基于可见光信号强度的三维空间室内定位方法

摘要

本发明涉及一种基于可见光信号强度的三维空间室内定位方法，属于可见光通信技术领域。本发明首先根据帧头的强度信息，利用接收器接收到LED信号的帧头强度，采用建立指纹库方式确定光探测器的高度信息Z；然后利用RSS测量法确定水平信息X和Y。方法简单易行，便于实现，不需要增添新的传感器，在保持原有二维可见光定位系统硬件基础上实现高度坐标的定位，从而实现室内空间定位的目标。与纯指纹库的室内空间定位方法相比，大量减少了整个过程的计算量，提高定位速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可见光信号强度的三维空间室内定位方法，属于可见光通信技术领域。

背景技术

基于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术的室内定位方案由于利用白色半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发射的白光作为定位信号的载体，抗电磁辐射能力强，并且VLC的传输信道一般采用直射信道，多径干扰比较小，所以该定位方案可以达到比较高的精度；另外，基于VLC技术的室内定位系统与未来的VLC通信技术相兼容，因此不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低。目前已有较多的二维的室内定位方法，对于某些应用场景，需要知道三维坐标，已有专利申请号：2014100670588的专利：“基于接收器方向的室内可见光三维定位系统及方法”给出了一种基于接收信号角度进行定位的装置和方法，但这些方法也有一定的缺陷，首先需要附加的传感器，此外对于光探测器的角度增益要求较高，对于更换不同的光探测器后算法本身也需要修改，缺少方便性。专利申请号CN201410299901的专利给出了一种室内三维定位的方法，但是该方法使用全指纹库，每次定位均需要对室内所有粒子进行比对及计算，增加了计算冗余量，降低了定位速度。

发明内容

本发明的目的是为解决现有室内3D定位需要加入其他传感器的问题，提出一种基于可见光信号强度的三维空间室内定位方法，利用接收器接收到LED信号的帧头强度来确定物体的高度信息，通过不同LED的强度信息来确定平面位置信息。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案具体包括以下步骤：

步骤一，发送端处理器驱动多个LED(LED的数量不小于三个)发送经过调制的可见光信号，调制后的可见光信号速率满足条件为人眼看不到闪烁。各个LED发送的可见光信号均由帧头和帧数据组成，所有LED的帧头特征均为多个方波，且所有LED同步发送帧头，所述帧数据为LED自身的位置(ID)信息，不同LED分别在不同时隙内发送帧数据。

所述LED符合朗勃辐射体辐射模型，当LED分布确定时，在同一高度水平面的辐照度(即多个LED叠加的光强度)分布在一确定范围(光强度区间)内波动。所述高度为从地面起至LED所在高度之间的任一高度。

步骤二，接收端的光探测器对可见光信号进行采样，提取并记录帧头幅度值信息，将幅度值信息和可见光信号传输至FPGA，FPGA将可见光信号进行缓存后传输至上位机。所述上位机为手机或者计算机。

所述幅度值信息表征了光探测器接收到的光强度信息。帧头幅度值信息代表多个LED叠加后的光强度信息。光探测器在不同高度处接收到的帧头幅度值信息不同。

步骤三，在上位机中对接收到的可见光信号进行解码，所述解码过程分为两部分：识别帧头；提取帧数据并记录帧数据幅度值信息。所述帧数据幅度值代表不同LED的光强度信息。

所述识别帧头是指在上位机中根据帧头的方波特征将帧头从可见光信号中识别出来，所述提取帧数据是指提取不同LED的ID信息，根据不同LED的帧数据幅度值所表征的光强度信息，将LED光强度信息分别记为P_A、P_B、P_C……(其中P_A、P_B、P_C分别为编号A、B、C 的LED光强度)。

步骤四，在上位机中根据接收到的可见光信号对光探测器进行三维定位计算，具体方法为：

步骤4.1，按照高度进行分层，分层方法为：每个高度层为同一高度水平面，且相邻两层光强度区间内不重叠，设定相邻的较高一层高度层的最低光强度值等于较低的高度层的最高光强度值，使得光强度区间连续。

高度层之间的间距与光强度值在高度层上的波动大小相关，当某个高度层的光强度值波动越大，则其与相邻较高一层的间距越大，定位精度越低；当某个高度层的光强度值波动越小(即光强度值分布均匀性好)，则其与相邻较高一层的间距越小，定位精度越高。

记录每个高度层光强度的最高值和最低值来建立“指纹库”。将光探测器接收的光强度与“指纹库”进行比对，当光探测器接收光强度在某高度层的最高值和最低值之间时，则将该高度层的高度作为光探测器的高度；当光探测器接收光强度等于某高度层的最高值时，则以该高度层或者与之相邻的较高一层高度层的高度作为光探测器的高度。至此获取到光探测器的高度信息,作为三维坐标中的Z坐标。

