本發(fā)明涉及一種利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，屬于可見光通信技術(shù)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，為了提供基于位置的服務(wù)(location based service，LBS)，GPS等室外定位技術(shù)發(fā)展迅速，為人們的生活工作以及娛樂提供了極大的便利。GPS需要接收衛(wèi)星的信號(hào)信息，對(duì)于室內(nèi)系統(tǒng)來(lái)說，墻壁等建筑物的遮擋會(huì)造成嚴(yán)重的信號(hào)衰落。因此室內(nèi)定位一般采用其他方法，比如射頻信號(hào)、紅外線、超聲波、激光等等。雖然一些技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，但是其定位精度一般從幾十分米到幾米，精度比較低，而且都受到電磁干擾和多徑衰落的影響。

相比而言，采用發(fā)光二極管(LED)的可見光通信(VLC)系統(tǒng)擁有豐富的頻帶資源、不受電磁干擾的影響、安全性較高、用于定位時(shí)具有精度高、延時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)；和傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，LED燈具有耗能小、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，LED燈在提供照明的同時(shí)可以作為光信號(hào)發(fā)射端，因此可見光定位系統(tǒng)不需要額外的硬件設(shè)施，成本較低。

至今為止，已經(jīng)有很多相關(guān)的可見光定位算法被提出，其中最主要的是幾何方法。幾何方法可以分為兩種，一是三邊定位法，通過計(jì)算多個(gè)接收端與目標(biāo)的距離來(lái)定位；二是三角定位法，通過計(jì)算多個(gè)接收端與目標(biāo)的相對(duì)夾角從而實(shí)現(xiàn)定位。在三邊定位法中，采用幅度調(diào)制/直接檢測(cè)(intensity modulation/direct detection，IM/DD)，主要通過測(cè)量接收信號(hào)功率(RSS)或者接收信號(hào)功率比(RSSR)來(lái)估計(jì)接收端和目標(biāo)的距離。傳統(tǒng)的三邊定位方法大多需要多個(gè)接收端的絕對(duì)位置坐標(biāo)信息，假設(shè)目標(biāo)終端的高度已知，僅僅針對(duì)其剩下的二維坐標(biāo)進(jìn)行定位，且需要采用窮舉或迭代算法，系統(tǒng)計(jì)算量較大。

在實(shí)際應(yīng)用中，包含高度信息的三維坐標(biāo)定位方法具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。在手機(jī)、便攜式平板電腦等電子設(shè)備上安裝光電二極管(PD)作為光信號(hào)接收裝置，室內(nèi)照明LED燈作為光信號(hào)發(fā)射裝置，采用VLC可對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行精確定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，定位精度高。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，包括如下步驟：

(1)在室內(nèi)天花板上設(shè)置M個(gè)LED以發(fā)射光信號(hào)，在目標(biāo)終端上配置N個(gè)PD以接收光信號(hào)，滿足MN≥4；設(shè)LED的豎直高度為0，PD和目標(biāo)終端的豎直高度均為h，則第i個(gè)LED的三維坐標(biāo)為(x_{t_i},y_{t_i},0)，第j個(gè)PD的三維坐標(biāo)為(x_{r_j},y_{r_j},h)，目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)為(x,y,h)，且存在如下關(guān)系：

其中：r_j為第j個(gè)PD距離目標(biāo)終端定位點(diǎn)的距離，φ_j為第j個(gè)PD相對(duì)于目標(biāo)終端定位點(diǎn)的極坐標(biāo)角度；

(2)使用三維坐標(biāo)表示第i個(gè)LED和第j個(gè)PD之間的距離d_ij，則有：

(3)使用第j個(gè)PD對(duì)第i個(gè)LED的光接收功率P_{r_ij}表示第i個(gè)LED和第j個(gè)PD之間的距離d_ij，具體計(jì)算步驟如下：

(31)測(cè)量第j個(gè)PD對(duì)第i個(gè)LED的光接收功率P_{r_ij}，設(shè)光信道直流增益為H_ij(0)，第i個(gè)LED的光發(fā)射功率為P_{t_i}，則有：

P_{r_ij}＝H_ij(0)P_{t_i} (3)

