CN110146067B - 基于可穿戴设备的融合室内定位方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可穿戴设备的融合室内定位方法、系统及装置，采用密勒编码使每一路的LED‑ID光信号均含有定时分量，从而可解决多个LED灯具异步发送信息有干扰而无法正确解码的问题，同时持LED光源异步播送LED‑ID信息，在连续窗口过采样机制下通过Goertzel算法即可实现单次采样解码多路LED‑ID，从而支持用户在移动过程中的实时定位；并且，基于双LED修正RSS算法配合加速度传感器的惯性导航定位算法可解决当LED信号被遮挡时导致的定位性能急剧下降的问题。因此，本发明有效解决了可穿戴设备的室内定位问题，可对移动中的用户实现实时精确定位，适用于展览馆、博物馆、购物中心和超市等室内场景，可用性强，实用价值大。

Description

基于可穿戴设备的融合室内定位方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及可见光定位技术领域，尤其是基于可穿戴设备的融合室内定位方法、系统及装置。

背景技术

基于可见光通信(Visible Light Communication，VLC)的室内定位技术，又称可见光定位(Visible Light Positioning，VLP)技术。由于该技术具有定位精度可达厘米级、绿色环保、不受现有无线系统的电磁干扰影响、同时兼顾照明和定位等显著优势，已成为当前室内定位领域的一个研究和应用热点。

VLP系统一般由多个LED组成。在常见的方案中，发射机通过硬件电路调制相邻LED发出不同频率正弦波或方波。接收机由PD和微控制器组成，微控制器对PD接收到的模拟光信号执行模拟数字转换(Analog to Digital Converter，ADC)和快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)，将接收信号强度的FFT谱幅度作为参数进行相应的定位算法，从而求出接收端的位置坐标。

目前，大多数VLP技术中所设定的定位场景均是使VLP接收机处于某一高度、静止状态以及周围无任何遮挡状态下的，其提出的方法和算法仅适用于该场景和环境，只能在该场景环境下正常工作，而无法适用当该可穿戴设备穿在行人身上时，在行人移动状态下的定位环境。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供基于可穿戴设备的融合室内定位方法、系统及装置，可对移动中的用户实现实时精确定位。

为了弥补现有技术的不足，本发明实施例采用的技术方案是：

本发明第一方面提供了基于可穿戴设备的融合室内定位方法，包括以下步骤：

采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息；

基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息；

基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

作为第一方面的改进，所述采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息，包括：

对连续相邻的相同二进制LED-ID信息，交替使用不同的FSOOK频率进行编码；

基于频分复用机制将编码后的多路LED-ID信息进行异步传输

作为第一方面的改进，所述基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息，包括：

基于双缓冲采样机制的硬件电路进行ADC可见光信号采样；

将A/D采样完成的缓冲区数据等间隔分为若干个连续过采样窗口；

依序对每一窗口进行Goertzel变换，针对任一窗口，选取一组频率集中最大谱幅度对应的频率作为该窗口的解调频率；

剔除具有重复的解调频率的窗口，根据LED-ID信息的周期特性恢复LED-ID信息的编码频率顺序；

通过密勒编码的映射关系，解码得到多路LED-ID信息。

作为第一方面的改进，在所述通过密勒编码的映射关系，解码得到多路LED-ID信息中，所述的LED-ID信息的幅度为所选取窗口的平均幅度值。

作为第一方面的改进，所述基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位，包括：

以可穿戴设备接收到幅度最大的两个LED作为一个LED组，对所述LED组配置不同的LED-ID信息并广播发送所述的LED组信号，根据LED组信号的LED-ID信息以及幅度得到VLP预估位置；

利用加速度传感器获取目标物的移动步长、方位角以及上一时刻的历史位置信息，预测得到惯性导航预估位置；

基于极大似然计算法融合VLP预估位置和惯性导航预估位置，得到目标物的室内定位信息。

本发明第二方面提供了基于可穿戴设备的融合室内定位系统，包括：

编码模块，用于采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息；

解码模块，用于基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息；

定位模块，用于基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

本发明第三方面提供了基于可穿戴设备的融合室内定位装置，包括：处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器；所述处理器读取可执行指令并执行以下步骤：

