本發(fā)明涉及可見光通信室內(nèi)定位技術(shù)，特別涉及一種基于遺傳算法高精度可見光定位方法及其定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

gps(全球定位系統(tǒng))在車輛導(dǎo)航、地圖服務(wù)、船舶和飛機(jī)等定位領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但是當(dāng)涉及到室內(nèi)環(huán)境的情況時(shí)，來自衛(wèi)星的無線電信號(hào)將被高建筑物阻擋，導(dǎo)致較大的定位誤差。為了滿足室內(nèi)定位服務(wù)的日益增長的需求，已經(jīng)開發(fā)了藍(lán)牙，wi-fi，射頻識(shí)別(rfid)和基于相機(jī)的定位系統(tǒng)來補(bǔ)充gps。但是這些室內(nèi)定位解決方案存在操作復(fù)雜且成本高、定位精度較低、機(jī)密性較差等缺點(diǎn)。

基于可見光通信(vlc)的定位系統(tǒng)是室內(nèi)定位新的解決方案。vlc具有定位高，無電磁干擾，額外模塊少，通信保密性好，實(shí)現(xiàn)照明和通信一體化的優(yōu)點(diǎn)。其中，基于pd的定位系統(tǒng)更為簡單、可靠、低成本，在室內(nèi)定位領(lǐng)域應(yīng)用更廣泛。

在基于pd的vlc系統(tǒng)中，接收器通過檢測到達(dá)時(shí)間(toa)、到達(dá)時(shí)間差(tdoa)、到達(dá)角(aoa)或接收信號(hào)強(qiáng)度(rss)等技術(shù)來估計(jì)接收器與信號(hào)源的距離。其中，toa和tdoa需要在發(fā)射機(jī)中同步處理，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。aoa在實(shí)際中不僅難以實(shí)現(xiàn)發(fā)射器的布局，而且受到pd接收范圍的限制，導(dǎo)致定位精度較低。而rss測距不需要同步處理，可降低發(fā)射機(jī)電路復(fù)雜性，確保定位精度。

但是rss測距只能解決二維定位，需要再通過迭代或遍歷算法等以實(shí)現(xiàn)三維位置的定位，并且其定位誤差較大且難以控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提出了一種基于遺傳算法高精度可見光定位方法及其系統(tǒng)。發(fā)射端對每個(gè)led所發(fā)射的id位置信息進(jìn)行cdma編碼，利用擴(kuò)頻碼的正交性，實(shí)現(xiàn)時(shí)域與頻域均重疊的信號(hào)的分離。接收端先通過攜帶信號(hào)源標(biāo)識(shí)(id)碼的混合光信號(hào)解調(diào)出每個(gè)信號(hào)源的地理位置信息，然后通過自適應(yīng)濾波電路得到每個(gè)信號(hào)源的信號(hào)強(qiáng)度衰減因子，再通過使用改進(jìn)的遺傳算法(ga)進(jìn)行全局搜索可知實(shí)現(xiàn)精確的三維定位。ga假設(shè)三維坐標(biāo)是個(gè)體，每個(gè)坐標(biāo)分量是個(gè)體的染色體，根據(jù)適應(yīng)度的值，最優(yōu)個(gè)體可以被認(rèn)為是定位的解決方案。改進(jìn)的ga有三大創(chuàng)新點(diǎn)，分別是在生成個(gè)體和交叉時(shí)引入相似度檢驗(yàn)以保障個(gè)體的多樣性，根據(jù)空間距離偏差位置設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)，引入新的變異算子以避免群體中出現(xiàn)缺失某個(gè)基因的現(xiàn)象。這三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)有助于精確地確定接收器在三維空間中的坐標(biāo)，并使定位誤差可控。方法簡單高效，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于遺傳算法高精度可見光定位方法及其系統(tǒng)，包括：定位發(fā)射子系統(tǒng)、傳輸信道和定位接收子系統(tǒng)。ook基帶調(diào)制模塊、cdma擴(kuò)頻模塊、led驅(qū)動(dòng)電路和led燈依次連接組成所述定位發(fā)射子系統(tǒng)；所述傳輸信道為三維室內(nèi)自由空間；光電檢測器件、放大電路、自適應(yīng)濾波電路、cdma解擴(kuò)模塊和ook基帶解調(diào)模塊依次連接組成所述定位接收子系統(tǒng)。

所述定位發(fā)射子系統(tǒng)，加載到每個(gè)led燈具上的id位置信息通過所述ook基帶調(diào)制模塊cdma擴(kuò)頻模塊進(jìn)行基帶調(diào)制和擴(kuò)頻后，通過所述led驅(qū)動(dòng)電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽庑盘?hào)并發(fā)射出去。

所述可見光信號(hào)通過室內(nèi)三維自由空間傳輸至定位接收子系統(tǒng)。

所述定位接收子系統(tǒng)，所述光電檢測器件將可見光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述電信號(hào)通過放大電路、自適應(yīng)濾波電路濾除噪聲；所述濾除噪聲的信號(hào)經(jīng)所述cdma解擴(kuò)模塊和所述ook基帶解調(diào)模塊后得到每個(gè)led的id位置信息，所述id位置信息經(jīng)采樣獲得光照強(qiáng)度衰減因子；根據(jù)所述光照強(qiáng)度衰減因子，通過改進(jìn)的遺傳算法(ga)獲得精確的三維位置坐標(biāo)。

