一种抗NLOS干扰的可见光定位方法与流程

本发明涉及可见光通信技术，特别涉及一种抗nlos干扰的可见光定位方法。

背景技术：

目前gps室外定位技术已经十分成熟，并且普遍应用于各个领域，这很大程度上激励了室内定位技术的开发和研究。但是在建筑物内部、人口密集的城市、桥下、地下等环境，由于多径衰落的影响和其他无线设备的干扰使得gps在建筑物内的信号覆盖较差，用于室内定位存在较大的误差。最近十多年以来，各科技巨头和研究机构在室内定位技术方面开展了大量的研究，涌现了很多新的技术，如基于移动通信网络的辅助gps(a-gps)、伪卫星(pseudolite)、无线局域网(wlan)、rfid、zigbee、蓝牙、超宽带无线电(ultrawideband，uwb)、地磁测量卫星、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位，这些方法提供了从几米到几十厘米的定位精度。然而，大多数基于无线通信的系统会受到电磁干扰影响，在多个用户共享的情况下通信质量下降，这些都直接影响了定位质量。与上述传统的室内定位方案不同，可见光室内定位技术是基于可见光通信(visiblelightcommunication，vlc)的室内定位技术，通过以人眼识别不了的高频来控制led的光强度，进而传播定位的id信息。vlc定位技术相对于传统室内定位技术具有定位精度高、附加模块少、保密性好、兼顾通信与照明，且没有电磁辐射、不受电磁干扰等优点，已成为国内外研究人员的研究热点。传统tdoa算法需要精确的时间检测装置，对硬件设备要求较高，代价非常昂贵，因为光的速度很快，当检测的时间出现一点点误差时，得到的发射端和接收端的距离就会出现较大的误差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提出了一种抗nlos干扰的可见光定位方法。信号经过调制，输入led驱动电路驱动led发光，信号通过光信道到达接收端，经滤波后还原信号，分辨出各led的id信息和对应信号的功率大小。在接收端利用用混沌优化算法估计初始位置，结合泰勒级数展开算法对接收端位置进行递归运算，得到最终精确定位点。这种混合算法定位更加精确，误差更小。在相同基础设施条件下，能够在满足照明需求的同时，也能提供精度比传统方法更高的定位服务。具有广阔的应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种抗nlos干扰的可见光定位方法，其包括以下步骤：

步骤1、对输入带有led灯具的id信息的信号进行调制；经过调制后的信号通过led驱动电路驱动led发出光信号；

步骤2、接收端通过pd接收多个从不同的led发射的信号，通过信号中特定的id信息区别各个led；经光电转换后光信号转换为电信号，再经过放大电路、滤波电路还原出原始信号；接收端能还原出各个led的id信息和获得接收端的光功率大小；

步骤3、用混沌优化算法估计初始位置，结合泰勒级数展开算法对接收端位置进行递归运算，得到最终精确定位点。

进一步地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、对带有led灯id信息的基带信号进行调制，使信号传输后失真度降低；

步骤12、将调制信号输入led驱动电路，驱动led灯发出带有id信息的光信号。

进一步地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21：接收端接收到多个led发出的光信号，并将其转换为电信号；电信号经过自适应滤波电路还原信号；

步骤22、通过不同的id信息分辨出不同led的位置而且可以测量该信号的光功率大小。

进一步地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤31：先给出一种混沌定义：设＜x,f＞是紧致系统，d是x的一个拓扑度量；设非空，如果存在不可数集合满足

则f在x0上是在li-yorke意义下混沌的；其中，x为非空集合，f:x→x为x到自身的连续映射。x0是属于紧致系统中集合x的非空子集；s是属于x0的包含空间坐标的不可数子集；(x,y)为空间中的坐标；n为整数对且n>0，且fⁿ(x)＝x、fⁿ(y)＝y。limsup和liminf分别为上极限和下极限；d是一个拓扑度量。

首先选择采用logistic映射：

yn+1＝μyn(1-yn)…(3)

