一種面向可見光通信的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用室內可見光通信系統(tǒng)進行精確定位的方法，屬于可見光通信領域，在室內布置任意數目的發(fā)光二極管(LED)燈，設定每個LED燈的信號發(fā)射功率相同且每個LED燈的絕對位置固定已知，需要被定位的終端上配置有若干個接收裝置，這些接收裝置的相對位置已知，通過測量終端上接收裝置的光信號功率，計算確定這組接收裝置的幾何中心位置，即可獲得終端位置坐標。本發(fā)明考慮的可見光定位系統(tǒng)適用于現有常見移動終端設備如配置多攝像頭的手機，便攜平板電腦等，定位方法針對多接收點相對位置已知特點建立了簡潔的位置估計表達式，定位計算效率高，精度準確。
【專利說明】一種面向可見光通信的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種室內可見光通信系統(tǒng)中的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法，屬 于可見光通信領域。
【背景技術】
[0002] 隨著，室外定位的發(fā)展，最近室內定位受到廣泛的關注，成為一個越來越熱的研究 領域。室內定位主要是指對室內的人或物體進行定位，并提供一些基于定位的服務，如私人 服務，自動化機器人控制，手機商務，追蹤服務和導航協(xié)助。至今為止，已經提出了許多基于 定位的研究，并且一些技術和產品已經用于室內定位，如射頻信號，無線局域網（Wifi)，紅外 線，激光（laser),超聲波（ultrasound)等等。一般來說，射頻信號是現今室內定位的主要 方式，但無線定位的精度只能達到米的級別。Wifi定位系統(tǒng)也被研究過，但結果都是通過實 驗獲得。這些技術定位都是有局限的，如定位精度較低從幾十分米到幾米，大多有電磁干 擾，需要額外的設備，低安全性等。
[0003] 為了克服這些缺點，基于可見光系統(tǒng)（VLC)的定位系統(tǒng)越來越流行。LED具有較長 的生命周期，對濕度有很高的忍受度，功率消耗較低和環(huán)境友好等特點。而且，LED燈可以將 電信號調制成光波信號后在很高的速度上傳輸?；谶@些性質，在可見光通信系統(tǒng)中，LED 燈不僅作為一個照明設施，也是一個通信儀器。在過去的研究中有很多不同的定位算法已 經被提出，其中主要是幾何方法。幾何方法包含兩部分：三邊定位和三角定位。三邊定位通 過多個接收點與目標的距離從而實現定位。而接收點與目標的距離主要通過測量接收信號 的功率（RSS)，到達時間（Τ0Α)和到達時間差（TD0A)。三角定位主要通過多個接收點與目 標的角度從而實現定位。這些定位方法一般只有一個接收裝置，即是定位目標，而且傳統(tǒng)定 位方案需要窮舉遍歷，系統(tǒng)計算復雜。
【發(fā)明內容】
[0004] 發(fā)明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種室內可見光通信系 統(tǒng)中的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法，達到定位計算效率高，精度準確的效果。
[0005] 技術方案：為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0006] -種面向可見光通信的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法，包括如下步驟：
[0007] 1)在室內天花板上布置若干個信號發(fā)射功率相同的LED燈作為光信號發(fā)射端； 在需要定位的終端上配置若干個光接收裝置作為信號接收端，所述若干個光接收裝置以終 端的幾何中心點為中心在終端上布置成正多邊形，可知光接收裝置的相對于終端的位置關 系：
[0008]
【權利要求】
1. 一種面向可見光通信的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法，其特征在于：包括如下 步驟： 1) 在室內天花板上布置若干個信號發(fā)射功率相同的LED燈作為光信號發(fā)射端，在需要 定位的終端上配置若干個光接收裝置作為信號接收端，所述若干個光接收裝置以終端的幾 何中心點為中心在終端上布置成正多邊形，可知光接收裝置的相對于終端的位置關系：
并且布置的LED燈與光接收裝置的數目之和大于或者等于4 ; 其中￠ = 1,2,...,Λ〇分別為光接收裝置在二維平面內的橫坐標和縱坐標，N為光 接收裝置的數目；X，y為終端幾何中心在二維平面內的橫坐標和縱坐標；r為正多邊形的中 心點到各個頂點的距離；以正多邊形的中心點為極點，建立極坐標，設任意一個光接收裝置 為第一個光接收裝置，S為第一個光接收裝置的極坐標角； 2) 測量每個光接收裝置接收到的光信號功率，得到每個LED燈與各個光接收裝置之間 的直線距離d，測量LED燈所在平面到光接收裝置所在平面的垂直距離h，根據直角三角形 原理得到每個LED燈與各個光接收裝置間的水平距離D ; 3) 通過LED燈與光接收裝置在二維平面內的坐標關系得到每個LED燈與各個光接收裝 置間的水平距離D，列出通過坐標關系得到的所有水平距離D與步驟2)得到的所有水平距 離D相等的等式；其中，LED燈在二維平面內的橫坐標和縱坐標為I，2，···，Μ) μ為 LED燈的數目；根據步驟1)中的位置關系與所有水平距離D的等式建立帶有終端坐標的線 性方程，將線性方程表示成矩陣形式，通過經典估計方法計算得到光接收裝置的幾何中心 點的橫坐標和縱坐標，該幾何中心點的橫坐標和縱坐標即為需要定位的終端幾何中心點的 坐標。
2. 根據權利要求1所述的一種面向可見光通信的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法， 其特征在于：所述步驟2)包括如下步驟： 設在室內天花板上布置Μ個LED燈：第一個LED燈，乃_)，第二個LED燈 A (? ,3? )，…第Μ個LED燈4 (今"，J'rti)，其中氣，坆= 1，2，...，^0分別為LED燈在二維 平面內的橫坐標和縱坐標；在終端上設置N個光接收裝置，光接收裝置表示為：第一個光 接收裝置曷（?，3? )，第二個光接收裝置A (4，乃^)，…第N個光接收裝置Ajv (?，_>χ.); -?(,· = l，2，".v/V); 21) 測量每個光接收裝置接收到的光信號功率Pr，得到MXN個接收到的光信號功率； 22) 根據公式Pr = H(0)*Pt，得到每個LED燈與各個光接收裝置之間的直線距離d ; 其中H(0)為信道直流增益，〃(〇)=
」cos"(0)cosW)，η為LED燈的朗伯模型階 數;A表示每個光接收裝置表面接收到光的面積，Φ為LED燈的輻射角度，Θ為光接收裝置 的入射角；Pt為LED燈的信號發(fā)射功率；
可得各個LED燈與接收裝置的水平距離D。
3.根據權利要求2所述的一種面向可見光通信的多接收點幾何中心定位系統(tǒng)及方法， 其特征在于：所述步驟3)包括如下步驟： 31)通過LED燈與光接收裝置的坐標關系得到MXN個水平距離D，列出通過坐標關系 得到MXN個水平距離D與步驟2)得到MXN個水平距離D相等的等式；根據步驟1)中的 位置關系與MXN個水平距離D的等式建立帶有終端坐標的線性方程，得到MN-1個等式，將 MN-1個等式寫成矩陣形式為： Ax = b 其中χ為終端的位置坐標；
32)根據下面公式利用最小二乘準則估計光接收裝置的幾何中心位置： X = (ATA"ATb 其中（.）TS矩陣的轉置，（.Γ1為逆矩陣。
【文檔編號】G01S5/16GK104297726SQ201410573357
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權日:2014年10月23日
【發(fā)明者】許威, 王佳, 張華
申請人:東南大學