一种基于FFT算法的可见光室内定位系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于FFT算法的可见光室内定位系统及方法，主要包括多白光LED发射端调制模块、微弱光信号检测模块、室内定位算法以及液晶显示模块。本发明专利技术通过光敏传感器对室内空间中包含不同频率LED发出的光的混合光信号进行接收采集，经预处理后通过FFT算法对预处理的光信号进行频谱分析来区分不同点位光信号的强弱并估计信号较强的发射端和接收端的距离，然后应用三边定位算法求解得到接收端的位置信息。本发明专利技术能够很好的满足室内定位对实时性和精确性的要求，在保证正常照明情况下实现了可见光室内定位，保证了定位的精度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FFT算法的可见光室内定位系统及方法
本专利技术涉及可见光室内定位领域，特别涉及一种基于FFT的可见光室内定位方法。
技术介绍
基于卫星定位系统(例如，全球定位系统GPS)的室外定位技术的成功发展，刺激了室内定位技术的开发和研究。然而，在室内无法利用GPS等卫星定位技术实现定位，因此，需要一种可以不依赖卫星信号实现室内定位的技术。现有几种常用的室内定位技术包括红外线、超声波、蓝牙、射频识别、WIFI、LED可见光通信等。其中LED可见光通信技术具有能效高、绿色环保、不受电磁干扰影响且兼具照明和定位两种功能等优势，但同时也存在室内背景光干扰大，定位精度不高，硬件平台不便于携带等问题。
技术实现思路
针对白光LED可见光室内定位存在的问题，本专利技术提供了一种基于FFT算法的可见光室内定位系统及方法。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于FFT算法的可见光室内定位系统，包括驱动发射单元、接收定位单元以及布置在室内3个以上不同位置的白光LED，所述驱动发射单元包括第一供电模块、第一核心控制模块以及白光LED发射端调制模块，第一供电模块分别与第一核心控制模块以及白光LED发射端调制模块相连，第一核心控制模块与白光LED发射端调制模块相连，各白光LED的发光频率通过白光LED发射端调制模块调制在谐波分量互不重叠的频段内或频点处；接收定位单元包括第二供电模块、第二核心控制模块、微弱光信号检测模块以及液晶显示模块(用于显示接收定位单元的实时定位结果)，第二核心控制模块分别与第二供电模块、微弱光信号检测模块以及液晶显示模块相连，微弱光信号检测模块对通过其光敏传感器采集的室内光信号进行预处理(例如将光信号进行光电转换后放大)，与第二供电模块相连；第二核心控制模块包括采样子模块以及室内定位算法解算子模块，采样子模块用于对室内光信号在经微弱光信号检测模块采集及预处理后进行数字采样，室内定位算法解算子模块用于对数字采样结果进行快速傅里叶变换(FFT)、根据快速傅里叶变换得到的采样点频谱信息对采集到的室内光信号中与各白光LED对应的频谱数据(例如，发光频率对应的幅值)进行提取、依据提取的频谱数据选定三个以上相对于接收定位单元所在待定位位置接收信号最强(幅值最大)的白光LED并计算该白光LED各自与待定位位置的距离，以及用于根据选定的各白光LED的位置坐标及其与待定位位置的距离求解待定位位置的坐标。优选的，所述第一核心控制模块及第二核心控制模块的实现电路包括ARM32位单片机，例如型号为STM32F103C8T6。优选的，所述白光LED发射端调制模块包括与每个白光LED对应的功率控制及信号调制电路(恒流驱动与调制电路)，各功率控制及信号调制电路分别与第一核心控制模块(具体与上述型号的单片机的对应一个I/O口相连)，及对应白光LED相连。优选的，所述微弱光信号检测模块包括依次相连的硅光电池(光敏传感器)、AD795芯片以及LF412芯片，硅光电池用于采集室内光信号，LF412芯片与第二核心控制模块相连(具体与上述型号的单片机的一个ADC口相连)。