一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法

摘要

一种基于双探测器的区域外可见光定位方法，包括以下步骤：1)发送端处理器驱动多个LED，每个LED发送经过调制的可见光信号；2)光探测器A和光探测器B同时接收并解调步骤一中LED发出的可见光信号，并提取相关信息；3)根据提取的相关信息，使用朗勃辐射模型列二次方程组；4)最后用最小二乘法实时解算位置坐标。本发明提出的方法与现有室内定位方法相比，不仅可在LED区域内实现定位，最主要的可以实现区域外定位；2.本发明提出的方法简单易行，便于实现；无论区域内外，只需要3个或3个以上LED能覆盖的地方就可以实现区域内外的定位；极大的减少了所需要的LED数目，节约了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法，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，所以没有电磁辐射，不受应用环境的限制；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，已有较多的二维室内定位方法，但是定位区域受限于LED阵列的分布，只能实现LED阵列内部的定位。比如在2015年3月《灯与照明》第39卷第一期第34页发表的《室内可见光若干关键技术的比较研究》中，迟楠等人对可见光室内定位技术进行了总结分析。在目前所提到的非成像的高精度定位方法中。普遍采用基于RSSI的三角定位的方法，该方法是对LED所覆盖区域内进行定位。如果对LED区域外的位置进行定位，需要铺设更多的LED，增加了系统成本。

发明内容

本发明的目的是为解决现有可见光室内定位只能在由LED组成的区域内部进行定位、无法实现区域外定位的问题，提出一种基于双探测器的区域外可见光定位方法。

本发明的核心思想为：利用位置已知的基站探测器接收到LED信号的强度来标定LED的光强度以及基准距离，再通过求解光照度辐射模型建立位置未知的移动台探测器的二次方程组，得到移动台探测器的位置，即实现室内可见光定位。

本发明提出的一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法，包括以下步骤：

步骤一、发送端处理器驱动多个LED，每个LED发送经过调制的可见光信号；

其中，所述LED具体特征为符合朗勃辐射体辐射模型以及数量为n，n大于等于3；

其中，所述的调制后的可见光信号速率满足条件为人眼看不到闪烁；

步骤二、光探测器A和光探测器B同时接收并解调步骤一中LED发出的可见光信号，并提取相关信息；

所述光探测器A为基站探测器，其具体位置已知；

光探测器B为移动台探测器，其具体位置未知，且其位置为所求；

所述的提取相关信息的具体内容包括LED的ID以及接收到的各个LED信号的强度；

步骤三、根据步骤二中提取的相关信息列方程组，具体过程如下：

根据朗勃辐射体光照度分布公式，光探测器A或光探测器B接收到的LED的光照度P为：

其中,P₀为LED发光功率，表示是LED和光探测器之间的辐射角度，假设定位区域内的n个LED各自对应的光探测器A的角度分别记为：各LED对应光探测器B的角度分别记为：d_i是LED与光探测器之间的距离，探测器A距离n个LED距离分别为d_A1，d_A2……d_An；光探测器B距离n个LED距离分别为d_B1，d_B2，……，d_Bn；A是光探测器的有效面积，θ是光入射到光探测器接收面时的角度；为LED光源的半功率角，

P为光探测器A或光探测器B接收到的LED信号强度，其中，光探测器A接收到的n个LED的信号强度分别为P_A1，P_A2，……，P_An；光探测器B接收到的n个LED的信号强度分别为P_B1，P_B2，……，P_Bn；

可以得到光探测器A接收到的LED信号与LED距离d的关系：

$d=\sqrt[(m+3)]{\frac{P_0}{P_1}\left(\frac{(m+1){\mathrm{Ah}}^{(m+1)}}{2\pi }\right)}---\left(2\right)$

式中，m是LED本身的朗勃数，为已知量；除了d和P₁会随光探测器A位置不同而变化外，其余皆与光探测器A位置无关，为常量；

将光探测器A及光探测器B接收的第n个LED信号强度带入式(2)中，得到式(3)

$\frac{d_{An}}{d_{Bn}}=\sqrt[m+3]{\frac{P_{Bn}}{P_{An}}}---\left(3\right)$

将(3)式进行变换，可以得到移动台探测器与第n个LED距离如式(4)

$d_{Bn}=\frac{d_{An}}{\sqrt[m+3]{\frac{P_{Bn}}{P_{An}}}}=d_{An}\sqrt[m+3]{\frac{P_{An}}{P_{Bn}}}---\left(4\right)$

根据两点间的距离公式，设移动台探测器所处的坐标为(x,y),则

$\left(\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2=d_1\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2=d_2\\ ?\\ {(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2=d_n\end{array}\right)---\left(5\right)$

