CN110133591B - 基于白光led的室内双光源飞行目标定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于白光LED的室内双光源飞行目标定位方法，包括下列几个方面：将各光信号接收器采集数据汇总到汇聚中心，在室内各侧墙上建立接收器组，在飞行的定位对象两侧各设置一处照射角度范围固定的LED光源，根据同一LED光源在多接收器上形成不同的入射角度、不同的光电能的原理，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飞行状态变化情况，确定其行为状态。室内各侧墙均交错设置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；定位对象应为旋翼无人机；LED光源要位置固定，设置在定位对象两侧。

Description

基于白光LED的室内双光源飞行目标定位方法
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的室内双光源飞行目标定位方法。
背景技术
着白光LED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，但是对于室内飞行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，一些大型厂房内，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定位对象实际飞行行为差异较大、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飞行目标行为特征，避免或减小的干扰、避免飞行目标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飞行的目标行为特征，科学减少光源数量，避免或减小的干扰、避免飞行定位延迟和误差的问题，本发明提出一种基于白光LED的室内双光源飞行目标定位方法。该方法中，可以实现多白光LED接收器对同一定位对象LED双发射器在三维空间内飞行过程的连续定位，从根本上避免了上述问题的出现。技术方案如下：
一种基于白光LED的室内双光源飞行目标定位方法，包括下列几个方面：
(1)将各光信号接收器采集数据汇总到汇聚中心，在室内各侧墙上建立接收器组，在飞行的定位对象两侧各设置一处照射角度范围固定的白光LED，根据同一白光LED在多接收器上形成不同的入射角度、不同的光电能的原理，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飞行状态变化情况，确定其行为状态。
室内各侧墙均交错设置3处及以上的光信号接收器，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，其中，单一的接收器将定位对象的飞行位置范围判定在某一圆柱范围上，圆柱范围宽度为预先设定的照度误差阈值决定，定义最优接收器指针对双光源定位对象在同一时点以接收到照度最强光束的2处接收器，以2处最优接收器分别判定的圆柱范围延长出柱状至对面墙体，取2处柱状体在三维空间中纵向中轴线段的最近距离线段的中点为此时定位对象坐标位置。
(2)定位对象应为旋翼无人机，其飞行路径和速度不限，但不能出现震动、翻转情况，在飞行过程中，以遥控方式控制无人机行动；
(3)白光LED要位置固定，设置在定位对象两侧，照射角度垂直于定位对象机身向外，且方向相反，光源发射过程中，保持光源中心点垂直，光源照度不变，照射范围均匀；不同白光LED之间为异频或波形差异，以避免出现互扰。
(4)定位过程应连续监测，通过各接收器得到的变化监测数据，可以判定定位对象的连续位置，得到飞行速度和路径。
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是本发明白光白光LED和定位对象装配
图5是本发明连续监测得到飞行速度和路径，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。
本发明以白光LED的光束收发系统为基础，将各光信号接收器采集数据汇总到汇聚中心，建立室内各侧墙上建立接收器组；以遥控的旋翼无人机作为定位对象，在飞行的定位对象两侧各设置一处照射角度范围固定的白光LED，根据建立同一白光LED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，连接全部接收器的汇聚中心进行对比分析，以2处最优接收器反馈位置作为定位依据，得到线性的定位对象飞行状态变化情况。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。
定义的最优接收器是指针对双光源定位对象在同一时点以接收到照度最强光束的2处接收器。2处最优接收器的选取结果分为两种情况：接收同一光源，接收不同光源。在本发明中，对这两种情况均作同一定位计算方法处理，即：以2处最优接收器分别判定的圆柱范围延长出柱状至对面墙体，取2处柱状体在三维空间中纵向中轴线段的最近距离线段的中点为此时定位对象坐标位置。
室内分为接收区域和边缘区域。接收区域位于室内中间部分，为定位对象飞行活动和接收器能够实现监测的区域，接收器的覆盖范围在接收区域无盲点；边缘区域与各侧墙相邻，各接收器在此处难以实现完全覆盖。二者范围的界定以临界位置纵向剖面是否能够被接收器接收功能无盲点、全覆盖为依据。
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：将接收器安装在大型厂房室内各侧墙上建立接收器组，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)白光LED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2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飞行定位对象左右两侧，光源中心垂直机身安装，定位对象内置传感器主板及、电池模块，测试定位对象飞行行为是否正常，光源是否无明显震动。
(4)附设光源的定位对象连续飞行定位测试：以(1)、(2)、(3)为基础，通过遥控方式测试变速、变向飞行时的定位对象位置和轨迹测定，与录像视频对比准确性。测试定位对象飞行时，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(甲、乙、丙、丁、戊等12个)均匀布设在室内。要求任一定位对象A、B、C飞行过程中(图中虚线a0、b0、c0为飞行方向)，其飞行方向与LED光束中心线方向(a1、a2、b1、b2、c1、c2)垂直，即：a0⊥a1，a0⊥a2，b0⊥b1，b0⊥b2，c0⊥c1，c0⊥c2。各接收器将接收到的光束照度值传输汇聚中心产生定位数据。
其中，光束方向c3、c4为光束c2的分方向，均从定位对象C的右侧光源发射器发出。也可以说，定位对象C的右侧光源发射器发出的光束，被接收器乙、丙接收到。此时定位对象C两侧光源发出的LED光束，被3处接收器接收到，按照前述方法取其中2处最优接收器判定定位对象C位置。
(2)图2(b)为房间内一面墙体上接收器交错排布的剖面图。在一侧墙面，接收器数量(≥3个)由工作方式和监测需求决定，要求各接收器均通过电路和网线，连接至交流电源和汇聚中心。图中虚线范围是在边缘区域与接收区域临界位置，各接收器的覆盖范围。由此，在接收区域，各接收器布设能够满足定位对象的飞行时的监测需求，确保监测无盲点。
图3是基于多接收器的定位判定。对任一装配有双白光LED的定位对象α而言，在某一时点，接收器甲、乙分别为最强入射光照度的2个接收器，综合确定定位数据。此时取接收器甲、乙接收入射光线照度，分析得到的圆柱位置范围的中轴线为α甲、α乙。2条中轴线最近距离线段长度d，其中点坐标为该时点定位对象α所在位置。
图4是白光白光LED和定位对象装配。定位对象应为旋翼无人机，其飞行路径和速度不限，但其飞行路径和速度不限，但不能出现震动、翻转等情况。由主板、遥控接收器、移动控制器、陀螺仪、电池、2处光源和旋翼组成。以主板为各部件控制、电路中心，电池仅连接主板，由主板向2处光源发射器、遥控接收器、移动控制器、陀螺仪、旋翼转供电能。遥控接收器、陀螺仪均须经主板实现对移动控制器的控制，在移动控制器内实现遥控、自主修正指令的汇聚协调，对旋翼发出指令，完成方向、高度、速度的修正。两侧光源常亮，设置在无人机左右两侧，射出光束方向相反，且不会被同一接收器接收。光束中轴线与水平向前飞行方向垂直。在本发明使用的旋翼无人机内部，在飞行过程中，以遥控方式控制无人机行动，定位对象携带电池储能设备，确保飞行和两侧光源供电稳定。
图5是定位对象飞行过程中，连续监测踏步位置得到的飞行速度和路径，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、丙确定；飞行至位置2后，定位对象的位置信息由接收器乙、丁确定。

