CN109212479A - 一种平面环境下的携能定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面环境下的携能定位方法，在矩形室内设置横向和纵向LED照明灯带，移动平台和太阳能滴胶板，通过太阳能滴胶板检测从四个LED照明灯带发出的光强和闪烁信号，太阳能滴胶板输出的部分信号直接送入储电模块存储，部分信号送入四个与各自LED照明灯带闪烁频率一致的带通滤波器，进而提取太阳能滴胶板输出信号中与四个LED照明灯带闪烁频率一致的谐波分量，输送至定位控制器；定位控制器根据太阳能滴胶板从LED照明灯带闪烁频率一致谐波分量幅值的相对关系，确定移动平台在室内空间的横向位置和纵向位置，横向和纵向位置结合实现室内移动平台在室内环境下的平面位置传感、自定位和电能存储。

Description

一种平面环境下的携能定位方法

技术领域

本发明涉及平面位置定位技术领域，特别涉及一种平面环境下的携能定位方法。

背景技术

室内环境下的平面位置定位技术是构建自动行走小车、智能服务机器人等自主行走、自主定位平台的关键技术，而这些平台又是构建智能工厂、智能物流、智能公共服务设施以及智能家居设备的基础。在劳动力成本不断上升、人口老龄化加剧的外部形式下，研发具有较高精度的、适应一般建筑内部环境、不依赖特殊地面标志的室内定位技术显得越来越迫切，因此该技术具有重要的现实意义。

传统的定位技术主要分为开放环境下的GPS系统、封闭环境下的路边标记循迹系统等方式，前者需要能够较好的接收卫星定位信号，不适用于室内工作环境；后者则需要在地面铺设显著的特殊标记，仅用于少量特定的工作场合。此外，在定位领域还采用无线电测向、红外、超声测距定位等方式，但其精度或定位范围都有较大局限，且存在算法复杂、漂移补偿困难等固有缺点，特别是上述定位方法均需要设置专用的定位设备，系统复杂，成本高。

近年来随着电源技术的快速发展和区域内无线充电需求的提高，无线充电技术得到了广泛的关注和应用。无线充电技术从原理上主要分为磁场感应，电场感应，电磁波传输等方式。基于可见光与太阳能电池板的无线电能传输技术属于利用电磁波进行无线电能传输，在该室内定位方法中应用该技术一方面可以“回收利用”用于定位的LED辐射出的多余能量，节约能源；另一方面可以避免频繁更换电池，延长待机时间，提高系统耐用性。在针对室内场所、普通地面条件下的定位需求方面，目前还没有一种原理简单、容易实施、检测精度高的平面位置传感方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有定位技术的不足，提供一种新型室内环境下的平面位置传感方法，取消传统方案中用于定位的专用发射设备和专用特殊标记，实现运动物体平面位置的精确传感和自主定位，同时结合无线电能传输技术，以达到节约能源，简化硬件结构，提高系统性价比，延长待机时间的目的。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种平面环境下的携能定位方法，具体包括以下步骤：

(1)选择一矩形室内空间，在矩形室内空间的四面墙体上，分别水平布置均匀发光的LED照明灯带，4个LED照明灯带的安装高度均相同，两个横向或纵向相对平行的LED照明灯带长度一致，且与需定位范围的横纵尺寸一致，四个LED照明灯带所包围的区域内放置一台移动平台，所述移动平台上设置有一块高速太阳能滴胶板；

(2)采用大功率直流电源，分别为LED照明灯带的驱动电路提供电源，驱动电路输出开关的占空比相同，开关频率相异的脉冲电源，驱动LED照明灯带发光，LED照明灯带所发出的光线，按不同的频率高速闪烁，但各自的平均亮度一致；

(3)高速太阳能滴胶板同时接受LED照明灯带的照射，并将所承受的光线闪烁转化为相应的脉冲电流信号，高速太阳能滴胶板输出的脉冲电流信号一部分送入储电模块,一部分送入放大器，该脉冲电流信号中与横向LED照明灯带闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台及高速太阳能滴胶板所处的横向位置有关，与所处的纵向位置无关，位置越靠近其中一条横向LED照明灯带，则与此条LED照明灯带闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与另一条横向LED照明灯带闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然；该脉冲电流信号中与纵向LED照明灯带闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台及高速太阳能滴胶板所处的纵向位置有关，与所处的横向位置无关，位置越靠近其中一条纵向LED照明灯带，则与此条LEND照明灯带闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与另一条纵向LED照明灯带闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然；

(4)采用放大器对高速太阳能滴胶板输出的脉冲电流信号进行放大后分别送入到带通滤波器，以分别提取与LED照明灯带闪烁频率相同的谐波分量；再将所提取的各个谐波分量分别送入至真有效值电路，以得到与LED照明灯带闪烁频率相同的谐波分量的幅值；

