基于可见光通信的室内定位装置及室内定位方法与流程

本发明涉及室内定位技术领域，特别是涉及基于可见光通信的室内定位装置及室内定位方法。

背景技术

室内定位已经成为一个新兴的并且极富有吸引力的技术领域，对室内导航应用的需求也越来越大。在户外场景的定位系统中，全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)已经被广泛使用，gps不仅可以确定使用者的位置，还可以用来跟踪移动用户的路径。然而，在室内环境中，由于卫星信号通过大型建筑物的墙体时功率发生衰减，gps的性能会受到较大限制，这也将导致使用gps作为室内导航系统时将产生较大、不可接受的定位误差。

各种各样的室内定位系统被提出来规避上述问题，有些定位系统采用现有的基础设施，例如wi-fi，但其定位精度并不足够好，通常为1-5米，有些定位系统具有良好的定位精度，例如超宽带系统(ultrawideband，uwb)，然而该系统价格较为昂贵。因此，没有额外安装成本和电磁干扰问题的基于led的可见光定位系统变得非常有前景，该定位技术可以应用于位置追踪、控制机器人运动、物品寻找等各个领域。

在过去的研究中，已有不少基于可见光通信(visiblelightcommunication，vlc)的定位方法被提出，其中大部分方法只能实现二维定位，部分方法可以实现三维定位，但是他们的定位精度还不够，特别是在可见光覆盖边缘位置和覆盖盲区，定位误差会变得较大，目前所采用的解决方案如可见光信标法、指纹识别法和图像传感器成像法等尚不能彻底解决该问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于可见光通信的室内定位装置及室内定位方法，用于解决现有技术中可见光定位方法在可见光覆盖边缘位置和覆盖盲区位置定位精度较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于可见光通信的室内定位装置，所述室内定位装置供设于待定位对象，包括：数据处理模块、及分别与其电性连接的光信号接收模块及惯性导航模块；其中：所述光信号接收模块用于：接收室内部署的各具有可见光通信功能的光源模块所发出的光信号，并将各所述光信号分别转换为电信号；从各所述电信号中选取多个作为优选信号输出；所述惯性导航模块用于：根据初始位置信息及初始速度信息输出导航参数，据以作为所述待定位对象位于室内的光信号覆盖区域之外的盲区位置时的定位信息；所述数据处理模块用于：根据各所述优选信号建立所述光信号接收模块与各所述光源模块之间的多边测量定位方程组；求解所述多边测量定位方程组以得到其最优解，作为所述惯性导航模块的初始位置信息；根据所述最优解计算得到所述光信号接收模块的移动速度，作为所述惯性导航模块的初始速度信息；利用滤波器将所述初始位置信息、所述初始速度信息、及所述导航参数进行融合，并将融合后的最优估计值作为所述待定位对象位于室内的光信号覆盖区域之内或光信号覆盖区域的边缘位置时的定位信息。

于本发明一实施例中，所述光信号接收模块选取多个所述电信号作为优选信号的实现方式包括：选择信号强度最大的三个或三个以上的电信号作为优选信号。

于本发明一实施例中，所述数据处理模块建立所述多边测量定位方程组的实现方式包括：根据各所述优选信号的信号功率值及其对应的光源模块的发射功率值，计算所述光信号接收模块与各所述光源模块之间的距离值；以所述光信号接收模块的三维坐标分别与各所述光源模块的三维坐标之间的距离为等量关系建立所述多边测量定位方程组。

于本发明一实施例中，所述数据处理模块采用非线性优化算法求解所述多边测量定位方程组。

于本发明一实施例中，所述非线性优化算法包括：信赖域算法。

于本发明一实施例中，所述数据处理模块根据所述最优解计算得到所述光信号接收模块的移动速度的实现方式包括：以所述最优解与其前一个坐标位置之间的距离作为移动距离以所述光信号接收模块从所述前一个坐标位置移动至所述最优解所对应的坐标位置之间的时间作为移动时间；根据所述移动距离与所述移动时间的比值计算得到所述移动速度。

