一种基于可见光通信的室内两点定位方法与流程

本发明属于室内物体定位技术领域，具体涉及一种基于可见光通信的室内两点定位方法。

背景技术：

以gps、北斗等定位系统为代表的室外定位技术发展较为成熟，但由于卫星信号易受建筑物体的遮挡，gps难以在室内环境实现定位。目前室内定位的主要技术包括无线局域网定位技术(wlan)、射频识别定位技术rfid、红外线、超声波定位技术、超宽带定位技术(uwb)、蓝牙定位技术、zigbee定位技术和可见光定位技术。可见光定位技术兼具照明和定位的功能，依托现有存在的照明设备基础设施能够实现大规模推广应用，成本较低、绿色环保、保密性好、不受特殊场所对电磁信号限制要求的影响，是一种极具应用前景的室内定位技术。

可见光定位技术的定位算法包括基于接收信号强度算法(rss)、基于到达角度算法(aoa)、基于到达时间算法(toa)、基于到达时间差算法(tdoa)、指纹法、图像传感器法、近邻法等，在这些算法中，rss算法、aoa算法及rss/aoa混合算法由于其易于实现、定位效果较好的优点受到较多关注和研究，但aoa算法需要额外的智能天线支持，增加了定位开销。因此本算法采用成本较低、更易实现的rss算法，直接利用接收信号强度测距定位。rss算法是通过接收3个不共线led的发射信号，测量光强并估算距离的，在分别得到3个led与接收端的3个距离后，根据三边定位原理求出接收端坐标位置，完成定位要求。虽然rss算法能够实现定位，但是其定位过程需要led的个数较多，限制了rss算法在很多现实场景下的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决现有方法实现室内定位需要的led个数多，导致现有室内定位方法的应用受到现实场景限制的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于可见光通信的室内两点定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在室内屋顶的任意位置固定安装两个相同的可见光接入点，所述两个相同的可见光接入点分别为灯具led-a和灯具led-b；

在室内环境下建立空间直角坐标系oxyz，其中：灯具led-a的质心坐标为(xa,ya,za)，灯具led-b的质心坐标为(xb,yb,zb)，且灯具led-a和灯具led-b距离地面的高度相同，即za＝zb＝z0，z0为中间变量；

在待定位物体的顶部固定安装三个相同的光电探测器，所述三个相同的光电探测器分别为pdr、pdl和pdr，且pdr、pdl和pdr组成平面三角形；其中：作为主定位点的光电探测器pdr的质心坐标为(xr,yr,zr)，作为左侧辅助定位点的光电探测器pdl的质心坐标为(xl,yl,zl)，作为右侧辅助定位点的光电探测器pdr的质心坐标为(xr,yr,zr)；

光电探测器pdr、pdl和pdr在竖直方向上的高度相同，即zr＝zr＝zl；

步骤二、记光电探测器pdr接收到来自灯具led-a和灯具led-b的光功率分别为pra和prb，光电探测器pdl接收到来自灯具led-a和灯具led-b的光功率分别为pla和plb，光电探测器pdr接收到来自灯具led-a和灯具led-b的光功率分别为pra和prb；

分别利用pra、prb、pla、plb、pra以及prb计算出光电探测器pdr与灯具led-a的空间距离dra、光电探测器pdr与灯具led-b的空间距离drb、光电探测器pdl与灯具led-a的空间距离dla、光电探测器pdl与灯具led-b的空间距离dlb、光电探测器pdr与灯具led-a的空间距离dra以及光电探测器pdr与灯具led-b的空间距离drb；

则dra、drb、dla、dlb、dra和drb在空间直角坐标系的xoy平面上的投影分别为dra、drb、dla、dlb、dra和drb；

步骤三、作为主定位点的光电探测器pdr在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点r的坐标为(xr,yr)，作为左侧辅助定位点的光电探测器pdl在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点l的坐标为(xl,yl)，作为右侧辅助定位点的光电探测器pdr在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点r的坐标为(xr,yr)；

灯具led-a在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点a的坐标为(xa,ya)，灯具led-b在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点b的坐标为(xb,yb)；

根据投影点r、a与b的几何位置关系、投影点l、a与b的几何位置关系以及投影点r、a与b的几何位置关系获得待定位物体的位置坐标。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于可见光通信的室内两点定位方法，本发明通过使用3个光电探测器(pd)构成三角形的接收器代替单一的光电探测器，再利用pd三角形的相对位置不变性、以及三个pd与两个led的几何关系，即可实现采用两灯进行二维定位。克服了现有的rss可见光室内定位中需要三灯以上才能实现定位的问题，本发明的方法有效减少了室内定位过程中需要的led个数。

