一种可见光定位方法、系统和装置与流程

本发明涉及可见光定位技术，更具体地涉及一种可见光定位方法、系统和装置。

背景技术：

随着机场、车站、购物中心等大型室内场馆的建设以及机器人技术的高速发展，室内定位的需求也持续增长。现有Wi-Fi、蓝牙等室内定位技术大多采用无线射频技术，在室内复杂的环境中，受多径效应干扰，定位误差较大。白光发光二极管(LED)相比于传统光源具有更高的发光效率，是新一代的绿色节能照明设备，目前正逐步成为主要的照明光源。可见定位利用新的白光频谱资源，将定位信号加载至室内照明白光LED上，通过光照强度的变化来进行数据传输；在接收端，通过光电转换后获取定位信号，经过解算之后可解得接收机的位置。可见光定位无需新的电磁频谱许可，也不会引入对其他设备的电磁干扰，室内多径反射信号较弱，可以达到很高的定位精度。目前存在几种可见光定位方法：采用指纹匹配技术的可见光定位方法、采用图像传感器的可见光定位方法和利用接收信号强度的定位方法等。

此外，测量光信号在发射机与接收机之间的传播时间，一般采用精确测量接收机与发射机之间的载波相位差，可以实现高精度的定位。但在测量载波相位时，载波相位与本地基准相位之间相位差会有整数个未知周期，通常被称作整周模糊，需要通过特定方法确定该未知整数周期。相比于现在可见光定位技术，测量到达时间的方法不直接依赖于接收机接收到的光功率的大小，当LED老化衰减，发光能量空间分布模型不理想时不会对定位精度产生影响。

因此，如何消除整周模糊，更精确且低成本地进行可见光定位，是本发明亟待要解决的技术问题。

技术实现要素：

为使室内可见光定位达到更高的定位精度，本发明提供了一种基于白光LED可见光信号传播的可见光定位方法、定位系统和定位装置。该方法采用两步定位方法，首先利用接收信号强度的方法粗略测得收发机之间的距离，第二步基于光信号载波相位测量收发机之间载波信号的相位差，利用第一步粗略的测量结果，可以消除第二步测量中的整周模糊，得到精确的定位结果。

为了达到上述目的，根据本发明的一方面，提供一种可见光定位方法，该方法包括以下步骤：

发光步骤，各发射机的LED发出光信号；

低精度距离确定步骤，接收机接收所述光信号，根据LED的发光强度、接收到的光信号强度以及LED发光光束分布特性，得到接收机与发射机之间的低精度距离值；

高精度距离确定步骤，解调出所接收的信号的载波相位，利用低精度距离值消除载波相位的整周模糊，并利用消除了整周模糊的相位信息计算出发射机和接收机之间的高精度距离值；

定位步骤，基于接收机与不同发射机之间的高精度距离值以及各发射机的空间位置信息计算接收机的位置信息。

优选地，所述LED的发光强度、LED发光光束分布特性以及各发射机的空间位置信息预先存储在所述接收机中。

优选地，所述LED的发光强度、LED发光光束分布特性以及各发射机的空间位置包含在LED发出的光信号中；

所述方法还包括以下步骤：定位信号产生步骤：各发射机产生包含定位报文的定位信号，用该定位信号调制LED的发光强度，以使得LED在发光步骤中发射携带定位信号的光信号，其中，所述定位报文包含发射机的空间位置信息、LED发光强度信息以及LED发光光束分布特性；以及解调步骤，接收机将接收的光信号转换为电信号，并解调出定位报文。

优选地，所述定位报文还可包含信号发送时间。

优选地，所述定位信号为定位报文叠加有伪随机序列并调制载波信号。

优选地，所述LED发光光束分布特性由如下公式表达：

P_r＝P_t·α·D^-m

其中，P_t为发射机发出的光信号功率，P_r为接收机接收的光信号功率，α为常数，D为接收机与发射机之间的距离，m为与LED的光束角特性有关的空间衰减因子；所述得到接收机与发射机之间的低精度距离值的步骤包括基于所述公式计算D值，将计算出的D值作为所述低精度距离值。

优选地，所述计算光信号在发射机与接收机之间的传播时间的步骤包括：根据公式来利用所述低精度距离值计算整周模糊值，其中，λ为接收信号的载波波长，[]为取整符号；基于所接收信号的载波相位和所述整周模糊值利用如下公式得到所述传播距离：其中，f为载波信号频率，为所接收信号的载波相位，ΔN为所述整周模糊值，c为光速。

