CN105866738B

CN105866738B - 一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法

Info

Publication number: CN105866738B
Application number: CN201610245106.7A
Authority: CN
Inventors: 杨爱英; 黄河清; 冯立辉; 倪国强
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: CN105866738A

Abstract

一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，包括基于接收信号强度的粗定位以及结合接收信号强度和估计反射信号强度的迭代定位两部分：首先，根据接收光信号的强度进行粗定位；随后根据粗定位的结果和预先计算的在接收平面网格节点上的反射信号强度对粗定位位置处的反射信号强度进行估算；再结合接收信号强度和估算的反射信号强度，通过对定位结果和定位方程进行多次迭代，就可以得到最终的精确定位结果。由于该算法能够对来自墙面及其他物体表面的漫反射光信号进行估计并抑制了这些反射信号的影响，因此，应用于实际场景中能实现较为准确的室内可见光定位。

Description

一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法

技术领域

本发明涉及照明集成的室内可见光定位技术，尤其涉及一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，属于可见光通信技术领域。

背景技术

随着定位导航技术的广泛应用和基于位置服务的不断发展，室内定位技术逐渐进入人们的视野，相关需求也不断增长。在定位与导航市场中，GPS和北斗等基于卫星信号的定位***占据了绝大多数。但是与此同时，由于在城市中卫星信号会被高楼遮挡；而且在室内，卫星信号经过穿墙之后会被严重衰减，因此GPS和北斗这类基于卫星信号的定位技术在室内环境下并不实用。近年来，随着绿色照明的发展，LED以其高发光效率、低能耗、低成本、高显色性和环境友好等优势逐渐得到普及。而基于LED光源的可见光通信和可见光定位技术也不断发展，出现了多种原理的与可见光定位相关的论文和专利。

与基于Wi-Fi和蓝牙的定位技术相比，可见光定位技术不会产生电磁辐射，且不受电磁信号的干扰。因此其定位精度高于基于Wi-Fi和蓝牙定位，且更加稳定。而与基于超声、红外和超宽带(UWB)的室内定位技术相比，可见光定位技术可直接利用室内的照明LED灯，无需额外假设信号发射装置。因此其成本更低，更易于推广和实用。

对于当前的室内可见光定位技术，出于成本的考虑，很多都是在接收端采用光电探测器，同时利用接收到的来自各个光源的光信号强度进行定位，例如专利“一种基于频移键控的室内可见光定位及信息推送方法”(申请号201510379394.0)和专利“基于可见光信号强度的三维空间室内定位方法”(申请号201510063426.6)。但是对于这一类的定位技术而言，都只考虑到了直接来自光源的直射信号，而忽略了来自于墙面或家具的反射光信号，因此在实际应用中存在较大误差。

发明内容

本发明的目的在于解决目前室内可见光定位技术受到反射光信号干扰的问题。提出一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法。

本发明的技术核心为：其利用基于接收信号强度的粗定位以及结合接收信号强度和估计反射信号强度的迭代定位来进行基于可见光信号的室内定位，并通过不断迭代来提高定位精度；本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，具体步骤如下：

步骤一、预处理，具体包括：

1.1在室内天花板上放置N个光源，每个光源都采用强度调制的方式进行驱动，同时每个光源通过光信号发送自己的空间坐标，在完成照明功能的同时作为可见光定位***的信号源；

其中，所述的N>3；

1.2根据室内环境，将可见光定位***的接收端所处的接收平面分为R个网格节点，并求出或测量出在各个网格节点处分别来自各个光源的经墙面和家具所反射光信号的强度；

其中，所述的可见光定位***的接收端位于光源下方的某个平面上，假设接收端与光源的垂直距离为h，且竖直向上放置；

所述的R的选择依据主要为***定位精度和定位时间要求，且优选的R值密度范围为：100个/平方米到400个/平方米之间；

1.3初始化迭代次数K为1,预设迭代次数M；

步骤二、可见光定位***的接收端根据接收到的来自各个光源的光信号强度进行粗定位，具体过程为：

假设第i个光源所发射的原始光信号强度为P_ti，接收端接收到的来自第i个光源的光信号强度为P_ri，第i个光源的坐标为(x_i,y_i)；通过求解以下超定方程组的最小二乘解，可以获得粗定位结果的坐标(x_c,y_c)，并将其作为迭代定位算法的初值；

步骤三、寻找距离步骤二输出的粗定位结果坐标(x_c,y_c)最近的S个网格节点：结合预处理中所得的各个网格节点处分别来自各个光源的经墙面和家具所反射光信号的强度，可以利用插值的方法，估计在粗定位结果的位置上来自第i个光源的经墙面和家具所反射光信号的强度，记为P_rdi；

其中，S的大小由网格节点的分布形式决定，通常可为3、4或6，分别对应

三角形排布矩形排布以及六边形排布；

步骤四、根据步骤三估计的粗定位坐标附近的反射光信号强度，求解以下方程组，重新计算接收端的位置坐标(x,y)；

步骤五、判断迭代次数K是否到达预设迭代次数M，并根据判断结果进行如下操作：

5.1当K<M，即没有达到预定迭代次数，将K值加1，并将步骤四重新计算的接收端坐标(x,y)作为新的粗定位坐标(x_c,y_c)，跳至步骤三；

5.2当K＝M，即已经达到预定迭代次数，步骤四得出的接收端坐标(x,y)即为最终的定位结果；

其中，所述的迭代次数K由***的定位准确度和复杂度要求决定。

有益效果

本发明同现有技术中“一种基于频移键控的室内可见光定位及信息推送方法”和“基于可见光信号强度的三维空间室内定位方法”相比，具有以下有益效果：

1.考虑并从一定程度上消除了反射光对室内可见光定位***的影响，在同等条件下的定位精度更高，对于实施例1中的情况，可以将室内的平均定位误差减小10倍以上；

2.利用迭代算法在计算中不断提高定位精度，通过设置不同的迭代次数，可在定位精度和算法复杂度之间任意取舍。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法的算法流程图；

