一種基于可見光標簽的室內定位方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于可見光標簽的室內定位方法，屬于無線通信【技術領域】。本發明方法基于可見光通信，發射端通過控制LED陣列發射具有定位碼型的可見光信號，使位于室內的用戶從接收到的光信號解析出其所在的位置。每個LED具有唯一的ID號，設計LED循環發送的定位數據幀結構，加載到LED驅動放大電路上，驅動LED燈陣列發出數據光信號；探測器在識別幀頭的同時將用戶定位于光功率最大的子小區。本方法無需頻段申請、無電磁干擾、綠色安全，基于可見光LED定位的精度更高。另外，在可見光LED通信的同時還可以對室內場景中進行綠色照明，通過現有的照明燈進行室內可見光通信的定位，無需另外架設可見光光源，方便地實現室內的定位。
【專利說明】—種基于可見光標簽的室內定位方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于可見光標簽的室內定位方法，屬于無線通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著移動通信與無線網絡等技術的發展，基于位置的服務越來越受到人們的關注。位置信息的獲取能給基于位置感知的服務提供更多的便利。例如，在緊急救助、個人醫療保健、認知無線電和個性化信息傳輸等領域，當人們位于不同的地理位置時，可以方便地得到與當前位置相對應的信息。
[0003]在戶外，對位置信息的獲取一般通過GPS全球定位衛星。GPS設備通過接收來自4個或4個以上的衛星信號來估計接收終端的當前位置，可實現精度較高的定位。除了美國的GPS外，還有一些國家和組織也提供類似的定位服務，如俄羅斯的“格洛納斯”全球衛星導航系統、歐洲的“伽利略”衛星定位系統和我國的“北斗”衛星導航系統。這些系統在戶外能很好地滿足人們的定位需求，但由于衛星信號一般都很微弱，不能穿透絕大多數建筑物，在室內不能實現有效地定位。
[0004]為了解決室內定位導航的問題，科技巨頭和研究機構開展了大量的研究，如基于移動通信網絡的輔助GPS (A-GPS)、偽衛星(Pseudolite)、無線局域網(WLAN)、射頻標簽(RFID)、Zigbee、藍牙(Bluetooth, BT)、超寬帶無線電(Ultra WideBand, UWB)、紅外定位、計算機視覺定位、地磁、超聲波定位和LED可見光定位等。
【發明內容】
[0005]發明的目的是為解決室內高精度定位的難題，提出了一種基于可見光標簽的室內定位方法。發射端通過控制LED陣列發射具有定位碼型的可見光信號，使位于室內的用戶從接收到的光信號解析出其所在的位置。
[0006]一種基于可見光標簽的室內定位方法，具體包括如下步驟:
[0007]步驟一、在室內天花板上安裝一個LED燈陣列。所述LED燈陣列由LED燈以等邊三角形的分布方式向四面拓展而成，陣列中多個等邊三角形的輻照將室內空間分成多個三棱柱空間，每個三棱柱空間稱為一個空間單元，其對應的3個LED燈安裝在每個空間單元的頂面，即天花板上。
[0008]所述以等邊三角形的分布方式具體為:三個LED燈分別位于等邊三角形的三個頂點，以其中任意兩個頂點為相鄰等邊三角形的頂點，找到相鄰等邊三角形的第三個頂點，安裝一個LED燈，形成三個新的等邊三角形；再在新的等邊三角形基礎上，繼續以此方法擴展，形成以等邊三角形為單元的平面LED燈陣列。
[0009]步驟二、對每個LED編號，記作LED=,, (i=l,2,3),其中下標(x，y)表示LED在室
內的橫縱坐標，橫縱坐標能通過編碼轉換成LED的ID號(LED-1D)，i表示LED的發光時隙。每個LED具有唯一的ID號。
