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一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法

专利类型 发明公开 法律事件 公开;
专利有效性 公开 当前状态 公开
申请号 CN202510242223.7 申请日 2025-03-03
公开(公告)号 CN120034830A 公开(公告)日 2025-05-23
申请人 四川大学; 申请人类型 学校
发明人 曹鸣皋; 张永新; 杨彦兵; 汪晨晨; 孙奕髦; 孙伟; 张频频; 第一发明人 曹鸣皋
权利人 四川大学 权利人类型 学校
当前权利人 四川大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:四川省 城市 当前专利权人所在城市:四川省成都市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:四川省成都市一环路南一段24号 邮编 当前专利权人邮编:610044
主IPC国际分类 H04W4/029 所有IPC国际分类 H04W4/029G08C17/02H04W4/02
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 四川省天策知识产权代理有限公司 专利代理人 李洁;
摘要 本 发明 设计了一种基于双向光无线通信的三维 定位 系统和方法。该系统包括基站和移动终端两个部分,均配备LED光发射模 块 及PD光接收模块,能够同时实现定位 信号 与通信 光信号 的发送与接收。基站以非共线方式布置在 天花 板上,坐标已知;移动终端在空间内自由移动,坐标未知。移动终端利用光接收模块接收基站发送的下行链路定位信号,并通过发射模块将定位数据反馈给基站。基站解码下行链路数据的同时,复用上行链路光信号,捕获下行链路和上行链路的定位信号,并经由以太网将这些数据传送至 服务器 。服务器假设终端位于不同高度层,用线性最小二乘估计出其在每层的二维坐标,计算预期与实际RSS差异,选最小差异两层加权平均估算终端高度,实现三维定位。
权利要求

1.一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,包括基站和移动终端两部分,各个部分上安装有LED光发射模和PD光接收模块,LED发光中心和PD光敏中心不重合;定位时,多个基站以非共线的形式布置在天花板上,移动终端任意分布在三维空间中;当移动终端获取到下行链路定位数据后,通过上行链路光通信系统将定位数据发给基站;当基站汇集齐下行链路和上行链路定位数据后,再通过以太网将数据传输给后台服务器;后台服务器首先假设终端在不同的高度层上,融合信号数据组成位置方程组,通过使用最小二乘算法求解该方程组,可以获得移动终端在该高度层的二维坐标,然后计算每个高度层上预期的信号接收强度与实际测量到的信号接收强度之间的差异,最后通过对比选择最小差异的相邻两层进行加权平均来估算终端的实际高度,从而获得终端的三维坐标;
所述LED光发射模块,由LED、MOS管和MOS驱动电路构成,能够快速控制LED的开关,用于发送调制的光通信或定位信号;
所述PD光接收模块,由PD光电二极管和信号放大电路构成,可将PD产生的微弱电流信号转换为电压信号,用于接收调制的光通信或定位信号;
所述定位信号,在下行链路中采用频分方式,各基站的载波频率互不相同且互质,接收端接收到信号后,利用傅里叶变换区分不同信号;
所述光通信信号,信息先经曼彻斯特编码,转为0/1各占一半的码元,再经开关调制变换成光信号
2.根据权利要求1所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,不仅利用全双工光无线通信系统中的下行链路光信号进行定位,而且将通信用的上行链路光信号复用作定位信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,基站以非共线的形式进行布置,包括但不限于正方形、长方形、三形方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,基站和移动终端上LED和PD的中心位置不重合。
5.根据权利要求1和4所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,基站布置时,其朝向存在差异,用朝向角度表示排布,典型的排布方式包括朝向向内、朝向向外、朝向为旋转。
6.根据权利要求1所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,基站与后台服务器经以太网连接,具体地,通过WiFi、网口实现连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,后台服务器拥有一定的算,可以完成相关算法的部署及数据记录。
8.根据权利要求1所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,高度层取值由场景高度决定,其精度可以进行迭代优化。
9.根据权利要求1所述的一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,采用了选择RSS配置方案来提高其定位精度,每个高度层都配备有一个最优选择配置表。
10.一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,其特征在于,包括以下步骤:
A.多个基站利用发射模块驱动LED发出不同频率的调制光信号,这些信号构成下行链路,且各载波频率互质;
B.移动终端接收模块接收到下行链路信号时,便开始收集信号强度并存储至缓存区,同时操控发射模块发出固定频率的上行链路信号;
C.基站接收到上行链路信号时,也开始采集并将其保存到缓存区;
D.经历固定采样时间T后,终端和基站停止采样;
E.终端将缓存区内的数据封装成光通信格式,并控制发射模块发送光通信开始起始位,通知基站准备接收光通信数据;
F.基站在接收到光通信开始起始位后,控制下行链路发射模块发射准备接收信号,准备进行数据接收;
G.终端收到基站准备接收信号后,通过上行链路将光通信帧数据发射出去;
H.基站收到光通信帧数据,进行数据解码获得终端接收到的下行链路信号强度数据;
I.基站将缓存区内的上行链路信号强度数据和收到的下行链路信号强度数据回传给后端服务器;
K.服务器在接收到上、下行链路的信号强度数据后,根据预先准备的各高度层,组成多个位置解算方程组;
L.通过线性最小二乘算法求得使各方程组误差平方和最小的解,系统即得到了各高度层终端的初始二维位置坐标;
M.根据各高度层中预先准备的最优选择配置表以及初始二维位置坐标,重新选择组合方程组,得到新的二维位置坐标;
N.在各高度层中,通过组合得到的三维坐标计算预期的各个信号接收强度,分别与接收到的各信号强度作差,取绝对值后进行平均计算;
O.通过对比选择最小差异的相邻两个高度层,根据误差进行加权平均来估算终端的实际高度,组成最终的位置解算方程组,通过线性最小二乘算法解得终端的三维位置坐标。

