基于可见光传输时间的VLC定位方法和装置 |
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| 申请号 | CN201610555071.7 | 申请日 | 2016-07-15 | 公开(公告)号 | CN106226734A | 公开(公告)日 | 2016-12-14 |
| 申请人 | 吕斌如; | 发明人 | 吕斌如; 黄臻; 吕强; 吕志勤; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种基于可见光光传输时间的VLC 定位 方法和装置，利用日益普及使用的LED照明 灯具 ，对其供电电源进行调制，使其发出的可见光携带信息并被定位接收机接收，定位接收机对接收到的LED照明灯具发出的可见光所携带的调制信息进行解算，获得接收机到多个 LED灯 具的距离，再根据这些LED灯具的 位置 坐标，从而最终获得接收机的定位。其中，在室内照明系统中设置具有足够时钟 精度 的时钟源，该时钟源不断输出时钟戳用于各个LED灯具调制信息的时钟同步。本发明有效避免了周围环境对光强场域的影响导致的误差问题，并且不需要与其他 传感器 的测量信息进行融合就可以做到较高精度的定位。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于可见光传输时间的定位方法，其特征在于包括步骤： |
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| 说明书全文 | 基于可见光传输时间的VLC定位方法和装置技术领域[0001] 本发明涉及一种室内定位方法，具体涉及一种用于室内以及便于安装LED照明灯的场所的空间定位方法，特别涉及到基于可见光传输时间来进行室内空间定位的方法和装置。 背景技术[0002] 当前室内定位导航技术大多采用无线射频的方式，例如Wi-Fi、ZigBee等，但是都需要额外设置收发天线和收发器，带来了额外的成本和安装负担。目前由于LED灯具的普及，使得基于可见光通信的室内定位技术开始获得发展。现在这些基于可见光通信的定位技术均依据获取光强信息，然后依据现有的光强场域模型进行计算从而得到接收机(即用户)到发射机(即作为信号源的LED灯具)之间的距离，最后通过定位算法求解接收机坐标。 [0003] 传统利用光强信息定位方法受到多种因素影响，其定位误差变化较大，尤其在某些特殊条件下难以实现准确定位。这些误差影响因素主要包括LED灯具的不一致性、光学通路受遮挡和多径效应等多方面。例如，实际应用中各LED灯具在制造、光学特性、安装参数等方面均存在不一致性，因此使用统一的光学场域模型计算光强衰减会带来一定的误差，而这种误差会进一步影响后期定位计算的定位误差。同理，在实际使用中，场景中各物体的光学反射模型不经并不一样，而且难以获得该模型，因此其多径效应的影响也存在不一致性。显然，若考虑更为复杂的情况，例如使用者的人为遮挡方式、接收机非水平放置等多种因素，其室内定位精度将会更低。 [0004] 为降低传统基于可见光通信的定位方法的误差，目前往往采用两种方式提高定位精度。一种方式是降低定位场景的外在影响因素，例如严格限定接收机处于水平放置。这种方式虽然提高了定位精度但是其通用性或适用场景受到极大的影响。另一种方式则将其他传感器信息与可见光定位信息进行融合以提高定位精度。例如，利用陀螺仪获取短时间的移动坐标，然后与可见光定位信息融合可以降低误差。或者利用Wi-Fi定位信息与可见光定位信息融合以提高定位精度。但是这种方式均需要额外的系统，增加了系统的成本、复杂度和计算量。 发明内容[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于可见光光传输时间的VLC定位方法及其实现，本发明与传统方法的主要不同在于通过获取可见光传输时间长度进行定位。首先在室内照明系统中应用具有调制功能的LED光源，并设置一个具有足够时钟精度的时钟源，该时钟源不断输出时钟戳用于各发射机的时钟同步。