基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)及方法，包括基于可見光通信的下行接收、發(fā)送模塊和上行接收、發(fā)送模塊，其中，下行發(fā)送模塊包括下行發(fā)送FPGA、驅(qū)動(dòng)電路、白光LED；下行接收模塊包括傳感器、下行接收FPGA；上行發(fā)送模塊包括上行發(fā)送FPGA、驅(qū)動(dòng)電路、紅外LED；上行接收模塊包括紅外接收模塊和上行接收FPGA。下行接收FPGA利用接收器的方向、入射光的方位角以及接收器接收的光強(qiáng)度，通過三維動(dòng)態(tài)定位算法，在室內(nèi)一個(gè)LED的環(huán)境下，提供精確的定位。本發(fā)明所提供的定位系統(tǒng)具有低成本，應(yīng)用環(huán)境靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑內(nèi)的精確定位。
【專利說明】基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可見光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在當(dāng)今的室內(nèi)定位技術(shù)中，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的超聲波、紅外、射頻識別等定位系統(tǒng)，需要在室內(nèi)鋪設(shè)價(jià)格昂貴的收發(fā)設(shè)備，成本比較高，不適合大范圍的普及。而基于無線網(wǎng)絡(luò)的無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network, WLAN)和WiFi (Wireless Fidelity)雖然與現(xiàn)有的室內(nèi)設(shè)備兼容，但由于無線信號在室內(nèi)存在比較嚴(yán)重的多徑干擾，因此很難實(shí)現(xiàn)高精度的定位。并且在一些對電磁輻射比較敏感的環(huán)境，如醫(yī)院、機(jī)場等，該定位技術(shù)不能適用。
[0003]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，因此沒有電磁輻射，不受應(yīng)用環(huán)境的限制；并且VLC的傳輸信道一般采用直射信道，信噪比比較高，多徑干擾比較小，因此該定位方案可以達(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)與未來室內(nèi)VLC網(wǎng)絡(luò)相兼容，因此不需要昂貴的硬件設(shè)備投入，成本比較低廉。綜合以上各方面，基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)將是滿足未來室內(nèi)低成本、高精度、無處不在的定位方案。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，S.Hann, J.H.Kim等人于2010在《European Conferenceand Exhibition on Optical Communication (ECOC)》上發(fā)表了題為 “White LED CeilingLights Positioning Systems for Optical Wireless Indoor Applications，，的文章，文章中提出了一種基于定位指紋的VLC室內(nèi)定位算法。該算法的定位有兩個(gè)階段，即離線階段和實(shí)時(shí)階段。在離線階段，通過建立一個(gè)與室內(nèi)位置坐標(biāo)成線性關(guān)系的數(shù)學(xué)量CSR (Correlation Sum Ratio),該數(shù)學(xué)量通過計(jì)算接收器測量的來自四個(gè)LED的光強(qiáng)度獲得。接收器測量幾個(gè)采樣點(diǎn)的CSR，就可以獲得室內(nèi)的各位置與CSR的關(guān)系曲線，即定位指紋。在實(shí)時(shí)階段，接收器將計(jì)算的CSR值與離線階段獲得的定位指紋做對比，從而得到對應(yīng)的位置坐標(biāo)。該算法的優(yōu)點(diǎn)是將定位過程的復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到了離線階段，從而使實(shí)時(shí)階段的定位過程比較簡單，對接收器的硬件要求比較低，因此成本比較低。其缺點(diǎn)是該算法需要四個(gè)參考點(diǎn)才能工作，并且這四個(gè)參考點(diǎn)需要對稱放置，因此對應(yīng)用環(huán)境的要求比較高。而且算法需要兩個(gè)過程，操作起來相對比較復(fù)雜。
