CN110113097A - 基于led光源的室内水平行走光源定位方法 - Google Patents

基于led光源的室内水平行走光源定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于LED光源的室内水平行走光源定位方法，包括几个方面：建立室内以透明地板分隔的夹层，夹层底部设置多角度接收传感体系：室内透明地板分隔的夹层内设置3处及以上的光信号接收器，对LED光源的入射光照度进行监测，得到监测数据传至汇聚中心，其中，单一的接收器仅能将行走的定位对象的水平位置范围判定在透明地板上表面某一水平圆圈上，圆圈宽度为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水平圆圈范围，确定某一时点的定位对象位置；LED光源分布在定位对象的底部并靠近透明地板，垂直向下照射；定位过程应连续监测。

Description

基于LED光源的室内水平行走光源定位方法
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LED的室内水平行走光源定位方法。
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，正在逐步推广到室内定位领域。现有LED定位方法能够维持信道的稳定性，可操作性强，但是对于室内行走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，一些洁净厂房内，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行走行为差异较大、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，室内多种现代化电器设备产生的电磁辐射，又给定位终端的正常工作带来了巨大挑战。由于电器设备的电磁辐射干扰与定位对象的行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行走目标行为特征，避免或减小的干扰、避免行走定位延迟和误差方法措施，成为了是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行走的目标行为特征，科学减少光源数量，避免或减小的干扰、避免行走定位延迟和误差的问题，本发明提出一种基于LED光源的室内水平行走光源定位方法。该方法中，可以实现多白光LED接收器对同一发射器的水平行走过程的连续定位，从根本上避免了上述问题的出现。技术方案如下：
一种基于LED光源的室内水平行走光源定位方法，包括几个方面：
(1)建立室内以透明地板分隔的夹层，夹层底部设置多角度接收传感体系：室内透明地板分隔的夹层内设置3处及以上的光信号接收器，对LED光源的入射光照度进行监测，得到监测数据传至汇聚中心，其中，单一的接收器仅能将行走的定位对象的水平位置范围判定在透明地板上表面某一水平圆圈上，圆圈宽度为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水平圆圈范围，确定某一时点的定位对象位置；
(2)LED光源分布在定位对象的底部并靠近透明地板，垂直向下照射，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LED光源之间应为异频或波形差异，以避免出现互扰；
(3)定位过程应连续监测，通过各接收器得到的变化监测数据，以判定定位对象的连续位置，得到行走速度和路径。
优选地定位对象为人或其他可行走的动物，使用两足或四足交替行进，一旦出现监测LED光消失，则表明定位对象出现异常情况。
定位对象为人，在定位对象穿着的鞋底部安装行走光源定位器，行走光源定位器包括挂扣、压力传感开关和LED光源发射器，其中，挂扣用于将LED光源发射器在固定于鞋后端，压力传感开关设置在鞋跟下；LED光源的发射方向与地面垂直，压力传感开关电路用于控制光源发射器工作状态，即：在行走踏步时，鞋跟部受力被踩踏，压力传感开关控制光源发射器内部电路闭合，此时发射光束呈垂直向下，用于定位；在迈步时，压力传感开关无压力，发射器内部电路断开，由此判定行走踏步位置。
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行走速度和路径，以及有效监测的接收器切换。
具体实施方式
现在对本发明的实施提供详细参考。为解释本发明将参考附图描述下述实施例。
本发明提出的方法中，以白光LED的光束收发系统为基础，建立室内以透明地板分隔的夹层，夹层底部设置多角度接收传感体系，在定位对象所穿着的鞋跟外侧，挂扣设置一处中心垂直向下照射、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行走路径变化情况，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，使在室内完全避免了电器设备电磁辐射对定位终端工作情况的干扰，同时能够快速精确地提供位置信息，提高了定位效能。
其中，透明地板上方为定位对象行走区域，透明地板上表面某一点位置为光束发出位置；透明地板下方夹层为接收区域。同一时点，LED白光照射方向垂直向下，但是其传输到某一接收器的光束，在行走区域和接收区域的传输角度θ1不变，在光源处和接收器处的照度关系可根据公式(1)求出：
接收照度＝光源垂直照度×cosθ1 (1)
由于光源垂直照度固定不变，则接收照度值与传输角度θ1直接相关。设光束在某一透明材质内的折射角度为θ2不变，则由该材质的透明地板厚度、夹层空间高度能够建立折射角度关系θ比＝θ2/θ1。在单一接收器接收时，若θ1与θ2均≤90°，则θ比与夹层底部形成的接收光线位移差值呈线性对映关系，使该差值成为已知。那么此时LED光源的水平坐标范围是以单一接收器水平坐标为圆心、上述差值距离为半径的水平圆圈范围内。综上，由接收同一LED光源照度最强的3处接收器取各自定位圆圈交于同一点，能够共同确定LED光源坐标。
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：将接收器安装在洁净厂房室内以透明地板分隔的夹层，夹层底部设置多角度接收传感体系。全部光信号接收器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。将光源放在各墙角位置点亮，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行走定位对象穿着的鞋底部，光源中心垂直朝下安装，定位对象内置传感器主板及、电池模块，测试定位对象行走行为是否正常，光源是否无明显震动。
(4)附设光源的定位对象连续行走定位测试：以(1)、(2)、(3)为基础，通过遥控方式测试变速、变向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。测试定位对象行走时，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。作为监测区域的室内要求各墙角均为[90°，180°]。
(1)图2(a)为吊顶下侧的截面图。各接收器(A、B、C、D、E)均匀布设在室内。要求任一发射器点亮后，其在行走区域(透明地板上表面)水平点位上行走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墙边E和各墙角位置A、B、C、D作该测试。例如：发射器所在位置E为最不利的边缘位置，其发射LED光束依然可以被接收器甲、丙、丁有效接收，其位置数据传输至在汇聚中心。
(2)图2(b)为房间内任一接收器所在位置的剖面图。在室内下方安装夹层，接收器数量(≥3个)由工作方式和监测需求决定，要求各接收器均在夹层底部进行电路和网络布线，连接交流电源和汇聚中心。在接收区域，接收器布设满足行走区域的墙角、墙边最不利距离点监测位置在监测距离的范围以内，确保监测无盲点。
图3是基于多接收器的定位判定。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，分析得到的透明地板上表面的圆圈范围α甲、α乙、α丙。3个圆圈相交区域即为该时点定位对象α所在位置。圆圈宽度上限阈值预设为0.01m。
图4是白光LED光源和定位对象装配。图中实线为供电线，虚线为控制线。定位对象为人或其他2足或四足交替行进的动物。设计一种行走光源定位器，具体为：在定位对象穿着的鞋底部安装LED光源发射器。发射器由挂扣、压力传感开关、电池组成。挂扣固定发射器在鞋后端，压力传感开关设置在鞋跟下。就装配而言，电池按照其供电电压、储能能够满足压力传感开关、光源所需的原则选取；压力传感开关、光源发射器在耗能方面为并联关系，且均与主板、电池串联；主板仅起到电能传输和光源发射器控制连接作用，无能耗。压力传感开关设置在底部，与地面水平；光源发射器发射方向垂直与地面，二者相对位置和设置方向固定不变，由此确保了光束发射方向处于垂直地面。同时，压力传感开关电路直接连接光源发射器，控制光源发射器工作状态，即：在行走踏步时，鞋跟部受力被踩踏，压力传感开关控制光源发射器内部电路闭合，发射光束呈垂直向下，瞬时定位实现；在迈步时，压力传感开关无压力，发射器内部电路断开。由此可判定行走踏步位置。
图5是定位对象行走过程中，连续监测踏步位置得到的行走速度和路径，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；行走至位置2后，定位对象的位置信息由接收器甲、乙、丁确定。

