一种结合加速度计的LED室内2D定位方法与流程
本发明提供了一种结合加速度计的LED室内2D定位方法，属于室内定位导航技术领域。
背景技术：
位置服务(Location-Based Service，LBS)是通过移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的实际地理位置，从而提供用户需要的与位置相关的信息服务，在当今社会成为人们日常生活中必不可少的一部分。全球定位系统(Global Satellite Positioning,GPS)是目前应用最为广泛的定位系统，但卫星信号不能穿透建筑物，且室内环境存在严重的多径和非视距干扰，在室内难以实现定位。为了提高室内定位的精度，人们采用了红外线定位、超声波定位、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)定位等技术，但是传统的室内定位技术在系统成本、稳定性、定位精度等方面不能完全满足用户需求。随着LED照明技术的发展，可见光通信技术也得到发展，基于可见光通信的室内定位导航技术也成为了研究的热点。与传统的射频定位和其它无线定位技术相比，基于LED可见光通信的室内定位具有发射功率高、定位精度高、使用场合广、无电磁干扰和节约能源等优点。
中国发明专利“一种基于可见光标签的室内定位方法”(授权公告号：CN103823204B)基于可见光通信，发射端通过控制LED阵列发射含有定位信息的数据帧，接收端的探测器在识别帧头的同时将用户定位在光功率最大的子小区，并从接收到的光信号解析出用户所在的位置。但是，该方法的LED阵列以等边三角形的分布方式向四面扩展，其定位精度取决于LED网格的分辨率，提高精度需要更多LED，这不仅使成本大大提高，还将导致照明问题。
中国发明专利“基于室内照明的定位导航系统”(授权公告号：CN102967307B)控制计算机向发射部件发送控制命令，接收部件解码LED的ID地址信息，其中光接收器采用凸透镜加上光电检测PD阵列的光电路接收方案，便于精确确定用户的位置。但是，如果该系统凸透镜使光源的影像只照到一个图像传感器上，会导致信道矩阵不是满秩的，无法实现所有信道独立传输数据。另外，该系统需要借助凸透镜及图像传感器实现定位，发射器光束角必须足够大，且成像透镜的直径必须足够大，以收集到足够的光线，大大提高成本。
目前的许多学术论文提供了成本较低、精度较高的LED室内定位方法，但大多要求接收机的法线方向平行于发射机法线方向，即接收机保持水平放置。但在实际的定位导航过程中，手持设备会产生一定角度的倾斜或抖动，无法确保接收机一直水平放置。综上，这些算法在实际应用中会导致较大的定位误差，定位误差达到分米级、米级甚至十米级，定位精度低。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种结合加速度计的LED室内2D定位方法，LED灯作为发射机并发送带有其位置信息的ID编码，移动设备作为接收机，利用加速计的角度信息计算接收机法线与入射光线的夹角，即入射角，用于之后的定位算法，并使用三角测量法中接收功率强度(received-signal-strength，RSS)技术实现2D定位，本发明考虑了手持设备的抖动产生的倾斜角度，实现2D定位，定位精度较高，可达到厘米级。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种结合加速度计的LED室内2D定位方法，包括如下步骤：
(1)对室内照明系统的各LED灯进行编码，将各LED灯的编码以时分复用的形式加载到LED灯的发射光中；
(2)使用带加速度计的接收机接收各LED灯的发射光并获取接收功率，在同一位置将接收机旋转K个不同角度，7≥K≥3，在各旋转角度下选取接收机的接收功率中最大的N个接收功率为有效接收功率，1≤N≤4，接收机获取不同旋转角度下的有效接收功率Prik和加速度计的角度信息，1≤i≤N，1≤k≤K；
(3)定义向量Rik，其方向为不同旋转角度下接收机的法线方向、大小为∣Rik∣＝Prik，接收机的法线方向通过加速度计的角度信息进行确定；
(4)定义平面Wik，平面Wik为经过向量Rik末端并垂直于向量Rik的平面，平面Wik的公式为：
aik*x+bik*y+cik*z＝dik，
(5)定义向量Ti，其方向从接收机指向接收到的发射光所对应LED灯，向量Ti即为入射光线，计算公式为：
(6)计算接收机法线方向与入射光线的夹角，该夹角即入射角度计算公式为：