上述logistic映射为一个迭代方程，这里的n为迭代时间步，对于任意的n，yn∈(0,1)，μ为一可调参数，为了保证映射得到的yn始终位于(0,1)，取μ∈(0,4)。

作为产生的混沌变量来进行优化搜索，其中μ是控制变量；当μ＝4时，定位系统完全处于混沌状态，yn在(0,1)范围内遍历；

步骤32：对(3)式的yn分别赋予i个具有微小差异的初值,得到i个轨迹不同的混沌变量，记为yi,n+1，置k＝1；

将混沌变量按照下式线性映射到待定位区间：

xi,n+1＝ci+diyi,n+1…(4)ci和di为常数，ci和di的取值与需要定位的点所在的定位区间有关。需保证ci和di的取值使得xi,n+1映射到定位的区间。这里得到的坐标(xi,n+1,yi,n+1)用于后面的计算，得到泰勒展开的初始坐标。，用混沌变量进行搜索；令xk(k)＝xi,n+1，计算相应的性能指标fi(k)；令如果fi(k)≤f^*，则

f^*＝fi(k)，x^*＝xi(k)；如果fi(k)＞f^*，则放弃xi(k)；

令k＝k+1，回到公式(4),进行搜索，当f^*保持不变时，搜索结束；

步骤33：引入残余函数的概念，考虑nlos给接收端与发射端之间的距离测量带来的误差，定位模型可表示为：

r＝d(x)+b+n

其中，r表示接收端与发射端之间的测量距离矩阵，d(x)表示接收端和发射端之间的真实距离矩阵，b为一干扰向量，b=[b1,b2,…bm],bi≥0，但bi不会同时为0，n表示m维观测白噪声，e[n]＝0；b与n相互独立；在没有任何先验信息的条件下，ls即最小二乘的估计结果为：

其中s代表接收端所接收到的全部发射端集合，ri表示接收端与第i个发射端的测量距离，表接收端与发射端之间的真实距离,其中为接收端的坐标，为第i个发射端的坐标。n0表示解空间的大小为n0×n0；定义：为残余函数；将混沌优化算法用于求解定位方程(4)。当经过k步后res为一个可以接受的值时输出相应的(x0,y0)即为要定位的坐标，以此作为初始点；

步骤34、泰勒级数展开算法是一种需要移动台初始估计位置的递归算法，在每一次递归中通过求解tdoa测量误差的局部最小二乘(ls)解来逐渐改进对移动台的估计位置；对于一组tdoa测量值，该算法首先将式(5)在选定的移动台初始位置(x0,y0)进行泰勒展开

其中c为电波传播速度，ri为第i个发射端与接收端的距离，ri,1表示接收端与发射端i和接收端与发射端1即服务基站的距离差，di,1为tdoa测量值，(xi,yi)为第i个发射端的坐标，(x,y)为ms的坐标；略去上式中二阶以上分量，ψ为误差矢量，则式(5)转化为：

ψ＝ht-gtδ…(6)

式子中，δx＝x-x0,δy＝y-y0,为初始位置(x0,y0)与各个基站之间的距离，i＝1,2,…,m，式(6)采用最小加权二乘算法(wls)可求得：

其中q为tdoa的协方差矩阵，在下一次递归中令x0＝x0+δx，y0＝y0+δy，直到|δx|+|δy|＜η，η为一门限值，此时的(x0,y0)即为最终结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明创造性地利用混合定位算法。先利用混沌优化算法估计初始位置，后结合泰勒级数展开算法对得到的初始位置进行递归运算，最终经过迭代得到精确定位点。与一般定位系统相比，减小了nlos的干扰，定位结果更加准确。

附图说明

图1为实例中室内定位模型。

图2为实例中的nlos信道模型。

图3为实例中的定位系统硬件结构。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方法不限于此。

实施例1

一种抗nlos干扰的可见光定位方法。如图1，这是一个5m*5m*3m米的房间。参与定位的led位于正方形四个顶角分别为led1、led2、led3、led4；接收端位置坐标为(x，y)；d为发射端到接收端的距离；四个led分别位于房间顶角，通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用混沌优化算法估计初始位置，结合泰勒级数展开算法对接收端位置进行递归运算，得到最终精确定位点。