采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息；

基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息；

基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：采用密勒编码后可以使每一路的LED-ID光信号均含有定时分量，从而可以解决多个LED灯具异步发送信息有干扰而无法正确解码的问题，同时还支持若干个LED光源随机异步播送LED-ID信息，以及在连续窗口过采样机制下通过Goertzel算法即可实现单次采样解码多路LED-ID，从而从整体上支持用户在移动过程中的实时定位；并且，基于双LED修正RSS算法配合加速度传感器的惯性导航定位算法可更加有效地获取用户的位置信息，解决当LED信号被遮挡时导致的定位性能急剧下降的问题。因此，本发明有效解决了可穿戴设备放置在用户身上这种特殊情况下的室内定位问题，可对移动中的用户实现实时精确定位，适用于展览馆、博物馆、购物中心和超市等室内场景，可用性强，实用价值大。

附图说明

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。

图1是本发明实施例的基于可穿戴设备的融合室内定位方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例的目标物的融合室内定位的应用流程示意图；

图3是本发明实施例中解码多路LED-ID信息的步骤流程图；

图4是本发明实施例的模拟演示示意图；

图5是本发明实施例的基于双LED修正的RSS算法的原理示意图一；

图6是本发明实施例的基于双LED修正的RSS算法的原理示意图二。

具体实施方式

参照图1，本发明第一实施例提供了基于可穿戴设备的融合室内定位方法，包括以下步骤：

采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息；

基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息；

基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

具体地，在本实施例中，FSOOK(Frequency Shift On-Off Keying)，即频移开关键控；RSS算法即接收信号强度算法，这是一种现有技术，本实施例所采用的是经过双LED修正的RSS算法；Goertzel算法则是本领域用于信号处理的一种现有算法；LED为发射机，LED-ID信息即由LED向外广播发送的编号信息，用于提供后续步骤的编码识别。

作为第一实施例的改进，本发明的另一实施例提供了基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其中，采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息，包括：

对连续相邻的相同二进制LED-ID信息，交替使用不同的FSOOK频率进行编码；

基于频分复用机制将编码后的多路LED-ID信息进行异步传输。

在本实施例中，相邻个LED(即发射机)共采用J种不同频率的FSOOK信号发送LED-ID信息，为了防止相邻LED灯具光信号的干扰，单个LED灯具分别使用不同的I种频率的FSOOK信号循环播放LED-ID信息，其中一种频率表示LED-ID信息帧头，剩余频率表示二进制信息“0”和“1”，且有J,M,I∈N⁺；发射机基于密勒编码的原理对LED-ID信息进行编码，编码规则为：对连续相邻的相同二进制数据，交替使用不同的FSOOK频率进行编码，采用密勒编码后，可以使每一路的LED-ID光信号均含有定时分量，同时借助于频分复用机制(频分复用是一种现有通信技术，其基本原理为：通过对多路信号采用不同频率进行调制的方法，使调制后的各路信号在频率位置上错开，以达到多路信号同时在一个信道内传输的目的)，从而可以解决多个LED灯具异步发送信息互相干扰而无法正确解码的问题。

作为第一实施例的改进，本发明的另一实施例提供了基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其中，所述基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息，包括：

基于双缓冲采样机制的硬件电路进行ADC可见光信号采样；

将A/D采样完成的缓冲区数据等间隔分为若干个连续过采样窗口；

依序对每一窗口进行Goertzel变换，针对任一窗口，选取一组频率集中最大谱幅度对应的频率作为该窗口的解调频率；

剔除具有重复的解调频率的窗口，根据LED-ID信息的周期特性恢复LED-ID信息的编码频率顺序；

通过密勒编码的映射关系，解码得到多路LED-ID信息。

在本实施例中，采用双缓冲区采样机制的硬件电路对多路LED-ID信息异步叠加的光信号进行采样，即设置两个缓冲区，分别利用硬件电路进行ADC采样，其中，涉及到ADC采样的硬件电路是一种现有技术，因此不对其做赘述；双缓冲区采样机制的好处是当一个缓冲区对其中一组数据进行解码时(即表示该缓冲区已经执行完A/D采样)，另外一个缓冲区将同时进行模拟-数字转换(A/D)采样，这大大增加了CPU的利用效率；

