一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法，属于可见光通信
技术领域。
【背景技术】
[0002] 基于可见光通信（Visible Light Communication, VLC)技术的室内定位方案由于 利用白色半导体发光二极管（Light Emitting Diode, LED)发射的白光作为定位信号的载 体，所以没有电磁辐射，不受应用环境的限制；并且VLC的传输信道一般采用直射信道，多 径干扰比较小，所以该定位方案可以达到比较高的精度；另外，基于VLC技术的室内定位系 统与未来的VLC通信技术相兼容，因此不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低。目前已有 较多的室内定位方法，但目前绝大部分是通过每个LED发送编码，接收器接收到LED编码， 然后恢复出LED位置，这种定位方法只能粗略定位到某个LED附近。该定位方法，各个LED 独立，无需同步发射信号，实施简单，但是定位精度低，无法满足高精度场合的要求。高精度 室内则通过多个LED同步发送信号，接收到同时接收到多个LED的编码，再算出各自编码的 强度，根据接收信号强度（RSS)的算法，恢复出精确的位置信息。这种方式在具体实施中信 号需要同步连接，否则接收端信号叠加，无法解调信号，需要各个LED彼此互连，对线路进 行改造，线路复杂且可拓展性差。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为解决现有室内定位中，同步信号定位可拓展性差，线路复杂， 而非同步连接的定位系统信号定位精度低的问题，提出一种基于频分复用的可见光高精度 室内定位方法，LED无需同步发送信号，利用接收器接收到LED信号的强度和频率，通过频 率区分不同的LED，利用内置的LED数据库得到LED的位置信息，通过不同LED的位置信息 和强度信息来确定位置。
[0004] 本发明所采用的技术方案具体包括以下步骤：
[0005] 步骤1 :构建一个可见光定位系统；该系统包括多个LED发射模块（不少于3个） 和可见光接收模块；所述LED发射模块包括驱动电路和LED ;所述可见光接收模块包括光电 探测器、放大电路、模数转换器及处理器，光电探测器、放大电路、模数转换器和处理器顺次 连接；
[0006] 步骤2 :对不同LED发射模块中的驱动电路加载不同频率的周期信号对发送信号 进行调制，调制后的周期可见光信号速率满足条件为人眼看不到闪烁；相邻LED加载的信 号频率有间隔并在频谱上不相互干扰，每个LED经驱动后发送周期可见光信号。所述周期 可见光信号是正弦波周期信号或者是方波周期信号，不同LED之间独立发送信号，互不影 响。所述多个LED发射模块之间互不连接，各个LED之间互不通信。
[0007] 步骤3 :根据实际场地及频率加载情况，在光接收模块的处理器中预先记录每个 频率所对应的LED位置信息，建立数据库。所述位置信息是指LED在场地中的坐标，以边缘 位置为坐标原点，然后根据各个LED距离边缘的距离，确定每个LED的x，y坐标。
[0008] 步骤4 :光电探测器接收光信号完成光电转换，经放大和模数转换后，将采样到的 信号传输至处理器。
[0009] 步骤5 :在处理器中对采集到的数据采用FFT变换，得到不同频率对应强度，其中 强度与LED到达安装光电探测器的被测物体的光照度成正比，即强度能够表征光照度的大 小。
[0010] 步骤6 :在多个LED发射模块组成的照射区域内，按照强度从大到小顺序查找前η 个强度所对应的频率值（η多3, η小于等于LED个数），并与步骤3中所建立的数据库进行 比对，提取到这η个强度值所对应的LED位置信息。η代表选取参与后续定位的LED个数， 取值根据系统要求的定位精度确定，η越大，定位精度越高。
[0011] 步骤7 :利用步骤6得到的LED位置信息及步骤5得到的强度，通过接收信号强度 (RSS)测量法计算出定位点，具体方法为：根据朗勃辐射体模型，光由一个编号 a的LED发 出经传输后到达光电探测器，光电探测器接收到的光强度P为
[0013] 其中，P。为该LED发光功率，f表示是该LED和光电探测器之间的辐射角度，4是 编号a的LED与光电探测器之间的距离，A是光电探测器的有效面积，Θ是光入射到光电探 测器接收面时的角度。为该LED的半功率角，变量h a为光电探测 器距离该LED的竖直距离。
[0015] 其中ha由公式（3)求得；
[0016] ha= Ha-Z (3)
[0017] 其中Ha是编号a的LED距地面的高度。Z是光电探测器到地面的距离，在二维定 位环境下是已知且固定的。
[0018] 同理，按照公式（2) (3)求得光电探测器距离各个LED的距离da、db、dc……（d b、dc 分别为编号b、c的LED与光电探测器的距离）。由几何知识可知：
[0020] 从而求得光电探测器距离各个LED在光电探测器所在水平面投影中心的距离为 ra、rb、rc......〇
[0021] 用步骤6得到的LED位置信息，当η = 3时，利用三圆相交的方法确定光电探测器 在水平面上的位置坐标X和Y ;当η>3时，将三圆相交的方法和排列组合方法相结合进行定 位位置优化，具体方法为：排列组合多组LED (每组三个LED)进行三圆相交方法，将得到的 多个定位位置取平均，得到最终光电探测器的定位位置。
[0022] 所述三圆相交的方法具体为：以各个LED在水平面上的投影中心为圆心，以公式 (4)求得的各个LED在光电探测器所在水平面投影中心的距离为半径画圆，三个圆相交的 位置即为定位位置。
[0023] 至此，完成非同步发送信号的可见光高精度室内定位。
[0024] 有益效果
[0025] 本发明首先对不同LED施加不同频率的信号；然后在接收端利用快速傅里叶变换 区分不同的LED及其强度，最终使用RSS方法实现高精度定位。方法简单易行，便于实现，并 且能够忽略背景光噪声的影响，相对于LED同步发送信号的定位方法减少了设备冗余度， 大大提高了可拓展性，并且能够消除背景光造成的定位误差，相对于通常的LED异步发送 信号的定位方法则大大提高了定位的精度。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明中三圆相交得到定位点示意图；
[0027] 图2为本发明方法的流程图；
[0028] 图3为【具体实施方式】中的定位系统框图；
[0029] 图4为【具体实施方式】中接收端接收信号波形。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合具体实施例来对本发明进行详细说明。以下实施例对本发明进行了详细 的说明，但本发明的具体实施