本發(fā)明屬于物體跟蹤定位領(lǐng)域，具體涉及一種移動(dòng)物體的室內(nèi)跟蹤定位方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的定位系統(tǒng)主要基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)和無(wú)線電波技術(shù)。GPS能很好地應(yīng)用于室外定位，然而因?yàn)槠涠ㄎ灰蕾囉跓o(wú)線電波傳播，室內(nèi)覆蓋小，導(dǎo)致在室內(nèi)環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)較大的定位誤差，因此不適用于室內(nèi)定位。室內(nèi)定位系統(tǒng)需要一種能不依賴于GPS衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)而能進(jìn)行定位的替代裝置。目前較多使用的室內(nèi)定位技術(shù)有超聲波技術(shù)、紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)線射頻技術(shù)、超寬帶技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)?；谶@些技術(shù)的定位系統(tǒng)能夠提供幾十厘米到幾米的定位誤差。然而，這些技術(shù)具有不易于部署以及設(shè)備成本高的缺點(diǎn)，而且這些技術(shù)容易被其他無(wú)線信號(hào)干擾，并且大多不適用于射頻敏感的室內(nèi)環(huán)境。此外，在一些沒(méi)有無(wú)線信號(hào)覆蓋的場(chǎng)合，現(xiàn)有的無(wú)線通信定位系統(tǒng)無(wú)法工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種利用可見(jiàn)光來(lái)實(shí)現(xiàn)通信與跟蹤定位的方法，該方法可以對(duì)室內(nèi)移動(dòng)物體進(jìn)行精確定位，且具有保密性好、兼顧通信與照明等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：一種基于可見(jiàn)光通信的移動(dòng)物體室內(nèi)跟蹤定位方法，包括如下步驟：

步驟1、離線建模：在測(cè)量場(chǎng)景中建立水平測(cè)量坐標(biāo)系XOY，設(shè)置照明設(shè)備，所述照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域可以覆蓋移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)范圍，記錄照明設(shè)備在XOY下的水平位置坐標(biāo)(x₀,y₀)；在照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)選取多個(gè)采集點(diǎn)，測(cè)量采集點(diǎn)處的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值{rss₁,…,rss_sn}和采集點(diǎn)與所述照明設(shè)備的水平距離{d₁,…,d_sn}，其中sn為采集點(diǎn)個(gè)數(shù)；擬合rss_i與d_i的值，i＝1..sn，建立可見(jiàn)光通信模型：

rss＝f_VLC(d) (1)

其中rss為移動(dòng)物體接收到的照明設(shè)備發(fā)送的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值，d為待定位移動(dòng)物體與照明設(shè)備之間的水平距離；

步驟2、在線定位：解析移動(dòng)物體當(dāng)前位置處接收到的照明設(shè)備發(fā)送的水平位置信息，設(shè)該信息由N個(gè)照明設(shè)備發(fā)出，記為{(c₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_N,y_N)}，測(cè)量所述N個(gè)照明設(shè)備在移動(dòng)物體當(dāng)前位置處產(chǎn)生的RSS值，構(gòu)成集合{rss₁,rss₂,…,rss_N}；

根據(jù)可見(jiàn)光通信模型，獲取移動(dòng)物體當(dāng)前位置與N個(gè)照明設(shè)備之間的相對(duì)水平距離j＝1,2,…,N；

根據(jù)N個(gè)照明設(shè)備的水平位置坐標(biāo)(x_j,y_j)和d_j的值建立幾何測(cè)距方程：

其中(x,y)為移動(dòng)物體在XOY下當(dāng)前位置坐標(biāo)；

應(yīng)用卡爾曼濾波對(duì)移動(dòng)物體的位置和速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得移動(dòng)物體實(shí)時(shí)坐標(biāo)和速度。

為了消除一個(gè)照明設(shè)備可能引起的誤差，步驟1中通過(guò)多個(gè)照明設(shè)備建立可見(jiàn)光通信模型，具體包括如下步驟：

(11)在測(cè)量場(chǎng)景中建立水平測(cè)量坐標(biāo)系XOY，設(shè)置照明設(shè)備，設(shè)所述照明設(shè)備的編號(hào)為i，所述照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域φ_i可以覆蓋移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)范圍，記錄照明設(shè)備在XOY下的水平位置坐標(biāo)(x₀,y₀)；在照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)選取多個(gè)采集點(diǎn)構(gòu)成點(diǎn)集測(cè)量采集點(diǎn)與所述照明設(shè)備的水平距離{d₁,d₂,…}；