于本发明一实施例中，所述光信号接收模块，还用于将各所述电信号放大和/或滤波后予以输出。

于本发明一实施例中，所述滤波器包括：卡尔曼滤波器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于可见光通信的室内定位方法，应用于室内定位装置的数据处理模块；所述室内定位装置供设于待定位对象，还包括分别与所述数据处理模块电性连接的光信号接收模块及惯性导航模块；所述方法包括：根据各优选信号建立所述光信号接收模块与各所述光源模块之间的多边测量定位方程组；其中，各所述优选信号的生成方式包括：所述光信号接收模块接收室内部署的各具有可见光通信功能的光源模块所发出的光信号并将各所述光信号分别转换为电信号；所述光信号接收模块从各所述电信号中选取多个作为优选信号输出至所述数据处理模块；求解所述多边测量定位方程组以将其最优解作为所述惯性导航模块的初始位置信息；根据所述最优解计算得到所述光信号接收模块的移动速度，作为所述惯性导航模块的初始速度信息；当所述待定位对象位于室内的光信号覆盖区域之外的盲区位置时，将所述初始位置信息及所述初始速度信息输出至所述惯性导航模块以供其输出导航参数作为所述定位信息；当所述待定位对象位于室内的光信号覆盖区域之内或光信号覆盖区域的边缘位置时，利用滤波器将所述初始位置信息、所述初始速度信息、及所述导航参数进行融合，并将融合后的最优估计值作为所述定位信息。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行时，实现如上所述的基于可见光通信的室内定位方法。

如上所述，本发明的基于可见光通信的室内定位装置及室内定位方法，具有以下有益效果：解决了现有技术中可见光定位方法在可见光覆盖边缘位置和覆盖盲区位置定位精度较差的问题，大大提高了室内光覆盖边缘位置和盲区位置的定位精度。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中的室内定位装置的应用场景示意图。

图2显示为本发明一实施例中的室内定位装置的结构示意图。

图3显示为本发明一实施例中的室内定位方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

基于可见光通信技术的室内定位已经越来越流行，在过去的研究中已有很多不同的定位算法被提出，比较常见的定位算法有可见光信标法、图像传感器成像法、几何测量法和指纹识别法等，其中，主流方法是几何测量法，该方法主要采用三边定位法、三角定位法或双曲线定位法，这三种方法需要测量几何边长和角度，可以通过接收信号强度(rss)、信号到达时间差(tdoa)、信号到达相位差(pdoa)等测量方案来实现。但是，在实际的商业应用中，要实现信号高精度的同步较为困难，成本也很高，led灯通常只作为发射机，不进行同步。因此，异步测距技术更有前景，如：基于接收信号强度(rss)测量的可见光定位方法。但是，现有的通过信号强度测量的可见光定位方法通常只能实现二维定位，定位精度也不高，特别是在可见光覆盖边缘区域因为距离的增加及测量误差的加大导致定位精度大幅下降，在可见光覆盖盲区，更加无法提供出定位信息。

本发明提供基于可见光通信的室内高精度定位装置及定位方法，用以解决现有的可见光定位方法在室内可见光覆盖边缘位置和覆盖盲区位置定位精度较差的问题。

本实施例提供一种基于可见光通信的室内定位装置1，图1展示为该室内定位装置1的应用场景：在诸如超市、博物馆、仓库、车库、候机室、矿井坑道等具有定位和导航需求的室内空间的中，设置有多个具有可见光通信功能的光源模块，如led1～ledn。这些led灯与普通led灯所不同的是预先经过驱动电流调制，从而具有可见光通信功能。为了区分室内的各个光源模块，不同的光源模块应具有不同的可见光通信中心载波频率。该室内定位装置1在工作时需设置于待定位对象并能随着待定位对象的移动而同步移动，比如：将该室内定位装置1预先放置在待定位用户的口袋中，或者将该定位装置1预先集成于待定位用户的智能手机、智能手环等移动设备中，又或者将该定位装置1安装于宠物狗的项圈上等等。