本实例的一种抗nlos干扰的可见光定位方法，其包括以下步骤：

步骤1、对输入带有led灯具的id信息的信号进行调制；经过调制后的信号通过led驱动电路驱动led发出光信号；

步骤2、接收端通过pd接收多个从不同的led发射的信号，通过信号中特定的id信息区别各个led；经光电转换后光信号转换为电信号，再经过放大电路、滤波电路还原出原始信号；接收端能还原出各个led的id信息和获得接收端的光功率大小；

步骤3、用混沌优化算法估计初始位置，结合泰勒级数展开算法对接收端位置进行递归运算，得到最终精确定位点。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、对带有led灯id信息的基带信号进行调制，使信号传输后失真度降低；

步骤12、将调制信号输入led驱动电路，驱动led灯发出带有id信息的光信号。

进一步地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21：接收端接收到多个led发出的光信号，并将其转换为电信号；电信号经过自适应滤波电路还原信号；

步骤22、通过不同的id信息分辨出不同led的位置而且可以测量该信号的光功率大小。

进一步地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤31：先给出一种混沌定义：设<x,f>是紧致系统，d是x的一个拓扑度量；设非空，如果存在不可数集合满足

则f在x0上是在li-yorke意义下混沌的；其中，x为非空集合，f:x→x为x到自身的连续映射。x0是属于紧致系统中集合x的非空子集；s是属于x0的包含空间坐标的不可数子集；(x,y)为空间中的坐标；n为整数对且n>0，且fⁿ(x)＝x、fⁿ(y)＝y。limsup和liminf分别为上极限和下极限；d是一个拓扑度量。

首先选择采用logistic映射：

yn+1＝μyn(1-yn)…(3)

上述logistic映射为一个迭代方程，这里的n为迭代时间步，对于任意的n，yn∈(0,1，μ为一可调参数，为了保证映射得到的yn始终位于(0,1，取μ∈(0,4)。

作为产生的混沌变量来进行优化搜索，其中μ是控制变量；当μ＝4时，定位系统完全处于混沌状态，yn在(0,1)范围内遍历；

步骤32：对(3)式的yn分别赋予i个具有微小差异的初值,得到i个轨迹不同的混沌变量，记为yi,n+1，置k＝1；

将混沌变量按照下式线性映射到待定位区间：

xi,n+1＝ci+diyi,n+1…(4)ci和di为常数，ci和di的取值与需要定位的点所在的定位区间有关。需保证ci和di的取值使得xi,n+1映射到定位的区间。这里得到的坐标(xi,n+1,yi,n+1)用于后面的计算，得到泰勒展开的初始坐标。，用混沌变量进行搜索；令xk(k)＝xi,n+1，计算相应的性能指标fi(k)；令如果fi(k)≤f^*，则

f^*＝fi(k)，x^*＝xi(k)；如果fi(k)＞f^*，则放弃xi(k)；

令k＝k+1，回到公式(4),进行搜索，当f^*保持不变时，搜索结束；

步骤33：引入残余函数的概念，考虑nlos给接收端与发射端之间的距离测量带来的误差，定位模型可表示为：

r＝d(x)+b+n

其中，r表示接收端与发射端之间的测量距离矩阵，d(x)表示接收端和发射端之间的真实距离矩阵，b为一干扰向量，b=[b1,b2,…bm],bi≥0，但bi不会同时为0，n表示m维观测白噪声，e[n]＝0；b与n相互独立；在没有任何先验信息的条件下，ls即最小二乘的估计结果为：