(12)測(cè)量采集點(diǎn)處的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值

(13)在照明設(shè)備位置(x₀,y₀)處更換照明設(shè)備，重復(fù)步驟(12)，測(cè)量采集點(diǎn)處的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值RSS_i，設(shè)共使用M個(gè)照明設(shè)備完成步驟(12)；

(14)記M個(gè)照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域φ_i的交集為有效光斑覆蓋區(qū)域φ_eff，其中的采集點(diǎn)構(gòu)成有效采集點(diǎn)集每個(gè)有效采集點(diǎn)處的有效可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值為：構(gòu)成集合RSS_dff，其中為第i個(gè)照明設(shè)備在有效采集點(diǎn)(x_m,y_m)處的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值；每個(gè)有效采集點(diǎn)與照明設(shè)備位置(x,y)的水平距離構(gòu)成集合D_eff，擬合RSS_eff與D_eff中的值，建立可見(jiàn)光通信模型：

rss＝f_BLC(d)

其中rss為移動(dòng)物體接收到的照明設(shè)備發(fā)送的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值，d為待定位移動(dòng)物體與照明設(shè)備之間的水平距離。

優(yōu)選地，所述擬合方法為最小二乘法。

具體地，步驟2中應(yīng)用卡爾曼濾波對(duì)移動(dòng)物體的位置和速度進(jìn)行預(yù)測(cè)包括如下步驟：

(21)幾何測(cè)距方程改寫(xiě)為：

AX＝B (3)

其中A為測(cè)距方程系數(shù)矩陣，B為測(cè)距方程右端向量，X＝[x y]^T；j＝1,2,…,N；

(22)建立卡爾曼濾波的狀態(tài)方程：

S(k+1)＝HS(k)+w(k) (4)

其中，(x(k)，y(k))表示移動(dòng)物體在k時(shí)刻的位置坐標(biāo)，(v_x(k)，v_y(k))表示移動(dòng)物體在k時(shí)刻的x、y坐標(biāo)軸方向的速度，T表示狀態(tài)方程更新時(shí)間，w_x(k)、w_y(k)為高斯白噪聲，w_x(k)和w_y(k)的協(xié)方差矩陣為Q_w(k)；

建立卡爾曼濾波的測(cè)量方程：

Z(k)＝F(k)s(k)+v(k) (5)

其中，觀測(cè)矩陣Z(k)＝A(k)，系數(shù)矩陣F(k)＝[B(k) 0_(N-1)×2]；A(k)為k時(shí)刻的測(cè)距方程系數(shù)矩陣，B(k)為k時(shí)刻的測(cè)距方程右端向量；v(k)為測(cè)量噪聲，v(k)的協(xié)方差矩陣為Q_v(k)；

(23)通過(guò)遞歸的方式求解卡爾曼濾波過(guò)程中的變量，得到k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值，即為移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

具體地，所述步驟(23)的遞歸過(guò)程包括如下步驟：

(231)根據(jù)k-1時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值，來(lái)對(duì)k時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)：

(232)根據(jù)k-1時(shí)刻的誤差協(xié)方差矩陣來(lái)得到k時(shí)刻的誤差協(xié)方差矩陣P(k/k-1)：

P(k/k-1)＝HP(k-1/k-1)H^T+Q_w(k)

(233)采集k時(shí)刻的可見(jiàn)光信息并且通過(guò)VLC通信模型給出測(cè)量方程中的系數(shù)矩陣F(k)，并由F(k)計(jì)算k時(shí)刻的卡爾曼增益K(k)：

K(k)＝P(k/k-1)F^T(k)[F(k)P(k/k-1)F^T(k)+Q_v(k)]^-1

(234)建立k時(shí)刻的幾何測(cè)距方程，獲取測(cè)量方程中的觀測(cè)矩陣Z(k)，并通過(guò)k時(shí)刻的卡爾曼增益K(k)、觀測(cè)矩陣Z(k)對(duì)步驟(431)中獲取的狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行修正，得到k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值：

(235)更新誤差協(xié)方差矩陣P(k/k):

P(k/k)＝[I-K(k)H]P(k/k-1)

通過(guò)循環(huán)遞歸執(zhí)行(231)-(235)，得到移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