其中：n為L(zhǎng)ED的朗伯模型階數(shù)(取n＝1)，A_j為第j個(gè)PD的光接收面積，為第i個(gè)LED對(duì)第j個(gè)PD的輻射角度，θ_ij為第j個(gè)PD對(duì)第i個(gè)LED的入射角度；

(32)由于帶入式(3)可得：

(4)對(duì)式(2)和式(5)進(jìn)行整合，得到目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)為(x,y,h)的方程為：

由于存在M個(gè)LED和N個(gè)PD，因此可以得到MN個(gè)式(6)，將其中未知數(shù)的平方項(xiàng)消除，得到MN-1個(gè)線性方程，用矩陣形式表示，并采用最小二乘法對(duì)目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。

具體的，采用最小二乘法對(duì)目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)進(jìn)行估計(jì)的過程包括如下步驟：

(41)將MN-1個(gè)線性方程表示成如下的矩陣形式：

Ax＝b (7)

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1} (11)

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1} (12)

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1；

(42)在定位時(shí)，首先由已知參數(shù)(x_{t_i},y_{t_i},0)、已知參數(shù)r_j、已知參數(shù)φ_j和測(cè)量值P_{r_ij}，根據(jù)式(9)～(14)計(jì)算得到A和b，然后采用最小二乘法估計(jì)目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)：

其中：(·)^T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，(·)^-1表示矩陣的逆，是對(duì)目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)的估計(jì)。

有益效果：本發(fā)明提供的利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢(shì)：1、本發(fā)明中目標(biāo)終端的高度坐標(biāo)不再假設(shè)為常數(shù)，而是同樣需要進(jìn)行估計(jì)的未知變量，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的三維空間定位；2、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)可見光定位方案中需要多個(gè)接收裝置的絕對(duì)位置的條件，僅需要接收裝置與目標(biāo)終端的相對(duì)位置即可實(shí)現(xiàn)定位；3、本發(fā)明中LED數(shù)目M和PD數(shù)目N取值靈活，只要滿足MN大于等于4即可；因此，該方案不僅適用于一發(fā)多收和多發(fā)一收系統(tǒng)，也適用于多發(fā)多收系統(tǒng)；4、把方程用矩陣形式表示，采用最小二乘法估計(jì)目標(biāo)終端的位置坐標(biāo)，定位精度高，計(jì)算量小，且避免了傳統(tǒng)定位方案中的窮舉遍歷，迭代計(jì)算；5、本發(fā)明對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要價(jià)值；可見光定位系統(tǒng)適用于常見的移動(dòng)終端設(shè)備，例如配置多攝像頭的手機(jī)，便攜式平板電腦等；如果目標(biāo)終端上多個(gè)接收裝置的相對(duì)位置關(guān)系已知，則通過測(cè)量接收裝置的接收信號(hào)功率，就可計(jì)算確定目標(biāo)終端的位置坐標(biāo)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明定位方法的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)一般性的布局示意圖；

圖3為本發(fā)明采用4個(gè)LED和2個(gè)PD時(shí)的布局示意圖；

圖4為在圖3所示布局下得到的定位誤差圖；

圖5為在圖3所示布局下平均定位誤差與目標(biāo)終端高度的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

圖1展示了可見光定位方案的系統(tǒng)框圖。首先，LED發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的光信號(hào)；然后光信號(hào)通過信道被接收端的PD接受；最后，終端采用本發(fā)明的算法經(jīng)過計(jì)算得到目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)估計(jì)值?？梢娛覂?nèi)可見光定位系統(tǒng)不需要額外的硬件設(shè)備，實(shí)施方便，成本低廉。

圖2展示了本發(fā)明定位方法的一般布局。在天花板上放置若干個(gè)LED作為光信號(hào)發(fā)射端，在目標(biāo)終端上配置若干個(gè)PD作為光信號(hào)接收端。具體實(shí)施過程如下：

步驟一：在室內(nèi)天花板上設(shè)置M個(gè)LED以發(fā)射光信號(hào)，在目標(biāo)終端上配置N個(gè)PD以接收光信號(hào)，滿足MN≥4；設(shè)LED的豎直高度為0，PD和目標(biāo)終端的豎直高度均為h，則第i個(gè)LED的三維坐標(biāo)為(x_{t_i},y_{t_i},0)，第j個(gè)PD的三維坐標(biāo)為(x_{r_j},y_{r_j},h)，目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)為(x,y,h)，且存在如下關(guān)系：

