CN207586414U - 一种室内led可见光定位系统及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型本实用新型公开了一种室内LED可见光定位系统及装置，属于可见光通信技术领域。其系统包括发送端和移动定位终端；发送端，其包括同步模块、定位帧形成模块、信号调制模块、LED驱动模块和LED光源阵列；移动定位终端，其包括激光测距模块、滤波及光电转换模块、信号处理及解码模块、基站优选模块、相位测量模块和定位计算模块；其装置包括发送端装置和移动定位装置；本实用新型可用于机器人、移动定位终端等在室内环境下的定位应用。

Description

一种室内LED可见光定位系统及装置

技术领域

本实用新型涉及可见光通信技术领域，特别是一种室内LED可见光定位系统及装置。

背景技术

基于LED的可见光通信定位技术具有室内覆盖广、节能、安全、布设简单、成本低、电磁兼容性好等突出优点。目前实现可见光室内定位的技术主要主要有基于接收可见光信号强度指示法、基于频分多址定位方法、成像法和指纹识别法。目前定位精度较高的室内可见光定位方法均需要直接测距，通过测量基站LED光源与待定位目标点连线的距离，由几何关系计算出待定位点的位置信息，但在室内环境下由于信号多径反射、发光强度波动、对信号光的遮挡都会严重影响定位精度的提高。基于时钟同步的测距方法理论上可以大幅提高定位精度，但目前基于时钟同步的室内LED可见光定位方法尚未有具体的实施办法，主要原因是实现基站和待定位目标点的严格时钟同步技术上复杂且成本过高。

发明内容

本实用新型的发明目的是，针对上述问题，提供一种室内LED可见光定位系统及装置，本实用新型针对现有的室内LED可见光定位技术存在的测距精度不高、室内光信号多径反射干扰及LED光源发光强度波动影响等问题，提出了一种基于LED光源的时分多址室内定位方法，此方法利用时分多址技术发送各基站LED光源信标，通过发送端时钟同步结合相位测量方法进行高精度测距，从而实现室内环境下的三维高精度可见光定位。本实用新型可用于机器人、移动定位终端等在室内环境下的定位应用。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种室内LED可见光定位方法，其特征在于：包括如下步骤

S1：室内设置LED光源并作为基站，分别对LED光源进行编码，使每个LED光源具有唯一的信标编码；

S2：通过LED光源的定位帧形成模块生成定位帧，所述定位帧包括测距脉冲、信标编码和坐标数据，所述测距脉冲包括前导码和周期脉冲，通过时分多址技术发送定位帧信号到定位终端；

S3：定位终端接收定位帧信号，定位终端解码定位帧信号后获取LED光源坐标、信标编码、时延差；

S4：利用双曲线定位算法确定待定位目标的坐标；

S5：通过相位法对待定位目标的坐标进行修正。

基于上述方法，每一个定位帧包括测距脉冲、信标编码和坐标数据三个字段，测距脉冲包含前导码和设定的周期脉冲，周期脉冲用于初步测定与两个基站的距离差，前导码包含定位帧每个字段的起止位置；定位帧实现了多种类型信息的统一传送，三个字段均提供了定位系统功能扩充的数据空间；定位帧的发送由同步装置控制，同一时隙只能有一个基站发送定位帧，定位帧发送时间间隔ΔΤ根据室内面积及空间尺度确定，这样可以有效降低多址干扰；所有基站发送的测距脉冲周期完全相同、信标编码各不相同；定位终端对接收到的定位帧进行解码，得到所收到的信号所属基站、坐标及其它信息。定位终端通过对比接收到的基站信号质量，优选出适用于定位的多个基站，优选中还须排除不能用于双曲线定位的基站、定位误差大的基站及多基站共线的情况，计算出这些基站中任两个到达信号的时间差，从而初步确定距离差。测量选定基站中任两个基站测距脉冲信号到达时的相位差，可求得相对应的距离差。由于相位法只能测量小于一个周期的相位差，会产生周期整数的误差，会产生多值问题，通过对比测距脉冲得到的初步测定距离差，可以进行多值性消除，从而得到比较精确的距离差。用相位法精测，得到比一般脉冲法更精确的测距结果。

进一步的，步骤S3中所述时延差为各基站到待定位终端的时间差。

进一步的，步骤S4中所述双曲线定位算法的双曲线是以两基站距离之差为常量的一动点轨迹，并以这两定点为焦点而形成的双曲线。

进一步的，步骤S5中所述相位差方法为相位-电压转换法。

一种室内LED可见光定位系统，包括

发送端，其包括同步模块、定位帧形成模块、信号调制模块、LED驱动模块和LED光源阵列；所述定位帧形成模块设置和储存各个LED光源所对应的定位帧，所述信号调制模块与 LED驱动模块完成定位帧信号转换为可见光脉冲数字序列，每个LED光源分配唯一的信标编码；同步模块为各模块提供精准的时间基准，使各个模块协同工作，保证各个LED光源按照设定的时间间隔在分配的时隙周期地发送自己的定位帧；以及