[0005]又經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，G.B.Prince, T.D.C.Little等人于2012年在《GlobalCommunications Conference(GL0BEC0M)》上發(fā)表 了 “A Two Phase Hybrid RSS/A0AAlgorithm for Indoor Device Localization Using Visible Light，，的文章，文章提出了一種由基于RSS (Received Signal Strength)的鄰近定位算法和基于AOA (Angle ofArrival)的三角定位算法組成的混合定位算法。該算法首先由鄰近算法根據(jù)接收的光強(qiáng)度來粗略的判斷接收器的位置，即接收最大的光強(qiáng)所來自的LED的位置為接收器的位置；然后利用接收器測量的入射光線的方位角和頂角，根據(jù)AOA算法進(jìn)行精確的定位。該定位方案的優(yōu)點(diǎn)是定位系統(tǒng)的可靠性高，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，即使AOA定位算法失效，系統(tǒng)也可以由鄰近算法提供一個(gè)粗略的定位。而且AOA算法只需要兩個(gè)參考點(diǎn)(LED)就可以工作，相對于其他的定位算法，該算法對環(huán)境的要求相對比較低。缺點(diǎn)是AOA算法要求接受器必須具備對入射光線的方位角和頂角的感知能力，因此需要成本比較高的傳感器，并且對于小的房間、樓梯和走廊等只有一個(gè)LED的室內(nèi)環(huán)境，該算法仍不能適用，無法實(shí)現(xiàn)對整棟樓的精確定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)和方法中，接收器只要能接收到一個(gè)LED的光信號，就可以提供精確的三維定位。本發(fā)明只需利用室內(nèi)一個(gè)參考點(diǎn)，就能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)建筑內(nèi)的精確定位，從而降低成本，且應(yīng)用環(huán)境靈活。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)，包括主要由下行發(fā)送模塊和下行接收模塊形成的可見光下行鏈路以及主要由上行發(fā)送模塊和上行接收模塊形成的可見光上行鏈路；其中:
[0009]所述下行發(fā)送模塊包括:下行發(fā)送FPGA、驅(qū)動(dòng)電路和白光LED ;所述下行發(fā)送FPGA用來產(chǎn)生白光LED發(fā)送的信號巾貞,該信號巾貞包含了該白光LED在室內(nèi)的位置信息,所述驅(qū)動(dòng)電路為白光LED提供合適的直流偏置，并把發(fā)送信號調(diào)制在白光LED的驅(qū)動(dòng)電流上，所述白光LED將調(diào)制后的信號以白光形式發(fā)射出去；
[0010]所述下行接收模塊包括:傳感器和下行接收FPGA ;所述傳感器將光強(qiáng)度、入射光方位角和接收器方向的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，發(fā)送給所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA計(jì)算出接收器的三維位置坐標(biāo)；
[0011]所述上行發(fā)送模塊包括:上行發(fā)送FPGA、驅(qū)動(dòng)電路和紅外LED ;所述上行發(fā)送FPGA用于產(chǎn)生上行發(fā)送的信號幀，該信號幀包含了接收器的位置信息，所述驅(qū)動(dòng)電路與紅外LED將信號調(diào)制到紅外LED驅(qū)動(dòng)電流上并以紅外線的形式發(fā)送出去；
[0012]所述上行接收模塊包括:紅外接收模塊和上行接收FPGA ;所述紅外接收模塊從接收到的紅外線中提取出接收器的位置信息，所述上行接收FPGA將接收器的位置信息進(jìn)行
保存管理。
[0013]所述下行發(fā)送FPGA和上行接收FPGA通過一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0014]所述上行發(fā)送FPGA和下行接收FPGA通過一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0015]所述下行接收模塊中的傳感器為能夠測量光強(qiáng)度、入射光線方位角和接收器方向的任何傳感器。
[0016]所述下行接收模塊還包括顯示模塊，所述顯示模塊將計(jì)算出來的位置坐標(biāo)進(jìn)行顯