(5)采用除法器将真有效值电路输出的幅值信号相除，得到高速太阳能滴胶板从LED照明灯带横向或纵向接收到光线强度的比值；

(6)定位控制器通过判断除法器输出的比值即可判断移动平台及高速太阳能滴胶板在LED照明灯带所限定区域的横向位置或纵向位置，从而实现对移动平台平面位置的定位测试；

(7)校准衰减指数：根据朗伯定律可知，一束光强为I的单色平行光束沿水平方向照射均匀介质并在其内传播，光强与传播距离的关系函数为：I＝EXP(-αL)，其中，I为光强，α为衰减指数，L为传播距离；确定一对距离与光强数据即可通过公式求得衰减系数α，由此即可确定该环境下的定位函数。

本发明的有益效果是：

(1)四个LED照明灯带其闪烁频率不同但平均光强相同，由于其属于带状分布光源，容易实现大面积空间的均匀照明，且由于其闪烁频率远高于人眼感知范围(如1kHZ以上)，因此定位功能不影响照明品质，与传统节能灯相比有更优越的动态照明性能；

(2)太阳能滴胶板发生纵向移动时，由于其横向的照明光带亮度分布均匀，因此不影响横向位置传感信号幅值；太阳能滴胶板发生横向移动时，由于其纵向的照明光带亮度分布均匀，因此不影响纵向位置传感信号幅值；太阳能滴胶板的横向位置偏向一侧LED照明灯带，从该侧接收的相应光强及闪烁信号强度变大，从另一侧接收的相应光强及闪烁信号强度变小，反之亦然；因此定位控制器根据从横向两侧LED照明灯带接收传感信号中交流分量的比值判断横向位置，根据从纵向两侧LED照明灯带接收传感信号中交流分量的比值判断纵向位置；由于四个LED照明灯带的驱动器采用一个公共的大功率直流电源供电，因此电源波动对四个LED照明灯带亮度变化的影响亦一致，对横向位置和纵向位置的检测结果没有影响；

(3)太阳能滴胶板可以在探测光强时，同时收集光的能量，能量信号在被太阳能滴胶板接收后，经过一系列转换可以将光的能量存储在设备自身的储能模块中，这些捕获的能量将会被用于本装置的正常的定位交互电路的耗能以及能量捕获电路的耗能，减少电线、排线的成本，可以免去给设备更换电源的麻烦；

(4)合理利用了LED照明灯带的高速响应性能，将照明功能、定位功能和无线电能传输融为一体，适用于家庭、公共场所、工厂企业等多种室内应用场合，由于不需要设置专用的信号发射设备，应用成本低；

(5)采用可见光频段脉冲调制信号，不产生电磁感染，光闪烁信号中不携带特殊信号，有利于保持良好的电磁兼容性和信息安全；实现定位的同时，通过提取接收信号中的能量有效地向各种终端设备馈电，从而取代传统有线或电池供电所带来的不便，减小了终端设备的体积与成本，并极大地延长其待机时间；

(6)本发明的有效范围为四个LED照明灯带所包围区域，且适用于多个移动平台的并行定位，各个移动平台之间互不干扰。

附图说明

图1为本发明的室内环境布局结构示意图；

图2为本发明中LED照明灯带驱动原理示意图；

图3为本发明中太阳能滴胶板信号处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，首先在需定位矩形室内空间1的四面墙体上水平布置均匀发光的四个LED照明灯带2，3，4和5，各个LED照明灯带的安装高度相同，保持两个相对安装LED照明灯带的长度一致且相对对齐，在四个LED照明灯带所包围区域内放置移动平台6，移动平台6上装有高速太阳能滴胶板7。

如图2所示，大功率直流电源21为LED照明灯带2，3，4和5的驱动电路22，23，24和25提供电源，驱动电路22，23，24和25发出的脉冲电源分别驱动LED照明灯带2，3，4和5发光，驱动电路22，23，24和25所发出脉冲电源的开关占空比相同但开关频率相异，因此LED照明灯带2，3，4和5发出的照明光线，其平均亮度一致，但闪烁频率不同。

如图3所示，高速太阳能滴胶板7检测到的照明光线闪烁信号分别连接至缓冲放大器8和储电模块20，缓冲放大器8的输出信号分别连接至带通滤波器9，10，11和12，需指出的是带通滤波器9，10，11和12的中心频率分别与驱动电路22，23，24和25的开关频率相同，带通滤波器9，10，11和12的输出信号分别连接至真有效值电路13，14，15和16，真有效值电路13和14的输出信号连接至除法器17，真有效值电路15和16的输出信号连接至除法器18，除法器17和18的输出信号连接至定位控制器19。

工作时，高速太阳能滴胶板7同时接受LED照明灯带2，3，4，5的照射，并将所承受的光线闪烁转化为相应的脉冲电流信号，该脉冲电流信号中与LED照明灯带2，3闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台6及高速太阳能滴胶板7所处的横向位置有关，与所处的纵向位置无关，位置越靠近LED照明灯带2则与2闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与3闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然；该脉冲电流信号中与LED照明灯带4，5闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台6及高速太阳能滴胶板7所处的纵向位置有关、与所处的横向位置无关，位置越靠近LED照明灯带4则与4闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与5闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然。

