專利名稱：基于室內(nèi)照明的定位導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于室內(nèi)LED照明的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無論普通的商業(yè)活動、科學(xué)研究，還是搜救搶險(xiǎn)等行業(yè)，定位導(dǎo)航服務(wù)都有著重要的應(yīng)用。GPS作為一種成熟的無線定位系統(tǒng)已在戶外開闊環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用，然而在人們活動最為頻繁的室內(nèi)環(huán)境卻由于接收信號很差而無法使用。室內(nèi)定位導(dǎo)航有著廣闊的市場前景，比如大型商場和博物館的自動化導(dǎo)游、大型停車場的車位自動導(dǎo)航、醫(yī)院的病患追蹤、礦井的自動定位導(dǎo)航、建筑物中的應(yīng)急導(dǎo)向等等。
目前的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要基于紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙技術(shù)等。這些技術(shù)的使用往往通過移動目標(biāo)和固定單元的通信來確定它們之間的相對位置，進(jìn)而推算出目標(biāo)的真實(shí)位置。但是，這些技術(shù)往往需要額外安裝特定設(shè)備(如Wi-Fi接入點(diǎn)、紅外發(fā)送裝置)，極大地增加了安裝、維護(hù)、管理等方面的成本。另外，這些技術(shù)可使用的場所也受到一定限制，例如在礦井、加油站、醫(yī)院、飛機(jī)機(jī)艙等無線通信被禁止或限制使用的區(qū)域就無法采用基于無線局域網(wǎng)或藍(lán)牙的技術(shù)進(jìn)行定位。最后，這些技術(shù)在穩(wěn)定性、抗干擾能力上也存在一定的不足，這也是現(xiàn)代室內(nèi)無線定位技術(shù)需要著重解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
基于室內(nèi)照明的可見光定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，是一種基于室內(nèi)LED照明光源的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括控制部分、發(fā)射部分、接收部分以及客戶端，其中控制部分是一臺控制計(jì)算機(jī),通過Internet、Wi_Fi、USB、串口或得到電力線組網(wǎng)支持的電力線中的任何一種方式與所述發(fā)射部分通信，向所述發(fā)射部分發(fā)射輸入數(shù)據(jù)及其格式和控制命令，其中輸入數(shù)據(jù)的格式，采用可見光信號的數(shù)據(jù)包格式，包括幀頭、發(fā)射LED的ID、功能服務(wù)類型、數(shù)據(jù)長度、功能服務(wù)數(shù)據(jù)、檢糾錯校驗(yàn)位以及幀尾，其中幀頭和幀尾，表示數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束；ID是發(fā)射LED的地址，信息是一個(gè)32位二進(jìn)制地址，由4個(gè)8位字段構(gòu)成，每個(gè)字段之間用點(diǎn)號隔開，用于標(biāo)識不同位置的LED照明光源，前兩個(gè)字段代表該LED照明光源所在的外部位置，后兩個(gè)字段代表該LED照明光源所在的內(nèi)部環(huán)境；功能服務(wù)類型，表示附加服務(wù)信息的功能類型，其中包括場景描述、導(dǎo)航地圖刷新、緊急情況下疏散指示以及基于位置的其他服務(wù)信息，也稱位置服務(wù)信息；數(shù)據(jù)長度，為信息數(shù)據(jù)總長；功能服務(wù)數(shù)據(jù)，表示具體的附加服務(wù)內(nèi)容；檢糾錯校驗(yàn)位，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)包并糾錯；所述發(fā)射LED的ID中的具體內(nèi)容在所述控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的輸入數(shù)據(jù)中缺失，但以空字段形式出現(xiàn)，待補(bǔ)；所述輸入數(shù)據(jù)的二進(jìn)制碼流采用曼徹斯特編碼方式，以防止由于二進(jìn)制碼“O ”和“I”的交替而引發(fā)在發(fā)送信號時(shí)LED燈光的閃爍；所述輸入數(shù)據(jù)的二進(jìn)制碼流采用包括00K、PPM、VPPM在內(nèi)的任何一種調(diào)制方式在信道惡劣場合采用PPM調(diào)制；在用戶要求改變LED亮度時(shí)，在工作直流不變的條件下采用VPPM調(diào)制；在帶寬大、實(shí)現(xiàn)簡單時(shí)采用OOK調(diào)制；控制命令，包括開或關(guān)LED ；