在发射机接收到一定数量的时钟戳后进行处理，从而得到该发射机的时钟戳。此时的时钟戳是发射机设置的第1个时钟戳，在此之后发射机按照滑动窗的方法设置每一个时刻的时钟戳。发射机会在该时钟戳时刻输出数字报文，并且该报文含有发射机时钟戳以及该发射机的位置信息。而接收机接收到多个LED灯具的数字报文后，会计算出接收机到每个发射机的光传输时间长度，进而计算距离和定位。 [0006] 本发明提供了一种基于可见光传输时间的定位方法，包括步骤：多个具有调制功能的LED灯具发射经过信息调制的可见光，所述可见光的调制信息中包括相应LED灯具的位置和时间戳；接收机通过可见光获得多个LED灯具发出的调制信息后，解算出相应LED灯具到接收机的距离；通过多个LED灯具的位置信息和到接收机的距离计算获得接收机的坐标，从而实现对接收机的定位。 [0007] 在上述技术方案中，通过至少3个LED灯具的位置信息和到接收机的距离计算得到接收机的三维坐标。 [0008] 本发明还提供了一种基于可见光传输时间的定位系统，包括时钟源、至少三个灯具信号源和至少一个接收机；其中每个灯具信号源包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，每个灯具信号源的发射机通信获得时钟源的定时信息，每个灯具信号源的发射机对相应的LED灯具进行调制，从而使得LED灯具发出的灯光携带经过调制的信息，该调制信息的内容包括相应LED灯具的安装位置坐标和从时钟源获得的定时信息的时间戳；每个接收机通过接收至少三个灯具信号源的LED灯具所发出的经过调制的灯光，分别解算所携带的调制信息，从而分别计算该接收机与所能够接收到的各个灯具信号源的LED灯具之间的距离，通过该接收机与接收到的LED灯具之间的距离以及相应的LED灯具的位置坐标，计算得到每个接收机的位置坐标。 [0009] 在上述技术方案中，每个灯具信号源的发射机对相应的LED灯具的直流驱动 电源进行调制。 [0010] 在上述技术方案中，每个接收机获得所能够接收到的各个LED灯具的灯光中所携带的调制信息后，解算调制信息中的时间戳，根据时间戳中的发射时刻和接收机接收到该调制信息的时刻差，解算出相应灯光的传输时间长度Ln＝c×Vtn，其中Ln为第n个LED灯到接收机的距离，c为大气中的光传输速度常数，Vtn＝|tT-tR|为第n个LED灯发射时刻与接收机接收时刻的时间差。 [0011] 在上述技术方案中，当获得多个LED灯具的位置信息以及其到接收机的距离后，可列方程组： [0012] [0013] 其中(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，L，(xn，yn，zn)表示第1个，第2个以及第n个灯具的坐标；对上述的方程组，采用最小二乘法解算出接收机的位置坐标(x，y，z)。 [0014] 在上述技术方案中，所述时钟源通过电源网络向各个灯具信号源中的发射机广播时钟戳；各个灯具信号源中的发射机均按照该时钟源输出的时间戳信息进行对时，保证各个灯具信号源中的发射机与所述时钟源同步。 [0015] 在上述技术方案中，所述时钟源以固定时间间隔Tiout不断输出当前时钟戳；各个灯具信号源分别根据相邻时钟戳的间隔得到发射机对LED灯具调制的时钟戳设定值。 [0016] 在上述技术方案中，各个灯具信号源的发射机对LED灯具调制的时钟戳设定值P0tx可以用下式计算： [0017] Ptx0(i)＝Psrc(i)+Tdcode+f(ΔOSC)+Tdwire [0018] 式中，Ptx0(i)表示为在第i个发射机对LED灯具调制的时间戳设定值；Psrc(i)为第i个发射机分配到的时钟源输出的时钟戳；f(ΔOSC)为误差函数，表示由于发射机与时钟源的晶振不同步所引起的误差时间长度；Tdcode为发射机对时钟源输出的当前时钟戳进行报文解码所引起的延时时间长度；Tdwire为时钟源输出的当前时钟戳经通信传输到发射机所引起的传输延时时间长度。 [0019] 在上述技术方案中，其中一个接收机在一段时间Tsqu之后，即时钟源输出Nsqu次的时钟戳时，可以按照时刻得到一系列的发射机对LED灯具调制的时间戳初值序列Ptx0(t|0＜t＜Tsqu)，经过处理可以得到经过Tsqu时间长度之后可以得到第1个发射机的时间戳设定值Ptx(i＝1|1＜t＜Nsqu)，按照滑动窗原则，得到第2个发射机的时间戳设定值Ptx(i＝2|2＜t＜Nsqu+1)，以及第n个发射机的时间戳设定值Ptx(i＝n|n＜t＜Nsqu+n)。 [0021] 图1：为本发明实施例中发射机和接收机的联合定位示意图； [0022] 图2：为本发明采用滑动窗方法获取发射机时间戳的流程图； [0023] 图3：因多径和遮挡效应产生光强变化导致测量误差的示意图； [0024] 图4：3点定位示意图； [0025] 图5：利用滑动窗获取发射当前同步时钟序列示意图 [0026] 图中：1-时钟源、2-发射机、3-网络连接总线、4-接收机、101-反射面、102-遮挡物具体实施方式 [0027] 下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。 [0028] 本发明提供的利用可见光传输时间进行室内定位的LED灯具及其控制系统，如图1所示，包括时钟源1和n个灯具信号源，每个灯具信号源包括相应的发射机2和与之电连接的LED灯具，其中时钟源1和n个灯具信号源通过网络连接总线3进行通信，每个灯具信号源的发射机2通过网络连接总线3获得时钟源1的定时信息，每个灯具信号源的发射机2对相应的LED灯具使用的直流电源进行调制，从而使得LED灯具发出的灯光是经过调制的，可以携带经过调制的信息，该调制信息的内容包括灯具信号源(即相应的LED灯具的安装位置)的位置坐标和 从时钟源1获得的定时信息的时间戳，其中时间戳具有ns级精度，以保证定位精度。接收机4通过接收至少三个灯具信号源的LED灯具所发出的经过调制的灯光，进行解调制，在接收机4中实时解算所接收到的各个灯具信号源的LED灯具所发出的灯光所携带的调制信息，从而能够分别计算接收机4与所能够接收到的各个灯具信号源的LED灯具之间的距离，通过该接收机4与接收到的LED灯具之间的距离以及相应的LED灯具的位置坐标，从而能够计算得到接收机4的位置坐标。 [0029] 对于图1所示的利用可见光传输时间进行室内定位的LED灯具及其控制系统，本发明还提供了一种利用可见光传输时间进行室内定位的方法，包括： [0030] 步骤1：室内照明系统中设置时钟源1和若干带有调制功能的LED灯具，其中每个LED灯具都具有信息发射功能。其原理是使用发射机2对LED灯具所使用的直流电源进行调制，从而使得LED灯具发出的灯光可以携带信息，信息内容包括该LED灯具的位置坐标和时间戳，其中时间戳具有ns(纳秒)级精度，以保证定位精度。需要定位时，在接收机中实时接收多个LED灯具所发出的灯光所携带的调制信息，并根据所携带的调制信息计算接收机4到各个LED灯具的距离，从而完成接收机4的定位功能。 [0031] 在步骤1中，利用可见光传输时间进行VLC定位的原理及其信号处理流程见图2。首先，在系统上电运行后，由高精度的时钟源1发出定时信号，时钟源1以闭环反馈方式提供高精度(ns级)的定时信号，各个LED灯具所对应的发射机2均通过总线3接收时钟源1发出的定时信号，计算每个定时信号所携带的时间戳并进行保存，经过N次同步处理，进而保证各个LED灯具所对应的发射机2具有高度的时钟同步性。即经过多次对时处理，系统时钟同步完成后，各个LED灯具所对应的发射机2进行时间滑动窗处理，得到当前时刻的时间戳，并以当前时刻的时间戳和所对应的LED灯具的位置坐标来调制所对应的LED灯具直流电源，使得各个LED灯具在其所对应的发射机控制下点亮发光，通过各个LED灯具发出的可见光承载定时发送包含时间戳的信息。 [0032] 接收机4接收到信息后，其计算定位坐标的原理如图4所示。首先，提取可见光信号中所承载的时间戳，并与本地时间对比，计算时间差Vt，随之应用L＝c×Vt计算发出承载该时间戳的可见光的LED灯具到接收机4的直线距离。