高速A/D转换器的采样频率用f_s表示，则采样间隔时间为T_s＝1/f_s，FSOOK的持续时间用T_FS表示，一组LED-ID信息含有K个FSOOK符号；由于每个LED都在循环播报LED-ID，根据周期性，则只需采集到一个持续周期的信号点数，就可以获得相应的LED-ID信息；

一次采样点数L应满足

L≥K·T_FS·f_s (1)

一次A/D采样周期结束后，将本缓冲区采样到的L点信号划分为相等的窗口再进行频谱分析，同时另一个缓冲区开始A/D采样。令M表示窗口的个数，L_W表示一个窗口长度(即该窗口包含的采样点数)，T_W表示窗口时长，则有T_W＝L_W·T_s；

若形成一帧窗口的时间T_W刚好落在一个FSOOK的持续时间T_FS之内，则会形成一个好窗，此时这个窗口内的信号仅含有一种频率；如果T_w落在相邻两个FSOOK的分界线上，则会形成一个坏窗，此时这个窗口内的信号会含有两种不同的频率。

针对出现坏窗的情况，本发明采用的窗口过采样机制，只需要窗口长度满足如式(2)所示关系，即可排除坏窗的干扰；

2T_W≤T_FS (2)

下面对式(2)的合理性进行进一步的解释。

首先，本发明对过采样窗口的数据使用Goertzel算法进行变换，而该算法的实质是对给定的特定频率可计算得到该频率对应的谱幅度，由于Goertzel算法属于快速傅里叶变换的衍生公式，只要采样点数L设置为2的幂次方，即可采用快速傅里叶变换的蝶形算法实现，具有较低的运算复杂度；由于FSOOK信号的频率集是已知的，所以可以把每个特定频率通过Goertzel算法求出其相应的谱幅度，再选取一组频率集内最大的谱幅度对应的频率，即可作为该窗的解调频率。由于坏窗包含两个频率，解调后可能会出现两个频率中的任意一种。而满足式(2)条件下的窗口时长可以保证任何一个坏窗的前、后两个相邻窗口必为好窗，即对坏窗不管随机解调出哪一个频率，该频率都与或前、或后相邻的好窗相同。因此，只要去掉解调后出现的重复频率，就可以消除坏窗带来的影响。

由于LED是循环播送LED-ID信息的，所以只要识别出帧头的频率，就可以根据周期特性，得到密勒编码后的LED-ID频率序列，之后再通过密勒编码的映射关系就可以求出相应LED-ID信息。

作为第一实施例的改进，本发明的另一实施例提供了基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其中，在所述通过密勒编码的映射关系，解码得到多路LED-ID信息中，所述的LED-ID信息的幅度为所选取窗口的平均幅度值。在本实施例中，利用窗口的平均幅度值来进行表征，可以方便准确得到LED-ID信息的幅度，从而可了解到LED-ID信息，为后续的定位步骤做准备。

作为第一实施例的改进，本发明的另一实施例提供了基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其中，所述基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位，包括：

以可穿戴设备接收到幅度最大的两个LED作为一个LED组，对所述LED组配置不同的LED-ID信息并广播发送所述的LED组信号，根据LED组信号的LED-ID信息以及幅度得到VLP预估位置；

利用加速度传感器获取目标物的移动步长、方位角以及上一时刻的历史位置信息，预测得到惯性导航预估位置；

基于极大似然计算法融合VLP预估位置和惯性导航预估位置，得到目标物的室内定位信息。

在本实施例中，本发明的接收装置为支持VLP的可穿戴设备，具体可根据应用场景来选取合适的设备形态，考虑VLP系统可能存在光信号被遮挡的情形，例如，在展会、展馆定位场景下，接收装置可采用电子胸牌类的可穿戴设备，通过别针等结构固定在行人的胸前。当行人移动时，该场景将显著不同于传统VLP方案，这是因为，胸牌作为一个VLP信号接收设备，其安装位置一般置于用户的胸前，特定来路的光线容易被佩戴者本人或其他人的头部或躯干遮挡，导致VLP接收机受到很大的影响，而这也是本发明所要解决的问题之一。

