一种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，包括：圆柱形载体，具有三个互成120度的圆柱形通孔；三个光探测单元，分别设置于该三个圆柱形通孔中，每个光探测单元均包括一探测器托盘、一可见光探测器、一滤光片和一会聚透镜；云台，包括垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机，通过齿轮与该圆柱形载体连接；以及主控及存储单元，计算并比较该三个可见光探测器接收到的可见光信号的误码率，实现该圆柱形载体中的三个光探测单元转向误码率低的可见光方向。本发明采用三个光电探测器探测接收到的光信号，判断出通信质量最高的方向，使光探测单元接收面始终朝向光源，在直视链路上接收信号，提高可见光通信系统的通信质量。
【专利说明】—种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及可见光通信【技术领域】，尤其是涉及一种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置。
【背景技术】
[0002]室内可见光通信是一种新型的光通信技术，该技术使用LED作为照明和通信的光源，其中RGB-LED能够实现多种颜色的并行信号传输，因而能够大幅提高系统通信速率。但是在通信过程中，现有的接收机一般只能放置在光源下方很小的水平范围内，并且放在固定的高度上，若超出此范围，接收机不能正确地进行信号的接收，这极大地限制了接收机的移动性和可见光通信系统的实用性。
【发明内容】
[0003](一 )要解决的技术问题
[0004]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，通过实时探测、自动旋转，可实现接收机与光源始终保持直视链路，有效地克服了接收装置移动性不足的问题，大大提高了通信的可靠性和通信速度，并且结构简单、成本低，能实现广泛应用。
[0005]( 二 )技术方案
[0006]为达到上述目的，本发明提供了一种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，该装置包括:
[0007]圆柱形载体，该圆柱形载体具有三个互成120度的圆柱形通孔，该三个圆柱形通孔的中心轴线平行于该圆柱形载体的中心轴线，且该三个圆柱形通孔均包括第一段和第二段，第一段的直径小于第二段的直径，且第一段的长度大于第二段的长度；
[0008]三个光探测单元，分别设置于该三个圆柱形通孔中，每个光探测单元均包括一探测器托盘、一可见光探测器、一滤光片和一会聚透镜，其中可见光探测器固定于探测器托盘上，并通过与探测器托盘螺接的螺钉在该圆柱形通孔的第一段内移动；滤光片和会聚透镜固定在该圆柱形通孔的第二段内，来自外界的可见光信号依次通过会聚透镜和滤光片进入可见光探测器；
[0009]云台，包括垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机，该垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机通过齿轮与该圆柱形载体连接；以及
[0010]主控及存储单元，通过信号线连接于三个光探测单元中的三个可见光探测器及垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机，计算并比较该三个可见光探测器接收到的可见光信号的误码率，并通过控制该垂直仰角控制步进电机和该水平旋转控制步进电机进行垂直及水平旋转实现该圆柱形载体中的三个光探测单元转向误码率低的方向。
[0011](三)有益效果
[0012]从上述方案可以看出，本发明具有以下有益效果:[0013]1、本发明提供的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，三个可见光探测器通过不同的滤光片分别探测三种颜色的信号光，能够实现信号的并行接收；主控电路板通过分析可见光探测器探测到的信号，调整云台垂直和水平角度，使得可见光探测器始终面向光源，在直视链路上接收信号，明显减小了室内反射引起的多径效应以及其它光源对接收信号的影响，使得通信速度和接收机的移动性大大提高。
[0014]2、本发明提供的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，通过螺丝调节可见光探测器与会聚透镜之间的距离，能够使可见光探测器表面位于会聚透镜焦距处，探测到更强的信号，三个光电探测器位于圆柱形载体的不同空间内，很大程度上减小了经过滤光片后三色光的干扰。
[0015]3、本发明提供的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，多色光并行传输能够实现更高的通信速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1 (a)和图1 (b)是本发明实施例的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置的结构示意图；
[0017]图2是本发明实施例的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置中螺钉与探测器托盘及可见光探测器的结构示意图；
[0018]图3是本发明实施例的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置中圆柱形通孔的第一段与第二段在第二段的直径是固定不变时的结构示意图；
[0019]图4是本发明实施例的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置中圆柱形通孔的第一段与第二段在第二段的直径是均匀变化时的结构示意图；