一般三維可見光定位需要在二維的基礎(chǔ)上再進(jìn)行角度或高度檢測才能實(shí)現(xiàn)三維定位，也有利用迭代算法等實(shí)現(xiàn)三維定位，但是定位誤差難以控制，精度也較低。本發(fā)明先從攜帶信號(hào)源標(biāo)識(shí)(id)碼的混合光信號(hào)解調(diào)出每個(gè)信號(hào)源的地理位置信息，然后通過自適應(yīng)濾波電路得到每個(gè)信號(hào)源的信號(hào)強(qiáng)度衰減因子，再通過使用改進(jìn)的遺傳算法(ga)進(jìn)行全局搜索可知三維坐標(biāo)。ga假設(shè)三維坐標(biāo)是個(gè)體，每個(gè)坐標(biāo)分量是個(gè)體的染色體，根據(jù)適應(yīng)度的值，最優(yōu)個(gè)體可以被認(rèn)為是定位的解決方案。改進(jìn)的ga有三大創(chuàng)新點(diǎn)，分別是在生成個(gè)體和交叉時(shí)引入相似度檢驗(yàn)以保障個(gè)體的多樣性，根據(jù)空間距離偏差位置設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)，引入新的變異算子以避免群體中出現(xiàn)缺失某個(gè)基因的現(xiàn)象。這三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)有助于精確地確定接收器在三維空間中的坐標(biāo)，并使定位誤差可控。方法簡單高效，具有廣闊的應(yīng)用前景。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、創(chuàng)新性地將遺傳算法應(yīng)用于可見光室內(nèi)三維定位，比起傳統(tǒng)的三維可見光定位系統(tǒng)，本文所提出的系統(tǒng)在三維定位時(shí)不需再進(jìn)行角度或高度檢測，也不需繁雜地迭代。

2、創(chuàng)新性地改進(jìn)遺傳算法，在生成個(gè)體和交叉時(shí)引入相似度檢驗(yàn)以保障個(gè)體的多樣性，根據(jù)空間距離偏差位置設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)，引入新的變異算子以避免出現(xiàn)基因缺失的現(xiàn)象。這三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)有助于精確地確定接收器在三維空間中的坐標(biāo)，并使定位誤差可控。

3、通過創(chuàng)新性設(shè)計(jì)一種基于遺傳算法高精度可見光定位方法及其系統(tǒng)，方法簡單高效，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為一種基于遺傳算法高精度可見光定位方法及其系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖。

圖3為本發(fā)明的改進(jìn)的ga流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種基于遺傳算法高精度可見光定位方法及其系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。根據(jù)室內(nèi)的環(huán)境的需求布置m個(gè)led燈具，其中，m為正整數(shù)，且m≥4。本系統(tǒng)模型以每4個(gè)led燈具作為一個(gè)定位的位置單元。定位終端為定位接收子系統(tǒng)的光電檢測器件。

如圖2所示，本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖。加載到每個(gè)led燈具上的id位置信息通過所述ook基帶調(diào)制模塊生成基帶信號(hào)，所述基帶信號(hào)通過與接收端特定的pn碼相乘進(jìn)行cdma調(diào)制實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，生成調(diào)制信號(hào)，所述調(diào)制信號(hào)通過所述led驅(qū)動(dòng)電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽庑盘?hào)并發(fā)射出去。

進(jìn)一步地，所述可見光信號(hào)通過三維自由空間傳輸至定位接收子系統(tǒng)的光電檢測器件。

進(jìn)一步地，所述光電檢測器件將可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述電信號(hào)通過放大電路、自適應(yīng)濾波電路濾除噪聲；所述濾除噪聲的信號(hào)經(jīng)所述cdma解擴(kuò)模塊和所述ook基帶解調(diào)模塊后得到每個(gè)led的id位置信息；所述id位置信息經(jīng)采樣獲得光照強(qiáng)度衰減因子；根據(jù)所述光照強(qiáng)度衰減因子，通過改進(jìn)的ga獲得精確的三維位置坐標(biāo)。

如圖3所示，改進(jìn)的ga流程圖。所述的改進(jìn)的ga依次進(jìn)行生成個(gè)體構(gòu)成種群，個(gè)體相似度檢驗(yàn)，構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，引入輪盤賭選出優(yōu)秀個(gè)體，先執(zhí)行相似性檢驗(yàn)再執(zhí)行交叉操作，執(zhí)行改進(jìn)的突變操作，設(shè)置算法終止條件。

