一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光強(qiáng)度定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光信號強(qiáng)度定位系統(tǒng)，屬于可見光通信
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于可見光通信（Visible Light Communication, VLC)技術(shù)的室內(nèi)定位方案由于 利用白色半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED)發(fā)射的白光作為定位信號的載 體，抗電磁輻射能力強(qiáng)，并且VLC的傳輸信道一般采用直射信道，多徑干擾比較小，所以該 定位方案可以達(dá)到比較高的精度；另外，基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)與未來的VLC通信技 術(shù)相兼容，因此不需要昂貴的硬件設(shè)備投入，成本比較低。目前的室內(nèi)定位多采用RSS的高 精度定位，發(fā)射端通過控制LED陣列發(fā)射具有定位碼型的可見光信號，使位于室內(nèi)的用戶 從接收到的光信號解析出其所在的位置。每個(gè)LED具有唯一的ID號，設(shè)計(jì)LED循環(huán)發(fā)送的 定位數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，加載到LED驅(qū)動(dòng)放大電路上，驅(qū)動(dòng)LED燈陣列發(fā)出數(shù)據(jù)光信號；探測器在 識別幀頭的同時(shí)判決各個(gè)ID的強(qiáng)度，然后根據(jù)強(qiáng)度分布實(shí)現(xiàn)高精度定位。但是該方法有個(gè) 不足之處，對LED的光源穩(wěn)定性和一致性要求較高。當(dāng)光源長時(shí)間工作發(fā)生衰減后則定位 誤差增大。因此需要采用更好的方法提高定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有基于可見光RSS室內(nèi)定位誤差波動(dòng)的問題，提出了一 種包含誤差校正的室內(nèi)可見光強(qiáng)度定位系統(tǒng)。
[0004] 一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光強(qiáng)度定位系統(tǒng)，包括可見光下行發(fā)射模塊、可見 光接收模塊和光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元。
[0005] 所述可見光下行發(fā)射模塊包括第三FPGA，多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路和多個(gè)LED (每個(gè)驅(qū)動(dòng) 電路驅(qū)動(dòng)1個(gè)LED，第三FPGA的輸出IO 口和驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端和 LED相連）由第三FPGA生成調(diào)制編碼信號，通過LED驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)LED照明，并將 調(diào)制編碼信號發(fā)射出去。
[0006] 所述光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元包括第一光電探測器、第一運(yùn)算放大器、第一模數(shù)轉(zhuǎn) 換器、第一 FPGA及第一藍(lán)牙模塊。第一光電探測器和第一運(yùn)算放大器輸入端相連，第一運(yùn) 算放大器和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端相連，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端和第一 FPGA 的輸入IO相連，第一 FPGA的輸出IO和第一藍(lán)牙模塊的串口相連。第一光電探測器把探 測到可見光信號轉(zhuǎn)化成電信號，電信號通過第一運(yùn)算放大器放大，放大后的電信號經(jīng)過第 一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，F(xiàn)PGA通過公式（1)計(jì)算光強(qiáng)波動(dòng)因子，光強(qiáng)波動(dòng)因子通過 FGPA和第一藍(lán)牙模塊的串口通信，發(fā)送到第一藍(lán)牙模塊，第一藍(lán)牙模塊把光強(qiáng)波動(dòng)因子通 過藍(lán)牙無線發(fā)送出去。
[0007] 根據(jù)不同光源的強(qiáng)度波動(dòng)計(jì)算出光強(qiáng)波動(dòng)因子：
[0008] Si= PiVPi(I)
[0009] 其中，Si為第i個(gè)LED的光強(qiáng)波動(dòng)因子，P i為系統(tǒng)上電工作開始時(shí)第i個(gè)LED的 光強(qiáng)值（作為第i個(gè)LED的基準(zhǔn)值），Pi.為實(shí)時(shí)獲取新的光強(qiáng)值。
[0010] 光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元固定于多個(gè)LED下方，在多個(gè)LED的光照射范圍內(nèi)。
[0011] 所述可見光接收模塊安裝在被測物體上，包括第二光電探測器、第二運(yùn)算放大器、 第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二FPGA及第二藍(lán)牙模塊。第二光電探測器、第二運(yùn)算放大器、第二模數(shù) 轉(zhuǎn)換器、第二FPGA及第二藍(lán)牙模塊順次相連。第二光電探測器把采集到的光信號轉(zhuǎn)成電信 號，第二運(yùn)算放大器將電信號放大，通過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到第二FPGA中。
