基于MLED‑RSSI的室内可见光定位方法及系统与流程

本发明涉及基于MLED-RSSI的室内可见光定位方法及系统，属于室内定位技术领域。

背景技术：

常见的可见光定位技术主要是基于三边定位算法，该算法需要估算接收端和发射端的距离。有很多方法可以实现测距如RSSI、TOA、TDOA、AOA等。AOA技术可以达到很好的精度估算，但是在接收端需要部署很多图像传感器阵列，价格非常昂贵。室内环境，发射端和接收端的距离较短导致光信号传输的时间很短，因此对发射端和接收端的时钟精度和同步要求很高，使得TOA和TDOA技术难以实现。综合考虑技术难度和技术成本，采用RSSI技术是目前可见光室内定位的主要解决方案之一。采用RSSI技术的可见光室内定位系统中，主要利用3个光源作为发射机，分别发射不同的载波信号，接收端根据接收到的信号强度估计接收端与发射端的距离，然后利用三边定位算法，推算出接收端的位置坐标。

实际上，仅利用3个光源进行定位是有一定局限性的，假设房间内不存在任何物体遮挡时，得到的定位精度还是较为理想的。但是当用于定位的3个LED中存在某个LED发出的光信号被室内固定物体或人移动时遮挡了，这时接收端接收到该LED的信号强度会大大减弱，这样估算的LED到接收端的距离就会与真实距离有很大误差，最终会严重影响定位的精度。此外，仅采用3个定位光源时，当接收端在房间边缘区域移动时，定位的精度会下降。总的来说，在室内仅采用3个光源进行定位，会存在遮挡问题和边缘定位误差大问题，这些问题都会影响到室内定位的精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供基于MLED-RSSI的室内可见光定位方法及系统，有效解决了遮挡问题和边缘定位误差大问题，使室内定位精度得到了提高。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于MLED-RSSI的室内可见光定位方法，包括如下步骤：

步骤1，根据室内空间尺寸大小和单个LED光源的辐射范围，在室内布置m个LED光源作为发射端，m为大于4的正整数；

步骤2，n个LED光源向接收端发射频率不同的信号，接收端对接收到的信号进行遮挡衰减处理，得到各信号对应的遮挡衰减系数，排除遮挡衰减系数小于0.5的LED光源，保留遮挡衰减系数大于等于0.5的LED光源及对应的ID号；

步骤3，将保留下来的LED光源利用组合原理每三个组成一个拓扑结构，利用如下两个原则从组成的拓扑结构中选出最优拓扑结构：原则一，每个拓扑结构中，三个LED光源不共线；原则二，每个拓扑结构中，三个LED光源构成一锐角三角形；

步骤4，根据步骤3得到的最优拓扑结构中三个光源的ID号得到三个光源的坐标信息，利用三个光源的坐标信息进行三边定位算法，得到接收端的位置坐标。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤2所述遮挡衰减系数的计算公式为：

H＝P′_RF/P_RF

其中，H为遮挡衰减系数，P′_RF为接收到的实际射频功率，P_RF为无遮挡情况下接收到的射频功率。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤2所述遮挡衰减系数的范围为0到1，其中，0表示完全遮挡，1表示不存在遮挡。

基于MLED-RSSI的室内可见光定位系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括m个LED光源，每个LED光源包括信号发生器、LED驱动电路和LED灯，接收端包括遮挡情况处理单元、最优定位拓扑优化单元、三边定位单元；

每个信号发生器产生不同频率的载波，通过LED驱动电路发射到接收端，LED驱动电路与LED灯连接；

遮挡情况处理单元对接收到的信号进行遮挡衰减处理，得到各信号对应的遮挡衰减系数，排除遮挡衰减系数小于0.5的LED光源，保留遮挡衰减系数大于等于0.5的LED光源及对应的ID号，并传送至最优定位拓扑优化单元；

最优定位拓扑优化单元将保留下来的LED光源每三个组成一个拓扑结构，利用如下两个原则从组成的拓扑结构中选出最优拓扑结构：原则一，每个拓扑结构中，三个LED光源不共线；原则二，每个拓扑结构中，三个LED光源构成一锐角三角形；

