本發(fā)明涉及室內(nèi)定位、室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種室內(nèi)定位方法與裝置。

背景技術(shù)：

目前用于定位的技術(shù)方法很多，如GPS、北斗等，此類方法由于無室內(nèi)信號，只能用于室外定位，室內(nèi)定位的方法有WLAN、WIFI、RFID、Zigbee、超聲、藍(lán)牙等。此類方法易受到電磁干擾，在多用戶占居信號通道時(shí)，通信質(zhì)量、傳播距離等都受到影響，從而嚴(yán)重影響了定位精度。室內(nèi)LED可見光由于覆蓋面廣、節(jié)能、布設(shè)簡單、成本低廉、無電磁輻射、干擾源少等特點(diǎn)，因此在室內(nèi)定位領(lǐng)域具有較好的前景。

目前，已有較多的基于LED可見光室內(nèi)定位方法，有些只限于二維定位，也有三維的方法，大致方法歸類如下：

1、基于標(biāo)簽的LED可見光室內(nèi)定位方法，此方法將與位置相關(guān)的ID數(shù)據(jù)加載到不同LED光源上，接收終端通過對ID數(shù)據(jù)的處理實(shí)現(xiàn)被動(dòng)定位。

2、基于接收光信號強(qiáng)度的定位方法。

3、其它測量方法有圖像成像法、三角測量法等。

上述方法，由于沒有考慮發(fā)射信號的反射、折射等干擾因素，發(fā)射信號遇到障礙物，如墻面、玻璃等，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，導(dǎo)致待測定位點(diǎn)接收的信號除了發(fā)射源直射信號外，還會(huì)接收到反射、折射等信號，從而引入了干擾，影響測量精度。此外，多種定位方法，如到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)間差(TDOA)等定位方法，發(fā)射端和接收端均要實(shí)現(xiàn)信號同步，在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種室內(nèi)定位方法與裝置，它利用LED可見光進(jìn)行室內(nèi)定位，能夠減少反射、折射等信號干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位，并且發(fā)射端和接收端信號無需同步，能夠降低定位成本。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種室內(nèi)定位裝置，包括信號發(fā)送裝置、至少五盞LED燈、光電傳感器、信號處理裝置，

所述信號發(fā)送裝置用于控制不同的LED燈發(fā)出不同的光信號，

所述光電傳感器用于將接收待測定位點(diǎn)處的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并將電信號傳遞到信號處理裝置，

所述信號處理裝置用于獲得所述光電傳感器的坐標(biāo)值，所述信號處理裝置包括相位測量模塊、若干路信號處理通道，所述信號處理通道的數(shù)量與LED燈的數(shù)量相同，所述信號處理通道包括信號調(diào)理模塊、帶通濾波模塊、載波跟蹤同步模塊、解調(diào)模塊、偽碼捕獲跟蹤模塊、本地PRN、下變頻模塊、本地載波。

一種室內(nèi)定位方法，包括以下步驟：

步驟1：在室內(nèi)天花板的不同位置安裝至少五盞所述LED燈，并記錄所述LED燈的安裝位置(x_i,y_i,z_i)，(x_i,y_i,z_i)為第i盞LED燈的坐標(biāo)，根據(jù)所述LED燈的數(shù)量，確定所述信號處理通道的數(shù)量，所述信號處理通道與所述LED燈一一對應(yīng)，第i路信號處理通道處理第i盞LED燈發(fā)出的光信號；

步驟2：將所述LED燈與所述信號發(fā)送裝置連接，由所述信號發(fā)送裝置控制不同的所述LED燈發(fā)出不同的光信號，光信號為：

其中，a(t)＝A₀sin(2πf_it)為所述信號發(fā)送裝置送入第i盞LED燈的幅度調(diào)制信號，i＝1，...，N,N≥5，為偽碼序列，T_c為碼元寬度，nT_c≤t≤(n+1)T_c，{c_n}∈{±1}，且速率為1/T_c，g_c(t)為門函數(shù)，m(t)＝Acosω₀t為幅度調(diào)制載波信號，幅度調(diào)制信號a(t)頻率f_i根據(jù)不同LED燈，均不相同；

步驟3：將所述光電傳感器與所述信號處理裝置連接，在接收待測定位點(diǎn)通過所述光電傳感器將接收待測定位點(diǎn)處的不同所述LED發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，并將電信號傳遞到相應(yīng)的所述信號處理通道進(jìn)行處理；

步驟4：利用所述信號調(diào)理模塊、帶通濾波模塊對進(jìn)入所述信號處理通道的電信號進(jìn)行處理，獲得信號：

其中，β_di為第i盞LED燈直射至接收待測定位點(diǎn)的信號衰減因子，β_Mi為第i盞LED燈經(jīng)過反射、折射后至接收待測定位點(diǎn)的信號衰減因子，t_di為直射至接收待測定位點(diǎn)的時(shí)間延遲，t_Mdi為經(jīng)過反射、折射后至接收待測定位點(diǎn)的時(shí)間延遲，為直射時(shí)的調(diào)制載波信號相移，為經(jīng)過反射、折射后調(diào)制載波信號的相移，n₀(t)為噪聲；