(7)计算接收机与接收到的发射光所对应LED灯之间的距离Di，计算公式为：
其中Pti为接收到的发射光所对应LED灯的发射功率，h为接收机与接收到的发射光所对应LED灯之间的垂直距离，C根据如下公式计算得到：
式中，m为朗伯系数，A为接收端光接收面的物理探测面积，是接收机中的光滤波器的传播系数，是接收机中的光集中器的增益，由下式确定：
式中，Φc为光集中器视角，n是折射率；
(8)利用2D定位法计算接收机的二维位置坐标：
(8-1)设接收到的发射光所对应LED灯的坐标为(Xi,Yi)，接收机的二维位置坐标为(x,y)，有(x-Xi)2+(y-Yi)2＝ri2，ri为接收到的发射光所对应LED灯与接收机的水平距离；
(8-2)令Q＝[x,y]T，由最小二乘法得到：
Q＝(MTM)-1MTN，
其中，
解得接收机的二维位置坐标(x,y)。
步骤(1)中编码为二进制字符串，编码中“1”表示亮，对应的LED灯照明功率为P1，“0”表示暗，对应的LED灯照明功率为P2，P1：P2＝10：6～10：9。
步骤(1)中编码包括帧头、物理位置信息编码、推送信息编码和帧尾，物理位置信息编码包含楼栋字段、楼层字段、房间字段、室内LED灯编号字段。
步骤(1)中室内照明系统为由1个以上2行2列LED灯阵列扩展构成的宫格单元拓扑组网，位于房间角落处的LED灯阵列的灯距小于其他位置的LED灯阵列的灯距。
步骤(1)中LED灯阵列中的各LED灯轮询发射编码数据帧，当其中一个LED灯发射编码数据帧时，LED灯阵列中的其他LED灯发射等长全零数据帧。
步骤(2)中有效接收功率为在各旋转角度下接收机的接收功率中最大的4个接收功率。
步骤(2)中旋转角度的数量K为5。
步骤(3)中通过加速度计的角度信息确定接收机的法线方向的具体内容为：从加速度计的角度信息中获取接收机旋转后分别相对于标准坐标系X轴、Y轴和Z轴的夹角αx、αy和αz，则接收机法线方向为(sinαzsinαx,sinαzcosαy，cosαz)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、在实际应用中，手持设备作为接收机会因行人走动产生一定的旋转角度，将大大降低定位精度，本发明提供的LED室内2D定位方法将旋转角度考虑到定位方法中，使用带加速度计的接收机接收各LED灯的发射光并获取接收功率，通过加速度计的角度信息获取不同旋转角度下接收机的法线方向，引入入射角度的详细计算方法，将手持设备的旋转角度最终量化为入射角度，从而提供更高的定位精度，可将定位精度从现有技术的分米级或米级提高至厘米级。
2、本发明提供的LED室内2D定位方法，通过设置向量体现接收机与发射机之间的信息传递，计算过程均为矩阵运算，因此软件实现复杂度低，可极大提高运算速率；为了提高所求入射角度的准确性，在同一个位置加速度计的采样点不能过少，即接收机在同一位置旋转的角度个数不宜过少，但是随着采样点的增多，数据中所含的加速度计噪声会增大，影响精度，且会降低定位速率，所以采样点个数也不宜过大，本发明推荐5个采样点，此时精度趋于稳定，当然也可通过计算或实验确定最佳值。
3、本发明提供的LED室内2D定位方法中，使用的接收机可以是日常使用的手机，由于大多数手机自带加速度计，因此该定位方法可通过手机APP实现，定位过程中自动调用手机自带的加速度计的相关信息，不需要再添加外围设备，硬件设备简单，使用成本较低，并且本发明的软件实现复杂度低，不会影响手机运行速率。
4、本发明室内照明系统作为发射机，不会产生射频干扰，可以用于严格限制射频辐射的环境中，如医院等，应用范围更广，并且LED灯可实现定位和照明两者兼顾，LED灯作为发射端利用光束的强弱变化进行编码，其变化人眼无法识别，所以不会造成照明问题，且除一些必要的信号处理，几乎无需其他的功率消耗，大大降低了成本。
5、本发明室内照明系统作为发射机，采用广播传输方式，可实现一对多的服务，服务用户数量不限，并且可以保证定位正常使用，发射端的发送的数据帧还预留有字节用于数据信息的推送，如广告信息等，实用性强。
6、由于本发明采用广播传输方式，接收机可能会接收到较多LED灯的信号，本发明在所有接收信号中选取最大的4个接收功率为有效接收功率，即实现4灯定位，为此设置室内照明系统为由1个以上2行2列LED灯阵列扩展构成的宫格单元拓扑组网，2行2列LED灯阵列即可实现定位，即使其中一盏灯发生故障时，也可通过3盏灯实现定位，从而确保定位精度为厘米级。
