CN110058197B - 基于白光led的交通隧道水平移动光源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于白光LED的交通隧道水平移动光源定位方法，包括：交通隧道内在顶部设置3处及以上的光信号接收器，各接收器位置坐标已知；对白光LED的入射光照度进行监测，得到监测数据传至汇聚中心，单一的接收器仅能将移动的定位对象位置范围判定在某一弧圈范围上，弧圈宽度由预先设定的照度误差阈值决定；由接收的入射光信号最强的3处接收器叠加部分的弧圈范围，确定某一时点的定位对象位置；各接收器接收范围应满足以1.5倍车道宽度为半径的圆形范围内的全部车辆监测；LED光源要均布在定位对象顶部，角度垂直向上。

Description

基于白光LED的交通隧道水平移动光源定位方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体的讲是基于白光LED的交通隧道水平移动光源定位方法。

背景技术

着LED光源技术的发展和进步，具有高亮度、低功耗、长寿命等优点的白光LED已有逐渐取代日光灯和白炽灯的趋势。由于白光LED通信调制便捷、响应迅速，在无害辐射、保密、稳定性等方面与红外、紫外、射频等方式相比优势明显，成为一种新兴的可见光通信(VLC)方式，正在逐步推广到定位领域。现有LED定位方法能够维持信道的稳定性，可操作性强，但是对于交通隧道内移动目标的跟踪定位采样需求缺乏针对性模型，单光源多接收器条件下的射频信号的获取处理研究较少。

具体而言，一些山体或地下交通隧道内，传统GPS定位存在无线弱电信号屏蔽、定位误差、位置延时判定的特性。这些特性使得用户存在定位数据与实际移动行为差异较大、错误判定移动设备状态等方面面临着许多问题。并且对于定位对象来说，对山体或地下交通隧道线上地图的内部标识定位较地上路面更加困难，又给定位终端的正常工作带来了巨大挑战。由于隧道内GPS定位精度低、定位对象的移动状态会严重影响定位的效能，因此研究如何充分利用入射光判定移动目标行为特征，避免或减小的干扰、避免移动定位延迟和误差方法措施，成为了定位体系设计中面临的很大的挑战。

发明内容

为了充分利用入射光判定移动目标行为特征，科学减少光源数量，避免或减小的干扰、避免移动定位延迟和误差的问题，本发明提出一种基于白光LED的交通隧道内水平移动光源定位方法。该方法中，可以实现多白光LED接收器对同一发射器的水平移动过程的连续定位，从根本上避免了上述问题的出现。

一种基于白光LED的交通隧道水平移动光源定位方法，包括下列步骤：

步骤一：交通隧道内在顶部设置3处及以上的光信号接收器，各接收器位置坐标已知；对白光LED的入射光照度进行监测，得到监测数据传至汇聚中心，单一的接收器仅能将移动的定位对象位置范围判定在某一弧圈范围上，弧圈宽度由预先设定的照度误差阈值决定；由接收的入射光信号最强的3处接收器叠加部分的弧圈范围，确定某一时点的定位对象位置，在单一车道或相邻车道上，相邻任意两处接收器的接收范围临界处距离隧道地面高度大于某一阈值a；任一接收器接收范围与相邻墙体临界处距离隧道地面高度大于此阈值a；各接收器接收范围应满足以1.5倍车道宽度为半径的圆形范围内的全部车辆监测；

步骤二：LED光源要均布在定位对象顶部，角度垂直向上，位置固定；光源发射过程中，需要保持光源中心点垂直，光源照度不变，照射范围均匀，不同定位光源之间应为异频或波形差异，以避免出现互扰；

步骤三：定位对象应为高度为a以下的水平移动车辆，其移动路径和速度不限，但应保持稳定行驶，在移动过程中，定位对象携带车载蓄电池储能设备，确保移动和顶部光源供电稳定；

步骤四：定位过程应连续监测，通过各接收器得到的变化监测数据，判定定位对象的连续位置，得到移动速度和路径。

附图说明

图1是本发明系统流程图

图2是本发明多接收器设置

图3是本发明基于多接收器的定位判定

图4是本发明白光LED光源和定位对象装配

图5是本发明连续监测得到移动速度和路径，以及有效监测的接收器切换。

具体实施方式

本发明以白光LED的光束收发系统为基础，利用交通隧道内安装顶部多个接收器，在定位对象顶部设置一处中心垂直向上照射、且照射角度范围固定的LED光源，根据建立同一LED光源在多接收器上形成的不同入射角度、不同光电能建立数据采集基础模型，在连接全部接收器的汇聚中心进行对比分析，得到线性的定位对象移动变化情况，确定其行为状态。在上述模型基础上设计的白光LED定位方法，使在交通隧道内中完全避免了传统无线通信基站建设成本较高、占地需求，避免了隧道内GPS定位困难等问题，同时能够快速精确地提供位置信息，提高了定位效能。

图1显示了本发明的四个步骤开展顺序，分别是：

(1)确定监测区域与接收器设置、测试：将接收器安装在交通隧道内吊顶位置，有线连接至汇聚中心，进行接收器测试。

(2)LED光源设置与测试：按照步骤二设置光源。用任一接收器测试各光源照度持续稳定性。将光源放在单车道中间、两车道之间、墙边等不利位置点亮，测试是否能够确保有3个以上接收器采集正确的位置数据。