[0010]步驟三、根據步驟二得到LED編號，設計LED循環發送的定位數據幀結構，定位數據中貞由幀頭(Synchronization Header, SHR)和定位時段組成。幀頭用于從接收的串行數據中提取定位時段；定位時段分成三個時隙(timeslot)，記作時隙I (TSl)，時隙2(TS2)和時隙3(TS3)。定位時段標志了 LED燈發光的時隙，定位時段的取值標志了 LED燈的位置。在
一個空間單元中，3個LED的時隙不同。LED:,為屬于第i個時隙的LED，記作LED-TSi，
表示在第i個時隙(TSi)內發射自己的LED-1D，其他時隙都為O。
[0011]每個空間單元中LED的LED-1D以時分復用的形式加載到LED發射的光信號中，形成數據光信號。
[0012]所述的LED發送的定位數據幀由信號發生器產生，加載到LED驅動放大電路上，LED驅動放大電路與LED燈陣列連接，驅動LED燈陣列發出數據光信號來傳輸定位數據幀內容。每個單元中的三個LED分屬于不同的時隙，每個LED=,.,分別在第i個時隙內發射
(X，y)通過編碼轉換的LED-1D，其他時隙發射O。
[0013]所述高速是指滿足定位數據傳輸的兆量級速率。
[0014]步驟四、室內用戶攜帶探測器，探測器所在平面作為參考面，探測器接收所在空間單元的LED發射的數據光信號，忽略其他LED對探測器的干擾。在接收的串行數據中識別幀頭，由于數據幀是循環發送的，兩幀數據的幀頭之間即為定位時段；與探測器相連的上位機檢測定位時段的每個比特寬度功率大小來判斷接收的是O碼還是I碼，得到定位時段每個比特的碼型，再根據定位時段中每個時隙的比特位數劃分出每個時隙對應的LED-1D。通
過三個不同時隙的LED-1D將用戶定位到由這三個LED編號LED^1.,對應的三角形區域內。
[0015]步驟五、為了提高定位的精度，將等邊三角形小區進行細分，具體方法為:在等邊三角形內部，由等邊三角形中線和邊圍成的三個等面積四邊形子小區。
[0016]步驟六、探測器在識別幀頭的同時，探測得到三個LED燈的光功率，比較接收的三個LED燈的光功率，將用戶定位于光功率最大的子小區，若某兩個時隙的光功率相同則將用戶定位到這兩個時隙對應的子小區的交界處。
[0017]步驟七、探測器的輸出經放大和模數轉換后，得到待處理的數據信號，透明傳輸至接收端的上位機。接收端的上位機根據步驟四、六所獲取的用戶位置信息，再將此信息以無線網絡上傳至服務器，服務器控制發射端發送的數據幀內容。
[0018]若在發射端的定位數據幀后加入圖像傳輸時段，圖像傳輸時段和定位時段相同，是由圖像數據編碼后以時分復用的形式組成。通過步驟三設定的幀結構，就能在完成定位功能的同時實現對應子小區的圖像數據的傳輸。
[0019]有益效果
[0020]本發明方法基于可見光通信，不同于傳統的無線通信，無需頻段申請、無電磁干擾、綠色安全，基于可見光LED定位的精度更高。另外，在可見光LED通信的同時還可以對室內場景中進行綠色照明，通過現有的照明燈進行室內可見光通信的定位，無需另外架設可見光光源,方便地實現室內的定位。本發明的數據幀包含定位數據幀和圖像數據幀,使發明的系統在定位用戶的同時還可以向用戶發送基于位置的服務，在高密度人群的場景中也可以作為傳統無線通信方式的一種補充。
【專利附圖】
【附圖說明】[0021]圖1為本發明提供的一種室內LED陣列分布的示意圖；
[0022]圖2為本發明提供的一種LED陣列的LED-1D分配示意圖；
[0023]圖3為本發明中發射端發送的數據幀結構示意圖，其中(a)是定位數據幀結構示意圖；(b)是拓展到圖像傳輸的定位數據幀結構示意圖；
[0024]圖4是本發明提供的一種基于可見光LED的室內定位系統裝置圖；
[0025]圖5是本發明實施例中LEDU,、LED；^；,、LED丨乜組成的單元及其子小區示意圖；
