CN106569173A - 一种检测可见光到达角的pd阵列及室内可见光定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测可见光到达角的PD阵列及室内可见光定位方法。本发明的PD阵列，包括多个PD基本单元片和一信号采集和处理设备，各PD基本单元拼接为一PD半球接收器，各PD基本单元片分别与该信号采集和处理设备连接；第i个PD基本单元片对应以该PD半球接收器的球心为中心的球坐标系中的一方位角和俯仰角θi。定位方法为：1)建立室内地图和室内三维直角坐标系；2)当定位设备位于室内某一点时，PD阵列接收三盏不同方向的LED光源信息，并计算出该三盏LED光源的到达角及对应ID信息；PD阵列位于以第i个LED光源为顶点，锥角为θi的圆锥面上；3)根据三个锥面的交点确定出所述PD阵列的位置。

Description

一种检测可见光到达角的PD阵列及室内可见光定位方法
技术领域
本发明属于可见光通信(VLC)领域，涉及一种能检测可见光到达角(Angle ofArrival，AOA)的新型PD阵列，以及基于此PD阵列并结合传感器融合算法(主要是惯导***)的两种(动态和静态)AOA室内可见光精确定位方法。
技术背景
近年来，随着LED在照明、通信和传感技术等各个领域的广泛应用，可见光通信具有同时用于照明和通信的优势，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。在基于VLC的各种应用中，可见光室内定位***与现有的定位技术相比具有许多优点，成为国内外研究人员的研究热点。
现有的定位***主要基于全球定位***(GPS)和无线电波技术。GPS能很好地应用于室外定位，然而因为其定位依赖于无线电波传播，室内覆盖小，导致在室内环境中会出现较大的定位误差，因此不适用于室内定位。相比之下，VLC定位技术有如下优点：首先，VLC技术使用LED作光源，从而用于室内定位目的的VLC***均可在用于照明的地方提供服务，而且除一些必要的信号处理，几乎不需多余的功率消耗。其次，基于VLC的定位***不会产生任何射频干扰，因此可以部署在射频辐射被严格限制的环境中(如医院)。最后，因为VLC***受到多径效应以及来自其他无线手持设备的干扰较少，所以比无线电波能提供更高的定位精度。
在室内可见光定位***中，由天花板上固定位置的LED阵列发射带有位置信息的光信号，经编码调制后由移动目标携带光探测器接收光信号，通过解码、解调等信号处理后恢复出原始信号，再由相应的定位算法分析得到移动目标的位置。定位***中可见光通信结构框图如图1所示。
在传统的LED信号检测方案中，分米级别高精度定位研究结果几乎都是基于多LED灯，其技术路径可分为三角测量法和图像传感器法。三角测量相关的算法基于多灯且要求灯之间严格同步，导致网络结构复杂，可操作性差；图像传感器法要求同一种图片中必须有两盏及以上的LED，导致定位结果对终端的姿态敏感并受限于前置摄像头的视角，在实际应用中有较大的性能损失。
考虑到LED的主要功能是照明，其次才是定位。因此实际中决定LED灯布局的首要因素是照明和节能的诉求，故在PD或图像传感器的可视范围之内，只存在单个LED灯的概率将会非常高。因此本方案基于单个LED灯(含单个发光二极管或由多个发光二极管构成的阵列)或者广视域的多盏灯来完成定位，并充分利用智能终端的加速度、角速度等传感器，实现多传感器融合来提升定位精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于可见光通信的定位***、装置和方法，定位精度高，并且实现简单。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种检测可见光到达角的PD阵列，其特征在于，包括多个PD基本单元片和一信号采集和处理设备，各所述PD基本单元拼接为一PD半球接收器，各所述PD基本单元片分别与该信号采集和处理设备连接；其中，该信号采集和处理设备用于将所述PD基本单元片接收到的可见光信号转换为相应的信号强度和调制信息，第i个PD基本单元片对应以该PD半球接收器的球心为中心的球坐标系中的一方位角和一俯仰角θi。
进一步的，所述PD基本单元片为等接收面积或者不等接收面积的PD基本单元片。
一种室内可见光定位方法，其步骤为：
1)建立室内地图和原点位于水平面上的室内三维直角坐标系，记录室内每个LED光源的ID与其室内坐标(x,y,z)的对应关系，以及LED光源距水平面的高度h；将所述PD阵列设置于定位设备上；
2)当该定位设备位于室内某一点时，该定位设备上的所述PD阵列选取接收到的三盏不同方向的LED光源信息，并计算出该三盏LED光源的到达角θ1、θ2、θ3及对应ID信息；所述PD阵列位于以第i个LED光源为顶点，锥角为θi的圆锥面上；i＝1,2,3；
3)根据三个锥面的交点确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)，从而得到该定位设备在室内地图的位置(x,y)。
进一步的，计算LED光源i的到达角θi的方法：该定位设备计算所述PD阵列中每个PD基本单元片接收到的平均光功率Pr；根据平均光功率最大的PD基本单元片的俯仰角θ计算到达角θi＝π/2-θ。
进一步的，所述平均光功率其中，β为LED光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源发射光功率。
