CN110208743B - 一种基于白光led的交通隧道内飞行光源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LED的交通隧道内飞行光源定位方法，将接收器均匀布设在交通隧道内顶部，单一接收器与其周围相邻接收器之间的距离相等，互邻的3个接收器呈正三角形布设，在每个接收器的下方固定一个面积小于接收器的光束接收面积的不透明板；从某一定位对象光源照射的多处接收器，选取照射暗斑与光源光束形成图像中明暗亮度差异最大的2处接收器作为最优接收器；采取此2处最优接收器依据两条坐标射线定位光源的方法，以预先设定的阈值区间判定光照度最强及最弱区域面积和衍射造成的暗斑边界宽度范围，判定定位对象的位置。

Description

一种基于白光LED的交通隧道内飞行光源定位方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体的讲是基于白光LED的交通隧道内飞行光源定位方法。

背景技术

着LED光源技术的发展和进步，具有高亮度、低功耗、长寿命等优点的白光LED已有逐渐取代日光灯和白炽灯的趋势。由于白光LED通信调制便捷、响应迅速，在无害辐射、保密、稳定性等方面与红外、紫外、射频等方式相比优势明显，成为一种新兴的可见光通信(VLC)方式，正在逐步推广到交通隧道内定位领域。现有LED定位方法能够维持信道的稳定性，可操作性强，但是对于交通隧道内飞行目标的跟踪定位采样需求缺乏针对性模型，单光源多接收器条件下的射频信号的获取处理研究较少。

具体而言，一些狭长空间隧道内，传统GPS定位存在无线弱电信号屏蔽、定位误差、位置延时判定的特性。这些特性使得用户存在定位数据与实际移动行为差异较大、错误判定移动设备状态等方面面临着许多问题。并且对于定位对象来说，对山体或地下交通隧道线上地图的内部标识定位较开阔地表空间更加困难，又给定位终端的正常工作带来了巨大挑战。由于隧道内GPS定位精度低、定位对象的飞行状态会严重影响定位的效能，因此研究如何充分利用入射光判定移动目标行为特征，避免或减小的干扰、避免移动定位延迟和误差方法措施，成为了定位体系设计中亟待解决的重要问题。

发明内容

为了充分利用入射光投影暗斑判定飞行的定位对象行为特征，科学减少光源数量，避免或减小的干扰、避免飞行定位延迟和误差的问题，本发明提出了一种基于白光LED的交通隧道内飞行光源定位方法。该方法中，依据照射光束与不透明板暗斑图像判定出的隧道吊顶下方交错排布的两个相邻最优接收器协同定位方法，可以实现针对白光LED投影暗斑的多接收器对同一发射器的飞行过程的连续定位，从根本上避免了上述问题的出现。技术方案如下：

一种基于白光LED的交通隧道内飞行光源定位方法，将接收器均匀布设在交通隧道内顶部，单一接收器与其周围相邻接收器之间的距离相等，互邻的3个接收器呈正三角形布设，在每个接收器的下方固定一个面积小于接收器的光束接收面积的不透明板，与同一侧墙体存在接收范围交界的相邻两个接收器，其中任一接收器有效接收范围边缘能够监测到另一接收器在该侧墙垂直投影下方的定位对象；定位对象为飞行器，在飞行器的上方设置向上照射的LED光源；对LED照射不透明板形成的入射光暗斑投影图形进行监测，得到监测数据；设某一接收器位于三维坐标系原点，此接收器在接收到定位对象发来的光源光束和上述暗斑后，以暗斑形状、位置和不透明板的面积、该不透明板与接收器之间的距离，能够判定定位对象的位置范围处于以此三维坐标系原点为端点的某一射线方向上，定义此射线为坐标射线，当某一定位对象光源有效照射2处以上的接收器时分别形成两条以上的坐标射线，这些坐标射线交于同一点，该交点位置即为定位对象光源的实际位置，定位方法为：从某一定位对象光源照射的多处接收器，根据监测数据，选取照射暗斑与光源光束形成图像中明暗亮度差异最大的2处接收器作为最优接收器；采取此2处最优接收器依据两条坐标射线定位光源的方法，以预先设定的阈值区间判定光照度最强及最弱区域面积和衍射造成的暗斑边界宽度范围，判定定位对象的位置。

