CN114527426A - 一种基于紫外光信标的应急定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于紫外光信标的应急定位方法，具体为：首先，调制半球形的紫外LED阵列信号，用于传递当前紫外LED阵列的ID、发射角度和测距信号；半球形紫外LED阵列所接收到其他紫外LED阵列的信息储存下来，以ID为1的紫外LED阵列为坐标系原点，得到整个定位网络中各个紫外LED阵列的位置坐标，构建应急定位环境下的紫外光定位网络；利用紫外光传感器接收紫外应急定位网络中的紫外光信号强度，选取信号强度前四的紫外光LED进行定位，得到目标终端的位置信息。采用本发明的定位方法，可以有效解决卫星定位效果差的区域进行定位的问题，也为基于紫外光的路径规划和自主导航打下了基础，应用前景广阔。

Description

一种基于紫外光信标的应急定位系统及定位方法
技术领域
本发明属于光电信息技术领域，具体涉及一种基于紫外光信标的应急定位系统及定位方法。
背景技术
现阶段，定位技术的应用场景不断扩展，新兴的应用已经不满足于基于GPS、北斗等卫星定位的室外定位场景，定位场景逐步延伸到室内、井下等无可用卫星导航信号的情况下。当前应急定位网络主要使用的无线传感器主要包括：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、超声波和可见光等。
Wi-Fi、超宽带和超声波技术成本太高；蓝牙在大量使用的情况下相互干扰较大，容易出现断连现象；可见光受其他光源的干扰；红外光也容易受温度的干扰。针对上述技术的不足，需要设计一种基于紫外光信标的应急定位网络构建和定位方法，实现目标终端的定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于紫外光信标的应急定位系统及定位方法，通过紫外光信标组网形成应急定位网络，用于实现终端位置感知。
本发明所采用的技术方案是，一种基于紫外光信标的应急定位方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：调制半球形的紫外LED阵列信号，用于传递当前紫外LED阵列的ID、发射角度和测距信号；
半球形紫外LED阵列的电路包括电源、信息处理模块、发射端和接收端；信息处理模块为单片机，电源连接到信息处理上VCC引脚为整个半球形紫外LED阵列供电；发射端包括驱动电路和发射模块以及调制编码模块，信息处理模块通过I\O口依次连接驱动电路和发射模块；接收端包括光电转换模块以及解调储存模块，信息处理模块通过I\O口与光电转换模块连接；
步骤2：半球形紫外LED阵列进行广播通信，发送由步骤1中调制编码后的信号，并且通过接收模块接收其他半球形紫外LED阵列所发出的信号；此步骤中发送的数据帧中的操作位的数据位1；光电倍增管能够接收自由空间中的紫外光信号，并将其转换为电信号，之后进入信息处理模块中交由解调存储模块来解调信号，得到所发送的数据帧，信息处理模块读取对应的紫外LED节点发送角度来计算两个半球形紫外LED阵列之间的距离；计算出距离之后，将这个半球形紫外LED阵列所接收到其他紫外LED阵列的信息储存下来，信息包括：编号，距离和发射角度，信息储存在解调储存模块中；
步骤3：以ID为1的紫外LED阵列为坐标系原点，得到整个定位网络中各个紫外LED阵列的位置坐标，构建应急定位环境下的紫外光定位网络；
步骤4：需要定位的目标终端，利用接收端的光电转换模块接收紫外应急定位网络中的紫外光信号，选取信号强度前四的紫外光LED进行定位，得到目标终端的位置信息。
本发明的特点还在于，
步骤1中，具体为：
1.1、调制编码模块对发送信息进行编码：从帧头起分别为阵列ID、操作、节点ID和发射角度；其中阵列ID是此半球形紫外LED阵列的ID；操作分为1、2和3三种，分别代表组网、定位和空闲；节点ID是此半球形紫外LED阵列中单个紫外LED节点的ID，节点ID从1起依次递增；发射角度是该LED节点在阵列中的发射角度；