为便于描述，下面以胸牌类的可穿戴设备为例进行说明，即行人胸前佩戴了VLP电子胸牌。

基于双LED修正的RSS算法：

定义可穿戴设备(即接收机)接收到幅度最大的两个LED作为一个LED组(LEDGroup，LG)，每个LED的发光模式可以看作服从朗伯辐射，假设灯具使用了固定方向为垂直向下、具有一定的视场角(Filed of View，FOV)的灯罩。若同时给所述的两个LED灯配置不同的LED-ID并广播发送此LED-ID信号，行人的穿戴设备接收端可根据所接收到的LG进行粗定位，然后根据LG的LED-ID及其幅度信息即可实现精确定位。

不失一般性，图5展示了以6个LED为例的基于双LED-ID修正RSS的定位方法示意图。在实际部署中，可以按照本例的方法支持更多的LED光源。每个LED光源具有唯一的LED-ID。以下基于图5，给出几种典型情形的说明：

情形1：设行人从图5左下方入口处首次进入该VLP定位区域，在入口处选择一个角度作为场景初始化角度，用θ表示。行人在移动过程中通过加速度传感器检测出行人的角度与场景初始化角度之差作为场景的相对方位角。设置参考角度的好处是增加了可移植性，因为展会、博览会等场景具有布展周期短、展览位置变换频繁等特点，通过在入口处设置参考角度信息，可以不需要重复测量场景角度分布，实现稳定的VLP定位服务。

情形2：当行人在一个由LED灯源S₃-S₆构造的矩形VLP区域行走时，由于接收装置是贴近人体穿戴的，所以在VLP区域内由于站位、行进方向等不同，对光信号的遮挡情形也不同，因而能检测到的LG也可能不同。换句话说，接收机能检测到的光信号LED-ID、幅度信息与行人的位置、行进方向均相关。例如，当行人处于位置1、面向正北方向接收到幅度值最强的LG位于行人的正北方向；而当行人原地不动，由位置1按逆时针方向，依次分别转到位置2、3、4时，接收到的最强LG分别是：S₃-S₅、S₅-S₆、S₄-S₆，它们分别位于行人的正西方、正南方、正东方；又如，当行人在位置1往正北方向走向位置5的过程中，离S₁、S₂、S₃、S₄的距离将逐渐减小，光信号将相应逐渐加强。但由于接收设备是穿戴于行人胸前，当行人越过以S₃、S₄之间的连线后，人体对来自S₃、S₄的光线形成了遮挡，导致接收到S₃、S₄的光信号幅度将迅速大幅降低。在这种情况下，可以根据相应的“遮挡阈值”判定行人是否已进入由S₁-S₄构成的VLP区域。

情形3：行人处于位置5，逆时针转180度后到位置6后，虽然位置6能接收到与位置1一样的LG，但两个LG相对行人位置的方向完全不同。因此，还需要根据穿戴接收设备上的加速度传感器检测行人的角度信息，进一步判定LG相对于行人方向信息，用于区分不同LED光源构成区间内接收到同样的LG的情况。具体地，定义O＝{1,2,3,4}为LG相对行人在正北、正西、正南、正东的方向变量。以下假设行人在图5中的位置5(此时O＝1)为例进行说明。

行人在位置5时，LG由光源S₁-S₂组成，位于行人正北方向(O＝1)。O取其他值时的处理思路类似。为便于描述，在图5的平面坐标系基础上建立空间坐标系，如图6所示。

在图6中，

表示两个不同LED-ID的光源及其空间位置坐标，H表示胸牌到LED光源水平面的垂直高度，

是第S_i个光源的辐射角，φ_i(i＝1,2)是第S_i个光源的入射角，D_i(i＝1,2)表示胸牌到光源S_i的距离，D表示两个LED光源之间的间距，S₁'、S₂'为两LED灯在空间坐标系水平面的垂直投影点。其中，两个光源的坐标参数满足