优选地，其特征在于，选择最优接收器的方法为：判定某一时点的定位对象光源位置，在每2处处接收器获取的某一时点图像上，取光照度最强区域和最弱区域的光照度相减，设相减差值为δ，当某一时点下，对全部的接收器中δ值顺序排序，取δ值最大的2处接收器作为最优接收器。

监测区域的交通隧道内宽度比其他位置的宽度的增加量＞5％时，在加宽处增设接收器，任一接收器有效监测覆盖范围的临界线位于定位对象飞行高度上限所形成的水平面的上方。

调整定位对象处于水平悬浮飞行姿态，此时光源中心垂直朝上安装，不同定位光源之间为异频或波形差异，以避免出现互扰。

各接收器下方的不透明板的材质、形状、尺寸、安装高度均相同。

附图说明

图1是本发明***流程图

图2是本发明附不透明板的多接收器设置

图3是本发明多接收器工作原理

图4是本发明白光LED光源和定位对象装配后的机厢内部构造

图5是本发明连续监测得到飞行速度和路径，以及有效监测的接收器切换

具体实施方式

本发明以白光LED的光束收发***为基础，利用交通隧道内狭长空间建立顶部向下的附有不透明板的多接收器传感体系，在定位对象(无人机)顶部设置一处中心垂直向上照射、且发散照射角度范围固定的LED光源。采集同一LED光源和不透明板在多接收器上形成的不同入射角度、不同投影面积的图形数据，建立基础模型。在连接全部接收器的汇聚中心进行对比分析，得到三维坐标系下的定位对象飞行变化情况，确定其行为状态。在上述模型基础上设计的白光LED定位方法，使狭长空间交通隧道内中完全避免了电器设备电磁辐射对定位终端工作情况的干扰，同时能够快速精确地提供位置信息，提高了定位效能。

设某一接收器位于三维坐标系原点，由于该接收器在接收到定位对象发来的光源光束和上述暗斑后，以暗斑形状、位置和不透明板的面积、该不透明板与接收器之间的距离，仅能判定定位对象的位置范围处于以此三维坐标系原点为端点的某一射线方向上(本发明中定义其名称为：坐标射线)，却不能断定定位对象与此接收器之间的距离，因此单一接收器不能够判定定位对象坐标位置。而当某一定位对象光源有效照射2处以上的接收器时，必定分别形成的两条以上的坐标射线，这些坐标射线交于同一点，该交点位置即为定位对象光源的实际位置。综合以上原理，本发明采用从某一定位对象光源照射的多处接收器(3处)中，选取照射暗斑与光源光束形成图像中明暗亮度差异最大的2处接收器作为最优接收器，判定某一时点的定位对象光源位置。

上述最优接收器判定原理为：在接收器获取的某一时点图像上，取光照度最强区域和最弱区域的光照度相减。设相减差值为υ。当某一时点下，对全部3处接收器中υ值顺序排序，取υ值最大的2处接收器作为最优接收器。

本发明具体的实现步骤是：

步骤一：狭长空间交通隧道内在顶部交错设置光信号接收器。对LED白光照射不透明板形成的入射光暗斑投影图形进行监测，得到监测数据传至汇聚中心。各接收器的不透明板的材质、形状、尺寸、安装位置均相同。采取上述2处最优接收器依据两条坐标射线定位光源的方法，以预先设定的阈值区间判定光照度最强最弱区域面积和衍射造成的暗斑边界宽度范围，从而实现准确判定光源(即：定位对象)的位置。

步骤二：LED光源要均布在定位对象顶部。当定位对象(无人机)处于水平悬浮飞行姿态时，发散中心的角度垂直向上；该角度随飞行姿态变化而调整。不同定位光源之间应为异频或波形差异，以避免出现互扰。

步骤三：定位对象应为遥控的无人机，其飞行路径和速度不限。一旦出现停止发射光束、翻倒等情况，则呈现为定位失效，判定为故障。在飞行过程中，定位对象携带电池储能设备，确保飞行和顶部光源供电稳定。