1.2、调试编码模块对发送数据帧进行调制：采用PPM调制；
1.3、调制后的信号脉冲通过信息处理模块的I\O口传输电信号到驱动电路，由驱动电路驱动半球形紫外光LED阵列上的各个紫外光LED节点发送对应的紫外光脉冲信号。
步骤3中，具体为：
从编号为1的半球形紫外LED阵列开始遍历步骤2中所保存的信息，将这些信息写入这个半球形紫外LED阵列的网络表中；当所有的半球形紫外LED阵列的网络表都得到后，再通过RIP路由协议，获得整个紫外光定位网络的网络结构；之后根据每个半球形紫外LED阵列中所储存其他半球形紫外LED阵列的角度和距离信息在网络中得到所有半球形紫外LED阵列相对于原点的坐标位置；
网络是一组顶点V和一组边E组成的无向图G，当从信标1开始，能够遍历到所有的点并返回到信标1时，则证明网络构建完成，至此，定位网络的构建结束，所有的半球形紫外LED阵列进入定位模式。
步骤4中，在步骤3中定位网络构建完毕后，所有的半球形紫外LED阵列都已经进入定位模式；需要定位的目标终端通过光电倍增管接收空间内全部的紫外光信号，但只使用紫外光功率排在前四位的半球形紫外LED阵列进行定位，通过光电倍增管接收到的半球形紫外LED阵列信标发出的信息，经过解调后由信息处理模块求出距离信息，然后再对位置信息求解。
本发明的有益效果是：
本发明的应急定位系统，用于移动终端的定位，不受电磁干扰，和其他光源影响，适用于弱卫星导航信号或无卫星导航信号环境下的定位系统，信标便于携带，可以解决缺失无线电情况下，如何提供定位的难题。采用本发明的定位方法，可以有效解决卫星定位效果差的区域进行定位的问题，也为基于紫外光的路径规划和自主导航打下了基础，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明一种半球形紫外LED阵列的结构示意图；
图2是本发明一种半球形紫外LED阵列的结构框图；
图3是本发明构成的无向网络图；
图4是本发明三边定位算法的示意图；
图5是本发明四边定位算法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于紫外光信标的应急定位系统，如图1所示，采用一种半球形紫外LED阵列，其中，○为紫外光信号发生器，此发生器不限于紫外光LED和激光器，一切可以产生紫外光调制信号的发生器都可以应用于本发明中的紫外LED阵列；×表示紫外传感器，传感器不限于紫外光光敏管和光电倍增管，一切可以将紫外光信号转换为电信号的装置和获取光强度的装置都可以应用于本发明中的紫外LED阵列。半球形紫外LED阵列可以发射全角度紫外光信号，选用的紫外LED波长200nm～280nm，发光功率为0.3mW，选用的光电转换模块型号为滨松R928。如图2所示，半球形紫外LED阵列硬件电路，由电源，信息处理模块，发射端和接收端组成。信息处理模块为单片机，电源连接到信息处理上VCC引脚为整个半球形紫外LED阵列供电。发射端包括驱动电路和发射模块以及调制编码模块，其中调试编码模块功能通过单片机程序实现，信息处理模块通过I\O口依次连接驱动电路和发射模块。接收端包括光电转换模块以及解调储存模块其中解调储存模块功能由单片机程序实现，信息储存在单片机内置的存储器中，信息处理模块通过I\O口与光电转换模块连接。
具体到各子模块中：
1.调制编码模块对半球形紫外LED阵列上的单个紫外光LED进行单独调制编码，发送不同的信息，调制模块采用PPM调制电路。
2.驱动电路模块采用DD311恒流驱动芯片，用于驱动整个阵列的正常工作。
3.发射模块使用的是光电倍增管，具体型号滨松R928。
4.信息处理模块通过主控芯片进行测距计算，具体型号为STM32F103ZE。
5.解调储存模块分为解调和储存，储存使用Flash，型号为W25Q128。
6.电源模块用于为整个电路供电，连接信息处理模块上单片机的VCC口。
本发明一种基于紫外光信标的应急定位系统，其具体工作原理是：