说明书全文

一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法

技术领域

[0001] 本发明属于光无线通信定位技术领域,具体而言,涉及一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法。

背景技术

[0002] 随着科技的发展,人们对室内环境下移动设备和人员进行精确定位的需求日益增加。现有的无线定位技术,如GPS、北斗卫星无线定位,在户外效果良好,但在室内或卫星信号无法覆盖的地方效果较差;另一方面,光无线定位基于LED光源调制发送光信号,接收端通过分析光信号强度、相位等信息,结合定位算法实现精准定位,相比于基于WiFi、蓝牙、RFID等射频定位技术,光无线定位技术成本更低、更为安全,并且由于基于LED的室内照明系统的广泛使用,光无线通信定位系统可以复用现有照明设备或设施,同时实现数据通信和照明功能。其中,LED具有高能效、长寿命、低成本、高安全性等特点,并且光无线定位在复杂室内环境中受多径干扰小,定位精度更高。
[0003] 在当前基于接收信号强度(RSS)的光无线二维定位系统中,下行链路通常用于定位和室内照明,接收端在接收到下行链路的RSS信号后采用三定位算法解算出坐标,再通过上行链路将坐标传回后端服务器。由于三角定位算法的限制,接收端必须接收到来自于不少于3个锚点LED的信号才可以求解出二维坐标。然而在实际场景中,室内安装的LED部署间距一般较大,会导致部分点位无法接收到足够多的锚点LED信号,从而产生定位盲点。因此,本发明注意到在基于RSS的光无线二维定位系统中,上行链路信号不仅可以用于回传通信信息,还可以复用作为定位信号。该方法可以降低系统对锚点数目的要求,减少系统的定位盲点。
[0004] 从现有的光无线二维定位系统的结果中,本发明也注意到当被测物体位置靠近锚点LED正下方时误差较大。分析原因,在场景高度固定的情况下,对于接近垂直角度的目标,即使很小的误差也会产生平面上的较大偏移。因此本发明在光无线二维定位系统的基础上进行维度扩宽,考虑了移动终端的高度,同时提高了系统的实用性,使之不再局限于某个固定平面上的定位。
[0005] 目前的三维定位技术主要包括以下几种方法,分别是基于视觉的三维定位,基于无线信号的三维定位以及基于可见光通信的三维定位。基于视觉的三维定位通过摄像头获取目标的图像信息,结合计算机视觉算法实现三维定位,具有环境依赖性以及高复杂度的缺点;基于无线信号的三维定位利用无线信号的传播特性,如信号强度、到达时间等,实现三维定位,但存在信号衰减和多径效应明显、设备成本较高等问题;基于可见光通信的三维定位利用可见光信号进行定位,具有高精度和低延迟的特点,但如上所述存在盲点问题。因此,开发一种基于双向光无线通信的三维定位系统和方法,具有重要的研究价值和实际应用需求。