移动定位终端，其包括激光测距模块、滤波及光电转换模块、信号处理及解码模块、基站优选模块、相位测量模块和定位计算模块；滤波及光电转换模块通过光滤波薄膜过滤杂散光对接收信号的影响，信号处理及解码模块对接收到的定位帧进行识别，得到所对应光源的编码、坐标、相对时延差等信息；通过基站优选模块排除信号质量差、多径效应影响明显、不能用于双曲线定位的基站及多基站共线情况的LED光源；相位测量模块对优选出的LED光源所发射的测距脉冲进行处理，得到它们之间的相位差和对应的时延差，从而对定位计算模块初步测量的距离差进行修正；定位计算模块完成对优选光源的距离差的初测和修正，利用定位计算模块得出的位置坐标。

进一步的，所述LED光源阵列设置于室内吊顶平面，非共线LED光源数量大于等于3个。

进一步的，定位计算模块定位中算法包括最小二乘法、卡尔曼滤波法和粒子滤波法。

一种室内LED可见光定位装置，包括

发送端装置，其设置在室内平面天花板上，其包括其包括同步模块、定位帧形成模块、信号调制模块、LED驱动模块和LED光源阵列；所述LED光源阵列通过所述LED驱动模块与所述信号调制模块连接，定位帧形成模块与所述定位信号调制模块连接，同步模块分别与所述定位帧形成模块、信号调制模块、LED驱动模块连接；以及

移动定位装置，其设置在所述发送端装置下方，其包括激光测距模块、滤波及光电转换模块、信号处理及解码模块、基站优选模块、相位测量模块和定位计算模块；所述定位计算模块分别与所述激光测距模块、基站优选模块连接，所述基站优选模块通过信号处理及解码模块与所述滤波及光电转换模块连接；所述定位计算模块还通过相位测量模块与所述基站优选模块连接；所述激光测距模块和滤波及光电转换模块均设置在所述移动定位装置上方，所述滤波及光电转换模块包括透镜组及滤波薄膜。

进一步的，所述LED光源阵列呈蜂窝结构分布在室内平面天花板上。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型基于时分多址、可见光视距传播，故信号间的干扰小，系统可靠性高；

2.本实用新型不需要收发设备间的同步，避免了复杂的同步装置带来的系统稳定性和成本问题；

3.本实用新型构造统一的定位帧结构包含测距脉冲、信标编码和坐标数据三个字段，测距脉冲包含前导码和设定的周期脉冲，实现了多种类型信息的统一传送，并提供了定位功能扩充的空间；

4.本实用新型采用时分多址及发送端同步方法进行时差测量，得到的距离差又通过相位法进行修正，极大地提高了距离差的测量精度，从而有效地提高了定位精度；

5.本实用新型采用激光测距法精确测定室内高度，减少了一个维度的变量计算，提高了双曲线定位的计算效率，同时实现了三维定位的功能；

6.本实用新型可以根据室内空间的大小调节测距脉冲周期T的大小，提高相位法测距的测量范围和测量精度；本实用新型设计的视距传播的照明环境可大幅降低多径效应的影响；

7.本实用新型优选出适用于定位的多个基站的方法一方面减少了定位计算的工作量，更重要的是排除了信号传输质量差的光源对最后定位结果的不利影响，也排除了不能用于双曲线定位的基站、定位误差大的基站及多基站共线的情况；

8.本实用新型的定位计算模块，对于多个位置计算的结果，可以根据定位系统的不同工作环境，选择采用诸如最小二乘法、卡尔曼滤波法或粒子滤波法等适当方法得出精度优化的定位结果。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图。

图2是本实用新型的定位帧。

图3是本实用新型的相位-电压转换法结构图。

图4是本实用新型的相位-电压转换法各点波形图。

图5是本实用新型的装置结构图。

附图中，1-发送端、2-移动定位终端、1a-发送端装置、2a-移动定位装置、11-同步模块、 12-定位帧形成模块、13-信号调制模块、14-LED驱动模块、15-LED光源阵列、21-激光测距模块、22-滤波及光电转换模块、23-信号处理及解码模块、24-基站优选模块、25-相位测量模块、26-定位计算模块、141-测距脉冲、142-信标编码、143-坐标数据、251-微分电路、252- 鉴相器、253-低通滤波器、3-平面天花板。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