参阅图2，具体的，室内定位装置主要包括：数据处理模块21、光信号接收模块22、及惯性导航模块23，其中，数据处理模块21可以包括soc、mcu等；光信号接收模块22可以包括光电器件、信号处理电路等，能够将光信号转换为电信号、对电信号放大、滤波及电平比较后发送；惯性导航模块23可以包括惯性测量单元等，能够输出位置、速度、姿态等信息。在本实施例中，数据处理模块21分别电性连接光信号接收模块22及惯性导航模块23。在其他实施例中，数据处理模块21还可以集成于光信号接收模块22或惯性导航模块23，光信号接收模块22与惯性导航模块23电性或通信连接。对此，本发明不做具体限定，本领域技术人员凡是根据本发明原理对室内定位装置的结构所做的变换皆应在本发明的保护范围之内。

光信号接收模块22用于接收室内部署的各具有可见光通信功能的光源模块所发出的光信号，并将各所述光信号分别转换为电信号，从各所述电信号中选取多个作为优选信号输出。详细而言，光信号接收模块22先将接收的微弱的电信号放大，后通过汉明滤波器、哈布斯滤波器或塞尔滤波器等对不同的光信号进行选频滤波，以将不同中心载波频率的可见光信号加以区分，随后比较各个信号的信号功率，选择信号强度最大的三个或三个以上的信号作为优选信号，进而输出这三个或三个以上的优选信号的标识信息和信号功率值。

数据处理模块21用于根据各所述优选信号建立光信号接收模块22与其接收到的各光信号所对应的光源模块之间的多边测量定位方程组。以图1为例，若室内定位装置1位于区域a，则其只能接收led1所发出的光信号，所谓对应的光源模块即led1，同理，若室内定位装置1位于区域b，则其能接收led1和led2发出的光信号，所谓对应的光源模块即led1和led2。需要说明的是，由于实际光源模块之间所形成的光信号覆盖区域相对复杂，因而图1并没有示意出由三个或三个以上光源模块重叠而形成的光信号覆盖区域。

以三个优选信号为例，值得注意的是，在建立多变测量定位方程组之前，需要根据得到的信号功率和发出这三个优选信号的光源模块的发射功率信息计算光信号接收模块22与这些光源模块之间的距离d1、d2、d3，计算公式如下：

其中，di表示光信号接收模块22与光源模块i之间的距离；c取常数；m表示朗博辐射系数；φ表示光源出光角；θ表示光线入射角；表示光源i的发射功率；表示光信号接收模块21收到的光源模块i的发射功率。根据光信号接收模块22的三维坐标(x，y，z)与这三个优选信号对应的光源模块的三维坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)及距离(d1，d2，d3)，构建如下系统方程组：

数据处理模块21还用于求解所述多边测量定位方程组以得到其最优解，作为所述惯性导航模块的初始位置信息，进而根据所述最优解计算得到所述光信号接收模块的移动速度，作为所述惯性导航模块的初始速度信息。

由于信号测量过程中存在误差，特别是在可见光信号覆盖边缘区域随着信号强度的下降测量误差会进一步加大，所以直接求解上述方程组会导致较大的定位误差，因此需要考虑(d1，d2，d3)存在误差的情况。承接上述举例，优选的，数据处理模块21采用非线性优化算法中的信赖域迭代算法求解所述多边测量定位方程组，相比于梯度下降法、牛顿法等，信赖域算法收敛性好，能更加快速准确地优化出结果。详细而言，将上述方程组转化为误差情况下的最优值问题，引入误差评价值，并定义误差评价标准，具体的，包含了误差的接收器与光源之间的坐标和距离方程组为：

其中，ε为测量误差。由于上述方程组不能直接求解，所以需要引入：

剩余函数ri(x,y,z,ε)＝(x-x1)²+(y-y1)²+(z-z1)²-(d1+ε)²

评价标准δ＝argmin(∑ri²)。

假定任意x，x位于定位空间中，通过上述未引入误差ε的系统方程组计算出光信号接收模块22的空间坐标(x，y，z)，将结果代入评价标准公式求得δ，并通过上述方程组计算出光信号接收模块22的空间坐标(x，y，z)后，代入最优值计算求得误差评价值，通过信赖域半径最小化误差评价值，将优化得到的(x，y，z)再次进行最优值计算求解误差评价值，重复上述步骤进行反复迭代，以求得最优化的光信号接收模块22的空间坐标(x，y，z)，随后，通过坐标变化值计算单位时间内光信号接收模块22的移动距离即可得到其在空间中的移动速度，具体的：以所述最优解与其前一个坐标位置之间的距离作为移动距离；以所述光信号接收模块从所述前一个坐标位置移动至所述最优解所对应的坐标位置之间的时间作为移动时间；根据所述移动距离与所述移动时间的比值计算得到所述移动速度。