步骤四、用最小二乘法解步骤三中的方程组(5)，求得的(x,y)即移动台探测器所处的坐标。

有益效果

本发明一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法采用两个光探测器进行定位，其中一个为基站探测器，另一个为移动台探测器；并使用朗勃辐射模型列二次方程组实时解算位置坐标，具有如下有益效果：

1.本发明提出的方法与现有室内定位方法相比，不仅可在LED区域内实现定位，最主要的可以实现区域外定位；

2.本发明提出的方法简单易行，便于实现；无论区域内外，只需要3个或3个以上LED能覆盖的地方就可以实现区域内外的定位；极大的减少了所需要的LED数目，节约了成本。

附图说明

图1为本发明一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法及实施例1的流程图；

图2为本发明一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法及实施例2中所依托的定位系统场景示意图；

图3为本发明一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法实施例2中使用的系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明一种基于双探测器区域外的可见光定位方法进行详细说明。

实施例1

采用本发明所述方法实现室内区域外可见光定位，图1为本发明及实施例一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法的流程图。

如图1所示，发送端处理器驱动三个LED，记为LED_A,LED_B,LED_C；每个LED发送经过调制的可见光信号；基站探测器和移动台探测器同时接收并解调LED发出的可见光信号，分别得到每个LED的光照度，分别记为P_A1,P_A2,P_A3,P_B1,P_B2,P_B3。再根据步骤三中的公式(4)可以求得每个LED与移动台探测器之间的距离，如下：

$d_{B1}=\frac{d_{A1}}{\sqrt[m+3]{\frac{P_{B1}}{P_{A1}}}}=d_{A1}\sqrt[m+3]{\frac{P_{A1}}{P_{B1}}}$

$d_{B2}=\frac{d_{A2}}{\sqrt[m+3]{\frac{P_{B2}}{P_{A2}}}}=d_{A2}\sqrt[m+3]{\frac{P_{A2}}{P_{B2}}}$

$d_{B3}=\frac{d_{A3}}{\sqrt[m+3]{\frac{P_{B3}}{P_{A3}}}}=d_{A3}\sqrt[m+3]{\frac{P_{A3}}{P_{B3}}}$

本实施例中步骤三的LED本身的已知量朗勃数m＝18，基站探测器即光探测器A与LED的距离d_A1,d_A2,d_A3带入上述3个公式，可以求得d_B1,d_B2,d_B3；再将d_B1,d_B2,d_B3带入步骤三中的方程组(5)可以求得探测器B所在位置坐标(x,y)。

实施例2

如附图2所示为本实施例一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法所依托的定位系统示意图；本实施例依托的定位系统采用三个LED发送信号并由探测器接收进行定位，LED两两相距0.7m形成等边三角形，用LED_A,LED_B,LED_C分别表示；驱动电路为白光LED提供合适的直流偏置，并把发送信号调制在白光LED的驱动电流上；相比于区域内定位系统(仅能定位正三角形内部区域)，在发射部分仅需要部署其中一个区域所需要的LED数目就可以实现定位，极大减少了系统所需LED数量；

白光LED将调制后的信号以可见光形式发射出去；

两个光电探测器同时进行光照度接收，其中基站探测器位置已知，且该位置可在水平面内任意位置；移动台探测器则是需要定位的探测器；两个探测器只需要接收并识别三个LED发出来的信号，相比于区域内定位系统中探测器需要接收并识别所有LED发出的信号，实现方法简单；

探测器接收的光照度信号传输至上位机，上位机可以是电脑或者手机或者其他带运算处理功能的智能模块，上位机同时接收至少两个探测器发送的信息，然后通过所述定位方法计算出光探测器坐标，并实时显示坐标和图像信息。

定位效果：在定位平面内随机取点，取到的点的位置如下表1所示：

表1 本发明方法定位结果

本发明方法的横坐标定位结果：x(单位：m)本发明方法的纵坐标定位结果：y(单位：m)0.66000.01000.98000.02000.66000.24001.10000.5700

附图3中的坐标分别为(0.7,0)，(1,0)，(0.7,0.25)，(1.1，0.6)，定位结果，即表1中的数据为(0.66，,0.01)，(0.98,0.02)，(0.66,0.24)，(1.10,0.57)，距离单位为米，可以看到，其定位误差在十厘米之内。而其他定位方法无法在上述坐标定位，即因此没有对比结果，所以未体现在本实施例的图或表中。

以上所述的实施例为本发明一种基于双探测器的区域外可见光室内定位方法的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。该实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；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。

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。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。