优选的，所述微弱光信号检测模块、第二核心控制模块、液晶显示模块以及第二供电模块集成为一体。优选的，所述3个以上不同位置的白光LED固定在室内高于地面的不同位置。优选的，所述接收信号最强的白光LED选定为三个且两两之间的连线可以构成非钝角三角形，选定点这三个白光LED的发光频率分别为300Hz、500Hz、700Hz。一种基于FFT算法的可见光室内定位方法，包括以下步骤：1)在室内3个以上不同位置布置白光LED，根据室内空间坐标系确定所布置的各白光LED的位置坐标；2)驱动所布置的各白光LED发光，并使得各白光LED的发光频率调制在谐波分量互不重叠的频段内或频点处；3)于室内待定位位置采集光信号，对采集的光信号依次进行光电转换、放大(预处理)，然后进行数字采样；4)对数字采样结果进行快速傅里叶变换(FFT)，根据快速傅里叶变换得到的采样点频谱信息对待定位位置处采集到的室内光信号中与各白光LED对应的频谱数据(发光频率对应的幅值)进行提取，依据提取的频谱数据选定三个以上相对于待定位位置接收信号最强(幅值最大)的白光LED并计算该白光LED与待定位位置的距离，根据选定的各白光LED的位置坐标以及其与待定位位置的距离求解待定位位置的坐标，最后输出至液晶显示模块进行显示。优选的，为了便于计算，所述室内空间坐标系是以室内地面为X-Y面、室内高度为Z轴，以及选定室内一角或者室内的中心为原点而构建的三维坐标系。优选的，所述频谱信息的获取方法包括以下步骤：对通过数字采样得到的N个采样点进行快速傅里叶变换，将N个采样点的快速傅里叶变换结果分别表示为复数形式，根据每个采样点对应的复数形式计算该采样点采集的发光频率点的幅值和相位，发光频率点的频率值按照以下公式计算：其中，fs为采样频率，n＝0,1,2,…,N-1。优选的，所述白光LED与待定位位置的距离是根据预先标定的对应频率白光LED的光信号的幅值与光信号采集距离的线性关系计算得到的。优选的，所述求解待定位位置的坐标采用三边定位法。本专利技术的有益效果体现在：本专利技术通过核心控制模块与白光LED发射端调制模块、微弱光信号检测模块以及液晶显示模块紧密配合，可以通过对采集的室内光信号进行采样、定位算法解算得到室内光信号采集点(接收端)的位置信息，并实时显示在液晶显示模块上，以保证室内定位系统能准确完成定位，并满足实时性和精确性的要求。本专利技术采用多光源(白光LED)作为信号源，能够有效避免单光源的遮挡和衰减问题，提高定位精度，降低对光源强度的要求，光源布置更为灵活。本专利技术主要利用数字信号完成定位，系统的硬件平台体积小，便于携带。本专利技术采用的基于FFT的定位算法对接收到的光信号进行分析，能够有效滤除干扰，在保证正常照明情况下实现了可见光室内定位，保证了可见光室内定位的精度和稳定性。附图说明图1是本专利技术定位系统结构原理框图。图2是LED发射端信号调制电路图；图中：LT3080的引脚为1～6，S9014的引脚为1～3，2SJ355的引脚为1～3。图3是微弱光信号检测电路图；图中：硅光电池的引脚为1～2，AD795的引脚为1～8，LF412A的引脚为1～4及8，LF412B的引脚为4～8。图4是本专利技术定位系统的模型示意图。图5是接收端算法流程图。图6是三边定位法原理示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。参见图1，本专利技术提供一种基于FFT算法的可见光室内定位方法，实现该方法的系统硬件主要包括多白光LED发射端调制模块、微弱光信号检测模块、核心控制单元、电源供电电路(供电模块)以及液晶显示模块。本专利技术以STM32F103C8T6单片机为核心控制元件，与各部分功能电路紧密配合，通过硅光电池采集光信号，经单片机处理后得接收端的位置信息，并实时显示在液晶屏上，以保证室内定位能准确完成。采用多光源作为信号源，能够有效避免单光源的遮挡和衰减问题，提高定位精度。采用的FFT算法对接收到的信号进行分析，能够有效滤除干扰，结合三边定位算法，在保证正常照明情况下实现了可见光室内定位要求，保证了可见光室内定位的精度和稳定性。