步骤四：定位过程应连续监测，通过各接收器得到的变化监测数据，可以判定定位对象的连续位置，得到飞行速度和路径。

下面结合实施例进行说明。

图1显示了本发明的四个步骤开展顺序，分别是：

(1)确定监测区域与接收器设置、测试：将接收器安装在狭长空间隧道交通隧道内吊顶位置，有线连接至汇聚中心，进行接收器测试。

(2)LED光源设置与测试：按照步骤二设置光源。用任一接收器测试各光源照度持续稳定性。将光源放在隧道内常规和侧墙位置点亮，测试是否能够确保接收器采集正确的位置数据。

(3)定位对象设置与光源安装：以(2)为基础，将光源发射器固定安装在定位对象设备的顶部。调整定位对象(无人机)处于水平悬浮飞行姿态，此时将光源中心垂直朝上安装，定位对象内置传感器主板及飞行控制、遥控、电池模块，测试定位对象飞行行为是否正常，光源是否无明显震动。

(4)附设光源的定位对象连续飞行定位测试：以(1)、(2)、(3)为基础，通过遥控方式测试实际飞行的定位对象位置和轨迹测定，与录像视频对比准确性。测试定位对象飞行时，因各接收器采集投影暗斑数据的变化，而实现的影响定位数据源的自行切换情况。

图2显示了多接收器设置。要求监测区域的交通隧道内增加宽度≤5％；当隧道宽度＞5％时，在加宽处增设接收器。

以连续宽度、高度均为5m不变、接收器接收范围边缘与垂直角度成45°的隧道为例，解释该增加宽度限定。当增加宽度达到5％时，在侧墙处，单接收器对定位对象飞行高度的可监测位置高度的上限降低＞5％此监测位置高度，两接收器临界位置出现长度超过、宽度超过5％的监测盲点，此盲点空间约为0.25m*0.25m，足能够容纳一架无人机，应增加该位置上方的接收器部署数量。

任一接收器有效监测覆盖范围的临界线位于定位对象飞行高度上限h_max所形成平面的上方，该临界线水平投影长度为l_δ。

图2(a)为吊顶下侧的俯视截面图。各光源发射器(A、B、C、D、E)布设在交通隧道内不同位置。要求任一定位对象的发射器点亮后，其飞行时产生的光信号照射2个及以上的附不透明板的投影暗斑图像均能够得到相应接收器的有效图像接收，在汇聚中心产生定位数据。数据采集可通过光源A、B、E在常规位置和处于最不利的侧墙边缘位置的光源C、D和作该测试。其中，光源C分别与接收器甲、乙的距离相等，均为l_β；光源D发射光束d₁、d₂可以被接收器丙、丁等有效接收，d₂垂直与隧道侧壁。

本发明中，单一接收器与全部(4个及以上)相邻接收器之间的距离均为

与同一侧墙体存在接收范围交界的相邻两个接收器，其中任一接收器有效接收范围边缘能够监测到另一接收器与该侧墙垂直投影下方的定位对象。已知任一接收器有效监测覆盖范围临界线的水平投影长度为l_δ，设接收器有效接收的水平投影最大距离l_max，存在：

(2)图2(b)为隧道内接收器甲、丙所在位置的剖面图。在交通隧道内安装吊顶，接收器数量由工作方式和监测需求决定，要求各接收器均在吊顶上方进行电路和网络布线，连接交流电源和汇聚中心；在吊顶下方，接收器布设满足两侧墙最不利距离点监测位置在监测距离的范围以内，确保监测无盲点。在接收器甲、丙接收范围内存在光源位置E。设点O为隧道内地面标高，若点F为任意两个相邻接收器接收范围临界位置的最低点时，其高度所在水平面为定位对象飞行高度上限h_max。此时任意两接收器接收范围与侧墙相交位置必定高于F点或与F点等高。由此，定义F点水平面至隧道地面之间的三维空间为有效定位空间，是本发明方法的适用空间区域。