其中s代表接收端所接收到的全部发射端集合，ri表示接收端与第i个发射端的测量距离，表接收端与发射端之间的真实距离,其中为接收端的坐标，为第i个发射端的坐标。n0表示解空间的大小为n0×n0；定义：为残余函数；将混沌优化算法用于求解定位方程(4)。当经过k步后res为一个可以接受的值时输出相应的(x0,y0)即为要定位的坐标，以此作为初始点；

步骤34、泰勒级数展开算法是一种需要移动台初始估计位置的递归算法，在每一次递归中通过求解tdoa测量误差的局部最小二乘(ls)解来逐渐改进对移动台的估计位置；对于一组tdoa测量值，该算法首先将式(5)在选定的移动台初始位置(x0,y0)进行泰勒展开

其中c为电波传播速度，ri为第i个发射端与接收端的距离，ri,1表示接收端与发射端i和接收端与发射端1即服务基站的距离差，di,1为tdoa测量值，(xi,yi)为第i个发射端的坐标，(x,y)为ms的坐标；略去上式中二阶以上分量，ψ为误差矢量，则式(5)转化为：

ψ＝ht-gtδ…(6)

式子中，δx＝x-x0,δy＝y-y0,为初始位置(x0,y0)与各个基站之间的距离，i＝1,2,…,m，式(6)采用最小加权二乘算法(wls)可求得：

其中q为tdoa的协方差矩阵，在下一次递归中令x0＝x0+δx，y0＝y0+δy，直到|δx|+|δy|＜η，η为一门限值，此时的(x0,y0)即为最终结果。

图2为室内可见光反射信道即nlos的模型。其中f1为发射端位置，k为反射点，s、r和k·为反射光到达的位置。

用信号发生器产生带有led的id信息的信号，经过基带调制模块成为调制信号。将调制后的信号输入led驱动电路，驱动led发出光信号。光信号经过室内的信道，到达了接收端由pd接收光信号，将光信号转化为电信号，经过放大电路、自适应滤波后还原出原始信号，通过不同的id信息分辨出不同led的位置而且可以测量该信号的光功率大小。

将混沌变量按照下式线性映射到待定位区间：

xi,n+1＝ci+diyi,n+1

令xk(k)＝xi,n+1，计算相应的性能指标fi(k)。令f^*＝f(0)。如果fi(k)≤f^*，则f^*＝fi(k)，x^*＝xi(k)。如果fi(k)＞f^*，则放弃xi(k)。令k＝k+1。回到公式(4),经过m步搜索后f^*保持不变，算法结束。

进一步地，定义残余函数

将混沌优化算法用于求解定位方程(4)。当经过k步后res为一个可以接受的值时输出相应的(x,y)即为要定位的坐标。以此作为初始点。

进一步地，在选定的移动台初始位置(x0,y0)进行泰勒展开，略去二阶以上分量，得

ψ＝ht-gtδ

式子中，δx＝x-x0,δy＝y-y0,

为初始位置(x0,y0)与各个基站之间的距离。式(6)采用最小加权二乘算法(wls)可求得：

其中q为tdoa的协方差矩阵，在下一次递归中令x0＝x0+δx，y0＝y0+δy，直到|δx|+|δy|＜η，η为一门限值，此时的(x0,y0)即为最终结果。

如图3，一种抗nlos干扰的可见光定位方法的系统,包括：发射部分、信道、接收部分。基带调制模块、led驱动电路和led灯具依次连接组成发射部分；光信号接收端、放大电路、自适应滤波电路和混合算法模块依次连接组成接收部分；信道为室内房间空间。通过信号发生器产生携带led灯具id信息的光信号，经过基带调制后将其输入led驱动电路，驱动led频闪发出调制后的光信号；光信号在信道中传播，经过直接链路和其他反射链路到达接收端；接收端通过pd接收到光信号转化为电信号，经过自适应滤波电路还原出原始的具有各个id信息的信号和获取信号功率大小和id信息确定的区域。最终经过混沌优化和泰勒级数展开算法计算位置，实现精确定位。

上述实施例仅为本发明的一种实施方法，但本发明的实施方法并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方法，都包含在本发明的保护范围之。