发明内容

[0006] 本发明针对当前基于接收信号强度的光无线定位系统存在盲点以及现有的光无线二维定位系统定位垂直误差的问题,提出了基于双向光无线通信的三维定位系统的架构与相应的实现方法。
[0007] 本发明解决问题所采用的基于双向光无线通信的三维定位系统,包括固定基站和移动终端两部分,这二者都集成有光发射和接收模。在定位时,多个基站被安装在天花板上,且以非共线方式排列,其具体坐标位置已知。移动终端在三维空间内自由移动,其坐标位置未知。对于基站,其LED功率大,LED发光中心和PD光敏中心不重合,二者距离记为L1。对于移动终端,其LED功率小,LED发光中心和PD光敏中心也不重合,其距离记为L2。各基站的发射模块控制LED发出具有特定固定频率的调制光信号,且不同基站所发出的调制光信号频率互不相同,这些由基站发出的调制光信号构成了定位系统中的下行链路,被移动终端上的接收模块所接收。同时,移动终端发射模块发出固定频率的调制光信号,作为定位系统中的上行链路被天花板上的多个基站接收。经过固定采样时间后,移动终端收集其接收到的来自多个基站的光信号强度数据,并将这些数据整理打包成固定长度的数据,接着控制其发射模块发出通信数据帧的起始位信号。基站接收到该起始位信号后,准备进行数据帧接收。移动终端通过上行链路将之前接收到的下行链路光信号强度数据传输至基站,基站通过网络将这些数据传送至服务器。服务器假设终端位于不同高度层,用线性最小二乘估计出其在每层的初始二维坐标,再根据最佳选择配置表进一步降低误差得到新的二维坐标,接着计算预期与实际RSS差异,选最小差异两层加权平均估算终端高度,求解出移动终端在三维空间中的坐标。
[0008] 进一步的是,基站在天花板上排布时使用非共线方式,包括正方形、长方形、三角形方式;
[0009] 进一步的是,基站上的LED发光中心和PD光敏中心距离L1,优选范围为10cm~40cm;
[0010] 进一步的是,移动终端上的LED发光中心和PD光敏中心距离L2,优选范围为5cm~10cm;
[0011] 进一步的是,为保证上行链路数据回传速度,上下行链路通信时的调制光信号频率不低于200kHz;
[0012] 进一步的是,为避免下行链路与上行链路反射光相互干扰,同时保留室内照明功能,下行链路采用照明用的白色光,上行链路选用红外光;
[0013] 进一步的是,所述发射模块为高速电子开关,能以不低于1MHz的速度控制LED开和关;
[0014] 进一步的是,所述接收模块是光接收电路,可以将光信号转换为电信号输出;
[0015] 进一步的是,在下行链路中,天花板上的多个基站以互质的不同固定载波频率发射信号;
[0016] 进一步的是,移动终端在定位空间内移动时,其传感器方向为向上,且移动终端为三维空间内的移动;
[0017] 进一步的是,所述最佳选择配置表作为前置条件在初始定位中给出,各个高度层均进行配置。
[0018] 本发明解决其问题所采用的基于双向光无线通信的三维定位系统实现方法,包括以下步骤:
[0019] A.多个基站利用发射模块驱动LED发出不同载波频率的调制光信号,这些信号构成下行链路,且各载波频率互质;