将多个半球形紫外LED阵列以100m～200m的间隔放在需要应急定位的环境中，然后打开所有半球形紫外LED阵列的开关，开启定位网络构建模式即发送数据帧的操作位指令为1。发射端通过调制编码模块对电信号进行编码和调制，再将调制好的信号传给驱动电路，由驱动电路分别驱动半球形紫外LED阵列上的单个紫外光LED节点发送信号。接收端通过光电转换模块接收其他半球形紫外LED阵列所发出的信号，再将接收到的紫外光信号转换为电信号传给解调储存模块，再把角度信息传给信息处理模块来计算距离信息，之后将所有的信息储存下来，构建定位网络。定位网络构建完成后，开启定位模式，此时，需要定位的终端可以半球形紫外LED阵列来接收定位网络中紫外光信标的信息，计算距离，并通过三边定位和四边定位算法来解算目标终端的坐标位置。
本发明一种基于紫外光信标的应急定位方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：调制半球形的紫外LED阵列信号，用于传递当前紫外LED阵列的ID、发射角度和测距信号；LED阵列进行广播通信，发送自身信息和接收其所能接受到所有其他LED阵列的信息，信息储存的解调储存模块中。
1.1、调制编码模块对发送信息进行编码：编码的数据帧格式如图3所示，从帧头起分别为阵列ID、操作、节点ID和发射角度。其中阵列ID是此半球形紫外LED阵列的ID；操作分为1、2和3三种，分别代表组网、定位和空闲；节点ID是此半球形紫外LED阵列中单个紫外LED节点的ID，节点ID从1起依次递增；发射角度是该LED节点在阵列中的发射角度；
1.2、调试编码模块对发送数据帧进行调制：本发明采用光学脉位调制(PPM)调制，PPM调制能提高紫外光信号在自由空间信道传输时的抗干扰能力，并且可以对功率的要求，提升系统的使用寿命。
1.3、调制后的信号脉冲通过信息处理模块的I\O口传输电信号到驱动电路，由驱动电路驱动半球形紫外光LED阵列上的各个紫外光LED节点发送对应的紫外光脉冲信号；
步骤2：应急定位环境中全部的半球形紫外LED阵列进行广播通信，发送由步骤1中调制编码后的信号，并且通过接收模块接收其他半球形紫外LED阵列所发出的信号。此步骤中发送的数据帧中的操作位的数据位1。光电倍增管能够接收自由空间中的紫外光信号，并将其转换为电信号，之后进入信息处理模块中交由解调存储模块来解调信号，得到步骤1中所发送的数据帧，得到数据帧后，信息处理模块读取对应的紫外LED节点发送角度来计算两个半球形紫外LED阵列之间的距离，计算原理为：
紫外光功率在大气中呈现指数衰减，自由空间路径损耗与r2成正比，距离r越大，损耗越大。接收到的能量与r2成反比即
Figure BDA0002765700300000081
大气衰减可表示为
Figure BDA0002765700300000082
探测器的接收增益为
Figure BDA0002765700300000083
综上，直视条件下无线紫外光的接受光功率表达式，如式(1)所示；
Figure BDA0002765700300000084
式中，Pt是发光功率，r是发射端与接收端之间的基线距离，Ke是大气信道衰减系数，Ar为接受孔径面积。
非直视条件下无线紫外光接收光功率表达式，如式(2)所示；
Figure BDA0002765700300000085
式中：r是通信基线距离，Pt是发射功率，Ke是大气信道衰减系数，且Ke＝Ka+Ks，其中Ka是大气吸收系数，Ks是大气散射系数，Ar是接收孔径面积，Ω1是发送立体角，V是有效散射体体积，Ps是散射角θs的相函数。
将式(2)和郎伯函数结合，得到无线紫外光非直视通信模型下的测距公式，如式(3)所示；
Figure BDA0002765700300000086
其中，lambertw是朗伯函数，Pr,NLO表示接收光功率，Pt代表发送光功率，Ar代表接收机孔径面积，Ke表示大气消光系数，Ps表示散射相函数，φ1表示光束发散角，φ2表示接收视场角，r代表距离。式中Pt，Ar，Ke，Ps，φ1，φ2和Ks均为已知量，具体由环境和设备参数决定。接受光功率Pr,NLOS有紫外光接收器测出，θ1、θ2由紫外光LED节点在半球形紫外LED阵列的位置决定。
