基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)及方法，包括下行接收、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；下行接收模塊包括光電探測(cè)器、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、上行接收FPGA。下行接收模塊通過(guò)其光電探測(cè)器測(cè)量到的接收器接收到的光強(qiáng)度信息以及傳感器測(cè)量到的接收器的方向信息，采用二維動(dòng)態(tài)室內(nèi)定位算法獲得接收器的二維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位。本發(fā)明所提供的定位系統(tǒng)及相對(duì)于現(xiàn)有的定位系統(tǒng)具有低成本，應(yīng)用環(huán)境靈活等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前,基于全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)的室外定位導(dǎo)航服務(wù)已經(jīng)應(yīng)用到我們生活的方方面面。然而由于多徑衰落和其他無(wú)線電設(shè)備的干擾，GPS在室內(nèi)或者人口密集的地方很難達(dá)到理想的效果。因此，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境下的定位導(dǎo)航服務(wù)，需要一種新的定位系統(tǒng)。
[0003]目前用于室內(nèi)定位的技術(shù)主要有超聲波技術(shù)、紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等，這些定位系統(tǒng)需要在室內(nèi)增加新的設(shè)備投入，成本比較高，不便于普及。而基于W1-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位方案，由于無(wú)線信號(hào)具有電磁輻射，所以難以應(yīng)用到醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等對(duì)電磁輻射比較敏感的環(huán)境；并且無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)多徑干擾比較嚴(yán)重，定位精度不高。
[0004]基于可見(jiàn)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(hào)的載體，因此沒(méi)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(lái)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(lái)室內(nèi)低成本、高精度、無(wú)處不在的定位方案。
[0005]目前基于VLC的室內(nèi)定位算法至少需要三個(gè)LED才能工作。所以在一些特殊場(chǎng)合，比如小的房間、樓梯和走廊，其周?chē)鶯ED的數(shù)量一般少于三個(gè)，或者在比較復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，被測(cè)點(diǎn)能接收到的LED燈的數(shù)量一般也少于三個(gè)。這樣的話，以上的精確定位算法就不能實(shí)現(xiàn)。鄰近算法雖然只用一個(gè)LED，但其精度有限，難以實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0006]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(lái)粗略的判斷接收器的位置，即接收最大的光強(qiáng)所來(lái)自的LED的位置為接收器的位置；然后利用接收器測(cè)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(duì)于其他的定位算法，該算法對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)比較低。缺點(diǎn)是AOA算法要求接受器必須具備對(duì)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。在一些成本受限的應(yīng)用場(chǎng)景中，該定位系統(tǒng)不太適用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出了一種基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)及方法。采用本定位系統(tǒng)和方法，在同樣兩個(gè)參考點(diǎn)的情況下，系統(tǒng)不需要對(duì)入射光的角度進(jìn)行測(cè)量，只需采用動(dòng)態(tài)定位算法，接收器就可以獲得精確的定位。因此，本發(fā)明的定位方案在保持AOA定位算法的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在成本上具有比較大的優(yōu)勢(shì)。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]—種基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(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(jiàn)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(jiàn)光上行鏈路；其中:
[0010]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(lái)產(chǎn)生白光LED發(fā)送的信號(hào)巾貞,該信號(hào)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(hào)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(hào)以白光形式發(fā)射出去；
[0011]所述下行接收模塊包括:光電探測(cè)器、傳感器和下行接收FPGA ;所述光電探測(cè)器測(cè)量接收器接收到的光強(qiáng)度信息，所述傳感器測(cè)量接收器的方向，所述下行接收FPGA根據(jù)光電探測(cè)器和傳感器測(cè)量的信息計(jì)算出接收器的二維位置坐標(biāo)；