而且，本发明的室内两点定位方法可以适用于很多现实场景：不具备高密度的led灯具布局，如室内廊道，楼梯间，人流稀少通行道等；灯具设计的辐射角较小或接收端接收角不大，导致的接收端不能接收到两个以上led灯具发射的有效信号；灯具被其他人员、设施、物体遮挡，不能实现多灯定位。

附图说明

图1是本发明灯具led-a、灯具led-b、光电探测器pdr、pdl以及pdr的位置关系示意图；

图2是投影点r位于投影点a与b之间的区域的示意图；

图3是投影点r位于投影点a与b之间区域外部的示意图；

图4是投影点r在投影点a与b形成的直线上的示意图；

图5是投影点r位于投影点a与b之间的区域时，投影点r不在投影点a与b形成的直线上，且投影点r、投影点l和投影点r分布在直线ab的同一侧的示意图；

图6是投影点r位于投影点a与b之间的区域时，投影点r不在投影点a与b形成的直线上，且投影点r、投影点l与投影点r分布在直线ab的两侧的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种基于可见光通信的室内两点定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在室内屋顶的任意位置固定安装两个相同的可见光接入点，所述两个相同的可见光接入点分别为灯具led-a和灯具led-b；

在室内环境下建立空间直角坐标系oxyz，其中：灯具led-a的质心坐标为(xa,ya,za)，灯具led-b的质心坐标为(xb,yb,zb)，灯具led-a和灯具led-b的方向向量均竖直向下，且灯具led-a和灯具led-b距离地面的高度相同，即za＝zb＝z0，z0为中间变量；

在待定位物体的顶部固定安装三个相同的光电探测器，所述三个相同的光电探测器分别为pdr、pdl和pdr，且pdr、pdl和pdr组成平面三角形；其中：作为主定位点的光电探测器pdr的质心坐标为(xr,yr,zr)，作为左侧辅助定位点的光电探测器pdl的质心坐标为(xl,yl,zl)，作为右侧辅助定位点的光电探测器pdr的质心坐标为(xr,yr,zr)；视待定位物体的坐标等同于主定位点的坐标；以主定位点所在位置作为参考位置，在主定位点后面的两个光电探测器中，将左侧的光电探测器作为左侧辅助定位点，将右侧的光电探测器作为右侧辅助定位点；

光电探测器pdr、pdl和pdr的方向向量均竖直向上，且光电探测器pdr、pdl和pdr在竖直方向上的高度相同，即zr＝zr＝zl；

步骤二、记光电探测器pdr接收到来自灯具led-a和灯具led-b的光功率分别为pra和prb，光电探测器pdl接收到来自灯具led-a和灯具led-b的光功率分别为pla和plb，光电探测器pdr接收到来自灯具led-a和灯具led-b的光功率分别为pra和prb；

分别利用pra、prb、pla、plb、pra以及prb计算出光电探测器pdr与灯具led-a的空间距离dra、光电探测器pdr与灯具led-b的空间距离drb、光电探测器pdl与灯具led-a的空间距离dla、光电探测器pdl与灯具led-b的空间距离dlb、光电探测器pdr与灯具led-a的空间距离dra以及光电探测器pdr与灯具led-b的空间距离drb；

则dra、drb、dla、dlb、dra和drb在空间直角坐标系的xoy平面上的投影分别为dra、drb、dla、dlb、dra和drb；

步骤三、作为主定位点的光电探测器pdr在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点r的坐标为(xr,yr)，作为左侧辅助定位点的光电探测器pdl在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点l的坐标为(xl,yl)，作为右侧辅助定位点的光电探测器pdr在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点r的坐标为(xr,yr)；

灯具led-a在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点a的坐标为(xa,ya)，灯具led-b在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点b的坐标为(xb,yb)；

根据投影点r、a与b的几何位置关系、投影点l、a与b的几何位置关系以及投影点r、a与b的几何位置关系获得待定位物体的位置坐标。

在灯具布局稀疏的两灯环境内，多光源的干扰不作考虑。对于接收端而言，噪声来源主要有两个，一个是经墙壁、地面及其他设施多次反射的光信号产生的多径干扰。当墙壁反射率较低(0.1-0.3)时，接收端在5m×5m×3m房间的角落位置(0.5m，1.0m，0.0m)，接收功率中的非直射视距分量占总功率的6.17％，非直射视距分量小到可以忽略；在反射率较高(0.6-0.7)时，仿真参数不变时，非直射视距分量占总功率的三分之一。本发明考虑在反射率较低的环境内的直射链路，因此非直射视距产生的码间串扰噪声不再考虑。只考虑另一个噪声来源，即只考虑信道中存在的散粒噪声和热噪声。