图2为本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法实施例1中步骤S1网格节点示意图；

图3为本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法实施例1中步骤S5反射信号强度估计算法中网格节点示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述本发明的优选实施方式。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

实施例1

具体结合图1、图2和图3对本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法进行细致阐述。图1为本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法及实施例中的算法流程图；图2为本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法及实施例1中步骤S1网格节点示意图；图3为本发明一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法实施例1中步骤S5反射信号强度估计算法中网格节点示意图。

在本实施例中，假设在室内房间中进行定位，房间的大小为5米×5米×3米，天花板上有4个LED灯在提供照明的同时作为可见光定位***的信号源。这4个LED灯采用不同频率的开关键控(OOK)信号调制，并循环发送自己的位置坐标，分别为(1,1,3)，(1,3,3)，(3,1,3)和(3,3,3)。与此同时，接收端位于光源下方且与光源垂直距离为3米的平面上，并竖直向上放置。图1中所描述的是本发明中定位算法的总体流程图，其主要步骤如下：

步骤S1：根据室内环境，将接收端所处的接收平面均匀分为2601个网格节点，每个节点与相邻节点的间距为10厘米(如图2所示)，此时节点密度为100个/平方米；随后利用可见光信道传输模型求出在各个网格节点处分别来自各个光源的经墙面和家具所反射光信号的强度；初始化迭代次数K为1,预设迭代次数M为3；

步骤S2：在接收端接收来自4个不同LED光源的光信号。根据不同的频率对其进行识别并分别测量光信号强度，分别记为P_r1，P_r2，P_r3和P_r4；与此同时，对分别来自4个LED光源的光信号进行解调，并获取他们的位置坐标，即(1,1,3)，(1,3,3)，(3,1,3)和(3,3,3)，并将光信号强度和光源位置坐标一一对应；

步骤S3：在定位时，首先根据接收到的来自4个光源的光信号强度进行粗定位，假设第i个光源所发射的原始光信号强度为P_ti，列出超定方程组为：

步骤S4：求解步骤S3中所给出的超定方程组的最小二乘解，可以获得粗定位结果坐标，并将其作为迭代定位算法的初值；

步骤S5：在获取了粗定位结果的坐标后，寻找距离其最近的4个网格节点(如图3所示)，假设对于第m个节点，来自光源i的经墙面和家具所反射光信号的强度为P_rdim；利用双线性插值的方法，利用下式可以估计在粗定位结果的位置上，来自光源i的经墙面和家具所反射光信号的强度为P_rdi：

其中，A_ci为以粗定位位置与节点i之间连线作为对角线的矩形的面积；

步骤S6：根据估计的粗定位位置的反射光信号强度，求解以下方程组，重新计算接收端的位置坐标；

步骤S7：统计迭代次数K；

步骤S8：对于定位精度(定位速度)优先的***，判定当前已经进行过的迭代次数K是否等于预设的M值，并进行相应操作：

S8.1若等于M＝3次，将定位结果(即接收端的位置)输出，定位结束；

S8.2若少于M＝3次，则将步骤S6中求得的接收端位置坐标代替粗定位结果，作为新的迭代初值，将迭代次数K加1，并跳转至步骤S5，继续进行迭代定位的计算。

实施例2

将实施例1中的4个LED灯改成N(N>4)个灯，该定位***依然有效。

实施例3

将实施例1中的LED灯改成其他固体光源如OLED，该定位***依然有效。为了更好地理解本发明，对有关内容补充说明如下：

关于反射光信号的预处理：在本算法中，需要预先获取接收平面网格节点上来自各个光源的反射信号光强。这些光强可由多种仿真算法或软件对室内环境仿真计算得出，也可通过在实际场景中的实地测量获得。上述实施方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现，例如实施例1中发射端的的可见光信号调制驱动电路和接收端的数据采集，均可采用专利“一种基于频移键控的室内可见光定位及信息推送方法”(申请号201510379394.0)中所述的方法进行。

需要说明的是，本说明书所述的只是本发明的3种较佳具体实施例，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims

1.一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、预处理，具体包括：

1.3初始化迭代次数K为1；

步骤二、可见光定位***的接收端根据接收到的来自各个光源的光信号强度进行粗定位，步骤二具体过程为：

步骤三、寻找距离步骤二输出的粗定位结果坐标(x_c,y_c)最近的S个网格节点；结合预处理中所得的各个网格节点处分别来自各个光源的经墙面和家具所反射光信号的强度，具体为：利用插值的方法，估计在粗定位结果的位置上来自第i个光源的经墙面和家具所反射光信号的强度，记为P_rdi；

其中，S的大小由网格节点的分布形式决定，通常可为3、4或6，分别对应三角形排布矩形排布以及六边形排布；

步骤四、根据步骤三估计的反射光信号的强度，重新计算接收端的位置坐标；

至此，步骤一至步骤五完成了一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法。

2.如权利要求1所述的一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，其特征还在于：

步骤一中所述的N>3。

3.如权利要求1所述的一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，其特征还在于：

步骤一中所述的R的选择依据主要为***定位精度和定位时间要求，且优选的R值密度范围为：100个/平方米到400个/平方米之间。

4.如权利要求1所述的一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，其特征还在于：

步骤四中重新计算接收端的位置坐标(x,y)采用解如下方程组得出；

5.如权利要求1所述的一种用于提高室内可见光定位***定位精度的迭代算法，其特征还在于：

步骤五中所述的迭代次数K由***的定位准确度和复杂度要求决定。