计算出距离之后，将这个半球形紫外LED阵列所接收到其他紫外LED阵列的信息储存下来，信息包括：编号，距离和发射角度，信息储存在步骤1中的解调储存模块中。
步骤3：以ID为1的紫外LED阵列为坐标系原点，得到整个定位网络中各个紫外LED阵列的位置坐标，构建应急定位环境下的紫外光定位网络，具体为：
从编号为1的半球形紫外LED阵列开始遍历步骤2中所保存的信息，将这些信息写入这个半球形紫外LED阵列的网络表中。＝当所有的半球形紫外LED阵列的网络表都得到后，再通过RIP路由协议，获得整个紫外光定位网络的网络结构。之后根据每个半球形紫外LED阵列中所储存其他半球形紫外LED阵列的角度和距离信息在网络中得到所有半球形紫外LED阵列相对于原点的坐标位置。
网络可以看成是一组顶点V和一组边E组成的无向图G，此网络图由图4中所储存的信息构成，构成的无向网络图如图3所示，当从信标1开始，能够遍历到所有的点并返回到信标1时，则证明网络构建完成，至此，定位网络的构建结束，所有的半球形紫外LED阵列进入定位模式，即在步骤1中的数据帧操作为编码为2。
步骤4：需要定位的目标终端，利用紫外光传感器接收紫外应急定位网络中的紫外光信号强度，选取信号强度前四的紫外光LED进行定位，得到目标终端的位置信息；
在步骤3中定位网络构建完毕后，所有的半球形紫外LED阵列都已经进入定位模式。需要定位的目标终端通过光电倍增管接收空间内全部的紫外光信号，但是只使用紫外光功率排在前四位的半球形紫外LED阵列进行定位，通过光电倍增管接收到的半球形紫外LED阵列信标发出的信息，经过解调后由信息处理模块求出距离信息，然后再对位置信息求解，求解的具体算法如下：
1.如果只进行平面的定位时，四个半球形紫外LED阵列可以有三种不同的组合，对同一个目标终端进行三次三边定位，得到三个定位坐标，再将得到的三个坐标进行均值化。这种算法可以有效提高定位精度。
三边定位法是根据三个不共线的紫外光信标的坐标和目标终端到达信标的各自距离联立方程组求解目标终端的坐标。如图4所示，假设A、B、C三个紫外光信标基站的坐标分别为A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)，目标终端D的位置为(x,y)，通过步骤2中的距离计算公式得到目标终端D与三个紫外光信标的距离分别为d1,d2,d3,故可以得到方程组，如式(4)所示；
Figure BDA0002765700300000101
根据式(4)可得到目标点D的坐标公式，如式(5)所示；
Figure BDA0002765700300000111
当四个信标三个一组对同一个目标点进行三次三边定位之后，会得到三个坐标，分别设为(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，则通过均值化得到的目标点的坐标，如式(6)所示；
Figure BDA0002765700300000112
2.进行空间定位时，使用四边定位法得到需要定位终端的(x,y,z)坐标。四边定位算法原理与三边定位算法相似，只需要得到四个信标的坐标和目标点到四个信标的距离信息，就能够求出三维坐标。如图4所示，设四个信标的坐标为：A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),C(x3,y3,z3),D(x4,y4,z4),待测点M的坐标为：M(x,y,z)。则M的坐标可根据以下公式进行计算，如式(7)所示；
Figure BDA0002765700300000113
