一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位方法

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一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位方法，属于可见光通信领域。\n背景技术\n[0002] 随着，室外定位的发展，最近室内定位受到广泛的关注，成为一个越来越热的研究领域。室内定位主要是指对室内的人或物体进行定位，并提供一些基于定位的服务，如私人服务，自动化机器人控制，手机商务，追踪服务和导航协助。至今为止，已经提出了许多基于定位的研究，并且一些技术和产品已经用于室内定位，如射频信号，无线局域网(Wifi)，红外线，激光(laser)，超声波(ultrasound)等等。一般来说，射频信号是现今室内定位的主要方式，但无线定位的精度只能达到米的级别。Wifi定位系统也被研究过，但结果都是通过实验获得。这些技术定位都是有局限的，如定位精度较低从几十分米到几米，大多有电磁干扰，需要额外的设备，低安全性等。\n[0003] 为了克服这些缺点，基于可见光系统(VLC)的定位系统越来越流行。LED具有较长的生命周期，对湿度有很高的忍受度，功率消耗较低和环境友好等特点。而且，LED灯可以将电信号调制成光波信号后在很高的速度上传输。基于这些性质，在可见光通信系统中，LED灯不仅作为一个照明设施，也是一个通信仪器。在过去的研究中有很多不同的定位算法已经被提出，其中主要是几何方法。几何方法包含两部分：三边定位和三角定位。三边定位通过多个接收点与目标的距离从而实现定位。而接收点与目标的距离主要通过测量接收信号的功率(RSS)，到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)。三角定位主要通过多个接收点与目标的角度从而实现定位。这些定位方法一般只有一个接收装置，即是定位目标，而且传统定位方案需要穷举遍历，系统计算复杂。\n发明内容\n[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位方法，达到定位计算效率高，精度准确的效果。\n[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：\n[0006] 一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位方法，包括如下步骤：\n[0007] 1)在室内天花板上布置若干个信号发射功率相同的LED灯作为光信号发射端；在需要定位的终端上配置若干个光接收装置作为信号接收端，所述若干个光接收装置以终端的几何中心点为中心在终端上布置成正多边形，可知光接收装置的相对于终端的位置关系：\n[0008]\n[0009] 并且布置的LED灯与光接收装置的数目之和大于或者等于4；其中分别为光接收装置在二维平面内的横坐标和纵坐标，N为光接收装置的数目；x，y为终端几何中心在二维平面内的横坐标和纵坐标；r为正多边形的中心点到各个顶点的距离；以正多边形的中心点为极点，建立极坐标，设任意一个光接收装置为第一个光接收装置，δ为第一个光接收装置的极坐标角；\n[0010] 2)测量每个光接收装置接收到的光信号功率，得到每个LED灯与各个光接收装置之间的直线距离d，测量LED灯所在平面到光接收装置所在平面的垂直距离h，根据直角三角形原理得到每个LED灯与各个光接收装置间的水平距离D；\n[0011] 3)通过LED灯与光接收装置在二维平面内的坐标关系得到每个LED灯与各个光接收装置间的水平距离D，列出通过坐标关系得到的所有水平距离D与步骤2)得到的所有水平距离D相等的等式；其中，LED灯在二维平面内的横坐标和纵坐标为 M为\nLED灯的数目；根据步骤1)中的位置关系与所有水平距离D的等式建立带有终端坐标的线性方程，将线性方程表示成矩阵形式，通过经典估计方法计算得到光接收装置的几何中心点的横坐标和纵坐标，该几何中心点的横坐标和纵坐标即为需要定位的终端几何中心点的坐标。\n[0012] 进一步的，所述步骤2)包括如下步骤：\n[0013] 设在室内天花板上布置M个LED灯：第一个LED灯 第二个LED灯\n…第M个LED灯 其中 分别为LED灯在二维平面内的横坐标和\n纵坐标；在终端上设置N个光接收装置，光接收装置表示为：第一个光接收装置 第二个光接收装置 …第N个光接收装置\n[0014] 21)测量每个光接收装置接收到的光信号功率Pr，得到M×N个接收到的光信号功率；\n[0015] 22)根据公式Pr＝H(0)*Pt，得到每个LED灯与各个光接收装置之间的直线距离d；\n[0016] 其中H(0)为信道直流增益， n为LED灯的朗伯模型阶\n数；A表示每个光接收装置表面接收到光的面积，φ为LED灯的辐射角度，θ为光接收装置的入射角；Pt为LED灯的信号发射功率；\n[0017] 23)由 可得各个LED灯与接收装置的水平距离D。