根据本发明的另一方面，还提供一种可见光定位系统，该系统包括：多个发射机以及接收机；

各发射机包括：

LED，其用于发出的光信号；

LED驱动电路，用于驱动所述ELD灯；

所述接收机包括：

光电转换模块，用于接收所述光信号，将接收的光信号转换为电信号；

信号处理模块，用于根据LED的发光强度、接收到的光信号强度以及LED发光光束分布特性，得到接收机与发射机之间的低精度距离值，利用所接收信号的载波相位和低精度距离值计算光信号在发射机与接收机之间的高精度距离值，从而根据各发射机的空间位置信息以及接收机与不同发射机之间的高精度距离值计算出接收机的位置信息。

优选地，各发射机还包括：

定位信号发生器，用于产生包含定位报文的定位信号，所述定位报文包含发射机的空间位置信息、LED的发光强度信息以及LED发光光束分布特性；其中，所述LED驱动电路用所述定位信号调制所述LED的发光强度，以使得LED发射携带定位信号的光信号；所述信号处理模块根据所述电信号获得所接收信号的载波相位，并从所述电信号解调出定位报文。

根据本发明的另一方面，还提供一种可见光定位装置，其特征在于，装置包括；

光电转换模块，用于接收来自多个发射机的LED的光信号，将接收的光信号转换为电信号；以及

信号处理模块，用于根据所述电信号获得所接收信号的载波相位，并根据LED的发光强度、接收到的信号强度以及LED发光光束分布特性，得到接收机与发射机之间的低精度距离值，利用所接收信号的载波相位和低精度距离值计算光信号在发射机与接收机之间的高精度距离值，从而根据各发射机的空间位置信息以及接收机与不同发射机之间的高精度距离值计算出接收机的位置信息。

优选地，所述光信号中携带包含有定位报文的定位信号，所述定位报文包含发射机的空间位置信息、LED发光强度信息以及LED发光光束分布特性；信号处理模块从所述电信号解调出定位报文；或者所述接收机中预先存储有所述LED的发光强度、LED发光光束分布特性以及各发射机的空间位置信息。

该可见光定位装置可为接收机。

与现有技术相比，本发明采用信号强度和光信号载波相位相融合的定位方案，提供了高精度可见光定位方法，利用信号强度定位方法消除了光信号载波相位方法中相位测量的整周模糊问题，得到了更精确的位置信息。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

参照以下附图，将更好地理解本发明的许多方面。附图中：

图1为本发明实施例中室内可见光定位系统的示意性框图；

图2为本发明实施例中室内可见光定位方法的示意性流程图；

图3(a)和图3(b)为本发明实施例中定位信号的产生方式示意图。

具体实施方式

下面，对本发明的优选实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明的技术精神及其主要操作不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

图1为本发明实施例中室内可见光定位系统的示意性框图。如图1所示，本发明的室内可见光定位系统可以包括：多个发射机和接收机。

各发射机可包括高稳时钟模块、定位信号发生器、LED驱动电路和LED。高稳时钟模块产生高精度载波信号。定位信号发生器产生包含定位报文的定位信号，该定位信号经LED驱动电路直接调制LED的发光强度，LED在照明的同时广播定位信号。

接收机可包括光电转换模块、信号处理模块和输出接口，光电转换模块用于进行光电转换，信号处理模块可用于进行多路可见光信号的捕获、跟踪、载波相位差计算、接收信号强度测量等。输出接口可以用于输出定位结果，例如可以直接提供显示内容或数据传输接口。

下面结合可见光定位系统的结构来描述可见光定定位方法。图3所示为本发明实施例中的可见光定位方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤S310，各发射机产生包含定位报文的定位信号，基于该定位信号调制LED的发光强度并经由LED发射携带定位信号的光信号。

具体地，定位信号发生器产生定位信号，该定位信号为定位报文叠加有伪随机序列并调制载波信号。其中伪随机序列用以区分不同的发射机所发出的信号。如图3(a)和图3(b)所示，定位报文与伪随机序列码叠加后调制载波，载波可以为正弦波(见图3(a))或者矩形波(见图3(b))等，即可得到定位信号。其中，定位报文可包含发射机的空间位置信息和LED发光功率，此外，还可包含信号发送时间、LED发光光束分布特性等信息。

LED驱动电路利用该定位信号经直接调制LED的发光强度。LED在照明的同时广播该定位信号，即，LED发射携带定位信号的光信号。

步骤S320，接收机接收光信号，将光信号转换为电信号，解调出定位报文。

接收机的最前端为光电转换模块(如光电探测器)，通常为光电二极管加透射或反射镜组成，该光电转换模块收集空间中的光信号，并将光信号转变为电信号。接收机的信号处理模块内有多路处理通道，可以同时接收来自不同发射机的经转换的电信号，每一路处理模块首先捕获、跟踪一个发射机的电信号，通过信号处理技术获得接收信号的载波相位；之后对接收的信号进行解调，独立解出该个发射机所发送的定位报文，其中包括发射机的空间位置信息、LED发光功率、LED发光光束分布等信息。