如图1所示，一种室内LED可见光定位系统，包括发送端1和移动定位终端2；

发送端1，其包括同步模块11、定位帧形成模块12、信号调制模块13、LED驱动模块14和LED光源阵列15；定位帧形成模块12设置和储存各个LED光源所对应的定位帧，信号调制模块13与LED驱动模块14完成定位帧信号转换为可见光脉冲数字序列，每个LED光源分配唯一的信标编码；同步模块11为各模块提供精准的时间基准，使各个模块协同工作，保证各个LED光源按照设定的时间间隔在分配的时隙周期地发送自己的定位帧；以及

移动定位终端2，其包括激光测距模块21、滤波及光电转换模块22、信号处理及解码模块23、基站优选模块24、相位测量模块25和定位计算模块26；滤波及光电转换模块22通过光滤波薄膜过滤杂散光对接收信号的影响，信号处理及解码模块23对接收到的定位帧进行识别，得到所对应光源的编码、坐标、相对时延差等信息；通过基站优选模块24排除信号质量差、多径效应影响明显、不能用于双曲线定位的基站及多基站共线情况的LED光源；相位测量模块25对优选出的LED光源所发射的测距脉冲141进行处理，得到它们之间的相位差和对应的时延差，从而对定位计算模块26初步测量的距离差进行修正，提高对距离差的测量精度；激光测距模块21完成对室内高度的精确测量，以减少定位计算工作量，提高定位速度。定位计算模块26完成对优选光源的距离差的初测和修正，利用定位计算模块26得出的位置坐标。定位计算模块定位算法包括最小二乘法、卡尔曼滤波法和粒子滤波法。定位算法原理如下:

设作为基站的LED光源的坐标为S_i(x_i，y_i，z_i)，待定位点的坐标为L(x，y，z)，r_i为S_i到L的距离，d_ij为r_i到r_j的距离差，则有:

r_i ²＝(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²

＝x_i ²+y_i ²+z_i ²-2(x_ix+y_iy+z_iz)+x²+y²+z²

＝k_i-2(x_ix+y_iy+z_iz)+x²+y²+z²

由d_ij＝r_i-r_j

r_i ²＝d_ij ²+2d_ijr_j+r_j ²得如下线性方程组:

(x_j-x_i)x+(y_j-y_i)y+(z_j-z_i)z-d_ijr_j＝(d_ij ²-k_i+k_j)

其中x、y、z、r_j为未知变量，由四个及以上的选定基站即可求解出。本实用新型由于通过激光测距模块对室内高度h进行了测量，故只需要三个及以上的选定基站即可。以上表达式变为：

(x_j-x_i)x+(y_j-y_i)y-d_ijr_j＝(d_ij ²-k_i+k_j)

k_i＝x_i ²+y_i ²+h²

r_j ²＝k_j-2(x_jx+y_jy)+x²+y²。

一种室内LED可见光定位方法，其特征在于：包括如下步骤

S1：室内设置LED光源并作为基站，分别对LED光源进行编码，使每个LED光源具有唯一的信标编码；非共线LED光源数量为3个。

S2：通过LED光源的定位帧形成模块生成定位帧，定位帧包括测距脉冲141、信标编码 142和坐标数据143，测距脉冲141包括前导码和周期脉冲，通过时分多址技术发送定位帧信号到定位终端；

如图2所示,每一个定位帧包含测距脉冲141、信标编码142和坐标数据143三个字段，测距脉冲141包含前导码和设定的周期脉冲，周期脉冲用于初步测定与两个基站的距离差,前导码包含定位帧每个字段的起止位置。定位帧实现了多种类型信息的统一传送，三个字段均提供了定位系统功能扩充的数据空间。定位帧的发送由同步装置控制,同一时隙只能有一个基站发送定位帧，定位帧发送时间间隔ΔΤ根据室内面积及空间尺度确定ΔΤ>(a²+b²+h²)^1/2/c, 其中a为室内长度、b为室内宽度、h为室内高度，c为光速,这样可以有效降低多址干扰。

S3：定位终端接收定位帧信号，定位终端解码定位帧信号后获取LED光源坐标、信标编码、时延差；时延差为各基站到待定位终端的时间差。这样不需要基站LED光源与待定位目标端之间同步，只需要基站各个LED光源间时钟同步即可，这样大为降低了定位系统实现的技术难度。

S4：利用双曲线定位算法确定待定位目标的坐标；双曲线定位算法的双曲线是以两基站距离之差为常量的一动点轨迹，并以这两定点为焦点而形成的双曲线。

以丙两基站距离之差为常量的一动点轨迹，是以这两定点为焦点的双曲线。用移动终端设备测出两个定位参考点S₀、S₁的距离差d₁，得到一条双曲线,同时测出到两个定位参考点S₀、 S₂的距离差d₂，就得到另一条双曲线，两条双曲线的交点即是移动终端测量时的位置。