三边定位单元根据得到的最优拓扑结构中三个光源的ID号得到三个光源的坐标信息，利用三个光源的坐标信息进行三边定位算法，得到接收端的位置坐标。

作为本发明系统的一种优选方案，所述接收端还包括显示电路，显示电路与三边定位单元连接，用于显示接收端的位置坐标。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明采用多个LED作为发射机，有效提高了室内定位的精度，尤其是提高了室内边缘区域的定位精度，有效地解决了遮挡问题，提高了定位算法的可靠性、稳定性和适用性。

附图说明

图1是本发明基于MLED-RSSI的室内可见光定位方法的流程示意图。

图2是本发明基于MLED-RSSI的室内可见光定位系统的原理示意框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提出了一种利用多个LED发射端实现室内定位的方法，即MLED-RSSI定位算法。结合室内照明LED布局实际情况，在充分考虑遮挡效应和LED布局拓扑结构对定位性能影响的基础上，利用最优化方法从多个LED中合理地选取3个LED用于三边定位，采用本发明提出来的改进方法来获得更高的定位精度。

根据房间的空间尺寸大小和单个LED光源的辐射范围，合理规划LED布局和数目。主要就是LED选取准则的设计，在多个LED条件下，可供选择的LED组合数很多，假设房间内一共有m(m>4)个LED，则一共有种组合数。首先在接收端对接收到的信号进行遮挡衰减处理，定义一个遮挡衰减系数H，用来表示某个LED发射信号被遮挡的程度，计算出所有发射端的H值大小，筛选出H较大的LED用于接下来的拓扑结构最优化过程。最优化的过程，主要就是基于三边定位算法的基本思想，提出两个原则，首先是3个LED不拓扑共线原则，当3个LED共线时，利用三边定位算法解方程时，方程无解，也就无法进行定位。第二个原则是进行定位的3个LED构成的拓扑结构尽量是锐角三角形，相关文献已经证明锐角三角形定位性能较好，钝角三角形定位误差最大。m个LED的位置坐标都是固定已知的，利用两大原则进行算法设计，从筛选出来的LED中选取最优的3个LED进行三边定位，从而提高室内定位的精度。

如图1所示，本发明基于MLED-RSSI的室内可见光定位方法的流程示意图，具体步骤如下。

步骤一：为了在接收端能够正确区分开不同发射端发射出的信号，利用信号发生器产生多个频率不同的载波，分别加载到不同的LED上。将LED的位置信息编码成LED的ID号，每个LED具有唯一的ID号，通过图2中的LED驱动电路将信息发射出去。如图2所示，为基于MLED-RSSI的室内可见光定位系统的原理示意框图。

发射端采用多个LED，LED数目大于4，接收端增加遮挡情况处理、最优定位拓扑优化和三边定位三个单元，主要是为了选取最优的3个LED进行三边定位，从而提高室内定位的精度。

步骤二：在接收端，引入遮挡衰减系数H来描述由于遮挡导致接收功率下降的程度，H越小表示遮挡越严重，若P_RF表示无遮挡情况下接收到射频功率，接收到端可以测量出实际射频功率P_RF'，因此H就是P_RF'与P_RF的比值。当H为0时表示完全遮挡，H为1时表示不存在任何遮挡，即最理想情况，通常取0.5作为光源筛选参考值。在图2接收端遮挡情况处理单元中，计算出所有发射端的H值，排除掉H很小的发射端，留下H值较大的发射端，并得到H较大的发射端的ID号。

步骤三：在图2最优定位拓扑优化单元中，将筛选出的发射端每三个组成各种拓扑结构，利用两个原则，首先是3个LED不拓扑共线原则，第二个原则是进行定位的3个LED构成的拓扑结构尽量是锐角三角形，进行最优化算法设计，因为所有发射端的位置坐标都已知，可以得到最优的3个LED组成的拓扑结构。假设为LEDi、LEDj、LEDk，然后根据ID号得到3个LED的坐标信息。

步骤四：得到最优化的拓扑结构后，利用LEDi、LEDj、LEDk的坐标信息，进行三边定位算法处理，得到接收端的位置坐标(x，y)，可以利用显示电路来显示最终的定位坐标。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。