当接收机4接收到三个及以上LED灯具在发射机2控制下发来的承载有时间戳的可见光信号后，就可以得到方程组： [0033] [0034] 其中(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，L，(xn，yn，zn)分别表示第1个，第2个直到第n个灯具的坐标，(x，y，z)表示接收机的坐标；t1，t2，...，tn分别表示接收机4从第1个，第2个直到第n个灯具接收到的时间戳信息与接收机4当前时间之间的差值；L1，L2，...，Ln分别表示接收机4到第1个，第2个直到第n个灯具的直线距离。 [0035] 由于各个LED灯具的坐标被事先确定或事先已知，并由可见光信号将其与时间戳信号一起发送给接收机4，因此解算上述方程组，就可以得到接收机4所处的坐标位置，从而实现接收机4所处点位的定位功能。解算上述方程组的方法，可以应用迭代算法，得到一组最小二乘解。 [0036] 本步骤中，各个LED灯具的坐标在系统设计时即已确定或者在施工安装后通过对LED灯具进行实地测量获得，各个LED灯具的位置坐标存储在各个LED灯具所对应的发射机中。而系统的定位精度有赖于系统中各个发射机的时钟精度以及其同步算法，若定位精度为1m则时间精度应当在3ns之内。 [0037] 步骤2，系统时钟同步及可见光传输时长的计算 [0038] 由步骤1可知，为保证系统定位的功能实现，需要系统中的时钟源1与各个LED灯之间的时钟高度同步，且其时钟精度为ns级。本发明中应用滑动时间窗，来保证各个发射机2时钟的同步精度。如图5所示： [0039] 首先时钟源1以固定时间间隔Tiout不断输出当前时钟戳，并且该时间间隔的时钟精度应当为ns级别，例如1ns或者2ns。根据2次时钟戳的间隔得到时钟源1的时钟戳时间间隔长度，进而得到发射机2发射时钟戳时钟设定初值。因为不同时刻下的发射机2与时钟源1的晶振同步误差分布P(ΔOSC)应当为正态分布，其在不同时刻的过程ΔOSC(t)应当为马尔科夫平稳随机过程。按照滑动窗原则，从第1次开始，即以某一时刻的时间戳作为第1次时间戳，在经过第Nsqu次的时钟源1的时钟戳后才得到第1个发射机的发射时间戳设定值。而第2个发射机的发射时间戳设定值则从第2次时钟源时钟戳到第Nsqu+1次的时钟源时钟戳后设定。 以此类推可以得到第n个发射机的发射时间戳设定值，其中Nsqu大于系统中发射机的个数n，或者至少大于接收机所能够接收到的灯光所对应的LED灯具的个数。 [0040] 其次，将第i时刻时钟源1输出的时钟戳表示为Psrc(i)，则当发射机2接收到2个来自时钟源1的时钟戳后，可以计算出两个时钟戳的时间间隔长度Tiout＝Psrc(i)-Psrc(i-1)。根据Tiout可以计算该发射机2对时钟戳报文解码引起的延时时间长度Tdcode，以及发射机2与时钟源1的晶振同步误差ΔOSC。另外，由于每个发射机2到时钟源1的网络间隔位置已知，因此可以得出应线缆传输延时引起的延时时间长度Tdwire。然后，发射机2输出时钟戳的初始值P0tx可以用下式计算： [0041] Ptx0(i)＝Psrc(i)+Tdcode+f(ΔOSC)+Tdwire [0042] 式中Ptx0(i)表示为在第i个时刻发射机的时间戳初值；Psrc(i)为在第i时刻时钟源输出的时钟戳；f(ΔOSC)为误差函数表示因发射机2与时钟源1的晶振不同步引起的误差时间长度。 [0043] 另外，因为不同时刻下的发射机2与时钟源1的晶振同步误差分布P(ΔOSC)为正态分布，其在不同时刻的过程ΔOSC(t)为马尔科夫平稳随机过程。 [0044] 因此，从第1次时钟戳到第Nsqu次的时钟戳后，即在一段时间Tsqu之后，接收机可以按照时刻得到一系列的发射时间戳初值序列Ptx0(t|0＜t＜Tsqu)。最后对当前的序列Ptx0(t|0＜t＜Tsqu)按照时间序列做处理，可以得到在从开始经过Tsqu时间长度之后(第Nsqu次)可以得到第1个发射机发射时间戳设定值Ptx(i＝1|1＜t＜Nsqu)。由于此时设定值为第1次设定值，因此i＝1。 [0045] 以此类推，按照滑动窗原则，依旧按照Nsqu次的长度，得到第2个的发射机发射时间戳设定值Ptx(i＝2|2＜t＜Nsqu+1)，以及第n个的设定值Ptx(i＝n|n＜t＜Nsqu+n)。 [0046] 由于系统中具有多个发射机，为保证接收机4能够区别不同发射机2发出的信号，在信号发射系统中采用频分复用和时分复用技术。由于现有技术中的LED灯具本身在正常工作时，电阻处于恒定，因此其驱动电源可以看作一个恒压直流电源，本发明中在此直流电源上叠加一个载频电流，载频电流有多个频率点，对 载频电流进行调制，可以使载频电流携带信息，同时该载频电流会引起LED灯具发出的光线带有轻微的高频闪烁，而肉眼对这种轻微的高频闪烁不敏感，仅能由接收机接收后获得信息。这样使得，发射系统具有多个频率点，则可以在相邻的多个LED灯具中采用不同的发射频率，同时，整个定位系统在时钟同步后，具有ns级的时钟精度，在具有相同发射频率的LED灯具之间，采用不同发射时刻进行信号发射，如此可以保证不论定位网络大小，都可以实现对信号来源的区分与识别。频率点的数量可以为4-40个，根据LED灯具的布设间隔和密度进行灵活确定，保证接收机4处于任何位置时所能接收到的发射机2都具有不同的发射频率，从而能够根据发射频率来区分不同的发射机2发出的信号，避免相距接收机4不同距离的LED灯具因为发射时间间隔顺序正好相反而引起的信号叠加干扰的问题。 [0047] 经过以上算法处理，接收机4处接收到信号的时刻与发射机发射时刻的时钟精度可以达到ns级，保证了系统的定位精度。 [0048] 此外，在本步骤中，时钟同步只在系统LED灯发射机2与时钟源1之间，接收机4并不需要与系统实时时间同步，因此在接收机4收到发射的信号后，对可见光传输时长为Vtn＝|TSn-TLocal|，其中|·|表示取绝对值，TSn表示从第n个发射机中提取的时间戳，TLocal表示接收机本地时间。由于接收机4没有参与系统时钟同步，其值可能比系统时间小，也可能比系统时间大，取绝对值后，可以保证参与计算的Vtn为正值。 [0049] 步骤3，可见光多径效应与消除 [0050] 可见光在传输的过程中遇反射面时，会产生反射，从而引起到达接收机4的可见光可能从多个路径来自于同一个LED灯具，如图3所示。路径1为LED灯具到接收机4的直达路径，为定位系统中的有效路径，而路径2为LED灯具发射的可见光经反射面101反射到达接收机4，是定位系统中的干扰光线。显然路径1与路径2的长度不同，因此其到达接收机4的时刻不同，分别以TR1、TR2表示，且TR1＜TR2。由于经路径1和路径2传来的光线由同一LED灯具发出的光线，其信息中的时间戳为同一时间戳，因此通过运算：Vt＝Min(|TR1-TS|，|TR2-TS|)，其中Min()表示取小运算，Ts为可见光中含有的时间戳，即可确定其有效路径，有效的避免多径和遮挡效应所带来的定位误差。 [0051] 如图3所示，光线传播路径上的遮挡物102和反射面可能带来多径效应，或者当遮挡物102完全挡住直达路径1时，从反射过来的路径2将成为到达接收机4的唯一路径，为了解决这种遮挡问题，可以采用两种算法予以解决：一是在接收系统中应用光强检测，并对接收到的信号以其光线强度大小进行排序，最后仅选取部分排名前列的信号组成方程组，计算定位信息。在这个过程中，没有直射只有反射的光线由于其强度将会比直射光线的强度小很多，因此会被排除在方程组之外，从而不会被应用于定位计算中。二是在解算方程组的算法设计上应用容错处理，即在方程组中应用4个及以上LED灯具发射来的信息，当只有反射光而没有直射光时，由于其光线路径延长，在计算得到的二乘解将会引起得到的误差增大，找到引起误差增大的项，并抛弃之，以剩下的方程重新进行解算，从而到达容错处理的效果。 [0052] 需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。 |
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