S5：通过相位法对待定位目标的坐标进行修正。相位差方法为相位-电压转换法。

如图3和图4所示，u₁和u₂为频率相同、相位差的两个被测脉冲信号，经微分电路251 微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，鉴相器252为非饱和型高速双稳态电路，被这两组负脉冲所触发，输出周期为T，宽度为T_A的方波，若方波幅度为U_g，则用低通滤波器253将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，此方波的平均值即直流分量为:Uo＝Ug×T_A/T，T 为测距脉冲141信号的周期，T_A由两信号的相位差决定，即T_A＝φ×T/360，相位差φ＝360×U_o/U_g。测距脉冲141的一个周期T对应的距离差为c/T，相位差φ对应的距离差为c/T_A，可以通过调节测距脉冲141周期T的大小，提高测量精度。

如图5所示，一种室内LED可见光定位装置，包括发送端装置1a和移动定位装置2a；

发送端装置1a，其设置在室内平面天花板上，其包括同步模块11、定位帧形成模块12、信号调制模块13、LED驱动模块14和LED光源阵列15；LED光源阵列15通过LED驱动模块14与信号调制模块连接13，定位帧形成模块12与定位信号调制模块13连接，同步模块11 分别与定位帧形成模块12、信号调制模块13、LED驱动模块14连接；LED光源阵列15呈蜂窝结构分布在室内平面天花板3上。

移动定位装置2a，其设置在发送端装置1a下方，其包括激光测距模块21、滤波及光电转换模块22、信号处理及解码模块23、基站优选模块24、相位测量模块25和定位计算模块26；定位计算模块26分别与激光测距模块21、基站优选模块24连接，基站优选模块24通过信号处理及解码模块23与滤波及光电转换模块22连接；定位计算模块26还通过相位测量模块25与基站优选模块24连接；激光测距模块21和滤波及光电转换模块22均设置在移动定位装置2a上方，滤波及光电转换模块22包括透镜组及滤波薄膜。移动定位装置2a与发送端装置1a通过无线方式传输。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.一种室内LED可见光定位系统，其特征在于：包括

发送端，其包括同步模块、定位帧形成模块、信号调制模块、LED驱动模块和LED光源阵列；所述定位帧形成模块设置和储存各个LED光源所对应的定位帧，所述信号调制模块与LED驱动模块完成定位帧信号转换为可见光脉冲数字序列，每个LED光源分配唯一的信标编码；同步模块为各模块提供精准的时间基准，使各个模块协同工作，保证各个LED光源按照设定的时间间隔在分配的时隙周期地发送自己的定位帧；以及

移动定位终端，其包括激光测距模块、滤波及光电转换模块、信号处理及解码模块、基站优选模块、相位测量模块和定位计算模块；滤波及光电转换模块通过光滤波薄膜过滤杂散光对接收信号的影响，信号处理及解码模块对接收到的定位帧进行识别，得到所对应光源的编码、坐标、相对时延差等信息；通过基站优选模块排除信号质量差、多径效应影响明显、不能用于双曲线定位的基站及多基站共线情况的LED光源；相位测量模块对优选出的LED光源所发射的测距脉冲进行处理，得到它们之间的相位差和对应的时延差，从而对定位计算模块初步测量的距离差进行修正；定位计算模块完成对优选光源的距离差的初测和修正，利用定位计算模块得出的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种室内LED可见光定位系统，其特征在于：所述LED光源阵列设置于室内吊顶平面，非共线LED光源数量大于等于3个。

3.根据权利要求1所述的一种室内LED可见光定位系统，其特征在于：定位计算模块定位中算法包括最小二乘法、卡尔曼滤波法和粒子滤波法。

4.一种室内LED可见光定位装置，其特征在于：包括

发送端装置，其设置在室内平面天花板上，其包括其包括同步模块、定位帧形成模块、信号调制模块、LED驱动模块和LED光源阵列；所述LED光源阵列通过所述LED驱动模块与所述信号调制模块连接，定位帧形成模块与所述定位信号调制模块连接，同步模块分别与所述定位帧形成模块、信号调制模块、LED驱动模块连接；以及

移动定位装置，其设置在所述发送端装置下方，其包括激光测距模块、滤波及光电转换模块、信号处理及解码模块、基站优选模块、相位测量模块和定位计算模块；所述定位计算模块分别与所述激光测距模块、基站优选模块连接，所述基站优选模块通过信号处理及解码模块与所述滤波及光电转换模块连接；所述定位计算模块还通过相位测量模块与所述基站优选模块连接；所述激光测距模块和滤波及光电转换模块均设置在所述移动定位装置上方，所述滤波及光电转换模块包括透镜组及滤波薄膜。

5.根据权利要求4所述的一种室内LED可见光定位装置，其特征在于：所述LED光源阵列呈蜂窝结构分布在室内平面天花板上。