[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于最大似然估計(jì)的可見(jiàn)光定位系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710699977.0
• 申請(qǐng)日: 2017-08-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107343265B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 關(guān)偉鵬;彭淇;吳玉香;謝燦宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04W4/02
• 分類(lèi)號(hào): H04W4/02;H04W4/33;G01S5/16;H04B10/116
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

1.一種基于最大似然估計(jì)的可見(jiàn)光定位系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括三個(gè)發(fā)射端、信道和接收端，所述每個(gè)發(fā)射端包括正弦波發(fā)生模塊、OFDM發(fā)射端模塊、數(shù)-模轉(zhuǎn)換模塊、LED驅(qū)動(dòng)器和一盞LED燈具；所述信道為室內(nèi)光信道，每盞LED燈具發(fā)射的光信號(hào)通過(guò)信道傳輸?shù)浇邮斩说腜IN光電檢測(cè)器；所述接收端包括PIN光電檢測(cè)器、放大濾波電路、OFDM接收端模塊、模-數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和最大似然估計(jì)模塊；所述正弦波發(fā)生模塊、OFDM發(fā)射端模塊、數(shù)-模轉(zhuǎn)換模塊、LED驅(qū)動(dòng)器和LED燈具依次連接；所述PIN光電檢測(cè)器、放大濾波電路、OFDM接收端模塊、模-數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和最大似然估計(jì)模塊依次連接；

所述OFDM發(fā)射端模塊包括串并變換模塊、預(yù)均衡模塊、IFFT模塊、加循環(huán)前綴模塊和并串轉(zhuǎn)換模塊，所述串并轉(zhuǎn)換模塊、預(yù)均衡模塊、IFFT模塊、加循環(huán)前綴模塊和并串轉(zhuǎn)換模塊依次相連；

所述OFDM接收端模塊包括串并轉(zhuǎn)換模塊、移除循環(huán)前綴模塊、FFT模塊、后均衡模塊、并串轉(zhuǎn)換模塊，所述串并轉(zhuǎn)換模塊、移除循環(huán)前綴模塊、FFT模塊、后均衡模塊和并串轉(zhuǎn)換模塊依次相連；

所述正弦波發(fā)生模塊產(chǎn)生不同頻率的正弦波數(shù)據(jù)傳輸給OFDM發(fā)射端模塊，OFDM發(fā)射端模塊中，串并轉(zhuǎn)換模塊先將單路串行數(shù)據(jù)流變換成多路并行子數(shù)據(jù)流，在信道的正交子信道中傳輸，預(yù)均衡模塊對(duì)子數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)均衡，然后IFFT模塊基于IFFT算法對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制，由加循環(huán)前綴模塊使子數(shù)據(jù)流保持良好的正交性，最后由并串轉(zhuǎn)換模塊將多路并行子數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換回單路串行數(shù)據(jù)流后，經(jīng)過(guò)數(shù)-模轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)傳輸給LED驅(qū)動(dòng)器，從而驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)射出光信號(hào)；

所述PIN光電檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)三盞LED的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，對(duì)每盞LED的光信號(hào)分別處理；放大濾波電路分別對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大濾波；所述OFDM接收端模塊中，串并轉(zhuǎn)換模塊先將單路串行數(shù)據(jù)流變換成多路并行子數(shù)據(jù)流，移除循環(huán)前綴模塊對(duì)子數(shù)據(jù)流進(jìn)行移除循環(huán)前綴，然后FFT模塊基于FFT算法對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行正交解調(diào)，解調(diào)后通過(guò)后均衡模塊，對(duì)數(shù)據(jù)流后均衡處理，最后由并串轉(zhuǎn)換模塊將多路并行子數(shù)據(jù)流變換回單路串行數(shù)據(jù)流，輸出數(shù)據(jù)流給模-數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)傳輸給最大似然估計(jì)模塊，最大似然估計(jì)模塊先由PIN光電檢測(cè)器得到每盞LED的光從發(fā)射端到接收端所用的時(shí)間，再利用漸進(jìn)最優(yōu)的最大似然估計(jì)得到每盞LED到接收端的距離d，通過(guò)TDOA算法，利用三盞LED得到最終定位坐標(biāo)；

所述利用三盞LED得到最終定位坐標(biāo)的具體過(guò)程為：

步驟2.1、考慮直射信道，發(fā)射端每盞LED的光功率和接收端光功率有如下關(guān)系：

其中，p_r表示接收端光功率，P_t表示發(fā)射端光功率，φ表示LED發(fā)出光信號(hào)的入射角，表示PIN光電檢測(cè)器接收光信號(hào)的接收角，m表示朗伯發(fā)射順序，S是PIN光電檢測(cè)器的有效面積，d表示發(fā)射端和接收端之間的距離，參數(shù)是接收端的視場(chǎng)角；

接收端的PIN光電檢測(cè)器通過(guò)光信號(hào)從發(fā)射端每盞LED到接收端經(jīng)歷的時(shí)間τ來(lái)計(jì)算發(fā)射端每盞LED和接收端之間的距離d，其中d＝cτ，c為光速；

接收端接收到的光信號(hào)x(t)為：

其中，R_p表示PIN光電檢測(cè)器的響應(yīng)，指每單位入射光產(chǎn)生的光電流；s(tτ)表示s(t)延遲時(shí)間τ后的信號(hào)；表示時(shí)間，T表示信號(hào)cos(t0的周期；

通過(guò)在信號(hào)帶寬B內(nèi)濾除連續(xù)波形，得到帶限的熱噪聲方差σ²＝N₀B，其中N₀是噪聲的功率譜密度，N₀＝2qR_Pp_nSΔ，q表示電子電荷，p_n是指光譜輻照度，Δ是光濾波器帶寬；

在室內(nèi)模型中，h為房間的高度，經(jīng)過(guò)采樣后，接收信號(hào)的離散時(shí)間形式為1,2,3,…,N-1，其中N是樣本總數(shù)，能夠表示為：

其中，x[n]表示信號(hào)x(t)的離散形式，s[n-τ]表示信號(hào)s(tτ)的離散形式，ω[n]表示ω(t)的離散形式，n表示時(shí)間t的離散形式；

步驟2.2、令其中σ表示帶限的熱噪聲方差σ²開(kāi)方后的值，似然函數(shù)p(n-τ)表達(dá)為：

為了得到從發(fā)射端每盞LED到接收端經(jīng)歷的時(shí)間τ的最佳估計(jì)值，需要得到n₀，M是采樣信號(hào)長(zhǎng)度，是采樣延時(shí)，因Δ很小，所以為整數(shù)的近似值，因此似然函數(shù)能簡(jiǎn)化為：

對(duì)于采樣信號(hào)長(zhǎng)度M足夠大，利用積分近似求和，忽略不計(jì)，式子左邊部分對(duì)τ求導(dǎo)，右邊部分對(duì)τ求導(dǎo)后再對(duì)t積分，當(dāng)τ很小時(shí)，s(t-τ)近似等于s(t)，由

T_s為信號(hào)x(t)的最小正周期，且d＝cτ，得到距離d的最大似然估計(jì)：

利用最大似然得到的第一盞LED、第二盞LED、第三盞LED與接收端的距離d₁、d₂、d₃，結(jié)合已知的TDOA算法，由d₁和d₂之差、d₃和d₂之差畫(huà)出兩條雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)即是最終定位坐標(biāo)。