[發明專利]基于接收器方向的動態室內可見光二維定位系統及方法

有效

• 申請號: 201410067766.1
• 申請日: 2014-02-26
• 公開（公告）號: CN103809157B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 侯憶楠;肖石林;余澤希;畢美華;何浩;胡衛生
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01S5/16
• 分類號: G01S5/16
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中,樊昕

技術領域

本發明涉及可見光通信技術領域，具體地，涉及一種基于接收器方向的動態室內可見光二維定位系統及方法。

背景技術

當前，基于全球定位系統（Global?Position?System,GPS）的室外定位導航服務已經應用到我們生活的方方面面。然而由于多徑衰落和其他無線電設備的干擾，GPS在室內或者人口密集的地方很難達到理想的效果。因此，對于室內環境下的定位導航服務，需要一種新的定位系統。

目前用于室內定位的技術主要有超聲波技術、紅外技術、藍牙技術、射頻識別技術等，這些定位系統需要在室內增加新的設備投入，成本比較高，不便于普及。而基于Wi-Fi技術的室內定位方案，由于無線信號具有電磁輻射，所以難以應用到醫院、機場等對電磁輻射比較敏感的環境；并且無線信號在室內多徑干擾比較嚴重，定位精度不高。

基于可見光通信（Visible?Light?Communication,VLC）技術的室內定位方案由于利用半導體發光二極管(Light?Emitting?Diode,LED)發射的白光作為定位信號的載體，因此沒有電磁輻射，不受應用環境的限制；并且VLC的傳輸信道一般采用直射信道，信噪比比較高，多徑干擾比較小，因此該定位方案可以達到比較高的精度；另外，基于VLC技術的室內定位系統與未來室內VLC網絡相兼容，因此不需要昂貴的硬件設備投入，成本比較低廉。綜合以上各方面，基于VLC技術的室內定位系統將是滿足未來室內低成本、高精度、無處不在的定位方案。

目前基于VLC的室內定位算法至少需要三個LED才能工作。所以在一些特殊場合，比如小的房間、樓梯和走廊，其周圍LED的數量一般少于三個，或者在比較復雜的室內環境，被測點能接收到的LED燈的數量一般也少于三個。這樣的話，以上的精確定位算法就不能實現。鄰近算法雖然只用一個LED，但其精度有限，難以實現精確定位。

經文獻檢索發現，G.B.Prince,T.D.C.Little等人于2012年在《Global?Communications?Conference(GLOBECOM)》上發表了“A?Two?Phase?Hybrid?RSS/AOA?Algorithm?for?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?of?Arrival）的三角定位算法組成的混合定位算法。該算法首先由鄰近算法根據接收的光強度來粗略的判斷接收器的位置，即接收最大的光強所來自的LED的位置為接收器的位置；然后利用接收器測量的入射光線的方位角和頂角，根據AOA算法進行精確的定位。該定位方案的優點是定位系統的可靠性高，在復雜的室內環境下，即使AOA定位算法失效，系統也可以由鄰近算法提供一個粗略的定位。而且AOA算法只需要兩個參考點（LED）就可以工作，相對于其他的定位算法，該算法對環境的要求相對比較低。缺點是AOA算法要求接受器必須具備對入射光線的方位角和頂角的感知能力，因此需要成本比較高的傳感器。在一些成本受限的應用場景中，該定位系統不太適用。

發明內容

針對上述現有技術中的不足，本發明提出了一種基于接收器方向的動態室內可見光二維定位系統及方法。采用本定位系統和方法，在同樣兩個參考點的情況下，系統不需要對入射光的角度進行測量，只需采用動態定位算法，接收器就可以獲得精確的定位。因此，本發明的定位方案在保持AOA定位算法的環境適應能力強的優點的同時，在成本上具有比較大的優勢。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種基于接收器方向的動態室內可見光二維定位系統，包括主要由下行發送模塊和下行接收模塊形成的可見光下行鏈路以及主要由上行發送模塊和上行接收模塊形成的可見光上行鏈路；其中：

所述下行發送模塊包括：下行發送FPGA、驅動電路和白光LED；所述下行發送FPGA用來產生白光LED發送的信號幀，該信號幀包含了該白光LED在室內的位置信息，所述驅動電路為白光LED提供合適的直流偏置，并把發送信號調制在白光LED的驅動電流上，所述白光LED將調制后的信號以白光形式發射出去；

所述下行接收模塊包括：光電探測器、傳感器和下行接收FPGA；所述光電探測器測量接收器接收到的光強度信息，所述傳感器測量接收器的方向，所述下行接收FPGA根據光電探測器和傳感器測量的信息計算出接收器的二維位置坐標；