基于到达角估计器的光源位置估计系统及估计方法

摘要

本发明公开了一种基于若干个到达角估计器的光源定位方法，包括光源信号的接收，到达角估计器的结构设计以及接收信号的处理。每个到达角估计器由多个不同法向的光电二极管构成，可以利用不同光电二极管接收光信号的差异来估计光的来向，传统的光定位方案是通过接收多个已知位置的光源的信号，来对某个目标进行定位，而光源位置已知的假设在某些情况下是不成立的。因而本发明提出在室内的场景下，可以利用前面提及的到达角估计器对光源进行快速定位。本发明可以与传统的光定位方案形成有效的互补，而且和激光测距仪之类的传统位置测量方法相比，本方案简单高效。

说明书

技术领域

本发明涉及无线光定位技术领域，特别是涉及利用到达角估计方式的定位系统。

背景技术

传统的无线光定位算法假设光源坐标已知，然后通过接收机的测量值和光源坐标进行定位。光源位置存储在光源位置数据库中。然而实际环境中，光源坐标通常难以获取，或者获取成本很高。这是因为光源通常位置较高，测量不易；且光源所在的建筑物可能会由于温度和湿度的变化以及材料的老化，产生形变，从而引起光源的位置坐标的不确定性。因此，定期对光源的位置坐标数据库进行更新是很有必要的。传统的常用坐标测量方式是利用激光测距仪测量光源到建筑物的各个面的距离，从而确定光源在空间中的坐标。但是这种做法需要将激光测距仪的光线对准目标，而且当需要测量的目标的数量较多时，这种做法将会变得费时费力。因而有必要提出快速高效的光源位置的估计方法，用来构建可见光定位系统的光源位置数据库。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于到达角估计器的光源位置估计系统，能够提高构建光源位置数据库的效率，降低无线光定位系统的搭建成本。

技术方案：一种基于到达角估计器的光源位置估计系统，包括K个坐标和方向角均已知的到达角估计器和一个光源，K为大于等于1的自然数，到达角估计器接收光源的光信号，得到光源到达各个到达角估计器的方向向量即光入射矢量，根据已知的到达角估计器坐标和光入射矢量列出方程组，利用最小二乘法推算出光源的位置。

进一步地，所述到达角估计器包括摄像头或者方向增益不同的光电二极管、光电池、光电倍增管阵列，可以通过查找存储光电流向量和入射光方向的关系表或求解线性方程组(通过Lambertian模型构建)的方法，由测量的光强值求得入射光方向。

进一步地，到达角估计器的三维坐标已知，到达角估计器的方向角已知，通过到达角估计器的三维坐标、方向角、测量的入射光方向，计算光源的三维坐标。

进一步地，所述到达角估计器的个数为3个，位于同一平面的不同位置，任意两个到达角估计器的连线形成三角形的一条边。

进一步地，所述到达角估计器位于正交“十”字刚体支架的两条线上，任意一个到达估计角与其距离最近到达估计角的距离相同。

一种基于到达角估计器的光源位置估计方法，包括如下步骤：

步骤1、准备K个到达角估计器，用于确定光信号的入射方向，到达角估计器的包括摄像头或者方向增益不同的光电二极管、光电池、光电倍增管阵列；

步骤2、将K个到达角估计器放置在不同的位置，测量各个到达角估计器的三维坐标a

步骤3、通过到达角估计器的三维坐标a

a

其中r

步骤4、通过最小二乘法求解上述线性方程组，得到距离d

d

其中

步骤5、通过a

步骤6、通过最小二乘法求解上述线性方程组，得到光源位置t的估计值

有益效果：本发明公开了基于到达角估计器的光源位置估计系统，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1)通过到达角估计器获得入射光信号的多个方向向量样本，以极低的人力开销获取光源的三维坐标。

2)光源位置估计算法依赖线性方程组的解，求解成本低，速度快。

附图说明

图1到达角估计器的实现方式A；

图2到达角估计器的实现方式B；

图3为本发明提出的基于到达角估计器的光源位置估计系统的示意图(以使用3个到达角估计器的系统为例)；

图4为一种具体的光源位置估计器实现方式。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本发明的基于到达角估计器的光源位置估计系统，使用K个到达角估计器，用于确定光信号的入射方向，到达角估计器的实现方式包括：摄像头或者方向增益不同的光电二极管、光电池、光电倍增管阵列，如图1、图2所示。图1中的向量v

其中，x

其中，s是长度归一化的L×1光电流向量，由L个光电二极管获取，V

将K个到达角估计器放置在不同的位置，测量各个到达角估计器的三维坐标a

通过到达角估计器的三维坐标a

a

其中，r

a

a

a

测量到的入射向量分别为：

r

r

r

则可以得到关于d

a

a

a

通过最小二乘法求解上述线性方程组，得到距离d

d

其中

d

d

d

通过a

对于步骤3中给出的测量值r

a

a

a

通过最小二乘法求解上述线性方程组，得到光源位置t的估计值：

求解步骤5中的方程组，可得：

t＝[1,1,3]

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。