惯性导航模块23用于根据初始位置信息及初始速度信息输出导航参数，据以作为所述待定位对象位于室内的光信号覆盖区域之外的盲区位置时的定位信息，也即，在可见光信号覆盖盲区，由惯性导航模块23输出待定位对象的定位坐标、移动速度和姿态信息，惯性导航模块23的初始信息由信号覆盖区域解算得到的可见光最优定位信息提供，避免了惯性导航模块23的累计误差。

在可见光信号覆盖区域及区域边缘，同时存在可见光定位信息和惯性导航定位信息，此时，数据处理模块21采用线性滤波器，如：卡尔曼滤波器、维纳滤波或lms自适应滤波等对可见光定位测量数据和惯性导航定位数据进行融合，获取最优估计值，反馈及矫正当前时刻的惯性导航模块23的定位信息，以其融合计算获得的最佳位置坐标、移动速度和姿态信息进行输出，在滤除噪声的同时提高定位精度。详细而言，以卡尔曼滤波器为例，将可见光定位信息(初始位置信息及初始速度信息)和惯性导航模块23解算得到数据进行融合，以空间坐标和移动速度构建状态方程和观测方程，以空间坐标、移动速度信息作为卡尔曼滤波器初始输入值，进行卡尔曼滤波估计，更新状态量后输出定位坐标和移动速度的最优估计值，以该最优估计值作为结果输出。

参阅图3，本实施例提供一种基于可见光通信的室内定位方法，该方法应用于前述室内定位装置的数据处理模块。由于本方法实施例的技术原理与上述装置实施例的技术原理相似，因而于此不再对相同的技术细节做重复性赘述。所述方法主要包括如下步骤：

s31：根据各优选信号建立所述光信号接收模块与各所述光源模块之间的多边测量定位方程组；其中，各所述优选信号的生成方式包括：所述光信号接收模块接收室内部署的各具有可见光通信功能的光源模块所发出的光信号并将各所述光信号分别转换为电信号；所述光信号接收模块从各所述电信号中选取多个作为优选信号输出至所述数据处理模块。

s32：求解所述多边测量定位方程组以将其最优解作为所述惯性导航模块的初始位置信息。

s33：根据所述最优解计算得到所述光信号接收模块的移动速度，作为所述惯性导航模块的初始速度信息。

s34：当所述待定位对象位于室内的光信号覆盖区域之外的盲区位置时，将所述初始位置信息及所述初始速度信息输出至所述惯性导航模块以供其输出导航参数作为所述定位信息。

s35：当所述待定位对象位于室内的光信号覆盖区域之内或光信号覆盖区域的边缘位置时，利用滤波器将所述初始位置信息、所述初始速度信息、及所述导航参数进行融合，并将融合后的最优估计值作为所述定位信息。

需要说明的是，步骤s34和s35的顺序不分先后。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。基于这样的理解，本发明还提供一种计算机程序产品，包括一个或多个计算机指令。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存储的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(如：软盘、硬盘、磁带)、光介质(如：dvd)、或者半导体介质(如：固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

综上所述，本发明的基于可见光通信的室内定位装置及室内定位方法，在可见光信号覆盖区和覆盖边缘区，通过信赖域算法迭代计算出最优定位信息，采用卡尔曼滤波器将其融合惯性导航信息计算获得最佳位置坐标、移动速度和姿态信息；在可见光信号盲区，以可见光最优定位信息向惯性导航系统提供初始信息，并以惯性导航系统的位置、速度和姿态信息进行输出，解决了现有的可见光定位方法在可见光覆盖边缘位置和覆盖盲区定位精度较差的问题，大大提高了室内光覆盖边缘位置和盲区位置的定位精度，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。