[0020]图5是本发明实施例的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置中云台的垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机与圆柱形载体的结构示意图；
[0021]图6是本发明实施例的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置的算法流程图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0023]如图1 (a)和图1 (b)所示，图1 (a)和图1 (b)是本发明提供的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置的结构示意图，该装置包括圆柱形载体、三个光探测单元、云台以及主控及存储单元。其中:
[0024]参照图1 (a)和图1 (b)，该圆柱形载体具有三个互成120度的圆柱形通孔，该三个圆柱形通孔的中心轴线平行于该圆柱形载体的中心轴线，且该三个圆柱形通孔均包括第一段和第二段，第一段的直径小于第二段的直径，且第一段的长度大于第二段的长度。
[0025]三个光探测单元分别设置于该三个圆柱形通孔中，每个光探测单元均包括一探测器托盘、一可见光探测器、一滤光片和一会聚透镜，其中可见光探测器固定于探测器托盘上，并通过与探测器托盘螺接的螺钉在该圆柱形通孔的第一段内移动；滤光片和会聚透镜固定在该圆柱形通孔的第二段内，来自外界的可见光信号依次通过会聚透镜和滤光片进入可见光探测器。[0026]如图2所示，标号为I的部分是螺钉，螺钉的一端为防滑纹，另一端有多个凹槽，能被卡圈固定，中部有螺纹；标号为2的部分是圆柱形载体，在该圆柱形载体内三个互成120度的圆柱形通孔内放置有探测器托盘，探测器托盘上固定有可见光探测器，可以由螺钉调节该探测器托盘在圆柱形通孔中的位置，滤光片在会聚透镜与可见光探测器之间并且紧贴会聚透镜，滤光片和会聚透镜被圆柱形通孔第二段内壁卡紧固定。
[0027]该三个光探测单元中的滤光片分别为红、绿或蓝色滤光片，来自外界的可见光信号依次通过会聚透镜和滤光片后，三个可见光探测器分别接收红、绿或蓝色可见光信号。
[0028]在该三个光探测单元中，通过旋转螺钉调节探测器托盘在圆柱形通孔第一段中的位置，从而调节可见光探测器与会聚透镜之间的距离，使可见光探测器表面位于会聚透镜焦距处。
[0029]该圆柱形通孔第二段的直径可以是固定不变的，也可以是均匀变化的。当该圆柱形通孔第二段的直径是固定不变的时，如图3所示，该圆柱形通孔第一段与第二段连接处具有一台阶，该探测器托盘与该可见光探测器的直径均为Φ1，该滤光片和该会聚透镜的直径均为Φ2，且Φ1 < Φ2。当该圆柱形通孔第二段的直径是均匀变化的时，如图4所示，从该圆柱形通孔第一段与第二段连接处开始该第二段的直径逐渐均匀变大，该探测器托盘与该可见光探测器的直径均为Φ1，该滤光片的直径为Φ2，该会聚透镜的直径为Φ3，且Φ1< Φ2 ^ Φ3。
[0030]云台包括垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机，该垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机通过齿轮与该圆柱形载体连接，如图5所示。该云台垂直仰角变化范围为O~α，α的范围为70°~90°，水平旋转角度变化范围为O~β，β的范围为200。~360。。
[0031]主控及存储单元，通过信号线连接于三个光探测单元中的三个可见光探测器以及垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机，计算并比较该三个可见光探测器接收到的可见光信号的误码率，并通过控制该垂直仰角控制步进电机和该水平旋转控制步进电机进行垂直及水平旋转实现该圆柱形载体中的三个光探测单元转向误码率低的可见光方向。
[0032]该主控及存储单元通过控制该垂直仰角控制步进电机和该水平旋转控制步进电机进行垂直及水平旋转来实现该圆柱形载体的垂直及水平旋转。如图1所示，该圆柱形载体设置于该云台主体内，该主控及存储单元设置于该云台的基座中，且该主控及存储单元通过信号线连接于该垂直仰角控制步进电机和该水平旋转控制步进电机。
[0033]该主控及存储单元包括主控电路板及存储单元，该主控电路板被固定在云台基座中，通过导线连接于可见光探测器、垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机；存储单元固定于主控电路板上。该存储单元包括非易失性存储器和易失性存储器，其中非易失性存储器用于存储云台的初始设置信息，易失性存储器用于存储接收信号的误码率实时计
晳奸里
[0034]本发明为实现全自动跟踪RGB-LED光源直视方向，具体实施步骤如图6所示，描述如下:
[0035]步骤1:启动本发明提供的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，按照预设信息存储单元中的初始 设置对云台进行初始化:①云台垂直仰角设置为一较大的角度Y，如70°，水平方向从0°旋转至最大角度，每转动一个小角度△ Θ计算三个可见光探测器在此小段时间内接收到的信号的误码率BER，存入存储单元的易失性存储器，旋转一周后计算得到各时刻平均误码率最小时的角度θπ!，计算云台当前位置Θ与0 m的差值所对应的水平旋转步进电机需要旋转的步数nl，旋转水平电机，使云台转至θπ!位置。
[0036]②控制垂直旋转步进电机使云台在0°至最大角度之间转动一次,每转动一个小
角度Δφ计算三个可见光探测器在此小段时间内接收到的信号的误码率BER，存入存储单元的易失性存储器。当云台在垂直方向从最小角度旋转到最大角度一次后，计算得到平均误码率最小时的角度tpm，计算云台当前位置φ与ΦΠ?的差值所对应的垂直仰角控制步进电机需要旋转的步数η2，旋转垂直仰角控制步进电机，使云台转至φπ?位置。