图3显示了本发明中多接收器工作原理。

图3(a)是单一接收器成像原理。以接收器甲为例，当光源D发射器发出光束d₁照射至接收器甲时，会在接收器处形成光束接收区域。其中因d₁照射甲的不透明板，导致在光束接收区域内形成一个暗斑投影区域。当光源D距甲较近时，由于衍射出的暗斑投影区域边界比较清晰，采用单一接收器得到的暗斑图形，以及光束d₁与不透明板之间形成的角度，即可判定光源D大致位置；但是当光源D与甲距离较远时，上述边界模糊，则难以判定，此时须由2处及以上的接收器共同定位。

图3(b)是基于多接收器的定位判定。根据图3(a)所示，当光源D距接收器甲较远时，须由2处及以上接收器共同定位。此时，建立以吊顶为z＝0平面的三维直角坐标系0xyz，由光源D的入射光束d₁和不透明板的暗斑，可以判定：光源D位于以接收器甲为原点的一条射线上；同理，光源D也位于以接收器乙为原点的一条射线上。由此判定，光束d₁、d₂相交位置即为此时光源D的三维空间坐标。

图4是白光LED光源和定位对象装配后的机厢内部构造。定位对象为无人机，机厢顶部安装LED光源发射器，内部安装主板、飞行控制器、遥控接收器、陀螺仪，以及供其飞行和光源发光的电池。采用遥控操作方式驱动无人机和启闭光源。由此实现了定位对象自稳定和可控飞行功能。

图5是定位对象飞行过程中，连续监测得到的飞行速度和路径，以及有效监测的接收器切换。位于位置1时，定位对象α的位置信息由接收器甲、丁确定；飞行至位置2后，定位对象α的位置信息由接收器甲、乙确定。

Claims (5)

1.一种基于白光LED的交通隧道内飞行光源定位方法，将接收器均匀布设在交通隧道内顶部，单一接收器与其周围相邻接收器之间的距离相等，互邻的3个接收器呈正三角形布设，在每个接收器的下方固定一个面积小于接收器的光束接收面积的不透明板；于同一侧墙体存在接收范围交界的相邻两个接收器，其中任一接收器有效接收范围边缘能够监测到另一接收器在该侧墙垂直投影下方的定位对象；定位对象为飞行器，在所述飞行器的上方设置向上照射的LED光源；对LED照射不透明板形成的暗斑投影图形进行监测，得到监测数据；设某一接收器位于三维坐标系原点，此接收器在接收到所述飞行器发来的光源光束和上述暗斑后，以暗斑形状、位置和不透明板的面积、该不透明板与接收器之间的距离，能够判定所述飞行器的位置范围处于以此三维坐标系原点为端点的某一射线方向上，定义此射线为坐标射线，当所述飞行器光源有效照射2处以上的接收器时分别形成两条以上的坐标射线，这些坐标射线交于同一点，该交点位置即为所述飞行器光源的实际位置，定位方法为：从所述飞行器光源照射的多处接收器，根据监测数据，选取暗斑与光源光束形成图像中明暗亮度差异最大的2处接收器作为最优接收器；采取此2处最优接收器依据两条坐标射线定位光源的方法，以预先设定的阈值区间判定光照度最强区域面积及最弱区域面积和衍射造成的暗斑边界宽度范围，判定所述飞行器的位置。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，选择最优接收器的方法为：判定某一时间的所述飞行器光源位置，在每2处接收器获取的某一时间图像上，取光照度最强区域和最弱区域的光照度相减，设相减差值为δ，当某一时间下，对全部的接收器中δ值顺序排序，取δ值最大的2处接收器作为最优接收器。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，监测区域的交通隧道内宽度比其他位置的宽度的增加量＞5%时，在加宽处增设接收器，任一接收器有效监测覆盖范围的临界线位于所述飞行器飞行高度上限所形成的水平面的上方。

4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，调整所述飞行器处于水平悬浮飞行姿态，此时光源中心垂直朝上安装，不同定位光源为异频或有波形差异，以避免出现互扰。

5.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，各接收器下方的不透明板的材质、形状、尺寸、安装高度均相同。

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