優(yōu)選地，采集點(diǎn)在光斑覆蓋區(qū)域中均勻分布。

優(yōu)選地，步驟2中N個(gè)照明設(shè)備采用時(shí)分復(fù)用的方式向移動(dòng)物體發(fā)送水平位置信息。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開(kāi)的跟蹤定位方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可見(jiàn)光通信(VLC,Visible Light Communication)技術(shù)使用LED作光源，從而用于室內(nèi)跟蹤定位目的的VLC系統(tǒng)均可在用于照明的地方提供服務(wù)，而且除了一些必要的信號(hào)處理，幾乎不需要多余的功率消耗；2、基于VLC的跟蹤定位方法不會(huì)產(chǎn)生任何射頻干擾，因此可以部署在射頻輻射被嚴(yán)格限制的環(huán)境中；3、基于VLC的定位系統(tǒng)中，收發(fā)端之間的信息傳輸介質(zhì)是可見(jiàn)光而非電磁波，無(wú)法穿透不透明的墻壁等遮擋物，因此其傳輸范圍限制在用戶的視距范圍以內(nèi)，如此就能有效地防止了從外部惡意截獲傳輸信息的行為，保證了信息的安全；4、在一些沒(méi)有無(wú)線信號(hào)覆蓋或不適合使用無(wú)線電波的場(chǎng)合，現(xiàn)有的無(wú)線通信定位方法無(wú)法使用，本發(fā)明的方法是一個(gè)有效的方案；5、本發(fā)明公開(kāi)的方法不受多徑效應(yīng)的影響，通信模型簡(jiǎn)單，定位精度高。

附圖說(shuō)明

圖1是基于可見(jiàn)光通信的室內(nèi)跟蹤定位場(chǎng)景圖；

圖2可見(jiàn)光室內(nèi)跟蹤定位系統(tǒng)定位流程圖；

圖3在線定位階段卡爾曼預(yù)測(cè)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

一種基于可見(jiàn)光通信的移動(dòng)物體室內(nèi)跟蹤定位方法，如圖2所示，包括如下步驟：

步驟1、離線建模：

(11)構(gòu)建測(cè)量場(chǎng)景：在屋頂1上設(shè)置1個(gè)照明設(shè)備2，建立水平測(cè)量坐標(biāo)系XOY，設(shè)所述照明設(shè)備的編號(hào)為i，所述照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域φ_i可以覆蓋移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)范圍，記錄照明設(shè)備在XOY下的水平位置坐標(biāo)(x₀,y₀)；在照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)選取多個(gè)采集點(diǎn)構(gòu)成點(diǎn)集測(cè)量各采集點(diǎn)與所述照明設(shè)備的水平距離{d₁,d₂,…}；

(12)測(cè)量采集點(diǎn)處的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值

(13)在照明設(shè)備位置(x₀,y₀)處更換照明設(shè)備，重復(fù)步驟(12)，測(cè)量各采集點(diǎn)處的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值RSS_i，設(shè)共使用M個(gè)照明設(shè)備完成步驟(12)；

(14)記M個(gè)照明設(shè)備的光斑覆蓋區(qū)域φ_i的交集為有效光斑覆蓋區(qū)域φ_eff，其中的采集點(diǎn)構(gòu)成有效采集點(diǎn)集每個(gè)有效采集點(diǎn)處的有效可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值為：構(gòu)成集合RSS_eff，其中為第i個(gè)照明設(shè)備在有效采集點(diǎn)(x_m,y_m)處的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值；每個(gè)有效采集點(diǎn)與照明設(shè)備位置(x,y)的水平距離構(gòu)成集合D_eff，擬合RSS_eff與D_eff中的值，建立可見(jiàn)光通信模型：

rss＝f_VLC(d) (1)

其中rss為移動(dòng)物體接收到的照明設(shè)備發(fā)送的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度值，d為待定位移動(dòng)物體與照明設(shè)備之間的水平距離。

步驟2、在線定位：

定位時(shí)，場(chǎng)景中可以有多個(gè)照明設(shè)備，每個(gè)照明設(shè)備光斑覆蓋區(qū)域的并集覆蓋移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)范圍，各個(gè)照明設(shè)備都連接在發(fā)送控制器3，通過(guò)發(fā)送控制器的控制按照時(shí)分復(fù)用的方式發(fā)送各自的位置信息，這樣可以防止多個(gè)照明設(shè)備之間的信號(hào)相互干擾；移動(dòng)物體5在地面4運(yùn)動(dòng)，將接收到的水平位置信息及RSS值發(fā)送至定位服務(wù)器6，由定位服務(wù)器應(yīng)用本發(fā)明公開(kāi)的方法來(lái)對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行定位跟蹤，如圖1所示。

解析移動(dòng)物體當(dāng)前位置處接收到的照明設(shè)備發(fā)送的水平位置信息，設(shè)該信息由N個(gè)照明設(shè)備發(fā)出，記為{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_N,y_N)}，測(cè)量所述N個(gè)照明設(shè)備在移動(dòng)物體當(dāng)前位置處產(chǎn)生的RSS值，構(gòu)成集合{rss₁,rss₂,…,rss_N}；