[0012]所述上行發(fā)送模塊包括:上行發(fā)送FPGA、驅(qū)動(dòng)電路、紅外LED ;所述上行發(fā)送FPGA用于產(chǎn)生上行發(fā)送的信號(hào)幀，該信號(hào)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(hào)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；
[0013]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。
[0014]所述下行發(fā)送FPGA和上行接收FPGA可通過(guò)一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0015]所述上行發(fā)送FPGA和下行接收FPGA可通過(guò)一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0016]所述下行接收模塊中的傳感器為可以測(cè)量接收器移動(dòng)方向的任何傳感器。
[0017]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(lái)的位置坐標(biāo)進(jìn)行顯
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[0018]一種基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位方法，采用上述的定位系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由所述下行接收FPGA根據(jù)所述光電探測(cè)器測(cè)量到的接收器接收到的光強(qiáng)度信息以及傳感器測(cè)量到的接收器的方向，通過(guò)二維動(dòng)態(tài)室內(nèi)定位算法進(jìn)行定位，具體是:首先，接收器根據(jù)接收到的兩個(gè)不同位置白光LED發(fā)射的光強(qiáng)度，由RSS算法計(jì)算出在水平面上接收器的投影到兩個(gè)白光LED投影之間的距離，由幾何關(guān)系可知，接收器在水平面上的投影為以白光LED投影為圓心，以接收器投影與白光LED投影之間距離為半徑的兩個(gè)圓的交點(diǎn)，該交點(diǎn)坐標(biāo)可由兩個(gè)圓方程求得，然后，將接收器沿某一方向移動(dòng)一段距離，到達(dá)新的位置，重復(fù)以上過(guò)程，獲得新的交點(diǎn)坐標(biāo)，最后通過(guò)傳感器測(cè)得接收器的移動(dòng)方向，獲得接收器的二維位置坐標(biāo)。
[0019]定位算法中接收器移動(dòng)的距離由光電探測(cè)器的分辨率確定，即移動(dòng)的距離應(yīng)滿足使光電探測(cè)器能夠檢測(cè)出入射光強(qiáng)度的最小變化。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的顯著優(yōu)點(diǎn):
[0021]I)本發(fā)明所提供的定位方案算法簡(jiǎn)單、操作方便，不需要其他定位技術(shù)進(jìn)行輔助。
[0022]2)本發(fā)明所提供的定位方案相對(duì)于傳統(tǒng)的三角定位算法，只需兩個(gè)參考點(diǎn)，因此系統(tǒng)可以獲得更好的環(huán)境適應(yīng)能力。
[0023]3)本發(fā)明所提供的定位方案相對(duì)于AOA定位系統(tǒng)，接收器比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有昂貴的硬件設(shè)備，因此成本比較低，便于普及。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)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(huì)變得更明顯:
[0025]圖1為本發(fā)明所公開(kāi)的定位系統(tǒng)框圖；
[0026]圖2為本發(fā)明所公開(kāi)的定位算法的立體原理圖；
[0027]圖3為本發(fā)明所公開(kāi)的定位算法的房間平面原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)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(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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。
[0029]本發(fā)明的定位系統(tǒng)如圖1所示，包括基于VLC (可見(jiàn)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。
[0030]下行發(fā)送模塊包括:下行發(fā)送FPGAjga電路和白光LED。
[0031]下行發(fā)送FPGA用來(lái)產(chǎn)生LED發(fā)送的信號(hào)幀，該信號(hào)幀包含了該LED在室內(nèi)的位置信息。驅(qū)動(dòng)電路為L(zhǎng)ED提供合適的直流偏置，并把發(fā)送信號(hào)調(diào)制在LED的驅(qū)動(dòng)電流上。白光LED將調(diào)制后的信號(hào)以白光形式發(fā)射出去。
[0032]下行接收模塊包括:PD (光電探測(cè)器)、傳感器、下行接收FPGA和顯示模塊。
[0033]H)測(cè)量接收器接收到的光強(qiáng)度信息；傳感器測(cè)量接收器的方向；下行接收FPGA根據(jù)ro和傳感器測(cè)量的信息，計(jì)算出接收器的二維位置坐標(biāo)；顯示模塊將計(jì)算出來(lái)的位置坐標(biāo)進(jìn)行顯示。
[0034]上行發(fā)送模塊包括:上行發(fā)送FPGAjga電路和紅外LED。
[0035]上行發(fā)送FPGA用于產(chǎn)生上行發(fā)送的信號(hào)幀，該信號(hào)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(hào)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。
[0036]上行接收模塊包括:紅外接收模塊和上行接收FPGA。