在本发明实施例中，定位报文中的内容可以由LED发射至接收机，由接收机解调获得，亦可以通过其他方式，由接收机在定位前已经获得，例如可通过提前内置于接收机内等方法实现。在接收机预先获知发射机的空间位置信息、LED发光功率、LED发光光束分布等信息的情况下，LED发出的光信号中可以不携带定位信号。

步骤S330，根据LED的发光强度、接收到的信号强度以及LED发光光束分布特性，计算接收机与发射机之间的低精度距离值。

本步骤是利用信号强度定位方法基于信号强度计算出接收机与发射机之间的粗略距离(低精度距离)，即通过测量接收信号的功率，根据可见光信号强度衰减模型，以及发射信号功率，解算出发射机与接收机之间的粗略距离。

本步骤中，通过测量接收信号强度，并利用通过解调定位报文获得的LED发射信号强度(如LED发光功率)和LED发光光束分布信息(如LED光信号强度衰减模型)，解得接收机与发射机之间的粗略距离。

可见光的信号强度衰减模型一般可以由下式表达：

P_r＝P_t·α·D^-m

其中，P_t为发射机发出的光信号功率，P_r为接收机接收光信号功率，α为常数，通常与接收机与发射机之间的垂直高度、接收机的姿态、接收机光电响应度等因素有关。D为接收机与发射机之间的距离，m为空间衰减因子，与LED的光束角特性有密切关系。

可事先确定系统的α、m参数。通过在不同的已知位置测量接收机接收到的光信号功率并结合发射机的发射光功率，可以测量出系统的α、m参数。该参数作为发射机的固有参数在确定之后，可通过报文数据由发射机发送给接收机。

之后接收机的多个通道在捕获到发射机所发射的信号后，可分别测量每一个通道接收到的信号强度，该信号强度可对应于接收机接收到来自不同发射机的信号光功率。而每个发射机内LED的发射功率、信号强度衰减模型的参数都可以从报文中解得。

在获得发射机发射功率、接收机接收功率和信号强度衰减模型之后，发射机与接收机之间的距离可以由下式计算得出：

该距离值基于光信号在空间的强度衰减模型测量所得，受光电探测器的噪声以及LED器件老化等因素影响，D的精确度一般在数十厘米，为接收机与发射机之间的粗略测量值。

步骤S340，解调接收信号的载波相位，利用低精度距离值消除载波相位的整周模糊，并利用消除了整周模糊的相位信息计算出发射机和接收机之间的高精度距离值；

该步骤是利用载波相位信息计算出发射机和接收机之间的高精度距离值；

基于接收的载波相位信息，可以得到发射机与接收机之间的精确距离(高精度距离值)，该精确距离的计算方法为其中d为收发机之间的精确距离，c为光速，f为载波信号频率，为接收机处的载波相位，ΔN为整周模糊值。在此利用上述步骤S330中计算的粗略测量值，可以消除整周模糊的不确定性，得出ΔN的具体数值，计算过程如下：

其中，D为步骤S330中测量出的粗略距离值，而λ为载波信息波长，[]为取整符号。在确定整周模糊数ΔN之后，可以解得发射机与接收机之间的精确距离d，d精确度可达数毫米。

上述可知，本发明中的可见光定位方法通过基于信号强度和光信号载波相位共同进行定位，信号强度定位方法作为第一步(步骤S330)，基于载波相位定位方法为第二步(步骤S340)，通过信号强度方法可以粗略测量出接收机与发射机之间的距离，可以用于消除第二步中相位测量产生的整周模糊。由于载波相位和整周模糊值能反映光传播时间，因此，换句话说，本发明的可见光定位方法也是通过信号强度和光信号传播时间共同进行定位。

步骤S350，基于各发射机的空间位置信息以及接收机与不同发射机之间的高精度距离值计算接收机的位置信息。

在获得接收机与多个发射机的距离d_i后，通过求解过程如求解如下方程组来获得接收机的空间位置：

其中，(x_i,y_i,z_i)为发射机i的空间位置坐标，(x,y,z)为接收机待求解的空间位置坐标。当接收机可以同时接收到多个发射机的信号时，可以解得接收机的空间位置坐标。

最终确定的接收机的位置信息可通过接收机的输出接口输出至显示屏或其他应用。该接口可以是软件类接口或者是串口、USB接口等硬件接口。

本发明中的接收机可以在手机、PAD或其他便携式终端中实现。

与现有技术相比，本发明采用信号强度和光信号载波相位相融合的定位方法，提供了高精度可见光定位方法，减小了运算量，且保证了低成本。

在本发明的另选实施方式中，可见光定位系统还可包括中央控制器，中央控制器可向各发射机发送同步信号。各发射机的时钟模块可接收中央控制器的同步信号，并提供高精度载波信号，使各发射机处于同步状态。

本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或者它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可以用本领域共知的下列技术中的任一项或者他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在流程图中表示或者在此以其它方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。