无论主定位点pdr处于任何位置，只要可以接收到来自led-a、led-b两点的信号，就能够利用估计距离量dra和drb计算出自身的坐标位置。pdl、pdr两个辅助定位点在定位中主要起到判断位置的作用，并没有参与定位点的具体运算。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二的具体过程为：

光电探测器pdr接收到来自灯具led-a的光功率pra与led-a发射光功率pta之间的关系式为：

pra＝hlos(0)·pta(1)

其中：pta为灯具led-a的发射光功率，hlos(0)为中间变量；

dra为光电探测器pdr与灯具led-a的空间距离，m为郎伯辐射系数，ar为光电探测器pdr的接收面积，ts(ψ)为光电探测器pdr(即接收端)的光学滤波器增益，g(ψ)为光学聚光器增益，为发射端辐射角(即灯具led-a到pdr的辐射角)，ψ为接收端入射角(即pdr接收灯具led-a的光功率的入射角)，且代表的m次方；

则光电探测器pdr与灯具led-a的空间距离dra的表达式为：

其中：m+3代表开m+3次根号；

光电探测器pdr接收到来自灯具led-b的光功率prb与led-b发射光功率ptb之间的关系式为：

prb＝hlos(0)·ptb(4)

其中：ptb为灯具led-b发射光功率，hlos(0)为中间变量；

m为郎伯辐射系数，drb为光电探测器pdr与灯具led-b的空间距离，ts(ψ)为光电探测器pdr光学滤波器增益，g(ψ)为光学聚光器增益，ar为光电探测器pdr的接收面积，为发射端辐射角，ψ为接收端入射角，且

则光电探测器pdr与灯具led-b的空间距离drb的表达式为：

同理，计算出光电探测器pdl与灯具led-a的空间距离dla、光电探测器pdl与灯具led-b的空间距离dlb、光电探测器pdr与灯具led-a的空间距离dra以及光电探测器pdr与灯具led-b的空间距离drb；

则dra、drb、dla、dlb、dra和drb在空间直角坐标系的xoy平面上的投影分别表示为：

其中：dra为dra在空间直角坐标系的xoy平面上的投影，drb为drb在空间直角坐标系的xoy平面上的投影，dla为dla在空间直角坐标系的xoy平面上的投影，dlb为dlb在空间直角坐标系的xoy平面上的投影，dra为dra在空间直角坐标系的xoy平面上的投影，drb为drb在空间直角坐标系的xoy平面上的投影。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤三的具体过程为：

作为主定位点的光电探测器pdr在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点r的坐标为(xr,yr)，投影点r的坐标未知；

灯具led-a在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点a的坐标为(xa,ya)，灯具led-b在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点b的坐标为(xb,yb)；投影点a和b的坐标已知；

当投影点r位于投影点a与b之间的区域内部时，若投影点r在投影点a与b形成的直线上，如图4中的(a)和(b)所示，则直线ab相对于空间直角坐标系的x轴正半轴的方位角α的余弦值为：

则投影点r的坐标(xr,yr)为：

将投影点r的坐标(xr,yr)作为待定位物体的位置坐标；

本实施方式中投影点a与b之间的区域是指：分别以a点和b点为垂足，向直线ab做垂线，包括直线ab和两条垂线本身，以及两条垂线之间的区域在内的为投影点a与b之间的区域。

作为左侧辅助定位点的光电探测器pdl在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点l的坐标为(xl,yl)，投影点l的坐标未知，作为右侧辅助定位点的光电探测器pdr在空间直角坐标系的xoy平面上的投影点r的坐标为(xr,yr)，投影点r的坐标未知；

当投影点r位于投影点a与b之间的区域时，若投影点r不在投影点a与b形成的直线上，且投影点r、投影点l和投影点r分布在直线ab的同一侧(包括投影点l或投影点r在直线ab上的情况)；如图5中的(a)、(b)以及(c)所示为投影点r、a和b的几何位置关系的示意图；

则根据余弦定理得：

drb²＝dab²+dra²-2·dab·dra·cosa(10)