Claims (3)

1.一种基于LED光源的室内水平行走光源定位方法，包括几个方面：
(1)建立室内以透明地板分隔的夹层，夹层底部设置多角度接收传感体系：室内透明地板分隔的夹层内设置3处及以上的光信号接收器，对LED光源的入射光照度进行监测，得到监测数据传至汇聚中心，其中，单一的接收器仅能将行走的定位对象的水平位置范围判定在透明地板上表面某一水平圆圈上，圆圈宽度为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水平圆圈范围，确定某一时点的定位对象位置。
(2)LED光源分布在定位对象的底部并靠近透明地板，垂直向下照射，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LED光源之间应为异频或波形差异，以避免出现互扰。
(3)定位过程应连续监测，通过各接收器得到的变化监测数据，以判定定位对象的连续位置，得到行走速度和路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定位对象为人或其他可行走的动物，使用两足或四足交替行进，一旦出现监测LED光消失，则表明定位对象出现异常情况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定位对象为人，在定位对象穿着的鞋底部安装行走光源定位器，行走光源定位器包括挂扣、压力传感开关和LED光源发射器，其中，挂扣用于将LED光源发射器在固定于鞋后端，压力传感开关设置在鞋跟下；LED光源的发射方向与地面垂直，压力传感开关电路用于控制光源发射器工作状态，即：在行走踏步时，鞋跟部受力被踩踏，压力传感开关控制光源发射器内部电路闭合，此时发射光束呈垂直向下，用于定位；在迈步时，压力传感开关无压力，发射器内部电路断开，由此判定行走踏步位置。
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