进一步的，根据公式确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)；其中，三盏LED光源的坐标为(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3。
一种室内可见光定位方法，其步骤为：
1)建立室内地图和原点位于水平面上的室内三维直角坐标系，记录室内每个LED光源的ID与其室内坐标(x,y,z)的对应关系，以及LED光源距水平面的高度h；将所述PD阵列设置于具有惯导传感器的定位设备上；
2)当t1时刻该定位设备位于室内某一点A，根据t1时刻该定位设备上的所述PD阵列接收到的LED光源信号，计算得到该LED光源的到达角θ1，并根据该LED光源的ID信息得到该LED光源的位置信息；
3)当t2时刻该PD阵列移动到一点B，根据t2时刻该PD阵列接收到的LED光源信号，计算该LED光源的到达角θ2，并根据该LED光源的ID信息得到该LED光源的位置信息；根据步骤2)、3)得到的位置信息计算A点到B点的移动距离L及方向角φ；t1时刻，所述PD阵列位于以LED光源为顶点，锥角为θ1的圆锥面上，t,2时刻，所述PD阵列位于以LED光源为顶点，锥角为θ2的圆锥面上；
4)根据步骤2)、3)得到的LED光源的位置信息，以及θ1、θ2、L、φ信息，计算得到t1时刻A点坐标(xa,ya,0)和t2时刻B点坐标(xb,yb,0)，完成对该移动端的动态定位。
进一步的，计算到达角θi的方法：该定位设备计算所述PD阵列中每个PD基本单元片接收到的平均光功率Pr；根据平均光功率最大的PD基本单元片的俯仰角θ计算到达角θi＝π/2-θ。
进一步的，所述平均光功率其中，β为LED光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源发射光功率。
进一步的，通过解三角形，得到坐标(xa,xb,0)和(xb,yb,0)。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
要实现高精度定位，现有算法只有三角测量法和图像传感器法；三角测量法中TOA(测量到达时间)相关的算法需严格同步，接收设备复杂；图像传感器法要求同一种图片中必须有两盏及以上的LED，可操作性差；因此与现有的技术相比，本发明模型构造直观，设备便携，集成度高；定位算法简单，定位精度高，只需要在有照明LED基础上加装调制模块进行升级，***成本低；并融合其它传感器技术，具有较好的应用开发前景；通过合理设计LED发射码型，可以有效抑制室内其他背景光噪声的干扰，提高定位精度，这也是传统PD方案无法比拟的。
附图说明
图1为室内可见光定位***结构图；
图2为LED信号调制示意图；
(a)调制后的灯光示意图，(b)LED调制模块；
图3为位置信息调制；
图4为可感知可见光方位的PD半球阵列；
(a)俯视图；(b)侧视图；
图5为球坐标系和PD阵列坐标系；
(a)球坐标系，(b)PD阵列半球坐标系
图6为PD阵列各示意方向图；
图7为到达角解算示意图；
图8为静态AOA算法示意图；
图9为动态AOA算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
1、LED调制发送模块，对现有LED进行改装，以可见光形式发送定位等信息。如图2所示；
调制控制器的具体编码方案如图3所示，只需事先建立室内地图，并将灯号和LED的坐标一一对应，接收时解调出灯号，即可得出LED灯的具***置。
2、一种新型的可计算光到达角(AOA)的PD阵列，并能检测可见光调制信息；如图4所示，是由若干等接收面积的PD基本单元片按照一定工艺拼出的PD半球接收器(每一个方格均是一个PD基本单元片)；每个PD基本单元片后端接信号采集和处理设备，当接收到可见光信号时，便可通过信号处理技术得到相应的信号强度和调制信息。
每个PD基本单元片都会对应以此半球球心为中心的球坐标系中的方位角和俯仰角θ(如图5)；并且上述PD阵列接收器的半径r远远小于其相对于LED光源的距离R(即r＜＜R)；
当接收到LED调制信号时，每个PD基本片可解调出LED光源的ID信号，并且只有法线方向对准相应LED的PD基本片接收到的信号强度最大。计算过程如下：
当PD阵列接收器的尺径r远远小于其相对于LED光源的距离R时，LED到达PD阵列接收器的光线可看作平行光。每个PD基本单元片(光电接收器)接收到的来自LED可见光照明光源的平均光功率是
其中，β为光源中心线与“光源-接收面”连线之间的夹角，当PD阵列接收器的半径r远远小于其相对于LED光源的距离R时，LED到达PD阵列接收器的光线可看作平行光，各个能接收到光线的PD基本单元片的β角近似相同；gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与“光源-接收面”连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源的发射光功率；α的示意图如图6所示。
PD半球阵列不同方位PD基本单元片接收到的平均功率Pr变化仅与接收面法线与“光源-接收面”之间的夹角α有关，第i片接收功率Pri为：
Pri＝K·cosαi，
因此，接收模型中的PD基本单元片接收到的平均光功率为：
Pr1＝K·cosα1
Pr2＝K·cosα2
Pr3＝K·cosα3
......................