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[0017]一種基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位方法，采用上述的定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述下行接收FPGA根據(jù)接收器接收到的光強(qiáng)度、入射光方位角和接收器方向的信息，通過三維動(dòng)態(tài)室內(nèi)定位算法進(jìn)行定位計(jì)算，具體是:首先，接收器通過傳感器接收到某個(gè)白光LED發(fā)射的光信號，由RSS算法計(jì)算出在水平面上接收器的投影到該白光LED投影之間的距離，由此可以求得以該白光LED投影為圓心，以接收器投影到該白光LED投影之間的距離為半徑的圓方程，同時(shí)，由傳感器測得的入射光線的方位角，可以計(jì)算得到接收器投影與該白光LED投影所在直線的方程，由該兩個(gè)方程可以求得交點(diǎn)坐標(biāo)，然后，將接收器沿任一方向移動(dòng)一段距離，該方向由傳感器測得，接收器在新的位置上重復(fù)以上算法過程，由所得到的方程組計(jì)算出接收器的三維位置坐標(biāo)。
[0018]接收器移動(dòng)的距離由測量入射光方位角的傳感器的靈敏度確定，即移動(dòng)的距離應(yīng)滿足使傳感器能夠檢測出入射光線方位角的最小變化。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的顯著優(yōu)點(diǎn):
[0020]I)本發(fā)明所提供的定位系統(tǒng)算法簡單、操作方便，不需要其他定位技術(shù)進(jìn)行輔助。
[0021]2)本發(fā)明所提供的定位系統(tǒng)與VLC通信網(wǎng)絡(luò)相兼容，定位系統(tǒng)成本比較低，便于未來的普及。
[0022]3)本發(fā)明所提供的定位方案相對于其他室內(nèi)定位方案，只使用一個(gè)LED，應(yīng)用場合比較靈活，抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)整棟建筑內(nèi)的精確定位。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0024]圖1為本發(fā)明所公開的定位系統(tǒng)框圖；
[0025]圖2為本發(fā)明所公開的定位算法的立體原理圖；
[0026]圖3為本發(fā)明所公開的定位算法的房間平面原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]本發(fā)明的定位系統(tǒng)如圖1所示，包括基于VLC (可見光通信系統(tǒng))的下行發(fā)送模塊、下行接收模塊形成的下行鏈路、上行發(fā)送模塊和上行接收模塊形成的上行鏈路。
[0029]下行發(fā)送模塊包括:下行發(fā)送FPGAjga電路、白光LED。
[0030]下行發(fā)送FPGA用來產(chǎn)生LED發(fā)送的信號幀，該信號幀包含了該LED在室內(nèi)的位置信息。驅(qū)動(dòng)電路為LED提供合適的直流偏置，并把發(fā)送信號調(diào)制在LED的驅(qū)動(dòng)電流上。白光LED將調(diào)制后的信號以白光形式發(fā)射出去。
[0031]下行接收模塊包括:傳感器、下行接收FPGA和顯示模塊。
[0032]傳感器將光強(qiáng)度、入射光方位角和接收器方向等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，以便定位算法處理。下行接收FPGA負(fù)責(zé)定位算法的實(shí)現(xiàn)。顯示模塊將定位算法計(jì)算出的位置結(jié)果進(jìn)行顯示。
[0033]上行發(fā)送模塊包括:上行發(fā)送FPGA、驅(qū)動(dòng)電路、紅外LED。
[0034]上行發(fā)送FPGA用于產(chǎn)生上行發(fā)送的信號幀，該信號幀包含了接收器的位置信息。驅(qū)動(dòng)電路與紅外LED將信號調(diào)制到紅外LED驅(qū)動(dòng)電流上并以紅外線的形式發(fā)送出去。
[0035]上行接收模塊包括:紅外接收模塊和上行接收FPGA。
[0036]紅外接收模塊從接收到的紅外線中提取出接收器的位置信息。上行接收FPGA將接收器的位置信息進(jìn)行管理保存。
[0037]本發(fā)明中，發(fā)射端的LED發(fā)射調(diào)制有定位信息的白光，這里的定位信息指的是LED的位置坐標(biāo)。接收器通過傳感器測量入射光的強(qiáng)度、入射光的方位角以及接收器的方向，再由下行接收FPGA計(jì)算出接收器的三維位置坐標(biāo)。接收器將計(jì)算出來的位置坐標(biāo)通過基于紅外LED的VLC上行鏈路發(fā)送到上行接收FPGA上，該上行接收FPGA負(fù)責(zé)對室內(nèi)接收器的位置進(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)對接收器的定位與追蹤。