参见图1，LED发射端和接收端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FFT算法的可见光室内定位系统，其特征在于：包括驱动发射单元、接收定位单元以及布置在室内3个以上不同位置的白光LED，所述驱动发射单元包括第一供电模块、第一核心控制模块以及白光LED发射端调制模块，第一供电模块分别与第一核心控制模块以及白光LED发射端调制模块相连，第一核心控制模块与白光LED发射端调制模块相连，各白光LED的发光频率通过白光LED发射端调制模块设置在谐波分量互不重叠的频段内或频点处；接收定位单元包括第二供电模块、第二核心控制模块、光信号检测模块以及显示模块，第二核心控制模块分别与第二供电模块、光信号检测模块以及显示模块相连，光信号检测模块与第二供电模块相连，第二核心控制模块包括采样子模块以及室内定位算法解算子模块，采样子模块用于对通过光信号检测模块采集的室内光信号在依次经过光电转换、放大后进行数字采样，室内定位算法解算子模块用于对数字采样结果进行快速傅里叶变换、根据快速傅里叶变换得到的频谱信息对采集到的室内光信号中与各白光LED对应的频谱数据进行提取、依据提取的频谱数据选定三个以上相对于接收定位单元所在待定位位置接收信号最强的白光LED并计算该白光LED各自与待定位位置的距离，以及用于根据选定的各白光LED的位置坐标及所述白光LED各自与待定位位置的距离求解待定位位置的坐标。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FFT算法的可见光室内定位系统，其特征在于：包括驱动发射单元、接收定位单元以及布置在室内3个以上不同位置的白光LED，所述驱动发射单元包括第一供电模块、第一核心控制模块以及白光LED发射端调制模块，第一供电模块分别与第一核心控制模块以及白光LED发射端调制模块相连，第一核心控制模块与白光LED发射端调制模块相连，各白光LED的发光频率通过白光LED发射端调制模块设置在谐波分量互不重叠的频段内或频点处；接收定位单元包括第二供电模块、第二核心控制模块、光信号检测模块以及显示模块，第二核心控制模块分别与第二供电模块、光信号检测模块以及显示模块相连，光信号检测模块与第二供电模块相连，第二核心控制模块包括采样子模块以及室内定位算法解算子模块，采样子模块用于对通过光信号检测模块采集的室内光信号在依次经过光电转换、放大后进行数字采样，室内定位算法解算子模块用于对数字采样结果进行快速傅里叶变换、根据快速傅里叶变换得到的频谱信息对采集到的室内光信号中与各白光LED对应的频谱数据进行提取、依据提取的频谱数据选定三个以上相对于接收定位单元所在待定位位置接收信号最强的白光LED并计算该白光LED各自与待定位位置的距离，以及用于根据选定的各白光LED的位置坐标及所述白光LED各自与待定位位置的距离求解待定位位置的坐标。2.根据权利要求1所述一种基于FFT算法的可见光室内定位系统，其特征在于：所述第一核心控制模块及第二核心控制模块的实现电路包括ARM32位单片机。3.根据权利要求1所述一种基于FFT算法的可见光室内定位系统，其特征在于：所述白光LED发射端调制模块包括与每个白光LED对应的功率控制及信号调制电路，各功率控制及信号调制电路分别与第一核心控制模块及对应白光LED相连。4.根据权利要求1所述一种基于FFT算法的可见光室内定位系统，其特征在于：所述光信号检测模块包括依次相连的硅光电池、AD795芯片以及LF412芯片，LF412芯片与第二核心控制模块相连。5.根据权利要求1所述一种基于FFT算法的可见光室内定位系统，其特征在于：所述光信号检测模块、第二核心控制模块、液晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王会峰，倪敬雪，高荣，柴彩萍，关丽敏，穆柯楠，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61