Prn＝K·cosαn
可见，当α＝0时，接收功率最大，即此PD基本单元片的法线方向与“光源-接收面”方向重合，此时“光源-接收面”方向垂直于此PD基本单元片。由后端信号处理的方法得到此平均光功率最大的PD单元片，则其在PD阵列坐标系中对应的俯仰角的余角即为此LED光线对PD阵列的到达角θi＝π/2-θ，除此之外，当融合惯导***时，还能得到LED相对于PD阵列的方位角当然到达角θi和方位角要和移动终端的俯仰、方位角矢量叠加解算。
通过对所有PD基本片进行解调信号处理，可得到相应LED的方位角和ID信息。此方法避开了传统意义上用光强度分布公式来解算达到角(AOA)的做法，只需通过简单的比较信号强度大小即可，大大提高了解算的精度。
3、一种基于新型PD阵列的静态AOA算法。建立室内三维直角坐标系，原点位于水平面上。其中每个LED光源的ID及其室内坐标(xi,yi,zi)的对应关系已知(i＝0,1,2,3……)，LED灯距地面的高度h已知，示意图如图8所示。
使用时，将PD阵列集成于移动终端或其它设备。待定位点O(即PD所在位置)的坐标通过如下步骤完成解算，其中O的Z方向坐标为零(位于水平面)：
a.在室内某一点，PD半球阵列能接收到三盏不同方向的LED灯信息，则解算可得到三盏灯相应的到达角θ1、θ2、θ3和LED灯的ID信息，从而得到三盏LED对应位置信息(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3。
b.由光强分布原理可得PD半球阵列接收器位于以第i个LED为顶点，锥角为θi(i＝1,2,3)的圆锥面上，圆锥的顶点即为解算出ID的LED灯对应的位置；三个锥面的交点即为PD阵列接收器位置，
c.从而通过解析几何的方法解算出接收器的位置，实现精确定位；由于锥面与地面的交线是圆形，半径为h2cot2θi，定位公式如下：
解此方程组，可得x,y的值，从而PD半球接收器的坐标为：(x,y,0)，从而完成定位。
因为只需通过单一时刻接PD阵列半球收器的状态即可定位实现精确定位，故称此算法为静态AOA算法；当然，通过合理设计LED发送码字(如正交码)，可以通过相关技术很好地恢复ID和位置信息，减弱背景光噪声的影响，从而进一步提高定位准确性。
4、一种基于移动终端的动态AOA算法。建立室内三维直角坐标系，原点位于水平面上。其中每个LED光源的ID和坐标(xi,yi,zi)的对应关系已知(i＝0,1,2,3……)，LED灯距地面的高度h已知，示意图如图9所示。
使用时，将PD阵列集成于移动终端或其它设备。待定位点A(PD在时刻t1所在位置)的坐标(xa,ya,0))和待定点B(PD在时刻t2所在位置)的坐标(xb,yb,0)通过如下步骤完成解算，其中A和B的Z方向坐标为零(位于水平面)：
a.在室内某一点A，t1时刻PD半球阵列能接收到某盏LED灯信号，则解算可得到此LED灯相应的到达角θ1、LED灯的ID信息，从而得到此LED对应位置信息(x0,y0,z0)；
b.移动PD半球阵列到另外一点B，到达B点的时刻为t2；PD半球阵列能接收到某盏LED灯信号，则解算可得到此LED灯相应的到达角θ2、LED灯的ID信息，从而得到此LED对应位置信息(x0,y0,z0)；结合移动终端的惯导传感器可得到A点到B点移动距离L和AB的方向角φ。
c.由光强分布原理可得PD半球阵列接收器t1位于以此LED为顶点，锥角为θ1的圆锥面上，t2位于以此LED为顶点，锥角为θ2的圆锥面上；圆锥的顶点即为解算出ID的LED灯对应的位置。
d.通过解三角形，可得到t1时刻和t2时刻PD阵列的精确坐标(xa,xb,0)和(xb,yb,0)；定位公式如下：
解此方程组，四个独立方程，四个独立位置数，即可得t1时刻A点坐标(xa,ya,0)和t2时刻B点坐标(xb,yb,0)，从而完成定位。
此方法要通过前后不同时间PD阵列相对于一盏LED的位置来实现精确定位，故称为动态AOA算法；此方法需要传感器融合技术，有较大的应用前景。通过合理设计LED发送码字(如正交码)，可通过相关技术很好地恢复ID和位置信息，减弱背景光噪声的影响，从而进一步提高定位准确性。
PD阵列的球半径为2.5cm(远远小于5m)，半球表面积为39平方厘米，分为156个PD基本单元片，每个基本单元片的尺寸为0.5cm×0.5cm，均匀拼接成半球型。每个PD基本单元片后接信号处理设备。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种检测可见光到达角的PD阵列，其特征在于，包括多个PD基本单元片和一信号采集和处理设备，各所述PD基本单元拼接为一PD半球接收器，各所述PD基本单元片分别与该信号采集和处理设备连接；其中，该信号采集和处理设备用于将所述PD基本单元片接收到的可见光信号转换为相应的信号强度和调制信息，第i个PD基本单元片对应以该PD半球接收器的球心为中心的球坐标系中的一方位角和一俯仰角θi。