所述控制計(jì)算機(jī)向所述發(fā)射部分發(fā)出的輸入數(shù)據(jù)中只包括所述位置服務(wù)信息和控制命令；發(fā)射部分，包括信息加載電路、LED驅(qū)動電路和LED光源，其中信息加載電路，判別輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)容若為所述位置服務(wù)信息，則加入本地LED的ID地址后，和所述位置服務(wù)信息按所述可見光信號的數(shù)據(jù)包格式封裝成數(shù)據(jù)包后，在相鄰兩個(gè)照明信號的間隔內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，形成一個(gè)由照明信號和可見光信號共同組成的信息發(fā)射周期，向所述接收部件發(fā)送，在所述LED睡眠發(fā)出微光時(shí)維持通信；若為所述控制命令，則把數(shù)據(jù)包格式的控制命令經(jīng)過編碼、調(diào)制后輸入LED驅(qū)動電路，控制對應(yīng)的LED的工作狀態(tài)；接收部件，包括一個(gè)凸透鏡以及一個(gè)由光電接收器、濾波放大整形電路和解調(diào)解碼器串接而形成的一個(gè)分立的接收部件，把接收的可見光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)解調(diào)解碼后解析出包括所述本地LED的ID信息和所述位置服務(wù)信息在內(nèi)的由所述發(fā)射部件輸出的供定位導(dǎo)航的由接收的可見光信號轉(zhuǎn)換成的電信號，經(jīng)解調(diào)解碼后解析出包括所述本地LED的ID信息和所述位置服務(wù)信息在內(nèi)的由所述發(fā)射部件輸出的供定位導(dǎo)航的可見光信號，發(fā)送給所述客戶端，客戶端，是一種與用戶交互，提供定位導(dǎo)航服務(wù)的便攜設(shè)備，至少包括移動通信終端和PDA，內(nèi)置有定位導(dǎo)航軟件，在接收到所述接收部件發(fā)送的所述定位導(dǎo)航的數(shù)據(jù)包后，首先利用檢糾錯校驗(yàn)位判斷是否存在誤碼，若沒有，則取出發(fā)射LED的位置ID以及對應(yīng)在所述光電接收器內(nèi)光電檢測H)陣列上的位置信息以及所述功能服務(wù)數(shù)據(jù)，用定位算法計(jì)算出當(dāng)前用戶所在的位置，連同所述功能服務(wù)數(shù)據(jù)一起，通過多媒體形式把相關(guān)信息再所述便攜設(shè)備上提供給用戶，其中所述定位算法共有三種，分別是單燈粗略定位、雙燈粗略定位和多燈精確定位，以應(yīng)對不同場景和不同的定位精度需求第一種，單燈粗略定位當(dāng)所述接收部件只能接收到一個(gè)所述LED光源的ID位置信息時(shí)，接收部件將接收到的單個(gè)LED的ID位置信息發(fā)送給所述用戶終端，用戶終端的定位導(dǎo)航軟件將接收到的LED的位置信息加載到定位導(dǎo)航界面，以表示用戶的當(dāng)前地理位置，該算法適用于走廊區(qū)域，定位精度為單燈照明區(qū)域的半徑；第二種，雙燈粗略定位當(dāng)所述接收部件能夠接收到兩個(gè)所述LED光源的ID位置信息時(shí)，接收部件中的H)陣列將接收到的兩個(gè)LED的ID信息以及兩個(gè)LED映射到陣列上的相對位置信息一起發(fā)送給所述用戶終端，用戶終端的定位導(dǎo)航軟件將接收到的兩個(gè)LED的位置進(jìn)行二分法處理得到的地理位置加載到定位導(dǎo)航界面，以表示用戶的當(dāng)前地理位置，該算法適用于走廊或者室內(nèi)照明重疊區(qū)域，定位精度為相鄰LED照明重疊區(qū)域的最大半徑；第三種，多燈精確定位當(dāng)所述接收部件能夠接收到三個(gè)或者三個(gè)以上的并且不在同一條直線上的LED光源的ID位置信息時(shí)，接收部件中的H)陣列將接收到的三個(gè)或者三個(gè)以上LED的ID信息以及LED映射到陣列上的相對位置信息一起發(fā)給所述用戶終端，用戶終端的定位導(dǎo)航軟件通過分析LED映射到陣列上的相對位置信息計(jì)算出所述接收部件與LED光源的相對夾角，通過求解方程求得用戶終端當(dāng)前精確的地理位置，并加載到定位導(dǎo)航界面以表示用戶的當(dāng)前地理位置，該算法適用于室內(nèi)照明密集區(qū)域，定位精度為厘米量級，用戶的當(dāng)前未知地理位置(x，y，z)按下式得到