\n[0018] 进一步的，所述步骤3)包括如下步骤：\n[0019] 31)通过LED灯与光接收装置的坐标关系得到M×N个水平距离D，列出通过坐标关系得到M×N个水平距离D与步骤2)得到M×N个水平距离D相等的等式；根据步骤1)中的位置关系与M×N个水平距离D的等式建立带有终端坐标的线性方程，得到MN-1个等式，将MN-1个等式写成矩阵形式为：\n[0020] Ax＝b\n[0021] 其中x为终端的位置坐标；\n[0022]\n[0023]\n[0024] 32)根据下面公式利用最小二乘准则估计光接收装置的几何中心位置：\n[0025] x＝(ATA)-1ATb\n[0026] 其中(.)T为矩阵的转置，(.)-1为逆矩阵。\n[0027] 有益效果：\n[0028] (1)可见光定位系统适用于现有常见移动终端设备如配置多摄像头的手机，便携平板电脑等的情况。而这些终端设备有多个接收装置，如果这些接收装置的相对位置关系是已知的，通过对终端上这组接收装置测量接收信号功率，就可计算确定这组接收装置的几何中心位置，即终端位置坐标。本发明定位方法针对多接收点相对位置已知特点给出了一种基于最小二乘准则(LS)的精确定位方法，定位计算效率高，精度准确，且避免了采用传统定位方案需要穷举遍历，系统计算复杂的特点。\n[0029] (2)该定位方法克服了传统多个接收装置需要绝对位置的条件，利用接收装置相对位置实现定位。\n[0030] (3)定位系统获得了该几何中心点的精确位置，那么终端上的任一接收装置的绝对位置均可以根据此几何中心位置坐标计算获得，不仅实现了目标的定位，也实现了多个接收装置的定位。\n[0031] (4)该定位方法不仅适用于一发多收和多发一收，也适用于多发多收，如两发两收等。\n[0032] (5)在最小二乘准则下通过解方程得到目标位置，定位计算效率高，精度准确。\n附图说明\n[0033] 图1为本发明方法系统框图；\n[0034] 图2为本发明方法系统一般性的布局示意图；\n[0035] 图3为本发明在1个LED灯和3个接收装置的布局示意图；\n[0036] 图4为在图3布局下信噪比为10dB时得到的定位误差的直方图；\n[0037] 图5为在图3布局下平均定位误差与信噪比之间的关系图；\n具体实施方式\n[0038] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。\n[0039] 如图1-5所示，本发明公开一种面向可见光通信的多接收点几何中心定位方法，对于一个室内可见光通信系统，布置若干个LED灯和一个携有若干个接收装置的终端，针对终端目标进行定位。一种室内可见光通信系统中的多接收点几何中心定位系统及方法，包括如下步骤：\n[0040] 1)在室内天花板上布置若干个信号发射功率相同的LED灯作为光信号发射端；在需要定位的终端上配置若干个光接收装置作为信号接收端，所述若干个光接收装置以终端的几何中心点为中心在终端上布置成正多边形，可知光接收装置的相对于终端的位置关系：\n[0041]\n[0042] 并且布置的LED灯与光接收装置的数目之和大于或者等于4，有利于进行定位估计。其中 分别为光接收装置在二维平面内的横坐标和纵坐标，N为光接\n收装置的数目；x，y为终端几何中心在二维平面内的横坐标和纵坐标；r为正多边形的中心点到各个顶点的距离；以正多边形的中心点为极点，建立极坐标，设任意一个光接收装置为第一个光接收装置，δ为第一个光接收装置的极坐标角；\n[0043] 2)测量每个光接收装置接收到的光信号功率，得到每个LED灯与各个光接收装置之间的直线距离d，测量LED灯所在平面到光接收装置所在平面的垂直距离h，根据直角三角形原理得到每个LED灯与各个光接收装置间的水平距离D；\n[0044] 3)通过LED灯与光接收装置在二维平面内的坐标关系得到每个LED灯与各个光接收装置间的水平距离D，列出通过坐标关系得到的所有水平距离D与步骤2)得到的所有水平距离D相等的等式；其中，LED灯在二维平面内的横坐标和纵坐标为 M为\nLED灯的数目；根据步骤1)中的位置关系与所有水平距离D的等式建立带有终端坐标的线性方程，将线性方程表示成矩阵形式，通过经典估计方法计算得到光接收装置的几何中心点的横坐标和纵坐标，该几何中心点的横坐标和纵坐标即为需要定位的终端几何中心点的坐标。