CN111352070B - 一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电二极管(Photodiode,PD)阵列和电子罗盘的三维光定位方法,针对室内定位、导航、游戏设备需求。该方法通过PD阵列采集入射光信号,通过电子罗盘测量方向,可通过简单表达式直接获得接收机的三维坐标。与已有的到达角(Angle of Arrival,AOA)、到达时间(Time of Arrival,TOA)、接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)等三维室内光定位方法相比,本发明的优势在于:不依赖同步或调制解调系统;运算复杂度低;仅要求一个光源;能够在一定范围内提供厘米级精度;PD阵列可以支持高速可见光通信。
Description
技术领域
本发明属于室内光定位领域,具体是一种基于互补光电二极管阵列的室内三维光定位方法。
背景技术
定位技术是物联网、人工智能应用的基础核心技术之一。可见光定位系统具有低成本、高精度的特点,具有巨大的市场潜力。目前,在基于可见光的室内定位技术中,基于到达角(Angle of Arrival,AOA)的可见光定位算法以其低成本、高精度、低运算复杂度被认为是最具应用潜力的室内定位方法。然而已有的可见光AOA定位算法依赖神经网络或数值积分等复杂算法,实现成本较高;或者需要多个LED才能完成定位,系统限制较多;或是依赖摄像头,导致成本高、耗电量大、且不支持大带宽的可见光通信。因此,已有的光定位AOA算法很难应用在低成本移动设备上。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是无线光定位系统硬件成本高、运算复杂度高、需要多个LED、不支持无线光通信的问题,提供一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法。通过采用光电二极管(photodiode,PD)阵列,设计了仅采用一个LED,且不依赖神经网络或数值积分的定位系统,降低了硬件成本,并支持高速率可见光通信。
为了达到上述目的,本发明采用的方法是:一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法,包括以下步骤:
(1)首先,测量LED的三维坐标,记为坐标向量l;
(2)然后,将K个朝向不同的PD组合成阵列,其中K>3;
(3)将接收机水平放置,且中轴线指向某一绝对方向;
(5)通过电子罗盘测量接收机与绝对方向的旋转角β,通过公式
计算PD的法向量矩阵,其中
(6)对K个光电二极管上的信号采样,得到K×1向量s;
(7)将接收机水平放置,根据朗博辐射模型,可得
其中Pt为发射光强;m为朗博模型参数;
(9)将公式(2)和公式(3)带入公式(1)并化简,可得用户坐标计算方法
有益效果:
本发明采用廉价的硬件平台实现三维光定位功能,仅包含一个LED,一个光电二极管阵列,一个低速信号处理单元,不依赖神经网络或数值积分等复杂算法,且能支持高速率可见光通信。
附图说明
图1为一个由四个PD构成的全视角接收机。
图2为本发明的定位系统框图。
具体实施方式
系统框架如图2所示,包括一个LED,一个光电二极管阵列,一个低速信号处理单元以及一个电子罗盘。
首先,测量LED的三维坐标,记为坐标向量l,例如(1米,1米,0.5米)。
定位时,通过电子罗盘测量接收机与绝对方向的旋转角β,通过公式
计算PD的法向量矩阵,其中
对K个光电二极管上的信号采样,得到K×1向量s。将接收机水平放置,根据朗博辐射模型,可得
公式(3)提供了估计用户到LED距离的方法。将(2)和(3)带入(1)并化简,可得用户坐标计算方法
Claims (1)
1.一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)首先,测量LED的三维坐标,记为坐标向量l;
(2)然后,将K个朝向不同的PD组合成阵列,其中K>3;
(3)将接收机水平放置,且中轴线指向某一绝对方向;
(5)通过电子罗盘测量接收机与绝对方向的旋转角β,通过公式
计算PD的法向量矩阵,其中
(6)对K个光电二极管上的信号采样,得到K×1向量s;
(7)将接收机水平放置,根据朗博辐射模型,可得
其中Pt为发射光强;m为朗博模型参数;
(9)将公式(2)和公式(3)带入公式(1)并化简,可得用户坐标计算方法
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