采用放大器8对高速太阳能滴胶板7输出的脉冲电流信号进行放大后分别送入到带通滤波器9，10，11和12，以分别提取与LED照明灯带2，3，4，5闪烁频率相同的谐波分量；而后将所提取的各个谐波分量分别送入至真有效值电路13、14、15和16，以得到与LED照明灯带2，3，4，5闪烁频率相同的谐波分量的幅值。

采用除法器17将真有效值电路13、14输出的幅值信号相除，得到高速太阳能滴胶板从LED照明灯带2、3接收到光线强度的比值；采用除法器18将真有效值电路15、16输出的幅值信号相除，得到高速太阳能滴胶板从LED照明灯带4、5接收到光线强度的比值。

采用定位控制器19通过判断除法器17输出的比值即可判断移动平台6及高速太阳能滴胶板7在LED照明灯带2、3所限定区域的横向位置；通过判断除法器18输出的比值即可判断移动平台6及高速太阳能滴胶板7在LED照明灯带4、5所限定区域的纵向位置，从而实现对移动平台6平面位置的传感检测。

最后校准衰减指数，根据朗伯定律可知，一束光强为I的单色平行光束沿水平方向照射均匀介质并在其内传播，光强与传播距离的关系函数为：I＝EXP(-αL)

其中，I为光强，α为衰减指数，L为传播距离；确定一对距离与光强数据即可通过公式求得衰减系数α，由此即可确定该环境下的定位函数

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种平面环境下的携能定位方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)选择一矩形室内空间，在矩形室内空间(1)的四面墙体上，分别水平布置均匀发光的LED照明灯带(2)，(3)，(4)和(5)，4个LED照明灯带的安装高度均相同，两个横向或纵向相对平行的LED照明灯带长度一致，且与需定位范围的横纵尺寸一致，四个LED照明灯带所包围的区域内放置一台移动平台(6)，所述移动平台(6)上设置有一块高速太阳能滴胶板(7)；

(2)采用大功率直流电源(21)，分别为LED照明灯带的驱动电路(22)，(23)，(24)和(25)提供电源，驱动电路(22)，(23)，(24)和(25)输出开关的占空比相同，开关频率相异的脉冲电源，驱动LED照明灯带(2)，(3)，(4)和(5)发光，LED照明灯带(2)，(3)，(4)和(5)所发出的光线，按不同的频率高速闪烁，但各自的平均亮度一致；

(3)高速太阳能滴胶板(7)同时接受LED照明灯带(2)，(3)，(4)和(5)的照射，并将所承受的光线闪烁转化为相应的脉冲电流信号，该脉冲电流信号中与LED照明灯带(2)和(3)闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台(6)及高速太阳能滴胶板(7)所处的横向位置有关，与所处的纵向位置无关，位置越靠近LED照明灯带(2)，则与(2)闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与(3)闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然；该脉冲电流信号中与LED照明灯带(4)和(5)闪烁频率一致的谐波分量，其幅值大小与移动平台(6)及高速太阳能滴胶板(7)所处的纵向位置有关，与所处的横向位置无关，位置越靠近LED照明灯带(4)，则与(4)闪烁频率相同谐波分量的幅值越大，与(5)闪烁频率相同谐波分量的幅值越小，反之亦然；

(4)高速太阳能滴胶板(7)输出的脉冲电流信号一部分送入储电模块(20),一部分送入放大器(8)，采用放大器(8)对高速太阳能滴胶板(7)输出的脉冲电流信号进行放大后分别送入到带通滤波器(9)，(10)，(11)和(12)，以分别提取与LED照明灯带(2)，(3)，(4)和(5)闪烁频率相同的谐波分量；再将所提取的各个谐波分量分别送入至真有效值电路(13)，(14)，(15)和(16)，以得到与LED照明灯带(2)，(3)，(4)和(5)闪烁频率相同的谐波分量的幅值；

(5)采用除法器(17)将真有效值电路(13)和(14)输出的幅值信号相除，得到高速太阳能滴胶板(7)从LED照明灯带(2)和(3)接收到光线强度的比值；采用除法器(18)将真有效值电路(15)和(16)输出的幅值信号相除，得到高速太阳能滴胶板从LED照明灯带(4)和(5)接收到光线强度的比值；

(6)定位控制器(19)通过判断除法器(17)输出的比值即可判断移动平台(6)及高速太阳能滴胶板(7)在LED照明灯带(2)和(3)所限定区域的横向位置；通过判断除法器(18)输出的比值即可判断移动平台(6)及高速太阳能滴胶板(7)在LED照明灯带(4)和(5)所限定区域的纵向位置，从而实现对移动平台(6)平面位置的定位测试；

(7)校准衰减指数：根据朗伯定律可知，一束光强为I的单色平行光束沿水平方向照射均匀介质并在其内传播，光强与传播距离的关系函数为：I＝EXP(-αL)，其中，I为光强，α为衰减指数，L为传播距离；确定一对距离与光强数据即可通过公式求得衰减系数α，由此即可确定该环境下的定位函数。