根據(jù)N個(gè)照明設(shè)備的可見(jiàn)光通信模型，獲取移動(dòng)物體當(dāng)前位置與N個(gè)照明設(shè)備之間的相對(duì)水平距離

根據(jù)N個(gè)照明設(shè)備的水平位置坐標(biāo)(x_j,y_j)和d_j的值建立幾何測(cè)距方程：

其中(x,y)為移動(dòng)物體在XOY下當(dāng)前位置坐標(biāo)；

應(yīng)用卡爾曼濾波對(duì)移動(dòng)物體的位置和速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得移動(dòng)物體實(shí)時(shí)坐標(biāo)和速度，具體包括如下步驟：

(21)幾何測(cè)距方程改寫(xiě)為：

AX＝B (3)

其中A為測(cè)距方程系數(shù)矩陣，B為測(cè)距方程右端向量，X＝[x y]^T；j＝1,2,…,N；

(22)建立卡爾曼濾波的狀態(tài)方程：

S(k+1)＝HS(k)+w(k) (4)

其中，(x(k)，y(k))表示移動(dòng)物體在k時(shí)刻的位置坐標(biāo)，(v_x(k)，v_y(k))表示移動(dòng)物體在k時(shí)刻的x、y坐標(biāo)軸方向的速度，T表示狀態(tài)方程更新時(shí)間，w_x(k)、w_y(k)為高斯白噪聲，w_x(k)和w_y(k)的協(xié)方差矩陣為Q_w(k)；

建立卡爾曼濾波的測(cè)量方程：

A(k)＝F(k)s(k)+v(k) (5)

其中，Z(k)為觀測(cè)量，本實(shí)施例中設(shè)置水平距離d_i為觀測(cè)量，故有:

其中，也即有：觀測(cè)矩陣A(k)＝A(k)，系數(shù)矩陣F(k)＝[B(k) 0_(B-1)×2]；A(k)為k時(shí)刻的測(cè)距方程系數(shù)矩陣，B(k)為k時(shí)刻的測(cè)距方程右端向量；v(k)為測(cè)量噪聲，v(k)的協(xié)方差矩陣為Q_v(k)；設(shè)對(duì)于每次的測(cè)量值d_i，其真實(shí)值為則有：

其中，n_i表示高斯白噪聲，那么，在計(jì)算過(guò)程中，測(cè)量值的誤差為：

則有：

n(k)＝D(k)n(k)-d₁N₁(k) (9)

其中，d(k)＝diag{d₂(k),d₃(k),…,d_N(k)},N(k)＝[n₂(k),n₃(k),…,n_N(k)]^T,N₁(k)＝[n₁(k),n₁(k),…,n₁(k)]^T；其中d_i(k)表示k時(shí)刻移動(dòng)物體距離第i個(gè)照明設(shè)備的水平距離，n_i(k)表示k時(shí)刻測(cè)量d_i(k)時(shí)的高斯白噪聲；因此，v(k)的協(xié)方差矩陣為：

其中，為噪聲n_i的方差。

(23)通過(guò)遞歸的方式求解卡爾曼濾波過(guò)程中的變量，得到k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值，即為移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖3所示，遞歸過(guò)程如下：

(231)根據(jù)k-1時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值，來(lái)對(duì)k時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)：

(232)根據(jù)k-1時(shí)刻的誤差協(xié)方差矩陣來(lái)得到k時(shí)刻的誤差協(xié)方差矩陣P(k/k-1)：

P(k/k-1)＝HP(k-1/k-1)H^T+Q_w(k)

(233)采集k時(shí)刻的可見(jiàn)光信息并且通過(guò)VLC通信模型給出測(cè)量方程中的系數(shù)矩陣F(k)，并由F(k)計(jì)算k時(shí)刻的卡爾曼增益K(k)：

K(k)＝P(k/k-1)F^T(k)[F(k)P(k/k-1)F^T(k)+Q_v(k)]^-1

(234)建立k時(shí)刻的幾何測(cè)距方程，獲取測(cè)量方程中的觀測(cè)矩陣Z(k)，并通過(guò)k時(shí)刻的卡爾曼增益K(k)、觀測(cè)矩陣Z(k)對(duì)步驟(431)中獲取的狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行修正，得到k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值：

(235)更新誤差協(xié)方差矩陣P(k/k):

P(k/k)＝[I-K(k)H]P(k/k-1)

通過(guò)循環(huán)遞歸執(zhí)行(231)-(235)，得到移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)