權(quán)利要求
1.基于室內(nèi)照明的可見光定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，是一種基于室內(nèi)LED照明光源的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括控制部分、發(fā)射部分、接收部分以及客戶端，其中 控制部分是一臺控制計(jì)算機(jī)，通過Internet、Wi-Fi、USB、串口或得到電力線組網(wǎng)支持的電力線中的任何一種方式與所述發(fā)射部分通信，向所述發(fā)射部分發(fā)射輸入數(shù)據(jù)及其格式和控制命令，其中 輸入數(shù)據(jù)的格式，采用可見光信號的數(shù)據(jù)包格式，包括幀頭、發(fā)射LED的ID、功能服務(wù)類型、數(shù)據(jù)長度、功能服務(wù)數(shù)據(jù)、檢糾錯校驗(yàn)位以及幀尾，其中 幀頭和幀尾，表示數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束； ID是發(fā)射LED的地址，信息是一個(gè)32位二進(jìn)制地址，由4個(gè)8位字段構(gòu)成，每個(gè)字段之間用點(diǎn)號隔開，用于標(biāo)識不同位置的LED照明光源，前兩個(gè)字段代表該LED照明光源所在的外部位置，后兩個(gè)字段代表該LED照明光源所在的內(nèi)部環(huán)境； 功能服務(wù)類型，表示附加服務(wù)信息的功能類型，其中包括場景描述、導(dǎo)航地圖刷新、緊急情況下疏散指示以及基于位置的其他服務(wù)信息，也稱位置服務(wù)信息； 數(shù)據(jù)長度，為信息數(shù)據(jù)總長； 功能服務(wù)數(shù)據(jù)，表示具體的附加服務(wù)內(nèi)容； 檢糾錯校驗(yàn)位，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)包并糾錯； 所述發(fā)射LED的ID中的具體內(nèi)容在所述控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的輸入數(shù)據(jù)中缺失，但以空字段形式出現(xiàn)，待補(bǔ)； 所述輸入數(shù)據(jù)的二進(jìn)制碼流采用曼徹斯特編碼方式，以防止由于二進(jìn)制碼“0”和“I”的交替而引發(fā)在發(fā)送信號時(shí)LED燈光的閃爍； 所述輸入數(shù)據(jù)的二進(jìn)制碼流采用包括OOK、PPM、VPPM在內(nèi)的任何一種調(diào)制方式 在信道惡劣場合采用PPM調(diào)制； 在用戶要求改變LED亮度時(shí)，在工作直流不變的條件下采用VPPM調(diào)制； 在帶寬大、實(shí)現(xiàn)簡單時(shí)采用OOK調(diào)制； 控制命令，包括開或關(guān)LED ； 所述控制計(jì)算機(jī)向所述發(fā)射部分發(fā)出的輸入數(shù)據(jù)中只包括所述位置服務(wù)信息和控制命令； 發(fā)射部分，包括信息加載電路、LED驅(qū)動電路和LED光源，其中 信息加載電路，判別輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)容 若為所述位置服務(wù)信息，則加入本地LED的ID地址后，和所述位置服務(wù)信息按所述可見光信號的數(shù)據(jù)包格式封裝成數(shù)據(jù)包后，在相鄰兩個(gè)照明信號的間隔內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，形成一個(gè)由照明信號和可見光信號共同組成的信息發(fā)射周期，向所述接收部件發(fā)送，在所述LED睡眠發(fā)出微光時(shí)維持通信； 若為所述控制命令，則把數(shù)據(jù)包格式的控制命令經(jīng)過編碼、調(diào)制后輸入LED驅(qū)動電路，控制對應(yīng)的LED的工作狀態(tài)； 接收部件，包括一個(gè)凸透鏡以及一個(gè)由光電接收器、濾波放大整形電路和解調(diào)解碼器串接而形成的一個(gè)分立的接收部件，把接收的可見光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)解調(diào)解碼后解析出包括所述本地LED的ID信息和所述位置服務(wù)信息在內(nèi)的由所述發(fā)射部件輸出的供定位導(dǎo)航的由接收的可見光信號轉(zhuǎn)換成的電信號，經(jīng)解調(diào)解碼后解析出包括所述本地LED的ID信息和所述位置服務(wù)信息在內(nèi)的由所述發(fā)射部件輸出的供定位導(dǎo)航的可見光信號，發(fā)送給所述客戶端， 