[0037]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)行保存管理。
[0038]本發(fā)明中，發(fā)射端LED發(fā)射具有調(diào)制定位信息的白光，該定位信息指的是白光LED在室內(nèi)的位置坐標(biāo)。接收器通過(guò)光電探測(cè)器(Photoelectric Diode，PD)檢測(cè)兩個(gè)白光LED在接收器上的光強(qiáng)度并通過(guò)傳感器檢測(cè)接收器的方向。然后由下行接收FPGA計(jì)算得到接收器的二維位置坐標(biāo)。接收器將計(jì)算出來(lái)的位置坐標(biāo)通過(guò)基于紅外的VLC上行鏈路發(fā)送到上行接收FPGA上。該上行接收FPGA對(duì)室內(nèi)接收器的位置進(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接收器的定位與追蹤。
[0039]本發(fā)明中，下行接收FPGA通過(guò)二維動(dòng)態(tài)定位算法計(jì)算得到接收器的二維位置坐標(biāo)，具體如圖2和圖3所示，兩個(gè)白光LED在水平面上的投影分別為O1和O2，接收器的投影為MU。由接收器接收到的兩個(gè)白光LED的光強(qiáng)度，根據(jù)RSS算法可以計(jì)算得到接收器到兩個(gè)白光LED的距離d。白光LED與接收器的垂直距離為已知條件，設(shè)為h。由此可以計(jì)算得到水平面上，接收器的投影到兩白光LED投影之間的距離 與r2。兩白光LED的二維坐標(biāo)已知，設(shè)為O1 (a, b)和O2 (c, d)。因此以O(shè)1和O2為圓心，以!T1和r2為半徑的兩個(gè)圓的交點(diǎn)由式(I)給出，標(biāo)記為P1點(diǎn)和P2點(diǎn)ο
【權(quán)利要求】
1.一種基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(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(jiàn)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(jiàn)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(lái)產(chǎn)生白光LED發(fā)送的信號(hào)巾貞,該信號(hào)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(hào)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(hào)以白光形式發(fā)射出去； 所述下行接收模塊包括:光電探測(cè)器、傳感器和下行接收FPGA ;所述光電探測(cè)器測(cè)量接收器接收到的光強(qiáng)度信息，所述傳感器測(cè)量接收器的方向，所述下行接收FPGA根據(jù)光電探測(cè)器和傳感器測(cè)量的信息計(jì)算出接收器的二維位置坐標(biāo)； 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(hào)幀，該信號(hào)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(hào)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動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述下行發(fā)送FPGA和上行接收FPGA通過(guò)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動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述上行發(fā)送FPGA和下行接收FPGA通過(guò)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動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述下行接收模塊中的傳感器是能夠測(cè)量接收器移動(dòng)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動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位系統(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(lái)的位置坐標(biāo)進(jìn)行顯示。
6.一種基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位方法，其特征在于，米用如權(quán)利要求I至5中任一所述的定位系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由所述下行接收FPGA根據(jù)所述光電探測(cè)器測(cè)量到的接收器接收到的光強(qiáng)度信息以及傳感器測(cè)量到的接收器的方向，通過(guò)二維動(dòng)態(tài)室內(nèi)定位算法進(jìn)行定位，具體是:首先，接收器根據(jù)接收到的兩個(gè)不同位置白光LED發(fā)射的光強(qiáng)度，由RSS算法計(jì)算出在水平面上接收器的投影到兩個(gè)白光LED投影之間的距離，由幾何關(guān)系可知，接收器在水平面上的投影為以白光LED投影為圓心，以接收器投影與白光LED投影之間距離為半徑的兩個(gè)圓的交點(diǎn)，該交點(diǎn)坐標(biāo)可由兩個(gè)圓方程求得，然后，將接收器沿某一方向移動(dòng)一段距離，到達(dá)新的位置，重復(fù)以上過(guò)程，獲得新的交點(diǎn)坐標(biāo)，最后通過(guò)傳感器測(cè)得接收器的移動(dòng)方向，獲得接收器的二維位置坐標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于接收器方向的動(dòng)態(tài)室內(nèi)可見(jiàn)光二維定位方法，其特征在于，接收器移動(dòng)的距離滿足使所述光電探測(cè)器能夠檢測(cè)出入射光強(qiáng)度的最小變化。
【文檔編號(hào)】G01S5/16GK103809157SQ201410067766
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海交通大學(xué)