[0020]  B.移动终端接收模块接收到下行链路信号时,便开始收集信号强度并存储至缓存区,同时操控发射模块发出特定载波频率的上行链路信号;
[0021] C.基站接收到上行链路信号时,也开始采集并将其保存到缓存区;
[0022]  D.经历固定采样时间T后,终端和基站停止采样;
[0023]  E.终端将缓存区内的数据封装成光通信格式帧,并控制发射模块发送光通信开始起始位,通知基站准备接收光通信数据;
[0024] F.基站在接收到光通信开始起始位后,控制下行链路发射模块发射准备接收信号,准备进行数据接收;
[0025] G.终端收到基站准备接收信号后,通过上行链路将光通信帧数据发射出去;
[0026] H.基站收到光通信帧数据,进行数据解码获得终端接收到的下行链路信号强度数据;
[0027] I.基站将缓存区内的上行链路信号强度数据和收到的下行链路信号强度数据回传给后端服务器;
[0028] K.服务器在接收到上、下行链路的信号强度数据后,根据预先准备的各高度层,组成多个位置解算方程组;
[0029] L.通过线性最小二乘算法求得使各方程组误差平方和最小的解,系统即得到了各高度层终端的初始二维位置坐标;
[0030] M.根据各高度层中预先准备的最优选择配置表以及初始二维位置坐标,重新选择组合方程组,得到新的二维位置坐标;
[0031] N.在各高度层中,通过组合得到的三维坐标计算预期的各个信号接收强度,分别与接收到的各信号强度作差,取绝对值后进行平均计算;
[0032] O.通过对比选择最小差异的相邻两个高度层,根据误差进行加权平均来估算终端的实际高度,组成最终的位置解算方程组,通过线性最小二乘算法解得终端的三维位置坐标。
[0033] 本发明的有益效果具体如下:(1)通过双向光定位,系统降低了对终端接收基站信号数目的要求,解决了传统光无线定位系统在实际部署时面临的灯具间隔大、密度低而定位盲点多的问题;(2)通过分高度层计算的方法,实现了定位维度的扩展,减少了二维的垂直误差,且更具实用性;(3)定位算法采用简单的三角定位算法,部署成本低,适应性强;(4)在相同系统复杂度下,本发明提出的方法可取得高于传统基于下行链路的光无线定位系统的定位精度,可用于有较高精度需求的室内定位场景。附图说明
[0034] 为了更清楚地说明本发明中所描述的基于双向光无线通信的三维定位系统,下面将列举出一个实施例并给出实施例的附图进行说明。显而易见地,该实施例及附图仅是本发明的一个示例性说明,并不等同于本发明的限制。
[0035] 图1为根据本发明设计的一个基于双向光无线通信的三维定位系统实施例的系统结构图;
[0036] 图2为本发明实施例中基站的一种非共线三角形排布方式,其排布方向为向内;
[0037] 图3为本发明中基站和移动终端上发射模块的高速LED驱动电路原理图;
[0038] 图4为本发明中基站和移动终端上接收模块的光信号接收电路原理图;
[0039] 图5为本发明实施例中提供的一种基于双向光无线通信的三维定位系统实施例的系统数据流程示意图;
[0040] 图6为本发明实施例中提供的一种基于双向光无线通信的三维定位系统实施例的最优选择配置表之一;
[0041] 图7为本发明实施例中提供的一种基于双向光无线通信的三维定位系统实施例的服务器数据处理模块流程图

