基于慣性定位和vlc技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng)及方法，基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)包括下行收發(fā)模塊和上行收發(fā)模塊，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：VLC定位傳感器、下行接收FPGA和顯示模塊；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；基于慣性定位的系統(tǒng)包括：陀螺儀，加速度傳感器和FPGA。本發(fā)明將慣性定位系統(tǒng)用于室內(nèi)定位領(lǐng)域，并與基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)合組成室內(nèi)混合定位系統(tǒng)，不僅提高了定位系統(tǒng)的可靠性，而且使本定位系統(tǒng)可以應(yīng)用在各種室內(nèi)環(huán)境，因此本定位系統(tǒng)具有比較高的實(shí)用價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(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，涉及一種基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(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，因此信噪比比較高，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(lái)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，成本比較低廉。綜合以上各方面，基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位技術(shù)將會(huì)是滿(mǎn)足未來(lái)室內(nèi)低成本、高精度、無(wú)處不在的定位方案。
[0003]目前，基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位算法主要有三角定位算法、場(chǎng)景分析算法和鄰近算法。在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，由于各種固定和移動(dòng)的物體干擾，單一的定位算法很難獲得比較高的可靠性。因此，對(duì)VLC定位技術(shù)的研究，逐漸趨向于混合定位算法上?；旌隙ㄎ凰惴ㄊ菍蓚€(gè)或者兩個(gè)以上的定位算法集成在一起，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，以提高定位系統(tǒng)的精度以及可靠性。
[0004]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/AOA Algorithmfor 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。該混合算法是將三角定位算法中的AOA算法作為精確定位算法，而基于RSS算法的鄰近算法作為輔助定位算法。該算法的操作過(guò)程如下: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(xiàn)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，當(dāng)其中一個(gè)LED的光線(xiàn)被遮擋，AOA定位算法失效，系統(tǒng)也可以由一個(gè)LED，根據(jù)鄰近算法提供一個(gè)粗略的定位。缺點(diǎn)是輔助定位算法的定位誤差太大，而且對(duì)于室內(nèi)一些LED直射光線(xiàn)不能到達(dá)的地方，該混合定位算法將不能使用。
[0005]因此，對(duì)于VLC室內(nèi)定位技術(shù)，要滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要，就需要發(fā)展一種新的室內(nèi)輔助定位方案。該輔助定位方案可以不依賴(lài)VLC技術(shù)，以滿(mǎn)足室內(nèi)各種環(huán)境的應(yīng)用需求,而且還要有比較高的定位精度以及便攜性、低成本的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]慣性定位系統(tǒng)在基于GPS的室外定位環(huán)境下，作為一種輔助定位方案，已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用。該定位系統(tǒng)的原理是利用陀螺儀和加速度傳感器，測(cè)得物體移動(dòng)的方向和距離，由物體初始位置求得其移動(dòng)后的位置坐標(biāo)。該定位算法簡(jiǎn)單且便于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是算法存在累計(jì)誤差，定位精度不高。慣性定位雖然在室外環(huán)境得到廣泛的應(yīng)用，但在室內(nèi)定位領(lǐng)域，還未見(jiàn)有報(bào)道。因此將慣性定位技術(shù)引入到的VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)中，將對(duì)VLC室內(nèi)定位技術(shù)的使用化起到比較大的推動(dòng)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng)及方法。采用本發(fā)明所提供的定位系統(tǒng)及方法，使用者在室內(nèi)的任何環(huán)境下都可以獲得精確的、可靠性高的定位服務(wù)。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0009]一種基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng)，其特征在于，
[0010]所述基于VLC技術(shù)的室內(nèi)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:
[0011]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；
[0012]所述下行接收模塊包括:VLC定位傳感器、下行接收FPGA和顯示模塊；所述VLC定位傳感器將光強(qiáng)度信號(hào)或者角度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，發(fā)送給所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA計(jì)算出接收器的位置信息；
[0013]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)電路與所述紅外LED將信號(hào)調(diào)制到紅外LED驅(qū)動(dòng)電流上并以紅外線(xiàn)的形式發(fā)送出去；
[0014]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(xiàn)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)行管理保存；
[0015]所述基于慣性定位的系統(tǒng)包括:陀螺儀、加速度傳感器、FPGA ;所述陀螺儀用于測(cè)量接收器的移動(dòng)方向；所述加速度傳感器用于測(cè)量接收器的移動(dòng)距離，所述FPGA負(fù)責(zé)慣性定位算法的軟件實(shí)現(xiàn)以及兩定位系統(tǒng)定位結(jié)果的選擇。
[0016]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)。
[0017]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)。
[0018]所述下行接收FPGA和慣性定位系統(tǒng)中的FPGA通過(guò)一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0019]所述下行接收模塊中的VLC定位傳感器為可以測(cè)量接收器入射光線(xiàn)光強(qiáng)度或者方位角和頂角的任何傳感器。
