一種基于頻分復(fù)用的可見光高精度室內(nèi)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于頻分復(fù)用的可見光高精度室內(nèi)定位方法，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，所以沒有電磁輻射，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，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。目前已有 較多的室內(nèi)定位方法，但目前絕大部分是通過每個(gè)LED發(fā)送編碼，接收器接收到LED編碼， 然后恢復(fù)出LED位置，這種定位方法只能粗略定位到某個(gè)LED附近。該定位方法，各個(gè)LED 獨(dú)立，無需同步發(fā)射信號，實(shí)施簡單，但是定位精度低，無法滿足高精度場合的要求。高精度 室內(nèi)則通過多個(gè)LED同步發(fā)送信號，接收到同時(shí)接收到多個(gè)LED的編碼，再算出各自編碼的 強(qiáng)度，根據(jù)接收信號強(qiáng)度（RSS)的算法，恢復(fù)出精確的位置信息。這種方式在具體實(shí)施中信 號需要同步連接，否則接收端信號疊加，無法解調(diào)信號，需要各個(gè)LED彼此互連，對線路進(jìn) 行改造，線路復(fù)雜且可拓展性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有室內(nèi)定位中，同步信號定位可拓展性差，線路復(fù)雜， 而非同步連接的定位系統(tǒng)信號定位精度低的問題，提出一種基于頻分復(fù)用的可見光高精度 室內(nèi)定位方法，LED無需同步發(fā)送信號，利用接收器接收到LED信號的強(qiáng)度和頻率，通過頻 率區(qū)分不同的LED，利用內(nèi)置的LED數(shù)據(jù)庫得到LED的位置信息，通過不同LED的位置信息 和強(qiáng)度信息來確定位置。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具體包括以下步驟：
[0005] 步驟1 :構(gòu)建一個(gè)可見光定位系統(tǒng)；該系統(tǒng)包括多個(gè)LED發(fā)射模塊（不少于3個(gè)） 和可見光接收模塊；所述LED發(fā)射模塊包括驅(qū)動電路和LED ;所述可見光接收模塊包括光電 探測器、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及處理器，光電探測器、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器順次 連接；
[0006] 步驟2 :對不同LED發(fā)射模塊中的驅(qū)動電路加載不同頻率的周期信號對發(fā)送信號 進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的周期可見光信號速率滿足條件為人眼看不到閃爍；相鄰LED加載的信 號頻率有間隔并在頻譜上不相互干擾，每個(gè)LED經(jīng)驅(qū)動后發(fā)送周期可見光信號。所述周期 可見光信號是正弦波周期信號或者是方波周期信號，不同LED之間獨(dú)立發(fā)送信號，互不影 響。所述多個(gè)LED發(fā)射模塊之間互不連接，各個(gè)LED之間互不通信。
[0007] 步驟3 :根據(jù)實(shí)際場地及頻率加載情況，在光接收模塊的處理器中預(yù)先記錄每個(gè) 頻率所對應(yīng)的LED位置信息，建立數(shù)據(jù)庫。所述位置信息是指LED在場地中的坐標(biāo)，以邊緣 位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，然后根據(jù)各個(gè)LED距離邊緣的距離，確定每個(gè)LED的x，y坐標(biāo)。
[0008] 步驟4 :光電探測器接收光信號完成光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將采樣到的 信號傳輸至處理器。
[0009] 步驟5 :在處理器中對采集到的數(shù)據(jù)采用FFT變換，得到不同頻率對應(yīng)強(qiáng)度，其中 強(qiáng)度與LED到達(dá)安裝光電探測器的被測物體的光照度成正比，即強(qiáng)度能夠表征光照度的大 小。
[0010] 步驟6 :在多個(gè)LED發(fā)射模塊組成的照射區(qū)域內(nèi)，按照強(qiáng)度從大到小順序查找前η 個(gè)強(qiáng)度所對應(yīng)的頻率值（η多3, η小于等于LED個(gè)數(shù)），并與步驟3中所建立的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 比對，提取到這η個(gè)強(qiáng)度值所對應(yīng)的LED位置信息。η代表選取參與后續(xù)定位的LED個(gè)數(shù)， 取值根據(jù)系統(tǒng)要求的定位精度確定，η越大，定位精度越高。
[0011] 步驟7 :利用步驟6得到的LED位置信息及步驟5得到的強(qiáng)度，通過接收信號強(qiáng)度 (RSS)測量法計(jì)算出定位點(diǎn)，具體方法為：根據(jù)朗勃輻射體模型，光由一個(gè)編號 a的LED發(fā) 出經(jīng)傳輸后到達(dá)光電探測器，光電探測器接收到的光強(qiáng)度P為
[0013] 其中，P。為該LED發(fā)光功率，f表示是該LED和光電探測器之間的輻射角度，4是 編號a的LED與光電探測器之間的距離，A是光電探測器的有效面積，Θ是光入射到光電探 測器接收面時(shí)的角度。為該LED的半功率角，變量h a為光電探測 器距離該LED的豎直距離。
[0015] 其中ha由公式（3)求得；
[0016] ha= Ha-Z (3)
[0017] 其中Ha是編號a的LED距地面的高度。Z是光電探測器到地面的距離，在二維定 位環(huán)境下是已知且固定的。
[0018] 同理，按照公式（2) (3)求得光電探測器距離各個(gè)LED的距離da、db、dc……（d b、dc 分別為編號b、c的LED與光電探測器的距離）。由幾何知識可知：
[0020] 從而求得光電探測器距離各個(gè)LED在光電探測器所在水平面投影中心的距離為 ra、rb、rc......〇
[0021] 用步驟6得到的LED位置信息，當(dāng)η = 3時(shí)，利用三圓相交的方法確定光電探測器 在水平面上的位置坐標(biāo)X和Y ;當(dāng)η>3時(shí)，將三圓相交的方法和排列組合方法相結(jié)合進(jìn)行定 位位置優(yōu)化，具體方法為：排列組合多組LED (每組三個(gè)LED)進(jìn)行三圓相交方法，將得到的 多個(gè)定位位置取平均，得到最終光電探測器的定位位置。
[0022] 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，以公式 (4)求得的各個(gè)LED在光電探測器所在水平面投影中心的距離為半徑畫圓，三個(gè)圓相交的 位置即為定位位置。
[0023] 至此，完成非同步發(fā)送信號的可見光高精度室內(nèi)定位。
[0024] 有益效果
[0025] 本發(fā)明首先對不同LED施加不同頻率的信號；然后在接收端利用快速傅里葉變換 區(qū)分不同的LED及其強(qiáng)度，最終使用RSS方法實(shí)現(xiàn)高精度定位。方法簡單易行，便于實(shí)現(xiàn)，并 且能夠忽略背景光噪聲的影響，相對于LED同步發(fā)送信號的定位方法減少了設(shè)備冗余度， 大大提高了可拓展性，并且能夠消除背景光造成的定位誤差，相對于通常的LED異步發(fā)送 信號的定位方法則大大提高了定位的精度。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明中三圓相交得到定位點(diǎn)示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明方法的流程圖；
[0028] 圖3為【具體實(shí)施方式】中的定位系統(tǒng)框圖；
[0029] 圖4為【具體實(shí)施方式】中接收端接收信號波形。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合具體實(shí)施例來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì) 的說明，但本發(fā)明的具體實(shí)施