其中：r_j為第j個(gè)PD距離目標(biāo)終端定位點(diǎn)的距離，φ_j為第j個(gè)PD相對(duì)于目標(biāo)終端定位點(diǎn)的極坐標(biāo)角度。

步驟二：使用三維坐標(biāo)表示第i個(gè)LED和第j個(gè)PD之間的距離d_ij，則有：

步驟三：使用第j個(gè)PD對(duì)第i個(gè)LED的光接收功率P_{r_ij}表示第i個(gè)LED和第j個(gè)PD之間的距離d_ij，具體計(jì)算步驟如下：

(31)測(cè)量第j個(gè)PD對(duì)第i個(gè)LED的光接收功率P_{r_ij}，設(shè)光信道直流增益為H_ij(0)，第i個(gè)LED的光發(fā)射功率為P_{t_i}，則有：

P_{r_ij}＝H_ij(0)P_{t_i} (3)

其中：n為L(zhǎng)ED的朗伯模型階數(shù)(取n＝1)，A_j為第j個(gè)PD的光接收面積，為第i個(gè)LED對(duì)第j個(gè)PD的輻射角度，θ_ij為第j個(gè)PD對(duì)第i個(gè)LED的入射角度。

(32)由于帶入式(3)可得：

步驟四：對(duì)式(2)和式(5)進(jìn)行整合，得到目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)為(x,y,h)的方程為：

由于存在M個(gè)LED和N個(gè)PD，因此可以得到MN個(gè)式(6)，將其中未知數(shù)的平方項(xiàng)消除，得到MN-1個(gè)線性方程，將這MN-1個(gè)線性方程表示成如下的矩陣形式：

Ax＝b (7)

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1} (11)

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1} (12)

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1。

步驟五：在定位時(shí)，首先由已知參數(shù)(x_{t_i},y_{t_i},0)、已知參數(shù)r_j、已知參數(shù)φ_j和測(cè)量值P_{r_ij}，根據(jù)式(9)～(14)計(jì)算得到A和b，然后采用最小二乘法估計(jì)目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)：

其中：(·)^T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，(·)^-1表示矩陣的逆，是對(duì)目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)的估計(jì)。

圖3展示了進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)的具體布局情況。結(jié)合圖3對(duì)仿真過程進(jìn)行說明：

仿真參數(shù)：房間大小為6m×6m×3m(長(zhǎng)，寬，高)，天花板上布置4個(gè)LED，其坐標(biāo)分別為L(zhǎng)ED1(1,-1,0)，LED2(2,2,0)，LED3(-2,-2,0)，LED4(-1,1,0)；4個(gè)LED燈的發(fā)射信號(hào)功率均為P_t＝1W；目標(biāo)終端配置有2個(gè)PD作為光接收裝置，2個(gè)PD到目標(biāo)終端定位點(diǎn)的距離均為r＝0.2m，2個(gè)PD的光接收器面積均為A＝1mm²，2個(gè)PD相對(duì)于目標(biāo)終端定位點(diǎn)的極坐標(biāo)角度分別為φ₁＝120°，φ₂＝60°。

仿真過程：

1)按如下公式計(jì)算矩陣A和b：

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1}

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1}

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1。

2)按下式估計(jì)目標(biāo)終端的三維坐標(biāo)：

圖4給出了在圖3所示情形下，當(dāng)目標(biāo)終端距離天花板3m時(shí)，目標(biāo)終端在各個(gè)位置的定位誤差。定位誤差最小為0.7mm，最大為8.45mm。從圖中可以看出，當(dāng)目標(biāo)終端位于房間角落時(shí)，定位誤差較大；當(dāng)目標(biāo)終端位于房間中心時(shí)，定位誤差較小。整體來(lái)說，定位誤差達(dá)到毫米量級(jí)，定位精度較高。

圖5給出了在圖3所示布局下，平均定位誤差與目標(biāo)終端距LED垂直距離的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)終端與LED距離從1m增加到2m時(shí)，平均誤差減小，這是因?yàn)楣庑盘?hào)入射角減小，造成直流增益增加；當(dāng)距離從2m增加到3m時(shí)，平均誤差增大，這是因?yàn)镻D與LED距離增大，造成直流增益減小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。