为提前设置的LED位置信息；电子胸牌的位置坐标用

表示，其中

根据图6所示的几何关系可知：ΔS₁S₁'L、ΔS₂S₂'L均为直角三角形，求出两个光源分别到接收机的距离D₁、D₂，根据勾股定理，就可以求出两条边

的长度。

获取D₁、D₂的数值的方法如下：

设单个LED服从朗伯辐射模型，则在距离第i个光源为D_i的位置，可获得接收功率为

其中

表示接收机接收到第i个光源的功率，

表示第i个光源的功率，A表示可穿戴设备(即接收机)面积，m表示朗伯系数。假设可穿戴设备的法线与LED光源的法线是平行的，即满足

则把式(4)代入式(3)中，并假设朗伯系数m＝1，有

其中

η为传播路径的损耗因子，它在理想状态下取

根据不同的场景，可以提前确定若干位置点进行数据采集，通过离线计算可以得出特定场合下的η的取值。

下面给出确定损耗因子的方法：

首先，选择一组具体的LG作为离线采集区域，在该区域内均匀地划分为N_F个网格用于数据采集。在每一个网格中，测出它与第i个光源的距离D_i(k)(k＝1,2,...,N_F)以及接收到第i个光源的LED光功率

对式(5)两边取对数，再将收集到的N_F组

离线数据代入可得：

令

对式(6)进行最小二乘求解：

可得：

其中

为场景路径损耗因子的估计值。

确定η的值以后，接收机可以根据接收到的光源S_i及其对应的幅度，根据式(5)求出接收机到第i个LED光源的距离D_i。

下一步，可根据平面几何原理求出接收机的水平面坐标

具体操作如下：

首先，在胸牌所在的水平面上，ΔS₁'S₂'L的三边长度都已知，其中D₁、D₂通过式(5)求出。定义θ_u为

与

的夹角，根据余弦定理有

再根据LG位置信息，可以得到胸牌接收机的最终位置如下

其中

为方向矩阵，它的取值与LG相对行人的方向变量O的取值有关。

基于加速度传感器的惯性导航辅助定位：

行人在水平行走的过程中，身体躯干存在上下移动的周期性变化，垂直和前进方向的两个加速度因而会随人体前进呈现周期性变化。该变化在时域上可视为一个正弦函数，而且在变化值达到峰值时，垂直方向的加速度的变化最大，通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阈值决策，即可实时计算行人行走的步数。

另一方面，通过加速度传感器获得三维空间的三个方向的加速度后，可采用四元数转欧拉角方法检测行人行走过程中的方位角。获取行人移动过程的步长、方位角以及前一时刻的历史位置信息，就可以预测出行人移动时的下一个具体位置，用于解决由于光信号可能存在遮挡而导致RSS算法出现偏差时的辅助定位问题。