具体实施方式

[0042] 下面结合上述具体的实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不构成对本发明的限定。
[0043] 首先,在这里给出公式介绍:
[0044] 朗伯模型公式:
[0045]
[0046] 式中,G为光传输的信道增益,d为LED到PD的距离,θ为LED的发射角度,ψ为光线到PD时的入射角度,S为PD的感光面积,m为LED的朗伯阶,M为PD的朗伯阶,θmax为LED的最大发射角,ψmax为PD最大入射角。
[0047] 使用快速傅里叶变换计算接收信号强度公式:
[0048] RSS=FFT(APr)=FFT(AηGPt+ξ),,
[0049] 式中,RSS为信号接收强度,A表示放大器的放大增益,Pr为接收端信号光功率,η为PD的光电转换效率,Pt为发射端功率,ξ为噪声。
[0050] 根据接收信号强度进行距离估计公式:
[0051]
[0052] 式中, 为LED到PD的距离估计值。
[0053] 基站和终端距离公式:
[0054]
[0055] 式中,(xu,yu,zu)为终端的坐标,(xi,yi,zi)为第i个基站中LED的坐标,(ui,vi,wi)为第i个基站中PD的坐标, 为下行链路距离的平方, 为上行链路距离的平方。
[0056] 三角定位算法距离方程公式:
[0057] Aur=b,,
[0058] 式中,
[0059]
[0060] 最小二乘求解公式:
[0061]
[0062] 式中, 为求解得到的在某个高度层上的终端二维坐标。
[0063] 该实施例对应的系统结构图如附图1中所示,包含安装在天花板上的三个基站10、11、12和位于空间内的一个移动终端2。其中基站10、11、12分别包含有LED模块100、110、120作为发射器、PD模块101、111、121作为接收器,移动终端2也包含有LED模块20作为发射器,PD模块21作为接收器。基站10、11、12的排布方式如附图2中所示,为一种非共线三角形排布方式,其排布方向为向内。
[0064] 其中基站和移动终端上的LED驱动电路的原理图如附图3所示,以移动终端上的LED模块20为例。该电路通过控制脚接收控制信号,从而实现对LED的开关控制,使其发出特定频率的信号。LED灯具的正极与电源正极相连,灯具的负极接入驱动电路的负载端。
[0065] 其中基站和移动终端上的PD信号接收电路的原理图如附图4所示,以移动终端上的PD模块21为例。光信号在光电二极管上感应出电流,该电流随后经过由放大器构成的放大电路进行放大处理,最终从信号输出端输出。
[0066] 其中该实施例对应的系统数据流程示意图如附图5所示。移动终端上PD模块21接收到的来自于基站LED模块100、110、120的信号作为下行链路定位信号,基站上PD模块101、111、121接收到的来自于移动终端LED模块20的信号作为上行链路定位信号,分别得到下行链路和上行链路的RSS数据。然后移动终端2通过光无线通信手段将下行链路的RSS数据传输到基站10、11、12上,基站10、11、12通过网络将上行链路数据和下行链路数据一起传输到服务器3处。
[0067] 其中该实施例对应的最优选择配置表之一,如附图6所示。最优选择配置表展示了该高度层中各区域的RSS最佳选择数据集,能够有效地降低误差。由于一般情况下终端获取的RSS是一个Nx2矩阵,其中N是终端视场角之内的基站数,而位置估计需要3个及以上的RSS数据,那么选择RSS数据集方式共有 种,通过遍历这些数据集进行重复多次位置估计,可以比较获得每个测量点的最小平均误差的配置,代表该区域的最优选择配置数据集。而在本实施例中给定3个基站的情况下,共有6个RSS数据源,即有42种不同的数据集。于是在正式测量前,在各预设高度层上划分区域进行双向定位,并将采用不同数据集计算得到的数据精度进行对比,选择平均误差最小的填入配置表内。在附图6划分的每个区域中,ui代表选择第i个上行链路的RSS数据,di代表选择第i个下行链路的RSS数据,共同构成了该区域的最优选择配置数据集,该高度层所有区域的最优选择配置数据集组成最优选择配置表,最终各高度层都能够获得一个最优选择配置表,供服务器3使用。
[0068] 其中该实施例对应的服务器数据处理流程图如附图7所示。服务器3在获得来自于上行和下行链路的RSS数据后,首先进行301距离测量,根据预设的各个高度层,将信号强度数据转换为相应的距离数据。然后302用该数据建立位置方程组,通过线性最小二乘法对该方程进行求解。303首先将在各高度层得到的初始二维坐标与其最优选择配置表进行比对,重新选择RSS数据源组成方程组,得到移动终端新的二维坐标。304将各高度层的RSS数据与预期计算进行对比,选出最小差异的相邻两个候选高度层。305根据候选高度层的RSS数据差值,使用加权平均法估算终端的实际高度,组成最终的位置解算方程组。最后,306通过线性最小二乘算法输出移动终端的三维定位位置。
[0069] 请注意,以上内容仅展示了本发明的优选实施方式以及所使用的技术原理。然而,对于本领域的技术人员来说,他们有能在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动,对实施例进行各种显著的改变、调整或替换。因此,尽管我们通过实施例对本发明进行了详尽的解释,但本发明并不仅限于这些例子,由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。只要不偏离本发明的核心思想,它还可以包含更多的等效实施例。最终,本发明的范围将由随附的权利要求书来确定。
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