步驟5：利用所述偽碼捕獲跟蹤模塊的偽碼捕獲調(diào)整所述本地PRN使之與接收到的碼序列c(t-t_di)粗同步，利用所述偽碼捕獲跟蹤模塊的偽碼跟蹤在捕獲基礎(chǔ)之上進(jìn)一步縮小發(fā)送和接收端偽碼序列的相位差，達(dá)到精確同步并持續(xù)保持同步，利用載波跟蹤同步模塊使得所述本地載波的頻率與接收信號的載波頻率相位進(jìn)行對齊，步驟4中的信號r_i(t)經(jīng)偽碼捕獲跟蹤模塊、載波跟蹤同步模塊處理后表示為：

其中，為第i信號處理通道中本地PRN偽碼參考時(shí)間延遲，為本地載波的相位；

步驟6：利用所述解調(diào)模塊對步驟6中的信號進(jìn)行解調(diào)，步驟6中的信號表示為：

r_i(t)≈A′_isin(2πf_it-t_di)

步驟7：經(jīng)步驟6獲得的信號進(jìn)入所述下變頻模塊進(jìn)行下變頻處理，將第i＝1路信號處理通道作為基準(zhǔn)通道，對應(yīng)頻率為f₁，步驟6獲得的信號經(jīng)過所述下變頻后，表示為：

r₁′(t)≈E₁sin(πf₁t-2πf₁d₁/c)

第j路信號處理通道通過下變頻后，表示為：

r_j′(t)≈E_jsin[πf₁t-2πf_jd_j/c]

其中，d_j為第j盞LED燈到接收待測點(diǎn)的距離，c為光速；

步驟8：利用所述相位測量模塊對經(jīng)步驟8獲得的信號進(jìn)行處理，第i、j信號處理通道的信號送入相位測量模塊，有：

其中，△φ_ij由Hilbert變換求得：

步驟9：(x,y,z)為接收待測定位點(diǎn)的坐標(biāo)，利用第一公式x＝(A^TA)^-1A^Tm得出接收待測定位點(diǎn)的x,y坐標(biāo)，

其中，

利用第二公式獲得接收待測定位點(diǎn)的z坐標(biāo)。

對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明采用至少五盞LED燈，不同的LED燈發(fā)出不同的光信號，利用不同光信號相位的不同，獲得LED燈與接收待測定位點(diǎn)的距離，進(jìn)而測得接收待測定位點(diǎn)的坐標(biāo)，能夠減少反射、折射等信號干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位，并且發(fā)射端和接收端信號無需同步，能夠降低定位成本。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

附圖2是本發(fā)明信號處理裝置接收信號的處理框圖；

附圖3是室內(nèi)5×5×3米定位實(shí)際值與定位估算值比較圖。

附圖中標(biāo)號：1、信號發(fā)送裝置；2、LED燈；3、光電傳感器；4、信號處理裝置；5、相位測量模塊；6、信號調(diào)理模塊；7、帶通濾波模塊；8、載波跟蹤同步模塊；9、解調(diào)模塊；10、偽碼捕獲跟蹤模塊；11、本地PRN；12、下變頻模塊；13、本地載波。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所限定的范圍。

本發(fā)明所述是一種室內(nèi)定位裝置，包括信號發(fā)送裝置1、至少五盞LED燈2、光電傳感器3、信號處理裝置4，

所述信號發(fā)送裝置1用于控制不同的LED燈2發(fā)出不同的光信號，

所述光電傳感器3用于將接收待測定位點(diǎn)處的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并將電信號傳遞到信號處理裝置4，

所述信號處理裝置4用于獲得所述光電傳感器3的坐標(biāo)值，所述信號處理裝置4包括相位測量模塊5、若干路信號處理通道，所述信號處理通道的數(shù)量與LED燈2的數(shù)量相同，所述信號處理通道包括信號調(diào)理模塊6、帶通濾波模塊7、載波跟蹤同步模塊8、解調(diào)模塊9、偽碼捕獲跟蹤模塊10、本地PRN 11、下變頻模塊12、本地載波13。

一種室內(nèi)定位方法，包括以下步驟：

步驟1：如圖1所示，在室內(nèi)天花板的不同位置安裝至少五盞所述LED燈，并記錄所述LED燈的安裝位置(x_i,y_i,z_i)，(x_i,y_i,z_i)為第i盞LED燈的坐標(biāo)，所有LED燈均安裝在天花板，z_i＝0，根據(jù)所述LED燈的數(shù)量，確定所述信號處理通道的數(shù)量，所述信號處理通道與所述LED燈一一對應(yīng)，第i路信號處理通道處理第i盞LED燈發(fā)出的光信號；