[0012] 上述組成部分的連接關(guān)系為：可見光下行發(fā)射模塊通過LED發(fā)送調(diào)制編碼信號； 光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元根據(jù)不同LED光源的強(qiáng)度波動(dòng)計(jì)算出光強(qiáng)波動(dòng)因子，通過無線通信 方式把光強(qiáng)波動(dòng)因子發(fā)送給可見光接收模塊；可見光接收模塊接收可見光下行發(fā)射模塊的 調(diào)制編碼信號，通過接收到的調(diào)制編碼信號和接收到的光強(qiáng)波動(dòng)因子計(jì)算位置。
[0013] 基于上述室內(nèi)可見光強(qiáng)度定位系統(tǒng)的一種室內(nèi)可見光強(qiáng)度定位的誤差校正方法， 具體步驟為：
[0014] 步驟1，可見光LED下行發(fā)射模塊發(fā)送定位編碼信息；
[0015] 所述定位編碼信息為LED的位置編碼信息（ID編碼），每個(gè)LED對應(yīng)唯一的ID編 碼或者唯一的頻率。第二光電探測器同時(shí)接收到多個(gè)LED的編碼信息時(shí)，能識別出不同的 LED光信號并獲取不同LED的光強(qiáng)；
[0016] 步驟2,光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元獲取當(dāng)前不同LED的調(diào)制編碼信號，并計(jì)算出編碼 信號強(qiáng)度，該信號由于光源幅度波動(dòng)，信號強(qiáng)度會(huì)不同，因此是誤差補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。獲取不同 LED的編碼信號強(qiáng)度，通過公式（1)計(jì)算出不同光強(qiáng)波動(dòng)因子S 1, S2…，Si,~Sn(η為LED的 數(shù)量，η不小于3);把得到的光強(qiáng)波動(dòng)因子通過第一藍(lán)牙模塊發(fā)送到可見光接收模塊的第 二藍(lán)牙模塊；
[0017] 步驟3,可見光接收模塊接收到可見光LED下行發(fā)射模塊發(fā)射模塊發(fā)送的調(diào)制編 碼信號，并接收到光強(qiáng)波動(dòng)因子，第二FPGA通過接收信號強(qiáng)度（RSS)測量法計(jì)算出定位 占 .
[0018] 典型的RSS測量法是基于信號傳播損耗模型的定位方法；
[0019] 根據(jù)LED朗勃輻射體模型，光由第i個(gè)（i = 1，2, 3···，η)LED發(fā)出后到達(dá)第二光探 測器的信道增益為
[0020]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光信號強(qiáng)度定位系統(tǒng)，其特征在于：包括可見光下行 發(fā)射模塊、可見光接收模塊和光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元； 所述可見光下行發(fā)射模塊包括第三FPGA，多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路和多個(gè)LED，由第三FPGA生成調(diào)制編碼信號，通過LED驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)LED照明，并將調(diào)制編碼信號發(fā)射出 去； 所述光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元包括第一光電探測器、第一運(yùn)算放大器、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 第一FPGA及第一藍(lán)牙模塊；第一光電探測器和第一運(yùn)算放大器輸入端相連，第一運(yùn)算放大 器和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端相連，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端和第一FPGA的輸 入10相連，第一FPGA的輸出10和第一藍(lán)牙模塊的串口相連；第一光電探測器把探測到可 見光信號轉(zhuǎn)化成電信號，電信號通過第一運(yùn)算放大器放大，放大后的電信號經(jīng)過第一模數(shù) 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，F(xiàn)PGA計(jì)算光強(qiáng)波動(dòng)因子，光強(qiáng)波動(dòng)因子通過FGPA和第一藍(lán)牙模 塊的串口通信，發(fā)送到第一藍(lán)牙模塊，第一藍(lán)牙模塊把光強(qiáng)波動(dòng)因子通過藍(lán)牙無線發(fā)送出 去； 根據(jù)不同光源的強(qiáng)度波動(dòng)計(jì)算出光強(qiáng)波動(dòng)因子： Sj=Pj./Pi(1) 其中，Si為第i個(gè)LED的光強(qiáng)波動(dòng)因子，Pi為系統(tǒng)上電工作開始時(shí)第i個(gè)LED的光強(qiáng) 值，作為第i個(gè)LED的基準(zhǔn)值，Pi，為實(shí)時(shí)獲取新的光強(qiáng)值； 光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元固定于多個(gè)LED下方，在多個(gè)LED的光照射范圍內(nèi)； 所述可見光接收模塊安裝在被測物體上，包括第二光電探測器、第二運(yùn)算放大器、第二 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二FPGA及第二藍(lán)牙模塊；第二光電探測器、第二運(yùn)算放大器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換 器、第二FPGA及第二藍(lán)牙模塊順次相連；第二光電探測器把采集到的光信號轉(zhuǎn)成電信號， 