一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法。由于传统的可见光室内定位系统中存在多个参考点光源，而不同参考点光源之间的由于传输路径的不同会导致码间干扰的产生，进而大大影响了室内定位的精度。为此提出一种基于CDMA调制的室内可见光通信三维定位方法。通过利用扩频编码的正交性，可以实现原本在时域与频域均重叠的光信号的分离。根据定位终端所获得的ID位置信息确定定位的位置区域；根据接收端光强衰减因子并运用所提出的RSS三角定位算法确定定位的位置坐标。比起传统的可见光通信定位技术不仅大大提高了定位的精度，而且系统简单、稳定且不需要同步发射，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可见光通信定位技术，特别涉及一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法。
技术介绍
近年来，室内定位系统(IndoorPositioningSystems,IPS)成为最热门的话题，该技术有利于人类以及智能机器人的室内服务，能够为用户提供位置信息以及推送相应的服务信息。全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)是良好的户外应用导航系统，在手机地图服务、汽车导航、船舶和飞机等领域具有广泛的应用。然而由于多径衰落、电磁屏蔽效应以及其他无线设备的干扰使得GPS等传统的室外定位技术在室内的信号覆盖率较差，用于室内定位存在较大定位误差。故此，近年来，诞生了许多基于无线电磁波的室内定位技术，如：ZigBee、WiFi、RFID、蓝牙、红外定位等，这些方法提供了几米到几十厘米的定位精度。然而，这些定位系统有以下缺点：(i)需要重新配置较多的信号接入点，增加了室内定位系统的成本以及控制的难度；(ii)由于无线信号的空间分布不均匀，且稳定性不高，在同一点定位位置点上波动性较强，进而限制了定位的精度；(iii)这些无线定位技术均会产生电磁干扰，一方面会受到其他无线服务的影响进而影响了定位的质量，另一方面对于类似于医院、机场等电磁敏感的场合并不适用。与上述的室内定位技术不同，可见光室内定位技术是一种基于可见光通信技术(visiblelightcommunication,VLC)的室内定位技术，与传统室内定位技术相比具有定位精度高、无电磁干扰、附加模块少、保密性好、兼顾通信与照明等优点，已引起国际上许多专家学者的关注。现有的VLC定位算法大致可以分为三类：场景分析法(sceneanalysis)、邻近法(proximity)、三角定位法(triangulationalgorithm)。场景分析法是指通过将测量信息与预先校准的数据库进行匹配的一种定位算法，省去了计算的过程。然而需要进行精确的预校准，不可立即运用于一个新的环境设施里面。邻近法则依靠一个具有多个参考点的网格，每个格点都有一个已知的位置，因而定位的精度不会超过网格本身的分辨率。三角定位法是使用三角形的几何性质来进行位置估计的算法，它主要分为两种：角度法和多边法。角度法指测量接收端相对于若干个定位参考点的到达角(angleofarrival,AOA)，通过寻找方向线的交点实现位置的估算。角度法本质上为成像定位技术，通过摄像头来捕获接收视场角(fieldofview,FOV)。而多边法则是通过测量接收端与不同定位参考点LED光源之间的水平投影距离进而估算出接收端的具体坐标值。定位的距离检测一般可通过到达时间(time-of-arrival,TOA)、到达时间差(time-difference-of-arrival,TDOA)或接收信号强度(Receivedsignalstrength,RSS)等方式。其中RSS算法通过测量可见光信号在空间传递过程中的衰减因子即可检测定位的距离，并不像TOA或TDOA算法中要求发射端和接收端具有严格的同步时钟周期，控制简单且具有更高的定位精度。进一步地，一般使用三角定位算法通过基于强度调制和直接检测技术(IntensityModulationandDirectDetection,IM/DD)的接收信号强度来估算定位的距离时，至少需要知道三个不同参考点的位置坐标，而不同参考点信源所发出的ID位置信息在时域和频域上一般是重叠的，且会由于多径效应而产生码间干扰，进而大大限制了VLC定位的精度。