(3)定位对象设置与光源安装：以(2)为基础，将光源发射器固定安装在可移动定位对象设备的顶部，光源中心垂直朝上安装，定位对象内置传感器主板及驾驶系统、发动机、油箱、电池模块，测试定位对象自移动行为是否正常，光源是否无明显震动。

(4)附设光源的定位对象连续移动定位测试：以(1)、(2)、(3)为基础，通过变道行驶时的定位对象位置和轨迹测定，与录像视频对比准确性。测试定位对象移动时，因各接收器入射光照度变化，而实现的影响定位数据源的自行切换情况。

图2显示了多接收器设置。设隧道监测区域内，存在2条车道。要求单一车道宽度5m及以下，每条车道正上方均设有间隔相等接收器，相邻车道之间的相邻接收器距离≤单一车道相邻接收器间距，即：

设存在单车道上，接收器甲、乙之间距离为l_甲乙，接收器丙、丁之间距离为l_丙丁；相似地，跨车道的接收器之间的距离分别为l_甲丁、l_甲丙、l_乙丙，存在：

(1)图2(a)为吊顶下侧的截面图。接收器甲、乙布设在一号车道，丙、丁布设二号车道。要求任一发射器(A、B、C、D)点亮后，其在地面水平点位上移动时产生的光信号均能够得到3个及以上接收器的有效接收，在汇聚中心产生定位数据。边缘位置数据采集可通过在两条车道中分界线上点B和两侧墙边位置C、D作该测试。例如：发射器所在位置B为最不利的边缘位置，其发射LED光束依然可以被接收器甲、乙、丙有效接收，其位置数据传输至在汇聚中心。

(2)图2(b)为交通隧道内丙接收器所在位置的剖面图。在隧道内安装吊顶，接收器数量由工作方式和监测需求决定，要求各接收器均在吊顶上方进行电路和网络布线，连接交流电源和汇聚中心，在吊顶下方，相邻任意两处接收器的接收范围临界处距离隧道地面高度≥a(本实施例中，a＝4)；任一接收器接收范围与相邻墙体临界处距离隧道地面高度≥a。由此实现接收器布设满足监测常规车辆顶高位置光源，并确保监测无盲点。据此高度距离要求，各接收器接收范围应满足以1.5倍车道宽度为半径的圆形范围内的全部车辆监测，例如丙接收器可以监测到位置C的光源。

图3是基于多接收器的定位原理。对任一装配有LED光源的定位对象α而言，某一时点，接收器甲、乙、丙分别为最强入射光照度的3个接收器，综合确定定位数据。此时取接收器甲、乙、丙接收入射光线照度，分析得到的地面上的弧圈范围α甲、α乙、α丙。3个弧圈相交区域即为该时点定位对象α所在位置。弧圈宽度上限阈值预设为0.01m。根据此定位原理，能够判定定位对象所在的具体车道。

图4是白光LED光源和定位对象装配。定位对象为a及以下高度的可移动车辆，车厢顶部安装LED光源发射器，内部安装主板、驾驶系统、发动机、陀螺仪、油箱，以及供其移动和光源发光的车载蓄电池。由驾驶员驾驶车辆和启闭光源。

图5是定位对象移动过程中，连续监测变换车道行为，得到的移动速度和路径，以及有效监测的接收器切换。位于位置1时，定位对象α的位置信息由接收器甲、丙、丁确定；移动至位置2后，定位对象的位置信息由接收器甲、乙、丙确定。

Claims (1)

1.一种基于白光LED的交通隧道水平移动光源定位方法，包括下列步骤：

步骤一：交通隧道内在顶部设置3处以上的光信号接收器，各接收器位置坐标已知；对白光LED的入射光照度进行监测，得到监测数据传至汇聚中心，单一的接收器仅能将移动的定位对象位置范围判定在某一弧圈范围上，弧圈宽度由预先设定的照度误差阈值决定；设定高度阈值a，由接收的入射光信号最强的3处接收器叠加部分的弧圈范围，确定某一时点的定位对象位置，在单一车道或相邻车道上，相邻任意两处接收器的接收范围临界处距离隧道地面高度大于高度阈值a；任一接收器接收范围与相邻墙体临界处距离隧道地面高度大于高度阈值a；各接收器接收范围应满足以1.5倍车道宽度为半径的球面范围内的全部车辆监测；

步骤二：LED光源要均布在定位对象顶部，竖直向上，位置固定；光源发射过程中，需要保持光源中心点竖向照射，光源照度不变，照射范围均匀，不同定位光源之间应为异频或有波形差异，以避免出现互扰；

步骤三：定位对象应为低于高度阈值a的水平移动车辆，其移动路径和速度不限，但应保持稳定行驶，在移动过程中，定位对象携带车载蓄电池储能设备，确保移动时顶部光源供电稳定；

步骤四：定位过程应连续监测，通过各接收器得到的变化监测数据，判定定位对象的连续位置，可得到移动速度和路径。

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