令

表示行人佩戴的可穿戴设备在图2所示坐标系场景的第i步的坐标位置信息，定义

为行人行走的第i步实时检测到的方位角，

为走完第i步的相对场景的方位角，则有

其中θ_o为图2场景所示的参考方位角，则最终求出的位置信息为

其中S为行人的步长，假定为常数。

获取了两个预估定位信息后，接下来需要将它们融合为最终的位置信息，采用一种基于极大似然估计的方法来实现信息融合：

假定行人在图5所示场景中的真实位置为(x_μ,y_μ)，VLP定位的估计位置为

惯导定位的输出估计位置为

首先分析x轴方向的一维定位误差，假设VLP定位误差服从方差为

高斯分布，其概率密度函数为

类似地，假设惯导定位误差在x轴方向服从方差为

高斯分布，其概率密度函数为

则总的极大似然误差函数如下式所示

其中：

对式(15)求导并令其等于0，有

因此，最终融合定位算法的x轴估计位置为

同理可以得到y轴方向的融合定位估计坐标，最终融合定位算法的输出坐标为：

接下来对融合算法的误差进行分析。对式(17)求均值有：

其中E[·]表示求均值。由前述假设，VLP定位误差、惯导系统定位误差均服从高斯分布，则有：

代入式(19)有：

根据式(21)可知，式(17)对应的估计量为无偏估计量。因此可知式(17)估计误差为：

其中D[·]表示求方差，则有

根据式(23)有：

因此，可以得出结论：通过极大似然估计算法将独立测得的两个初定位结果进行融合，可以有效提升单一定位的误差性能且优于对两种初定位结果的简单选择。

从上述内容可知，本发明的解调LED-ID以及对应幅度的方法可以支持多个LED随机异步发送LED-ID信息，使得不需要考虑任何时间同步控制和其它联动式控制，大大降低了其设备复杂度；同时，接收机只需要采用一次窗口(帧)过采样机制，就能够进行多路LED-ID解码和幅度测定，对采样起始时间和结束时间没有任何要求，接收机只需要使用高速A/D转换器和一般配置处理器就可方便地实现。

本发明第二实施例提供了基于可穿戴设备的融合室内定位系统，包括：

编码模块，用于采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息；

解码模块，用于基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息；

定位模块，用于基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

需要说明的是，由于本实施例中的融合室内定位系统与上述的融合室内定位方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本系统实施例，此处不再详述。

本发明第三实施例提供了基于可穿戴设备的融合室内定位装置，包括：处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器；所述处理器读取可执行指令并执行以下步骤：

采用密勒编码和FSOOK调制以实现异步传输多路LED-ID信息；

基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法解码多路LED-ID信息；

基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

需要说明的是，由于本实施例中的融合室内定位装置与上述的融合室内定位方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本装置实施例，此处不再详述。

在本实施例中，仍以上述电子胸牌为例，可通过通信设备进行实现，应用在实际产品中，参照图2，比如一种实际具体流程简述如下：

初始化阶段：离线测量需要提供定位服务的具体场景下的路径损耗因子以及初始化角度，绘制场景电子地图；

第一步骤：启动电子胸牌上的加速度传感器，检测行人方向、计步信息，并把其数值通过蓝牙协议传送至手机终端，手机终端根据接收的数据求出基于惯导的定位位置信息；

第二步骤：行人每走一步，需判断一次电子胸牌能否接收到一组LG信息，如能，则把这一组LG的ID以及所对应的幅度信息通过蓝牙协议传送到手机终端，在手机端使用基于极大似然估计的融合定位算法求出位置信息，在电子地图上更新行人位置；如果电子胸牌不能接收到任何正确的LG信息，则通过蓝牙协议给手机端传递一个VLP模块(VLP模块，用于获取VLP预估位置，预先被下载于手机上)无效的标志信息，手机端则根据上一步中惯导定位输出的位置作为行人的位置信息，在电子地图上更新行人位置标识；

第三步骤：转到第二步骤执行循环操作。

为了证实以上结论，本发明还提供如下实验结果：

布置一个空间为9m*2.4m*3m的展览馆模拟系统进行室内定位演示，实验平台具体布置信息如图4所示。平台天花板上布置16盏LED灯(A1-A16)，其中每两个相邻LED灯间距为1.2m；平台两侧共8个展位，用于模拟室内展览馆场景。

在图4中，椭圆形图标代表LED灯，其上方的数字表示LED编号。相邻两盏LED使用不同的频率集，每一盏LED灯配置不同的ID信息。本实验中以标号为A1的位置作为地图坐标系原点，即LED灯A1的位置信息为(0,0)。

在本实施例中选择电子胸牌形态的可穿戴VLP设备，接收机处理器采用NRF52832单片机，支持双缓冲区AD采样机制，内置蓝牙模块。加速度传感器模块采用九轴传感器JY901，该模块包含了高精度的加速度传感器、角速度传感器跟磁场传感器，可用于检测行人移动时的步数与方向信息。

发射机对FSOOK信号进行密勒编码，采用符合朗伯辐射模型的雷士(NVC)照明LED灯，功率为5w。每一LED组(LG)包含4盏LED灯，分别用4个不同频率集对LED灯编码分配唯一的LED-ID循环发送。频率集的信息如表1所示，其中每组LED-ID均包含一个信息帧头标识符(Start Frame Delimiter，SFD)。实验平台搭建完毕后，绘制展览馆室内电子地图。以A1号LED灯位置为坐标原点，A9号灯方向为x轴，A2号灯方向为y轴绘制电子地图用于室内定位导航。其中图4中的LED灯位置信息，即LED-ID信息如表2所示。