步驟2：將所述LED燈與所述信號發(fā)送裝置連接，由所述信號發(fā)送裝置控制不同的所述LED燈發(fā)出不同的光信號，光信號為：

其中，a(t)＝A₀sin(2πf_it)為所述信號發(fā)送裝置送入第i盞LED燈的幅度調(diào)制信號，i＝1，...，N,N≥5，為偽碼序列，T_c為碼元寬度，nT_c≤t≤(n+1)T_c，{c_n}∈{±1}，且速率為1/T_c，g_c(t)為門函數(shù)，m(t)＝Acosω₀t為幅度調(diào)制載波信號，幅度調(diào)制信號a(t)頻率f_i根據(jù)不同LED燈，均不相同；

步驟3：將所述光電傳感器與所述信號處理裝置連接，在接收待測定位點(diǎn)通過所述光電傳感器將接收待測定位點(diǎn)處的不同所述LED發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，并將電信號傳遞到相應(yīng)的所述信號處理通道進(jìn)行處理；

步驟4：如圖2所述，利用所述信號調(diào)理模塊、帶通濾波模塊對進(jìn)入所述信號處理通道的電信號進(jìn)行處理，獲得信號：

其中，β_di為第i盞LED燈直射至接收待測定位點(diǎn)的信號衰減因子，β_Mi為第i盞LED燈經(jīng)過反射、折射后至接收待測定位點(diǎn)的信號衰減因子，t_di為直射至接收待測定位點(diǎn)的時(shí)間延遲，t_Mdi為經(jīng)過反射、折射后至接收待測定位點(diǎn)的時(shí)間延遲，為直射時(shí)的調(diào)制載波信號相移，為經(jīng)過反射、折射后調(diào)制載波信號的相移，n₀(t)為噪聲；

步驟5：利用所述偽碼捕獲跟蹤模塊的偽碼捕獲調(diào)整所述本地PRN使之與接收到的碼序列c(t-t_di)粗同步，利用所述偽碼捕獲跟蹤模塊的偽碼跟蹤在捕獲基礎(chǔ)之上進(jìn)一步縮小發(fā)送和接收端偽碼序列的相位差，達(dá)到精確同步并持續(xù)保持同步，利用載波跟蹤同步模塊使得所述本地載波的頻率與接收信號的載波頻率相位進(jìn)行對齊，

設(shè)為第i信號處理通道中本地PRN偽碼參考時(shí)間延遲，為本地載波的相位，接收信號r_i(t)通過偽碼捕獲跟蹤模塊處理后，信號可表示為：

當(dāng)實(shí)現(xiàn)精確的偽碼捕獲跟蹤時(shí)，相當(dāng)于頻譜擴(kuò)展，將干擾信號的功率分散到很寬的頻帶上，濾波后只有頻帶相同的干擾進(jìn)入載波跟蹤同步模塊。因此，式(4)可表示為：

本地載波相乘載波跟蹤同步后，式(5)表示為：

步驟6：利用所述解調(diào)模塊對步驟6中的信號進(jìn)行解調(diào)，解擴(kuò)前后頻帶相差很大，因此解擴(kuò)后的干擾功率迅速降低，式(6)可表示為：

r_i(t)≈A′_isin(2πf_it-t_di) (7)

同理，在第j路信號處理通道中(j＝1，...，N,N≥5，j≠i)，通過解調(diào)后的信號可表示為：

r_j(t)≈A′_jsin(2πf_jt-t_dj) (8)

步驟7：經(jīng)步驟6獲得的信號進(jìn)入所述下變頻模塊進(jìn)行下變頻處理，將第i＝1路信號處理通道作為基準(zhǔn)通道，對應(yīng)頻率為f₁，步驟6獲得的信號經(jīng)過所述下變頻后，表示為：

r₁′(t)≈E₁sin(πf₁t-2πf₁d₁/c) (9)

第j路信號處理通道通過下變頻后，表示為：

r_j′(t)≈E_jsin[πf₁t-2πf_jd_j/c] (10)

其中，d_j為第j盞LED燈到接收待測點(diǎn)的距離，c為光速；

步驟8：利用所述相位測量模塊對經(jīng)步驟8獲得的信號進(jìn)行處理，第i、j信號處理通道的信號送入相位測量模塊，有：

其中，△φ_ij由Hilbert變換求得：

以第1盞LED燈作為參考，有：

結(jié)合式(11)、(13)有：

信號發(fā)送裝置發(fā)送給各盞LED燈的幅度調(diào)制信號a(t)＝A₀sin(2πf_it)所對應(yīng)的頻率為f_i＝(2i-1)f₁。式(14)可表示為：

Ax＝m (16)

其中，

步驟9：(x,y,z)為接收待測定位點(diǎn)的坐標(biāo)，利用第一公式x＝(A^TA)^-1A^Tm得出接收待測定位點(diǎn)的x,y坐標(biāo)，利用第二公式獲得接收待測定位點(diǎn)的z坐標(biāo)。

本發(fā)明采用至少五盞LED燈，不同的LED燈發(fā)出不同的光信號，利用不同光信號相位的不同，獲得LED燈與接收待測定位點(diǎn)的距離，進(jìn)而測得接收待測定位點(diǎn)的坐標(biāo)，能夠減少反射、折射等信號干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位，并且發(fā)射端和接收端信號無需同步，能夠降低定位成本。