[0037] 步骤2:间隔设定的时间Λ Tl，计算三个可见光探测器接收到的光信号的误码率，如果其中某个高于门限值BER0，则计算确定出三个可见光探测器中误码率最小的探测器。计算两个步进电机需要旋转的步数，使云台向误码率最小的探测器方向旋转一个小的幅度。
[0038]步骤3:间隔设定的时间ΛΤ2，其中ΛΤ2 < Λ Tl，重复步骤2中除设定周期之外的其它步骤，直到三个可见光探测器接收到的信号的误码率均小于BER0。
[0039]通过执行步骤1、步骤2和步骤3，实现圆柱形载体对准RGB-LED光源并保持对光源的实时跟踪，可见光探测器与光源处于直视链路。
[0040]三个可见光探测器需要探测红、绿、蓝三种光信号，常见的可见光探测器都具有较宽的波长响应范围，难于区分这三种较近波长的光，于是在各会聚透镜与可见光探测器之间装载相应颜色和大小的滤光片。通过螺丝可以调节会聚透镜与可见光探测器之间的距离，使得可见光探测器表面位于会聚透镜焦距处。
[0041]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该装置包括: 圆柱形载体，该圆柱形载体具有三个互成120度的圆柱形通孔，该三个圆柱形通孔的中心轴线平行于该圆柱形载体的中心轴线，且该三个圆柱形通孔均包括第一段和第二段，第一段的直径小于第二段的直径，且第一段的长度大于第二段的长度； 三个光探测单元，分别设置于该三个圆柱形通孔中，每个光探测单元均包括一探测器托盘、一可见光探测器、一滤光片和一会聚透镜，其中可见光探测器固定于探测器托盘上，并通过与探测器托盘螺接的螺钉在该圆柱形通孔的第一段内移动；滤光片和会聚透镜固定在该圆柱形通孔的第二段内，来自外界的可见光信号依次通过会聚透镜和滤光片进入可见光探测器； 云台，包括垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机，该垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机通过齿轮与该圆柱形载体连接；以及 主控及存储单元，通过信号线连接于三个光探测单元中的三个可见光探测器以及垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机，计算并比较该三个可见光探测器接收到的可见光信号的误码率，并通过控制该垂直仰角控制步进电机和该水平旋转控制步进电机进行垂直及水平旋转实现该圆柱形载体中的三个光探测单元转向误码率低的可见光方向。
2.根据权利要求1所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该三个光探测单元中的滤光片分别为红、绿或蓝色滤光片，来自外界的可见光信号依次通过会聚透镜和滤光片后，三个可见光探测器分别接收红、绿或蓝色可见光信号。
3.根据权利要求1所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，在该三个光探测单元中，通过旋转螺钉调节探测器托盘在圆柱形通孔第一段中的位置，从而调节可见光探测器与会聚透镜之间的距离，使可见光探测器表面位于会聚透镜焦距处。
4.根据权利要求1所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该主控及存储单元通过控制该垂直·仰角控制步进电机和该水平旋转控制步进电机进行垂直及水平旋转来实现该圆柱形载体的垂直及水平旋转。
5.根据权利要求4所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该圆柱形载体设置于该云台主体内，该主控及存储单元设置于该云台的基座中，且该主控及存储单元通过信号线连接于该垂直仰角控制步进电机和该水平旋转控制步进电机。
6.根据权利要求1所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该云台垂直仰角变化范围为O~α，α的范围为70°~90°，水平旋转角度变化范围为O~β，β的范围为200°~360°。
7.根据权利要求1所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该主控及存储单元包括主控电路板及存储单元，该主控电路板被固定在云台基座中，通过导线连接于可见光探测器、垂直仰角控制步进电机和水平旋转控制步进电机；存储单元固定于主控电路板上。
8.根据权利要求7所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该存储单元包括非易失性存储器和易失性存储器，其中非易失性存储器用于存储云台的初始设置信息，易失性存储器用于存储接收信号的误码率实时计算结果。
9.根据权利要求1所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该圆柱形通孔第一段的直径是固定不变的，第一段的长度大于第二段的长度，且第一段的直径小于第二段的直径。
10.根据权利要求9所述的全自动跟踪光源的可见光通信接收装置，其特征在于，该圆柱形通孔第二段的直径是固定不变的，或者是均匀变化的； 当该圆柱形通孔第二段的直径是固定不变的时，该圆柱形通孔第一段与第二段连接处具有一个台阶，该探测器托盘与该可见光探测器的直径均为Φ1，该滤光片和该会聚透镜的直径均为Φ2，且Φ1 < Φ2 ; 当该圆柱形通孔第二段的直径是均匀变化的时，从该圆柱形通孔第一段与第二段连接处开始该第二段的直径逐渐均匀变大，该探测器托盘与该可见光探测器的直径均为Φ 1，该滤光片的直径为Φ 2，该会聚 透镜的直径为Φ3，且Φ1<Φ2≤Φ3。
【文档编号】G05D3/12GK103580759SQ201310566061
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】高燕龙, 孙达, 施安存, 张运方, 李慧, 段靖远, 刘育梁 申请人:中国科学院半导体研究所