客戶端，是一種與用戶交互，提供定位導(dǎo)航服務(wù)的便攜設(shè)備，至少包括移動通信終端和PDA，內(nèi)置有定位導(dǎo)航軟件，在接收到所述接收部件發(fā)送的所述定位導(dǎo)航的數(shù)據(jù)包后，首先利用檢糾錯校驗(yàn)位判斷是否存在誤碼，若沒有，則取出發(fā)射LED的位置ID以及對應(yīng)在所述光電接收器內(nèi)光電檢測ro陣列上的位置信息以及所述功能服務(wù)數(shù)據(jù)，用定位算法計(jì)算出當(dāng)前用戶所在的位置，連同所述功能服務(wù)數(shù)據(jù)一起，通過多媒體形式把相關(guān)信息再所述便攜設(shè)備上提供給用戶，其中所述定位算法共有三種，分別是單燈粗略定位、雙燈粗略定位和多燈精確定位，以應(yīng)對不同場景和不同的定位精度需求 第一種，單燈粗略定位當(dāng)所述接收部件只能接收到一個(gè)所述LED光源的ID位置信息時(shí)，接收部件將接收到的單個(gè)LED的ID位置信息發(fā)送給所述用戶終端，用戶終端的定位導(dǎo)航軟件將接收到的LED的位置信息加載到定位導(dǎo)航界面，以表示用戶的當(dāng)前地理位置，該算法適用于走廊區(qū)域，定位精度為單燈照明區(qū)域的半徑； 第二種，雙燈粗略定位當(dāng)所述接收部件能夠接收到兩個(gè)所述LED光源的ID位置信息時(shí)，接收部件中的陣列將接收到的兩個(gè)LED的ID信息以及兩個(gè)LED映射到陣列上的相對位置信息一起發(fā)送給所述用戶終端，用戶終端的定位導(dǎo)航軟件將接收到的兩個(gè)LED的位置進(jìn)行二分法處理得到的地理位置加載到定位導(dǎo)航界面，以表示用戶的當(dāng)前地理位置，該算法適用于走廊或者室內(nèi)照明重疊區(qū)域，定位精度為相鄰LED照明重疊區(qū)域的最大半徑； 第三種，多燈精確定位當(dāng)所述接收部件能夠接收到三個(gè)或者三個(gè)以上的并且不在同一條直線上的LED光源的ID位置信息時(shí)，接收部件中的陣列將接收到的三個(gè)或者三個(gè)以上LED的ID信息以及LED映射到陣列上的相對位置信息一起發(fā)給所述用戶終端，用戶終端的定位導(dǎo)航軟件通過分析LED映射到陣列上的相對位置信息計(jì)算出所述接收部件與LED光源的相對夾角，通過求解方程求得用戶終端當(dāng)前精確的地理位置，并加載到定位導(dǎo)航界面以表示用戶的當(dāng)前地理位置，該算法適用于室內(nèi)照明密集區(qū)域，定位精度為厘米量級，用戶的當(dāng)前未知地理位置(x，y，z)按下式得到
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于室內(nèi)照明的可見光定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，接收部件嵌入用戶終端設(shè)備中。
全文摘要
基于室內(nèi)照明的可見光定位導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，包括控制計(jì)算機(jī)、發(fā)射部件、接收部件和多個(gè)便攜設(shè)備，發(fā)射部件由信息加載電路、LED驅(qū)動電路和LED光源組成，接收部件由凸透鏡以及光電接收器、濾波放大整形電路以及解調(diào)解碼器連接而成?？刂朴?jì)算機(jī)向發(fā)射部件發(fā)送附加服務(wù)信息和控制命令，接收部件把附加服務(wù)信息連同LED的ID地址信息解碼后發(fā)送給便攜設(shè)備用于顯示，其中光電接收器采用凸透鏡加上光電檢測PD陣列的光路接收方案，便于精確確定用戶的地理位置。所述附加服務(wù)信息包括場景和邊界切換信息、導(dǎo)航地圖刷新信息和緊急疏散信息，本發(fā)明突破了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的需安裝特定設(shè)備以及使用區(qū)域受限的缺失。
文檔編號G01C21/26GK102967307SQ201210484538
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者婁鵬華, 張洪明, 郎凱, 邵曉風(fēng), 徐正元 申請人:清華大學(xué)