射体模型可知，LED与定位点之间距离及接收光强度之间存在如下式(1)的关系：
Figure FDA0003572222990000021
其中：d表示某发射模块与光探测器之间的距离；
Figure FDA0003572222990000022
Figure FDA0003572222990000023
是LED的半功率角；
P0是LED的发射功率；
P为光电探测器接收到的光强度；
A为光电探测器有效面积；
h为LED1距离接收模块的垂直距离。
5.一种用于实现如权利要求1-4任意一项所述的基于多接收端的可见光定位方法的可见光定位系统，其特征在于，包括网关、LED发射模块、定位接收模块和定位服务器。
6.如权利要求5所述的可见光定位系统，其特征在于，所述LED发射模块包括发送端处理器和发射模块，同一小区的发射模块共用一个网关，每一个发射模块独立调制，不同小区采用不同的时隙，发送端处理器采用FPGA实现功能，每个发射模块发送单载波信号，每个模块之间相互独立，互不干扰。
7.如权利要求6所述的可见光定位系统，其特征在于，所述发射模块由驱动电路和LED组成，发射模块为驱动电路提供合适的直流偏置并将发送端处理器产生的信号加载到LED上发送出去，LED闪烁频率为人眼不能辨识的频率。
8.如权利要求5所述的可见光定位系统，其特征在于，所述定位接收模块包括光电转换模块、模数转换器和处理器，所述光电转换模块包括光电探测器和放大电路，所述处理器由FPGA和上位机组成。
9.如权利要求8所述的可见光定位系统，其特征在于，所述定位接收模块先由光电转换模块将光信号转换成电信号并进行放大，然后经由模数转换器采集到FPGA，FPGA将数据进行处理之后发送至定位服务器，服务器对数据进行计算并将计算结果反馈给上位机。
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