本发明一种基于紫外光信标的应急定位方法，将紫外光定位技术与紫外光通信测距技术结合，可以实现无卫星导航信号或弱卫星导航信号情况下的精准定位。扩展了定位导航技术的适用场景，具有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种基于紫外光信标的应急定位方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：调制半球形的紫外LED阵列信号，用于传递当前紫外LED阵列的ID、发射角度和测距信号；
半球形紫外LED阵列的电路包括电源、信息处理模块、发射端和接收端；信息处理模块为单片机，电源连接到信息处理上VCC引脚为整个半球形紫外LED阵列供电；发射端包括驱动电路和发射模块以及调制编码模块，信息处理模块通过I\O口依次连接驱动电路和发射模块；接收端包括光电转换模块以及解调储存模块，信息处理模块通过I\O口与光电转换模块连接；
步骤2：半球形紫外LED阵列进行广播通信，发送由步骤1中调制编码后的信号，并且通过接收模块接收其他半球形紫外LED阵列所发出的信号；此步骤中发送的数据帧中的操作位的数据位1；光电倍增管能够接收自由空间中的紫外光信号，并将其转换为电信号，之后进入信息处理模块中交由解调存储模块来解调信号，得到所发送的数据帧，信息处理模块读取对应的紫外LED节点发送角度来计算两个半球形紫外LED阵列之间的距离；计算出距离之后，将这个半球形紫外LED阵列所接收到其他紫外LED阵列的信息储存下来，信息包括：编号，距离和发射角度，信息储存在解调储存模块中；
步骤3：以ID为1的紫外LED阵列为坐标系原点，得到整个定位网络中各个紫外LED阵列的位置坐标，构建应急定位环境下的紫外光定位网络；
步骤4：需要定位的目标终端，利用紫外光传感器接收紫外应急定位网络中的紫外光信号强度，选取信号强度前四的紫外光LED进行定位，得到目标终端的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于紫外光信标的应急定位方法，其特征在于，所述步骤1中，具体为：
1.1、调制编码模块对发送信息进行编码：从帧头起分别为阵列ID、操作、节点ID和发射角度；其中阵列ID是此半球形紫外LED阵列的ID；操作分为1、2和3三种，分别代表组网、定位和空闲；节点ID是此半球形紫外LED阵列中单个紫外LED节点的ID，节点ID从1起依次递增；发射角度是该LED节点在阵列中的发射角度；
1.2、调试编码模块对发送数据帧进行调制：采用PPM调制；
1.3、调制后的信号脉冲通过信息处理模块的I\O口传输电信号到驱动电路，由驱动电路驱动半球形紫外光LED阵列上的各个紫外光LED节点发送对应的紫外光脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于紫外光信标的应急定位方法，其特征在于，所述步骤3中，具体为：
从编号为1的半球形紫外LED阵列开始遍历步骤2中所保存的信息，将这些信息写入这个半球形紫外LED阵列的网络表中；当所有的半球形紫外LED阵列的网络表都得到后，再通过RIP路由协议，获得整个紫外光定位网络的网络结构；之后根据每个半球形紫外LED阵列中所储存其他半球形紫外LED阵列的角度和距离信息在网络中得到所有半球形紫外LED阵列相对于原点的坐标位置；
网络是一组顶点V和一组边E组成的无向图G，当从信标1开始，能够遍历到所有的点并返回到信标1时，则证明网络构建完成，至此，定位网络的构建结束，所有的半球形紫外LED阵列进入定位模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于紫外光信标的应急定位方法，其特征在于，所述步骤4中，在步骤3中定位网络构建完毕后，所有的半球形紫外LED阵列都已经进入定位模式；需要定位的目标终端通过光电倍增管接收空间内全部的紫外光信号，只使用紫外光功率排在前四位的半球形紫外LED阵列进行定位，通过光电倍增管接收到的半球形紫外LED阵列信标发出的信息，经过解调后由信息处理模块求出距离信息，然后再对位置信息求解。
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