基于可见光传输时间的VLC定位方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。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。本专利技术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。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。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。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：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)。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。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。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：Ptx0(i)＝Psrc(i)+Tdcode+f(ΔOSC)+Tdwire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。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)。本专利技术提供的这种方法的最大优势是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。附图说明图1：为本专利技术实施例中发射机和接收机的联合定位示意图；图2：为本专利技术采用滑动窗方法获取发射机时间戳的流程图；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；图4：3点定位示意图；图5：利用滑动窗获取发射当前同步时钟序列示意图图中：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下面结合附图对本专利技术作进一步的描述，并不能用来限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供的利用可见光传输时间进行室本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：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。

【技术特征摘要】
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：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。2.如权利要求1所述的基于可见光传输时间的定位方法，其特征在于：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。3.一种基于可见光传输时间的定位系统，其特征在于：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灯具的驱动电流进行调制，从而使得LED灯具发出的灯光携带经过调制的信息，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。4.如权利要求3所述的基于可见光传输时间的定位系统，其特征在于：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。5.如权利要求3-4中任一项所述的基于可见光传输时间的定位系统，其特征在于：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。6.如权利要求5所述的基于可见光传输时间的定位系统，其特征在于：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： ( x 1 - x ) 2 + ( y 1 - y ) 2 + ( z 1 - z ) 2 = c × Vt 1 ( x 2 - x ) 2 + ( y 2 - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕斌如，黄臻，吕强，吕志勤，
申请(专利权)人：吕斌如，
类型：发明
国别省市：湖北;42