Claims (1)

1.一种基于白光LED的室内双光源飞行目标定位方法，包括下列几个方面：
(1)将各光信号接收器采集数据汇总到汇聚中心，在室内各侧墙上建立接收器组，在飞行的定位对象两侧各设置一处照射角度范围固定的白光LED，根据同一白光LED在处于不同位置的多个光信号接收器上形成不同的入射角度、不同的光电能的原理，在室内各侧墙均交错设置3处以上的光信号接收器，对白光LED的入射光照度进行监测，所得到的监测数据传至汇聚中心进行对比分析，得到定位对象飞行状态变化情况，确定其行为状态；
单一的光信号接收器将定位对象的飞行位置范围判定在某一圆柱范围上，圆柱范围宽度为预先设定的照度误差阈值决定，定义最优接收器为：双光源定位对象在同一时点接收到照度最强和次强光束的2处接收器，以2处最优接收器分别判定的圆柱范围延长出柱状至对面墙体，取2处柱状体在三维空间中纵向中轴线段的最近距离线段的中点为此时定位对象坐标位置；
(2)定位对象为旋翼无人机，其飞行路径和速度不限，但不能出现震动、翻转情况，在飞行过程中，以遥控方式控制无人机行动；
(3)白光LED位置固定，设置在定位对象两侧，照射角度垂直于定位对象机身向外，且方向相反，光源发射过程中，保持光源中心点垂直，光源照度不变，照射范围均匀；不同白光LED之间为异频或具有波形差异，以避免出现互扰；
(4)定位过程连续监测，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，得到飞行速度和路径。
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