[0026]圖6是本發明實施例中用戶位于LED&3)、LEDli131> LEDg2l單元的子小區或邊
界點時探測器接收的波形圖，其中(a)是用戶位于1-1時的波形圖；(b)是用戶位于1-2時的波形圖；(c)是用戶位于A時的波形圖；(d)是用戶位于O時的波形圖。
【具體實施方式】
[0027]下面根據附圖和實施例來進一步詳細說明本發明的實施方式。
[0028]如圖1所示，本發明的室內模型尺寸為IOOmX IOOmX3m, LED燈安裝在天花板上，將LED燈以等邊三角形的方式向四面拓展，等邊三角分布的LED燈的輻照將室內空間分成了若干個三棱柱空間，每個三棱柱空間稱為一個空間單元，3個LED燈分別安裝在每個單元的天花板上。參考面即用于接收可見光信號的光探測器所在的水平面距離地面lm。
[0029]如圖2所示，以左下角為原點做直角坐標系，為了區分天花板上的LED以便定位，
將每個LED進行編號，記作LED丨`?,；，其中下標(X，y)表示LED在室內的橫縱坐標，橫縱坐標可以通過編碼轉換成LED的ID號(LED-1D)，i表示LED的發光時隙，這樣每個LED都具有獨特的編號LEDg,,。根據圖2中的布局，每個單元都是由三種不同發光時隙的LED組成，例
如圖2右側的單元是由LED丨丨丨31、LEDgjPLED^i組成，這三個LED分屬于不同的時隙。為了提高定位的精度，單元進行細分，分成由等邊三角形中線和邊圍成的三個等面積四邊形子小區——LEDg1區、LEDll131區和LED丨I121區。
[0030]根據每個LED的唯一的編號LED=,.,,設計了如圖3(a)所示的LED發送的定位
數據幀的結構。數據幀由同步頭(Synchronization Header, SHR)和定位時段組成。同步頭長度是10比特，碼型為010101011110，用于接收端的幀同步。定位時段分成三個時隙(timeslot),記作時隙I (TSl)，時隙2(TS2)和時隙3(TS3)。定位時段標志了 LED燈發光的時隙，定位時段的取值標志了 LED燈的位置。在一個單元中，3個LED的時隙是不同的。
屬于第i個時隙的LED，記作LED-TSi，它在第i個時隙(TSi)內發射自己的LED-1D，
其他時隙都為O。每個單元中的LED-1D以時分復用的形式加載到LED上進行發送。例如在圖
2的由LED&、LED^,和LED^1組成的單元中，LED^31的下標(3，3)是它的橫縱坐標，
用二進制表示成LED-1D為00000011 00000011，上標表示在第一個時隙內發送其LED-1D ；
LED；；1,,的下標(4，3)是它的橫縱坐標，轉換成LED-1D為00000100 00000011，上標表示在第二個時隙內發送其LED-1D ； LED；；':|的下標(4，2)是它的橫縱坐標，轉換成LED-1D為
00000100 00000010，上標表示在第三個時隙內發送其LED-1D。每個單元的LED-1D就以一種時分復用的形式(Time Division Multiplexing, TDM)加載到LED上進行發送,接收端經過信號處理就可以實現定位功能。如圖3(b)所示，LED發送的數據幀也可以拓展到圖像數據幀。幀結構類似于定位數據幀，但是加入了圖像數據傳輸時段，在此時段每個時隙里發送的不是LED-1D而是經過編碼的圖像數據。
[0031]在接收端，探測器接收到的三個定位時隙信號，就是等邊三角形三個頂點位置對應的LED燈的ID號。通過三個不同時隙的LED-1D將用戶位置定位到由該這三個LED編
號LED丨對應的三角形區域內。為了提高定位精度，對接收的三個LED燈的光功率再
進行比較，確定接收端用戶位于哪個子小區內。例如定位時段接收到的第一個時隙的碼型為0000001100000011，第二個時隙的碼型為0000010000000011，第三個時隙的碼型為