第二運(yùn)算放大器將電信號放大，通過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到第二FPGA中； 上述組成部分的連接關(guān)系為：可見光下行發(fā)射模塊通過LED發(fā)送調(diào)制編碼信號；光強(qiáng) 波動(dòng)因子監(jiān)測單元根據(jù)不同LED光源的強(qiáng)度波動(dòng)計(jì)算出光強(qiáng)波動(dòng)因子，通過無線通信方式 把光強(qiáng)波動(dòng)因子發(fā)送給可見光接收模塊，可見光接收模塊接收可見光下行發(fā)射模塊的調(diào)制 編碼信號，通過接收到的調(diào)制編碼信號和接收到的光強(qiáng)波動(dòng)因子計(jì)算位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光信號強(qiáng)度定位系統(tǒng)，其特征 在于：每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)1個(gè)LED，第三FPGA的輸出10 口和驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng) 電路的輸出端和LED相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光信號強(qiáng)度定位系統(tǒng)，其特征 在于：其室內(nèi)可見光強(qiáng)度定位的誤差校正方法具體步驟為： 步驟1，可見光LED下行發(fā)射模塊發(fā)送定位編碼信息； 所述定位編碼信息為LED的位置編碼信息，每個(gè)LED對應(yīng)唯一的ID編碼或者唯一的頻 率；第二光電探測器同時(shí)接收到多個(gè)LED的編碼信息時(shí)，能識別出不同的LED光信號并獲取 不同LED的光強(qiáng)； 步驟2,光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元獲取當(dāng)前不同LED的調(diào)制編碼信號，并計(jì)算出編碼信號 強(qiáng)度，該信號由于光源幅度波動(dòng)，信號強(qiáng)度會(huì)不同，因此是誤差補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)；獲取不同LED 的編碼信號強(qiáng)度，通過計(jì)算得出不同光強(qiáng)波動(dòng)因子Si，S2…，Sp…Sn，n為LED的數(shù)量，n不小 于3 ;把得到的光強(qiáng)波動(dòng)因子通過第一藍(lán)牙模塊發(fā)送到可見光接收模塊的第二藍(lán)牙模塊； 步驟3,可見光接收模塊接收到可見光LED下行發(fā)射模塊發(fā)送的調(diào)制編碼信號，并接收 到光強(qiáng)波動(dòng)因子，第二FPGA通過接收信號強(qiáng)度測量法計(jì)算出定位點(diǎn)； 由于光強(qiáng)隨時(shí)間的波動(dòng)，光由第i個(gè)LED發(fā)出后到達(dá)第二光探測器的實(shí)際增益H(0)'ws 為
其中，供表示是該LED和第二光探測器之間的輻射角度，屯是第i個(gè)LED與第二光探測 器之間的距離，A是第二光探測器的有效面積，0是光入射到第二光探測器接收面時(shí)的角 度；-為該LED的半功率角，變量m= -In2 /ln(cos妁/2); 該LED發(fā)出的光經(jīng)過傳輸后第二光探測器接收到的光強(qiáng)度P為
其中P〇為該LED發(fā)光功率，h為第二光探測器距離該LED的豎直距離；
屯為編號i的LED與光探測器的距離，r 光探測器距離編號為i的LED在探測器所 在水平面投影中心的距離； 當(dāng)i= 3時(shí)，利用三圓相交的方法即可確定光探測器在水平面上的位置坐標(biāo)X和Y;當(dāng)i>3時(shí)，任何3個(gè)LED即可獲得X，Y值；至此，通過實(shí)時(shí)檢測Si，完成包含誤差校正的可見光 信號強(qiáng)度室內(nèi)定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光信號強(qiáng)度定位系統(tǒng)，其特征 在于：所述三圓相交的方法具體為：以各個(gè)LED在水平面上的投影中心為圓心，以距離^為 半徑畫圓，三個(gè)及以上的圓相交的位置為被測物體所在位置。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包含誤差校正的室內(nèi)可見光信號強(qiáng)度定位系統(tǒng)，屬于可見光通信技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)包括可見光下行發(fā)射模塊、可見光接收模塊和光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元。可見光下行發(fā)射模塊通過LED發(fā)送調(diào)制編碼信號；光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測單元根據(jù)不同LED光源的強(qiáng)度波動(dòng)計(jì)算出光強(qiáng)波動(dòng)因子，通過無線通信方式把光強(qiáng)波動(dòng)因子發(fā)送給可見光接收模塊，可見光接收模塊接收可見光下行發(fā)射模塊的調(diào)制編碼信號，通過接收到的調(diào)制編碼信號和接收到的光強(qiáng)波動(dòng)因子計(jì)算位置。本系統(tǒng)通過增加光強(qiáng)波動(dòng)因子監(jiān)測和發(fā)射單元獲取實(shí)時(shí)的光強(qiáng)信息，并用實(shí)時(shí)強(qiáng)度因子取代傳統(tǒng)的固定參數(shù)進(jìn)行位置計(jì)算，減小了由于光強(qiáng)波動(dòng)帶來的定位誤差。
【IPC分類】G01S11-12
【公開號】CN104777475
【申請?zhí)枴緾N201510182109
【發(fā)明人】馮立輝, 呂慧超, 楊愛英, 倪國強(qiáng)
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月16日