所述“指纹库”为同时储存高度层高度和该高度层对应的光强度最高值、最低值的数据库。

步骤4.2，在步骤4.1获取到光探测器高度信息之后，采用基于接收信号强度(RSS)测量法来确定光探测器的XY坐标，具体方法为：根据朗勃辐射体模型，光由一个编号A的LED发出后到达光探测器的信道增益为

其中，表示是该LED和光探测器之间的辐射角度，d_A是该LED 与光探测器之间的距离，A是光探测器的有效面积，θ是该LED发出的光入射到光探测器接收面时的角度。为该LED的半功率角，变量

编号A的LED发出的光在传输过程中有损耗，光探测器接收到该LED的光强度P_A为该LED发光功率与该LED到达光探测器的信道增益乘积：

其中P₀为提前测量得到的该LED发光功率，h_A为光探测器距离编号A的LED的竖直距离。由公式(2)算出d_A：

$d_A=\sqrt[(m+3)]{\frac{P_0}{P_A}\left(\frac{(m+1)A{h_A}^{(m+1)}}{2\pi }\right)}---\left(3\right)$

其中h_A由步骤4.1求得的高度信息推得，公式为

h_A＝H_A-Z   (4)

其中H_A是编号A的LED距地面的高度。Z是步骤4.1中所述的光探测器三维Z坐标。

与编号A的LED同理，按照公式(3)(4)求得光探测器距离各个LED的距离d_B、d_C……(d_B、d_C分别为编号B、C的LED与光探测器的距离)。由几何知识可知，光探测器距离编号A的LED在探测器所在水平面投影中心的距离r_A为：

$r_A=\sqrt{{d_A}^2-{h_A}^2}---\left(5\right)$

按公式(5)所述方法，求得光探测器距离各个LED在探测器所在水平面投影中心的距离为r_B、r_C……。

步骤4.3，根据步骤三中提取的LED的ID信息求出了LED的坐标，再利用三圆相交的方法确定光探测器所在水平面上的位置坐标X和Y。所述三圆相交的方法具体为：以其中任意三个LED在水平面上的投影中心为圆心，以公式(5)求得的光探测器分别与三个LED在探测器所在水平面投影中心的距离为半径画圆，三个圆相交的位置为光探测器所在位置，从而得出光探测器所在水平面上的位置坐标X和Y。

至此，完成基于可见光信号强度的三维空间室内定位。

有益效果

本发明首先根据帧头的强度信息，采用建立指纹库方式确定光探测器的高度信息Z；然后利用RSS测量法确定水平信息X和Y。方法简单易行，便于实现，不需要增添新的传感器，在保持原有二维可见光定位系统硬件基础上实现高度坐标的定位，从而实现室内空间定位的目标。与纯指纹库的室内空间定位方法相比，大量减少了整个过程的计算量，提高定位速度。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为具体实施方式中三圆相交得到定位点示意图；

图3为具体实施方式中三维定位系统的工作原理框图；

图4为具体实施方式中接收端接收信号波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行详细说明。以下实施例对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对 于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

采用本发明所属方法实现物体的室内三维定位，构建基于可见光信号强度的三维空间室内定位系统。系统包括可见光下行发送模块；VLC定位模块。其中，光探测器安装在待定位的物体上。基于可见光信号强度的三维空间室内定位系统的工作原理如图3所示。

可见光下行发送模块包括：下行发送处理器，驱动电路和多个白光LED(本实施例为3个)；

下行发送处理器采用单片机或FPGA，用来产生白光LED发送的信号帧，该信号帧包含了可见光LED在室内的位置信息；

驱动电路为白光LED提供合适的直流偏执，并把发送信号调制在白光LED的驱动电流上；

白光LED将调制后的信号以可见光形式发射出去。

定位模块包括：VLC定位接收器,光探测器，上位机；

VLC定位接收器含有VLC定位数据采集单元、计算单元和通信接口。VLC定位数据采集单元和计算单元通过光探测器把接收到的可见光信息转换成电信号，通过AD采集到FPGA，将数据转换格式后发送至上位机，上位机接收到的信号如图4所示，上位机可以是电脑或者手机，然后根据不同LED的信号强度，通过如图1所述定位方法计算出光探测器的三维空间坐标，并实时显示坐标和图像信息；其中，图2为通过三圆相交的方式得到光探测器在水平面上的位置坐标X和Y的示意图。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。