为了克服码间干扰，进一步提高定位的精度，KimHyun-Seung等采用载波分配技术，但由于发射端和接收端不随频率稳定变化，因而需要额外的补偿算法；YangSe-Hoon等分别采用时隙分配技术和波长分配技术来克服码间干扰的影响，却需要发射端和接收端有严格的同步以及需要光学滤波器或多个接收器分集接收；这些方法都大大增加了系统的复杂程度。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提出了一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法。发射端分别对每个LED所发射的ID位置信息进行CDMA编码，通过利用扩频码的正交性，可以实现时域与频域均重叠的信号的分离，进而克服了定位系统中由于存在多个参考点光源以及多径效应所导致的码间干扰；不需要对发射端进行同步处理；大大简化了控制的复杂程度；提升了定位的精度。接收端经解扩处理后，获得ID位置信息以及对应的接收信号强度，通过ID位置信息确定定位的位置区域；通过光强的衰减因子获得定位位置区域内接收端与各LED参考点之间的距离，并通过本专利技术所提出的定位算法实现三维位置坐标的确定。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法，包括以下步骤：步骤1、与三维物理坐标相关的所有LED灯具的ID位置信息通过CDMA调制后形成扩频信号；步骤2、所述扩频信号由LED驱动电路驱动LED灯具发射可见光信号；步骤3、所述可见光信号经光电检测器件转换为电信号；所述电信号通过移动终端即定位终端的检测获得光强衰减因子；所述电信号再经过CDMA解调处理后形成ID位置信息；步骤4、定位终端根据所述ID位置信息确定定位的位置区域；步骤5、根据所述光强衰减因子通过RSS三角迭代算法得定位位置区域内定位终端与各LED灯具之间的距离，进而获得定位终端具体的物理三维坐标；RSS三角迭代算法如下：对于室内VLC定位系统，主要考虑直射视距链路，因为光信号从LED灯具到定位终端的光电检测器件的信道增益可表示为：其中θ为LED的发射角；为光电检测器件的入射角；A为光电检测器件的有效面积,d为LED灯具到定位终端间的距离,θc为定位终端的视场角,Ts(θ)为光学滤波器的增益,G(θ)为光学透镜的增益,mt和mr均为朗伯阶数；由公式(1)可得定位单元中第i个LED与定位终端间距离为：其中，当考虑定位终端水平放置时，有其中，(H-h)为LED与定位终端间的垂直距离，H为定位单元的高度，故此公式(2)表示为：通过光强衰减因子的检测可以获得H(0)i，通过定位高度的判决算法可以获得h也即为定位终端的z轴坐标ze；进而可以获得定位单元中第i个LED与定位终端间距离di；根据勾股定理，可获得定位单元中第i个LED与定位终端间的水平投影距离di,x,y根据定位区域内LEDA、LEDB、LEDC三盏LED灯具，运用三角定位法，可以获得定位终端的位置坐标(xe,ye)其中，[xA，xB，xC]和[yA，yB，yc]分别为LEDA、LEDB、LEDC三盏LED灯具的x和y物理坐标；最终可获得定位终端的三维坐标(xe,ye,ze)。进一步地，所述步骤1中的CDMA调制还包括以下步骤：步骤11、所述的ID位置信息通过OOK基带调制形成基带调制信号；步骤12、所述基带调制信号经过扩频码进行扩频操作，再将扰码加载到扩频后的信号中形成最终的扩频信号。进一步地，所述步骤3还包括以下步骤：步骤31、所述可见光信号经光电检测器件的光电转换后形成电信号；所述电信号经过定位终端的检测可获得光强衰减因子；步骤32、所述电信号经过放大、滤波后形成解扩前信号；步骤33、CDMA解扩模块通过内置的同步电路来捕捉LED灯具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、与三维物理坐标相关的所有LED灯具的ID位置信息通过CDMA调制后形成扩频信号；步骤2、所述扩频信号由LED驱动电路驱动LED灯具发射可见光信号；步骤3、所述可见光信号经光电检测器件转换为电信号；所述电信号通过移动终端即定位终端的检测获得光强衰减因子；所述电信号再经过CDMA解调处理后形成ID位置信息；步骤4、定位终端根据所述ID位置信息确定定位的位置区域；步骤5、根据所述光强衰减因子通过RSS三角迭代算法得定位位置区域内定位终端与各LED灯具之间的距离，进而获得定位终端具体的物理三维坐标；RSS三角迭代算法如下：对于室内VLC定位系统，主要考虑