[0020]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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[0021]一種基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位方法，采用上述的定位系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在接收器可以接收到LED直射光線(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境下，定位結(jié)果由VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)提供；當(dāng)接收器進(jìn)入到室內(nèi)沒(méi)有直射光線(xiàn)的陰影區(qū)域時(shí)，定位結(jié)果由慣性定位系統(tǒng)提供，其中慣性定位系統(tǒng)所需的初始位置，由VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)提供。[0022]所述基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過(guò)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(guò)VLC定位傳感器接收到某個(gè)白光LED發(fā)射的光信號(hào)，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VLC定位傳感器測(cè)得的入射光線(xiàn)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(xiàn)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VLC定位傳感器測(cè)得，接收器在新的位置上重復(fù)以上算法過(guò)程，由所得到的方程組計(jì)算出接收器的三維位置坐標(biāo)。
[0023]所述基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過(guò)二維動(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)VLC定位傳感器測(cè)得接收器的移動(dòng)方向，獲得接收器的二維位置坐標(biāo)。
[0024]所述基于慣性定位系統(tǒng)的具體算法如下:假設(shè)接收器的初始位置為(a，b)，由接收器的移動(dòng)方向可得該方向所在直線(xiàn)在參考坐標(biāo)系中的斜率，假設(shè)為K，由加速度傳感器測(cè)得接收器移動(dòng)距離為D，則由下列方程求得接收器新的位置坐標(biāo):
【權(quán)利要求】
1.一種基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng),其特征在于， 所述基于VLC技術(shù)的室內(nèi)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: 所述下行發(fā)送模塊包括:下行發(fā)送FPGAJga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)幀,該信號(hào)幀包含了白光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=VLC定位傳感器、下行接收FPGA和顯示模塊；所述VLC定位傳感器將光強(qiáng)度信號(hào)或者角度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，發(fā)送給所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA計(jì)算出接收器的位置信息； 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)電路與所述紅外LED將信號(hào)調(diào)制到紅外LED驅(qū)動(dòng)電流上并以紅外線(xiàn)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(xiàn)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)行管理保存； 所述基于慣性定位的系統(tǒng)包括:陀螺儀、加速度傳感器、FPGA ;所述陀螺儀用于測(cè)量接收器的移動(dòng)方向；所述加速度傳感器用于測(cè)量接收器的移動(dòng)距離，所述FPGA負(fù)責(zé)慣性定位算法的軟件實(shí)現(xiàn)以及兩定位系統(tǒng)定位結(jié)果的選擇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(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所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(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3所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng)，其特征在于，所述下行接收FPGA和慣性定位系統(tǒng)中的FPGA通過(guò)一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(tǒng)，其特征在于，所述下行接收模塊中的VLC定位傳感器是能夠測(cè)量接收器入射光線(xiàn)光強(qiáng)度或者方位角和頂角的任何傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位系統(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。
7.一種基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1至5中任一所述的定位系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在接收器可以接收到LED直射光線(xiàn)的室內(nèi)環(huán)境下，定位結(jié)果由VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)提供；當(dāng)接收器進(jìn)入到室內(nèi)沒(méi)有直射光線(xiàn)的陰影區(qū)域時(shí)，定位結(jié)果由慣性定位系統(tǒng)提供，其中慣性定位系統(tǒng)所需的初始位置，由VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)提供。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位方法，其特征在于，所述基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過(guò)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(guò)VLC定位傳感器接收到某個(gè)白光LED發(fā)射的光信號(hào)，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VLC定位傳感器測(cè)得的入射光線(xiàn)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(xiàn)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VLC定位傳感器測(cè)得，接收器在新的位置上重復(fù)以上算法過(guò)程，由所得到的方程組計(jì)算出接收器的三維位置坐標(biāo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位方法，其特征在于，所述基于VLC技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過(guò)二維動(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)VLC定位傳感器測(cè)得接收器的移動(dòng)方向，獲得接收器的二維位置坐標(biāo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于慣性定位和VLC技術(shù)的室內(nèi)混合定位方法，其特征在于，所述基于慣性定位系統(tǒng)的具體算法如下:假設(shè)接收器的初始位置為(a，b)，由接收器的移動(dòng)方向可得該方向所在直線(xiàn)在參考坐標(biāo)系中的斜率，假設(shè)為k，由加速度傳感器測(cè)得接收器移動(dòng)距離為D，則由下列方程求得接收器新的位置坐標(biāo)(X，y): [ y-b = k(x-a) \ix-af+(y-b)2=D2 。
【文檔編號(hào)】G01C21/20GK103808319SQ201410067768
【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)