[0038]本發(fā)明中，下行接收FPGA通過三維動(dòng)態(tài)定位算法計(jì)算得到接收器的三維位置坐標(biāo)，具體如圖2和圖3所示，白光LED固定在天花板上的某一位置，其坐標(biāo)已知，設(shè)為(a, b, h)，其在水平面的投影為0(a，b)。對于室內(nèi)接收器所處的某個(gè)位置設(shè)為MU1 (x, y, z)，其在水平面的投影為P1 (x，y)。根據(jù)RSS算法，由接收到的光強(qiáng)度可以計(jì)算出MU1與LED之間的距離屯。而LED的高度為h，由此可以計(jì)算出MU1與LED在水平面上投影之間的距離T1。
[0039]F1 = - (h - Z)2(I)
[0040]則以點(diǎn)O為圓心，&為半徑的圓方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)，其特征在于，包括主要由下行發(fā)送模塊和下行接收模塊形成的可見光下行鏈路以及主要由上行發(fā)送模塊和上行接收模塊形成的可見光上行鏈路；其中: 所述下行發(fā)送模塊包括:下行發(fā)送FPGA、驅(qū)動(dòng)電路和白光LED ;所述下行發(fā)送FPGA用來產(chǎn)生白光LED發(fā)送的信號巾貞,該信號巾貞包含了該白光LED在室內(nèi)的位置信息,所述驅(qū)動(dòng)電路為白光LED提供合適的直流偏置，并把發(fā)送信號調(diào)制在白光LED的驅(qū)動(dòng)電流上，所述白光LED將調(diào)制后的信號以白光形式發(fā)射出去； 所述下行接收模塊包括:傳感器和下行接收FPGA ;所述傳感器將光強(qiáng)度、入射光方位角和接收器方向的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺l(fā)送給所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA計(jì)算出接收器的三維位置坐標(biāo)； 所述上行發(fā)送模塊包括:上行發(fā)送FPGAJga電路和紅外LED ;所述上行發(fā)送FPGA用于產(chǎn)生上行發(fā)送的信號幀，該信號幀包含了接收器的位置信息，所述驅(qū)動(dòng)電路與紅外LED將信號調(diào)制到紅外LED驅(qū)動(dòng)電流上并以紅外線的形式發(fā)送出去； 所述上行接收模塊包括:紅外接收模塊和上行接收FPGA ;所述紅外接收模塊從接收到的紅外線中提取出接收器的位置信息，所述上行接收FPGA將接收器的位置信息進(jìn)行保存管理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述下行發(fā)送FPGA和上行接收FPGA通過一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述上行發(fā)送FPGA和下行接收FPGA通過一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述下行接收模塊中的傳感器是能夠測量光強(qiáng)度、入射光線方位角和接收器方向的任何傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述下行接收模塊還包括顯示模塊，所述顯示模塊將計(jì)算出來的位置坐標(biāo)進(jìn)行顯示。
6.一種基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位方法，其特征在于，米用如權(quán)利要求1至5中任一所述的定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述下行接收FPGA根據(jù)接收器接收到的光強(qiáng)度、入射光方位角和接收器方向的信息，通過三維動(dòng)態(tài)室內(nèi)定位算法進(jìn)行定位計(jì)算，具體是:首先，接收器通過傳感器接收到某個(gè)白光LED發(fā)射的光信號，由RSS算法計(jì)算出在水平面上接收器的投影到該白光LED投影之間的距離，由此可以求得以該白光LED投影為圓心，以接收器投影到該白光LED投影之間的距離為半徑的圓方程，同時(shí)，由傳感器測得的入射光線的方位角，可以計(jì)算得到接收器投影與該白光LED投影所在直線的方程，由該兩個(gè)方程可以求得交點(diǎn)坐標(biāo)，然后，將接收器沿任一方向移動(dòng)一段距離，該方向由傳感器測得，接收器在新的位置上重復(fù)以上算法過程，由所得到的方程組計(jì)算出接收器的三維位置坐標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于接收器方向的室內(nèi)可見光三維定位方法，其特征在于，接收器移動(dòng)的距離滿足使所述傳感器能夠檢測出入射光線方位角的最小變化。
【文檔編號】H04B10/116GK103823203SQ201410067058
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】侯憶楠, 肖石林, 余澤希, 畢美華, 何浩, 胡衛(wèi)生 申請人:上海交通大學(xué)