表1.四组频率集的编码映射信息表

表2.展览馆场景的VLP演示系统的LED灯配置信息

随机选取两个相邻的LED灯具作为一组LG，它们之间的连线满足和行人前进方向互相垂直的关系(例如图4中的A2、A10)，也可以根据实际需要，选取其他分布状态的两个相邻LED灯；在该LG下方的照明区域，根据定位精度的要求，均匀划分一个指定大小(例如6cm*6cm)的离线数据采集指纹格。根据离线采集到的数据按照本文式(7)-(9)确定此环境中的传播损耗因子η值、场景初始化角度，同时测出VLP估测法下的方差

惯导估测法下的方差

用户通过手机APP下载电子地图及上述参数值。完成上述操作后，行人佩戴好胸牌接收机后，就可实现展览馆室内定位以及导航。

以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用密勒编码和FSOOK调制多路LED-ID信息，并基于频分复用机制实现异步传输多路LED-ID信息；

基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法依序变换每一窗口，并选取一组频率集中最大谱幅度对应的频率作为该窗口的解调频率来剔除坏窗，从而解码得到多路LED-ID信息；

基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

2.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其特征在于，所述采用密勒编码和FSOOK调制多路LED-ID信息，并基于频分复用机制实现异步传输多路LED-ID信息，包括：

对连续相邻的相同二进制LED-ID信息，交替使用不同的FSOOK频率进行编码；

基于频分复用机制将编码后的多路LED-ID信息进行异步传输。

3.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其特征在于，所述基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法依序变换每一窗口，并选取一组频率集中最大谱幅度对应的频率作为该窗口的解调频率来剔除坏窗，从而解码得到多路LED-ID信息，包括：

基于双缓冲采样机制的硬件电路进行ADC可见光信号采样；

将A/D采样完成的缓冲区数据等间隔分为若干个连续过采样窗口；

依序对每一窗口进行Goertzel变换，针对任一窗口，选取一组频率集中最大谱幅度对应的频率作为该窗口的解调频率；

剔除具有重复的解调频率的窗口，根据LED-ID信息的周期特性恢复LED-ID信息的编码频率顺序；

通过密勒编码的映射关系，解码得到多路LED-ID信息。

4.根据权利要求3所述的基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其特征在于，在所述通过密勒编码的映射关系，解码得到多路LED-ID信息中，所述的LED-ID信息的幅度为所选取窗口的平均幅度值。

5.根据权利要求1所述的基于可穿戴设备的融合室内定位方法，其特征在于，所述基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位，包括：

以可穿戴设备接收到幅度最大的两个LED作为一个LED组，对所述LED组配置不同的LED-ID信息并广播发送所述的LED组信号，根据LED组信号的LED-ID信息以及幅度得到VLP预估位置；

利用加速度传感器获取目标物的移动步长、方位角以及上一时刻的历史位置信息，预测得到惯性导航预估位置；

基于极大似然计算法融合VLP预估位置和惯性导航预估位置，得到目标物的室内定位信息。

6.基于可穿戴设备的融合室内定位系统，其特征在于，包括：

编码模块，用于采用密勒编码和FSOOK调制多路LED-ID信息，并基于频分复用机制实现异步传输多路LED-ID信息；

解码模块，用于基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法依序变换每一窗口，并选取一组频率集中最大谱幅度对应的频率作为该窗口的解调频率来剔除坏窗，从而解码得到多路LED-ID信息；

定位模块，用于基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

7.基于可穿戴设备的融合室内定位装置，其特征在于，包括：处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器；所述处理器读取可执行指令并执行以下步骤：

采用密勒编码和FSOOK调制多路LED-ID信息，并基于频分复用机制实现异步传输多路LED-ID信息；

基于连续窗口过采样机制，采用Goertzel算法依序变换每一窗口，并选取一组频率集中最大谱幅度对应的频率作为该窗口的解调频率来剔除坏窗，从而解码得到多路LED-ID信息；

基于双LED修正的RSS算法融合加速度传感器的惯性导航定位算法实现目标物的室内定位。

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