7、本发明使用室内照明系统作为发射机，位于房间角落处的LED灯阵列的灯距小于其他位置的LED灯阵列的灯距，房间角落处加密LED灯以提高角落位置的定位精度，从而确保定位精度为厘米级。
附图说明
图1为本发明提供的LED室内定位方法的流程图。
图2为计算入射角度的几何模型。
图3为利用4盏LED灯进行2D定位的原理图。
图4为2D定位方法的流程图。
图5为使用2D定位方法进行定位时房间内所有点的定位误差图。
图6为2D定位方法的定位误差直方图。
图7为2D定位方法的定位误差累积分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
本发明可用N盏LED灯实现定位，当N为1或2时，只能定位到某一个区间范围内，定位精度较低；当N为3时，可以精确算出用户的坐标位置，但是当某一盏灯发生故障时，无法确保定位精度；当N为4时，既可对用户实现精确定位，还可保证在LED灯发生故障时仍可正常定位，所以推荐N＝4，即定位单元为4个LED灯以正方形的分布方式、四面扩展而成的LED灯阵列，室内照明系统为由1个以上2行2列LED灯阵列扩展构成的宫格单元拓扑组网，位于房间角落处的LED灯阵列的灯距小于其他位置的LED灯阵列的灯距，以提高角落位置的定位精度。
下面结合附图对本发明提供的结合加速度计的LED室内2D定位方法进行详细阐述，方法流程图参见图1，具体包括如下步骤：
(1)对室内照明系统(发射端)的各LED灯进行编码，编码为二进制字符串，包括帧头、物理位置信息编码、推送信息编码和帧尾，物理位置信息编码包含楼栋字段、楼层字段、房间字段、室内LED灯编号字段，将各LED灯的编码以时分复用的形式加载到LED灯的发射光中，编码数据帧可使用OOK、QAM等编码调制方式，编码中“1”表示亮，对应的LED灯照明功率为5W，“0”表示暗，对应的LED灯照明功率为3W，LED灯阵列中的各LED灯轮询发射编码数据帧，当其中一个LED灯发射编码数据帧时，LED灯阵列中的其他LED灯发射等长全零数据帧；
(2)接收机接收各LED灯的发射光并获取接收功率，在同一位置将带加速度计的接收机旋转5个不同角度，在各旋转角度下选取接收机的接收功率中最大的4个接收功率为有效接收功率，接收机获取不同旋转角度下的有效接收功率Prik和加速度计的角度信息，1≤i≤4，，1≤k≤5；
(3)参见图2，定义向量Rik，其方向为不同旋转角度下接收机的法线方向、大小为∣Rik∣＝Prik，从加速度计的角度信息中获取接收机旋转后分别相对于标准坐标系X轴、Y轴和Z轴的夹角αx、αy和αz，则接收机法线方向为：
(sinαzsinαx,sinαzcosαy,cosαz)；
(4)定义平面Wik，平面Wik为经过向量Rik末端并垂直于向量Rik的平面，平面Wik的公式为：
aik*x+bik*y+cik*z＝dik，
(5)定义向量Ti，其方向从接收机指向接收到的发射光所对应LED灯，向量Ti即为入射光线，计算公式为：
(6)计算接收机法线方向与入射光线的夹角，该夹角即入射角度计算公式为：
(7)计算接收机与接收到的发射光所对应LED灯之间的距离Di，计算公式为：
其中Pti为接收到的发射光所对应LED灯的发射功率，h为接收机与接收到的发射光所对应LED灯之间的垂直距离，C根据如下公式计算得到：
式中，m为朗伯系数，A为接收端光接收面的物理探测面积，是接收机中的光滤波器的传播系数，是接收机中的光集中器的增益，由下式确定：
式中，Φc为光集中器视角，n是折射率；
(8)参见图3和图4，利用2D定位法计算接收机的二维位置坐标：
(8-1)设接收到的发射光所对应LED灯的坐标为(Xi,Yi)，接收机的二维位置坐标为(x,y)，有(x-Xi)2+(y-Yi)2＝ri2，ri为接收到的发射光所对应LED灯与接收机的水平距离；
(8-2)令Q＝[x,y]T，由最小二乘法得到：
Q＝(MTM)-1MTN，
其中，
解得接收机的二维位置坐标(x,y)。
在一个大小为6m*6m*4.2m的房间模型内每隔0.1米取一个点，通过本发明提供的结合加速度计的LED室内2D定位方法进行定位，即对3721个点进行2D定位，定位结果如图5、图6和图7所示，定位误差均方根(root mean square，RMS)为0.0242米，从结合图5和图6可以看出，大部分的定位误差都小于0.025米，只有房间在角落地区由于灯的分布不均导致误差较大，从图7的累积分布图可以看出95％的点的定位误差都在0.03米以内。
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