其中：dab代表投影点a与投影点b的距离，即cosa是以投影点r、a和b为顶点形成的三角形rab的顶角a的余弦值；

其中：h代表投影点r到三角形rab的ab边的距离；s是以投影点r向ab边做垂线的垂足与投影点a的距离；

设ab边相对于空间直角坐标系的x轴的方位角为α，则

已知s、h、cosα、sinα，由图2的三角形几何关系可知，则投影点r与投影点a之间的关系式满足公式(15)：

同理，获得投影点l与投影点a之间的关系式以及投影点r与投影点a之间的关系式；

则获得了h取正值时对应的投影点r、投影点l和投影点r的坐标，以及h取负值时对应的投影点r、投影点l和投影点r的坐标；

记h取正值时对应的投影点r的坐标为(x′r,y′r)、投影点l的坐标为(x′l,y′l)、投影点r的坐标为(x′r,y′r)，记h取负值时对应的投影点r的坐标为(x″r,y″r)、投影点l的坐标为(x″l,y″l)、投影点r的坐标为(x″r,y″r)；

以h取正值时对应的(x′r,y′r)、(x′l,y′l)以及(x′r,y′r)作为判断对象，则投影点l与投影点r连线的中点p的坐标为连接中点p和投影点r得到有向向量的坐标为连接投影点l和中点p得到有向向量的坐标为向量与的叉乘为

便可以将定位点的坐标选取问题，转化为判断平面上的点与有向线段的位置关系问题；

则利用有向向量和有向向量定义如下的判别式；

当判别系数f大于0时，判断投影点l在有向向量左侧，则将h取正值时对应的投影点r坐标(x′r,y′r)作为待定位物体的位置坐标；

当判别系数f小于0时，判断投影点l在有向向量右侧，则将h取负值时对应的投影点r坐标作为待定位物体的位置坐标；

由于h存在正负两个值，(xr,yr)也相应地有两组可能解，这两组解对应的两点相对于ab呈对称关系。h为正时，得到的点r在ab左侧；h为负时，得到的点r在ab右侧。这两个点一个为真实点，一个为镜像虚假点；

对于接收端pdl和pdr，同样通过上述方法分别建立它们与led-a、led-b的平面三角形几何关系，并依次计算得到各自的两组可能解。这样我们得到了3组解pdr’、pdr”，pdl’、pdl”，pdr’、pdr”，它们分别关于a、b两点连线，其中3个为真实值，3个为虚假值；

为了筛掉虚假的镜像点，判断出唯一的一组确定解，需要利用pdr、pdl和pdr三点构成的pd三角形，在接收端平面上的相对位置不变性。

当投影点r位于投影点a与b之间的区域时，若投影点r不在投影点a与b形成的直线上，且投影点r、投影点l与投影点r分布在直线ab的两侧；

如图6所示；具体包括情况1：投影点r和投影点l在直线ab的一侧，投影点r在直线ab的另一侧；情况2：投影点r和投影点r在直线ab的一侧，投影点l在直线ab的另一侧；以及情况3：投影点l和投影点r在直线ab的一侧，投影点r在直线ab的另一侧；

计算出h取正值时对应的投影点r的坐标(x′r,y′r)以及投影点l的坐标(x′l,y′l)，h取负值时对应的投影点r的坐标(x″r,y″r)以及投影点l的坐标(x″l,y″l)；

根据h取正值时对应的投影点r的坐标(x′r,y′r)和投影点l的坐标(x′l,y′l)计算出投影点r与投影点l的距离drl′，根据h取负值时对应的投影点r的坐标(x″r,y″r)和投影点l的坐标(x″l,y″l)计算出投影点r与投影点l的距离drl″；

若drl′比drl″更接近光电探测器pdr与pdl的实际距离，则判定将h取正值时对应的投影点r的坐标(x′r,y′r)作为待定位物体的位置坐标，否则，将h取负值时对应的投影点r的坐标(x″r,y″r)作为待定位物体的位置坐标；

光电探测器pdr与pdl的实际距离根据光电探测器pdr与pdl的初始坐标计算；

对于投影点r位于投影点a与b之间的区域外部的情况，位置关系如图3所示，同理，获得待定位物体的位置坐标。

在图3中，h为点r到直线ab的距离，s为点a到h的距离。尽管三点的几何关系发生了改变，但(15)式依然成立，即对待定位点r的坐标求解公式不变，具体方法与前面解法一致，因此不再详述。

同时，为了求解时位置方便，无论r点在a或b的哪一侧外，都以a点为计算参考点。

结合以上分类讨论概括算法如下，依此就能得到待定位点r的真实平面坐标(xr，yr)。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。