進(jìn)一步地，所述可見光信號(hào)在空間傳播的光照強(qiáng)度衰減因子可以通過信道的增益表示：

其中，h(0)是所述可見光信號(hào)在空間傳播的光照強(qiáng)度衰減因子；a為光電檢測器的有效面積；d為led和接收器之間的距離；θ為led光線相對于法線方向的發(fā)射角；φ為光強(qiáng)相對于接收器法線方向的入射角；ts(φ)為光濾波器的增益；g(φ)為聚光透鏡增益；mt和mr為朗伯階數(shù)。

將所述接收光功率pr表示為

pr＝pth(0)+pbackground

其中，pt是平均傳輸光功率，pbackground是由存在于背景環(huán)境中的其它光源引起的入射光功率。是

進(jìn)一步地，所述生成個(gè)體構(gòu)成種群，對生成個(gè)體進(jìn)行所述個(gè)體相似度檢驗(yàn)是為了改善所述種群的多樣性。所述個(gè)體包含代表3個(gè)不同坐標(biāo)分量(x,y,z)的3個(gè)染色體，使用二進(jìn)制編碼生成所述個(gè)體。定義相似性常數(shù)ζ以測量兩個(gè)個(gè)體的相似性：

式中，lsame是相同基因的數(shù)量，l是染色體的長度。

設(shè)置閾值ζ0以判斷新生成的個(gè)體與存在于群體中的個(gè)體是否類似。如果所述ζ高于所述閾值ζ0，則應(yīng)再次產(chǎn)生所述個(gè)體。在所述群體生成后，所述群體的個(gè)體可以被寫為矩陣形式其中和是長度為l的列向量：

由于所述向量使用二進(jìn)制編碼，所述向量的元素只有兩個(gè)值：1或0。

進(jìn)一步地，所述適應(yīng)度函數(shù)是用來測量個(gè)體是否接近理想位置。根據(jù)所述公式(7)，忽略背景光強(qiáng)度功率的影響，接收機(jī)接收到的第n個(gè)led發(fā)射機(jī)信號(hào)的信號(hào)功率可表示為：

其中，led光線相對于法線方向的發(fā)射角h是發(fā)射器和接收器之間的垂直距離，n表示第n個(gè)led發(fā)射機(jī)，0≤n≤m，m表示系統(tǒng)的led發(fā)射機(jī)個(gè)數(shù)。

一般mt＝mr＝1，假設(shè)所述c可看作常數(shù)，則公式可以簡化為以下形式：

假設(shè)接收機(jī)水平放置以簡化分析，則所述φ和θ可被認(rèn)為是相等的。ledn和接收機(jī)之間的距離d⁽ⁿ⁾可以表示為：

所述個(gè)體的基因型為定義房間模型的最大空間范圍(l,w,h)，l,w,h依次表示三維室內(nèi)空間的長、寬、高，空間坐標(biāo)(x0,y0,z0)可由下式表示：

所述第n個(gè)led發(fā)射機(jī)的空間坐標(biāo)為個(gè)體和第n個(gè)發(fā)射機(jī)之間的空間距離可表示為：

所述適應(yīng)度函數(shù)用d⁽ⁿ⁾和l⁽ⁿ⁾所構(gòu)成的空間距離偏差表示：

個(gè)體離理想位置越近，所述適應(yīng)度函數(shù)的值越接近零。

進(jìn)一步地，所述引入輪盤賭選出優(yōu)秀個(gè)體具有較低適應(yīng)度值的個(gè)體應(yīng)該以較高的概率被選擇，所述個(gè)體有m個(gè)，所有所述個(gè)體的適應(yīng)度值用適應(yīng)度矩陣表示，

第k個(gè)個(gè)體被選擇的概率為，

其中，0≤k≤m。pk最高的個(gè)體為最優(yōu)秀個(gè)體，假設(shè)選擇出第k個(gè)個(gè)體為所述優(yōu)秀個(gè)體，可得到最終的定位坐標(biāo)(xk,yk,zk)。

進(jìn)一步地，所述先執(zhí)行相似性檢驗(yàn)再執(zhí)行交叉操作。所述相似性檢驗(yàn)具體操作如下：(1)隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，通過所述公式(3)計(jì)算所述兩個(gè)個(gè)體的相似常數(shù)，(2)如果相似常數(shù)高于閾值，則該交叉操作無效，應(yīng)再次執(zhí)行。

進(jìn)一步地，所述執(zhí)行改進(jìn)的突變操作是為了避免ga過早收斂。在來自兩個(gè)個(gè)體的兩個(gè)染色體片段上分別進(jìn)行同或邏輯運(yùn)算和異或邏輯運(yùn)算，，l1和l2分別表示兩個(gè)染色體片段，l′1和l′2表示所述突變操作后的所述兩個(gè)染色體片段：

l′2＝l1⊙l2

所述突變操作后等位基因的邏輯關(guān)系應(yīng)該是互補(bǔ)的，避免了群體缺失某個(gè)基因的現(xiàn)象。

進(jìn)一步地，所述設(shè)置算法終止條件是為了提高最優(yōu)解概率。將優(yōu)化精度σ確定為ga中的終止條件，給出最大迭代次數(shù)nmax，如果一代超過nmax，則所述ga定位算法從頭開始運(yùn)行。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。