直射视距链路，因为光信号从LED灯具到定位终端的光电检测器件的信道增益可表示为：其中θ为LED的发射角；为光电检测器件的入射角；A为光电检测器件的有效面积,d为LED灯具到定位终端间的距离,θc为定位终端的视场角,Ts(θ)为光学滤波器的增益,G(θ)为光学透镜的增益,mt和mr均为朗伯阶数；由公式(1)可得定位单元中第i个LED与定位终端间距离为：其中，C=mt+12π·A·Ts(θ)·G(θ)---(3)]]>当考虑定位终端水平放置时，有其中，(H‑h)为LED与定位终端间的垂直距离，H为定位单元的高度，故此公式(2)表示为：di=CH(0)i·(H-h)(mt+mr)(2+mt+mr)---(4)]]>通过光强衰减因子的检测可以获得H(0)i，通过定位高度的判决算法可以获得h也即为定位终端的z轴坐标ze；进而可以获得定位单元中第i个LED与定位终端间距离di；根据勾股定理，可获得定位单元中第i个LED与定位终端间的水平投影距离di,x,ydi,x,y2=di2-(H-ze)2---(5)]]>根据定位区域内LEDA、LEDB、LEDC三盏LED灯具，运用三角定位法，可以获得定位终端的位置坐标(xe,ye)(xe-xA)2+(ye-yA)2=dA,x,y2(xe-xB)2+(ye-yB)2=dB,x,y2(xe-xC)2+(ye-yC)2=dC,x,y2---(6)]]>其中，[xA，xB，xC]和[yA，yB，yC]分别为LEDA、LEDB、LEDC三盏LED灯具的x和y物理坐标；最终可获得定位终端的三维坐标(xe,ye,ze)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、与三维物理坐标相关的所有LED灯具的ID位置信息通过CDMA调制后形成扩频信号；步骤2、所述扩频信号由LED驱动电路驱动LED灯具发射可见光信号；步骤3、所述可见光信号经光电检测器件转换为电信号；所述电信号通过移动终端即定位终端的检测获得光强衰减因子；所述电信号再经过CDMA解调处理后形成ID位置信息；步骤4、定位终端根据所述ID位置信息确定定位的位置区域；步骤5、根据所述光强衰减因子通过RSS三角迭代算法得定位位置区域内定位终端与各LED灯具之间的距离，进而获得定位终端具体的物理三维坐标；RSS三角迭代算法如下：对于室内VLC定位系统，主要考虑直射视距链路，因为光信号从LED灯具到定位终端的光电检测器件的信道增益可表示为：其中θ为LED的发射角；为光电检测器件的入射角；A为光电检测器件的有效面积,d为LED灯具到定位终端间的距离,θc为定位终端的视场角,Ts(θ)为光学滤波器的增益,G(θ)为光学透镜的增益,mt和mr均为朗伯阶数；由公式(1)可得定位单元中第i个LED与定位终端间距离为：其中，C=mt+12π·A·Ts(θ)·G(θ)---(3)]]>当考虑定位终端水平放置时，有其中，(H-h)为LED与定位终端间的垂直距离，H为定位单元的高度，故此公式(2)表示为：di=CH(0)i·(H-h)(mt+mr)(2+mt+mr)---(4)]]>通过光强衰减因子的检测可以获得H(0)i，通过定位高度的判决算法可以获得h也即为定位终端的z轴坐标ze；进而可以获得定位单元中第i个LED与定位终端间距离di；根据勾股定理，可获得定位单元中第i个LED与定位终端间的水平投影距离di,x,ydi,x,y2=di2-(H-ze)2---(5)]]>根据定位区域内LEDA、LEDB、LEDC三盏LED灯具，运用三角定位法，可以获得定位终端的位置坐标(xe,ye)(xe-xA)2+(ye-yA)2=dA,x,y2(xe-xB)2+(ye-yB)2=dB,x,y2(xe-xC)2+(ye-yC)2=dC,x,y2---(6)]]>其中，[xA，xB，xC]和[yA，yB，yC]分别为LEDA、LEDB、LEDC三盏LED灯具的x和y物理坐标；最终可获得定位终端的三维坐标(xe,ye,ze)。2.根据权利要求1中所述的一种基于CDMA调制的可见光通信三维定位方法，其特征在于，所述步骤1中的CDMA调制还包括以下步骤：步骤11、所述的ID位置信息通过OOK基带...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉香，关伟鹏，易佳霖，陈颖聪，文尚胜，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44