0000010000000010，用戶首先被定位到由LED丨匕,、LED；-；'.,, LED=:,組成的單元；若某個
時隙接收到的光強值最大，說明光探測器距離某個時隙對應的LED最近，用戶被進一步定位到對應的子小區。
[0032]為了驗證本發明的方法能夠實現室內高精度定位，設計了圖4所示的實驗系統。實驗系統包括FPGA信號發生器401，LED驅動電路402，LED陣列403，光探測器404，放大電路及A/D轉換405，FPGA和USB數據傳輸406，上位機407。發射端發送圖3 (b)中的拓展到圖像傳輸的定位數據幀，數據幀是由信號發生器401產生的，它通過LED驅動電路402加載到LED陣列403上。可見光信號通過室內自由空間后，被光探測器404接收，經過放大電路和AD轉換405后變為光數`字信號，FPGA和USB數據傳輸系統406將數據透明傳輸至上位機407，上位機運用C#軟件識別定位碼型、分析定位時段的三個時隙光強度得到單元的LED-1D及其所屬子小區并顯示在C#圖形用戶界面上。本發明實施例中定位信息傳輸速率為IMbit/s，可以滿足定位數據及圖像的傳輸速率需求。
[0033]如圖5所示，選取LED:。、LED:2'、LED「?:1組成的單元，單元分為三個子小區，
記作LED^子小區、LEDf41,,子小區和LEDf4^小區，并標定了 A、B、C、O、1-1、1_2、2_1、2-2、3-1、3-2等一系列特殊位置的點。
[0034]當探測器處于1-1、1_2、A、0時的波形圖如圖6的(a)、(b)、(c)、(d)所示。可見，
當探測器處于1-1時，三個時隙的歸一化幅度分別為0.82、0、0，探測器將被定位至LED丨匕
子小區，當探測器處于1-2時，三個時隙的歸一化幅度分別為0.81,0.25,0.25，探測器被
定位至LED=;, ?小區，而當探測器處于臨界點A時，三個時隙的歸一化幅度分別為0.82、
0.82,0.1，探測器被定位至A點，當探測器處于臨界點O時，三個時隙的歸一化幅度分別為
0.82,0.82,0.82，探測器被定位至O點。其他點原理類似，這樣探測器就可以被定位至子區域或臨界點，提高了定位的精度。接收端獲取用戶位置信息后將此信息以無線網絡上傳至服務器，服務器控制發射端發送拓展到圖像傳輸的定位數據幀，就能在完成定位功能的同時實現對應子小區的圖像數據的傳輸，從而實現基于用戶位置的服務(Location BasedService, LBS)。
[0035]本發明主要技術優勢:
[0036]1.依據本發明設計的可見光室內定位的實驗系統具有可見光通信的綠色安全、可進行高速數據通信和免頻率許可的優點；
[0037]2.依據本發明設計的可見光定位的實驗系統屬于可見光波段，無電磁干擾。
[0038]3.依據本發明設計的可見光定位的實驗系統相較于其他無線定位方式精度更高。定位系統應用在室內場景中，照明燈既可以通信也可以照明，可以通過現有的照明燈進行室內可見光通信的定位，無需另外架設可見光光源，可以很方便地實現室內的定位。
[0039]4.依據本發明設計的可見光定位的實驗系統同時實現了定位和圖像傳輸，可以為用戶提供基于位置的服務。
[0040]該實施的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。