\n[0045] 进一步的，所述步骤2)包括如下步骤：\n[0046] 设在室内天花板上布置M个LED灯：第一个LED灯 第二个LED灯\n…第M个LED灯 其中 分别为LED灯在二维平面内的横坐标和\n纵坐标；在终端上设置N个光接收装置，光接收装置表示为：第一个光接收装置 第二个光接收装置 …第N个光接收装置\n[0047] 21)测量每个光接收装置接收到的光信号功率Pr，得到M×N个接收到的光信号功率；\n[0048] 22)根据公式Pr＝H(0)*Pt，得到每个LED灯与各个光接收装置之间的直线距离d：\n[0049] 其中H(0)为信道直流增益， n为LED灯的朗伯模型阶\n数；A表示每个光接收装置表面接收到光的面积，φ为LED灯的辐射角度，θ为光接收装置的入射角；Pt为LED灯的信号发射功率；\n[0050] 23)由 可得各个LED灯与接收装置的水平距离D。\n[0051] 进一步的，所述步骤3)包括如下步骤：\n[0052] 31)通过LED灯与光接收装置的坐标关系得到M×N个水平距离D，列出通过坐标关系得到M×N个水平距离D与步骤2)得到M×N个水平距离D相等的等式；根据步骤1)中的位置关系与M×N个水平距离D的等式建立带有终端坐标的线性方程，得到MN-1个等式，将MN-1个等式写成矩阵形式为：\n[0053] Ax＝b\n[0054] 其中x为终端的位置坐标；\n[0055]\n[0056]\n[0057] 32)根据下面公式利用最小二乘准则估计光接收装置的几何中心位置：\n[0058] x＝(ATA)-1ATb\n[0059] 其中(.)T为矩阵的转置，(.)-1为逆矩阵。\n[0060] 参考图3所示进行仿真，对本发明做出进一步说明；\n[0061] 仿真参数为：在房间大小为6m×6m×2m(长，宽，高)的天花板上布置一个LED灯；以房间的任意一个角落为原点建立直角坐标系：LED映射到直角坐标后的坐标 为(3，3)；LED灯所在平面到光接收装置所在平面的垂直距离h为2m；LED灯的信号发射功率信号Pt为1W；设定，一个终端携有三个光接收装置B，C和E，因为光接收装置的相对位置关系是已知的，布置三个光接收装置成以定位终端目标为中心的正三角形，三角形外接圆，正三边形的中心点到各个顶点的距离r为0.2m；3个光接收器面积A均为1.0平方厘米；极坐标角δ：\n45度。\n[0062] 三个光接收装置相对与终端的关系为：\n[0063]\n[0064] 其中 分别为光接收装置在二维平面内的横坐标和纵坐标；x，y为终端几何中心在二维平面内的横坐标和纵坐标\n[0065] 1)测量每个光接收装置接收到的光信号功率Pr，得到1×3个接收到的光信号功率；\n[0066] 2)根据公式Pr＝H(0)*Pt，得到LED灯与各个光接收装置之间的直线距离d；其中H(0)为信道直流增益， n为LED灯的朗伯模型阶数；A表示每个\n光接收装置表面接收到光的面积，φ为LED灯的辐射角度，θ为光接收装置的入射角；\n[0067] 3)由 可得LED灯与接收装置的水平距离D。与B，C，E三个装置的水平距离可表示为DB，DC，DE。\n[0068] 进一步的，所述步骤3)包括如下步骤：\n[0069] 31)通过LED灯与光接收装置的坐标关系得到1×3个水平距离D，列出通过坐标关系得到1×3个水平距离D与步骤2)得到1×3个水平距离D相等的等式；根据步骤1)中的位置关系与1×3个水平距离D的等式建立带有终端坐标的线性方程，得到MN-1＝2个等式，将这2个等式写成矩阵形式为：\n[0070] Ax＝b\n[0071] 其中x为终端的位置坐标；\n[0072]\n[0073]\n[0074] 根据：\n[0075] x＝(ATA)-1ATb\n[0076] 求解矩阵方程即可获得目标位置。\n[0077] 仿真得到的整个房间内平均定位误差为4.03厘米，最大定位误差为12.58厘米。\n[0078] 附图4-5给出了利用本发明的定位方法在参考图3下的性能仿真结果。\n[0079] 图4给出了在图3情形下，若信噪比为10dB时，定位误差在0-14cm范围内所占比例的直方图，可看出在3-4cm内定位误差所占比例最大。\n[0080] 图5给出了在图3情形下，定位的平均误差与信噪比在0-30分贝情况下的关系。可知信噪比越高，平均误差越小。\n[0081] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。