2.如权利要求1所述的PD阵列，其特征在于，所述PD基本单元片为等接收面积或者不等接收面积的PD基本单元片。
3.一种基于权利要求1所述PD阵列的室内可见光定位方法，其步骤为：
1)建立室内地图和原点位于水平面上的室内三维直角坐标系，记录室内每个LED光源的ID与其室内坐标(x,y,z)的对应关系，以及LED光源距水平面的高度h；将所述PD阵列设置于定位设备上；
2)当该定位设备位于室内某一点时，该定位设备上的所述PD阵列选取接收到的三盏不同方向的LED光源信息，并计算出该三盏LED光源的到达角θ1、θ2、θ3及对应ID信息；所述PD阵列位于以第i个LED光源为顶点，锥角为θi的圆锥面上；i＝1,2,3；
3)根据三个锥面的交点确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)，从而得到该定位设备在室内地图的位置(x,y)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，计算LED光源i的到达角θi的方法：该定位设备计算所述PD阵列中每个PD基本单元片接收到的的平均光功率Pr；根据平均光功率最大的PD基本单元片的俯仰角θ计算到达角θi＝π/2-θ。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述平均光功率其中，β为LED光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源发射光功率。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据公式确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)；其中，三盏LED光源的坐标为(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3。
7.一种基于权利要求1所述PD阵列的室内可见光定位方法，其步骤为：
1)建立室内地图和原点位于水平面上的室内三维直角坐标系，记录室内每个LED光源的ID与其室内坐标(x,y,z)的对应关系，以及LED光源距水平面的高度h；将所述PD阵列设置于具有惯导传感器的定位设备上；
2)当t1时刻该定位设备位于室内某一点A，根据t1时刻该定位设备上的所述PD阵列接收到的LED光源信号，计算得到该LED光源的到达角θ1，并根据该LED光源的ID信息得到该LED光源的位置信息；
3)当t2时刻该PD阵列移动到一点B，根据t2时刻该PD阵列接收到的LED光源信号，计算该LED光源的到达角θ2，并根据该LED光源的ID信息得到该LED光源的位置信息；根据步骤2)、3)得到的位置信息计算A点到B点的移动距离L及方向角φ；t1时刻，所述PD阵列位于以LED光源为顶点，锥角为θ1的圆锥面上，t,2时刻，所述PD阵列位于以LED光源为顶点，锥角为θ2的圆锥面上；
4)根据步骤2)、3)得到的LED光源的位置信息，以及θ1、θ2、L、φ信息，计算得到t1时刻A点坐标(xa,ya,0)和t2时刻B点坐标(xb,yb,0)，完成对该移动端的动态定位。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，计算到达角θi的方法：该定位设备计算所述PD阵列中每个PD基本单元片接收到的平均光功率Pr；根据平均光功率最大的PD基本单元片的俯仰角θ计算到达角θi＝π/2-θ。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述平均光功率其中，β为LED光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源发射光功率。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过解三角形，得到坐标(xa,xb,0)和(xb,yb,0)。
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