在不背離本發明所述方法的精神和權利要求范圍的情況下對它進行的各種顯而易見的改變都在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于可見光標簽的室內定位方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 步驟一、在室內天花板上安裝一個LED燈陣列；所述LED燈陣列由LED燈以等邊三角形的分布方式向四面拓展而成，陣列中多個等邊三角形的輻照將室內空間分成多個三棱柱空間，每個三棱柱空間稱為一個空間單元，其對應的3個LED燈安裝在每個空間單元的頂面；所述以等邊三角形的分布方式具體為:三個LED燈分別位于等邊三角形的三個頂點，以其中任意兩個頂點為相鄰等邊三角形的頂點，找到相鄰等邊三角形的第三個頂點，安裝一個LED燈，形成三個新的等邊三角形；再在新的等邊三角形基礎上，繼續以此方法擴展，形成以等邊三角形為單元的平面LED燈陣列； 步驟二、對每個LED編號,記作LED=,.,, i=l,2,3，其中下標(x, y)表示LED在室內的橫縱坐標，橫縱坐標能通過編碼轉換成LED的ID號，i表示LED的發光時隙；每個LED具有唯一的ID號； 步驟三、根據步驟二得到LED編號，設計LED循環發送的定位數據幀結構，定位數據幀由幀頭和定位時段組成；幀頭用于從接收的串行數據中提取定位時段；定位時段分成三個時隙，記作時隙1，時隙2和時隙3 ;定位時段標志了 LED燈發光的時隙，定位時段的取值標志了 LED燈的位置；在一個空間單元中，3個LED的時隙不同；LEiD丨匕,為屬于第i個時隙的LED，記作LED-TSi，表示在第i個時隙內發射自己的LED-1D，其他時隙都為O ; 每個空間單元中LED的LED-1D以時分復用的形式加載到LED發射的光信號中，形成數據光信號； 步驟四、室內用戶攜帶探測器，探測器所在平面作為參考面，探測器接收所在空間單元的LED發射的數據光信號，忽略其他LED對探測器的干擾；在接收的串行數據中識別幀頭，兩幀數據的幀頭之間即為 定位時段；與探測器相連的上位機檢測定位時段的每個比特寬度功率大小來判斷接收的是O碼還是I碼，得到定位時段每個比特的碼型，再根據定位時段中每個時隙的比特位數劃分出每個時隙對應的LED-1D ;通過三個不同時隙的LED-1D將用戶定位到由這三個LED編號LED丨L對應的三角形區域內； 步驟五、將等邊三角形小區進行細分，具體方法為:在等邊三角形內部，由等邊三角形中線和邊圍成的三個等面積四邊形子小區； 步驟六、探測器在識別幀頭的同時，探測得到三個LED燈的光功率，比較接收的三個LED燈的光功率，將用戶定位于光功率最大的子小區，若某兩個時隙的光功率相同則將用戶定位到這兩個時隙對應的子小區的交界處； 步驟七、探測器的輸出經放大和模數轉換后，得到待處理的數據信號，透明傳輸至接收端的上位機；接收端的上位機根據步驟四、六所獲取的用戶位置信息，再將此信息以無線網絡上傳至服務器，服務器控制發射端發送的數據幀內容。
2.根據權利要求1所述的一種基于可見光標簽的室內定位方法，其特征在于:在發射端的定位數據幀后加入圖像傳輸時段，圖像傳輸時段和定位時段相同，由圖像數據編碼后以時分復用的形式組成；通過步驟三設定的幀結構，就能在完成定位功能的同時實現對應子小區的圖像數據的傳輸。
3.根據權利要求1所述的一種基于可見光標簽的室內定位方法，其特征在于:所述的LED發送的定位數據幀由信號發生器產生，加載到LED驅動放大電路上，LED驅動放大電路與LED燈陣列連接，驅動LED燈陣列發出數據光信號來傳輸定位數據幀內容；每個單元中的三個LED分屬于不同的時隙，每個LED=,,分別在第i個時隙內發射(X，y)通過編碼轉換的LED-1D，其他時隙發射O。
4.根據權利要求1所述的一種基于可見光標簽的室內定位方法，其特征在于:所述高速為兆量級速率。`
【文檔編號】G01S5/16GK103823204SQ201410084621
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2014年3月10日
【發明者】楊愛英, 吳永勝, 王雨, 孫雨南 申請人:北京理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
