一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法，该装置包括同步时钟发射源、至少三个灯具发射机和至少一个接收机；其中每个灯具发射机包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，同步时钟发射源和每个灯具发射机通过网络连接总线进行通信。本发明专利技术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。

Indoor positioning device and method for visible light communication based on carrier phase measurement

The invention discloses a visible light communication indoor positioning device and carrier phase measurement method based on the synchronous clock device comprises a transmitting source, at least three light transmitter and at least one receiver; each lamp transmitter includes the corresponding transmitter and electrically connected with the LED lamps, each lamp and emission source synchronous clock the transmitter to communicate through the network connection bus. The invention avoids the error caused by the influence of the surrounding environment on the light intensity field, and does not need to be fused with the measurement information of other sensors so as to achieve higher precision positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法
本专利技术属于室内定位
，具体地说，涉及一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法。
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
本专利技术的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置及方法，通过获取可见光通讯中的载波相位进行定位。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同步时钟发射源，该同步时钟发射源将不断输出同步标志信号保证发射机相位同步。由于发射机输出信号相位同步，因此接收机接收到光传输信号后，通过相敏检波技术获取发射机与接收机之间的相位差，并利用最小二乘求解超定方程的方法获取发射机到接收机之间的实际距离，最后实现定位。其具体技术方案为：一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置，包括同步时钟发射源1、至少三个灯具发射机2和至少一个接收机4；其中每个灯具发射机2包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，同步时钟发射源1和每个灯具发射机2通过网络连接总线3进行通信。每个灯具发射机的发射机2通过网络连接总线3获得同步时钟发射源1的定时信息，每个灯具发射机2的发射机接收来自同步时钟发射源1的同步信号，并在接收到同步信号后输出经过调制的通讯信号；每个接收机通过接收至少三个灯具发射机2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，从而分别获取各发射机与接收机4之间的相位差；根据获得到的相位差计算接收机4到各LED灯具之间的距离，并利用相应的LED灯具的位置坐标，计算得到接收机的位置坐标。一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，包括以下步骤：多个具有调制功能的LED灯具发射经过信息调制的可见光，该调制在于将可见光通讯信息加载在载波中；接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量；由于所有LED灯均受到一个同步时钟发射源控制实现同步输出可见光信号，从而达到各LED灯具输出信号载波相位相同。接收机利用得到光载波相位变化量可解算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。优选地，所述的将可见光通讯信息加载在载波中，具体为：采用插入导频法，进行载波处理；将需要发送的信息前端添加位数为Nnull的0，形成新发送信息；然后用该固定载波频率调制新发送信息，从而使得实际发送信息之前存在Nnull个周期的载波同频信号。进一步，所述的接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量，实际应当为当前收发两端的相位差，其获取方法具体为：根据本专利技术得到的导频信号的频率，通过模数转换器对载波信号进行采样，采样频率以不低于8倍导频频率为宜，采样点以导频的0相位点、相位点、相位点等为宜。对所有采样值按照数字相敏检波的原理可以获取当前接收到的发射机信号相位可设接收机相位则可得收发端的相位差初始测量值更进一步，若有N个发射机则可获得相位差初始测量值矩阵优选地，所述的接收机利用得到光载波相位变化量解算LED灯具到接收机的距离，具体为：去除去收发两端相位不同步带来的影响；首先，根据可设发射机的初始相位，即在t＝0时刻的相位可表示为然后由于光信号传播的影响，经过一段时间后，该信号被接收机接收。对比与初始相位，可设此时发射机信号的相位为显然，实际相差为初始相位与传播相位的差，即可假设接收机的相位为由于以接收机为基准，因此在接收机接收到发射机信号后可利用本专利技术所述方法获得相位差初始测量值并有由于接收机与发射机之间并未进行相位同步，因此即可认为是伪相差。故可设接收机与发射机之间的相位不同步之差为且有联立式(1)、(2)可得实际光传播过程中的实际相位差另外，由于信号波长λ即为整波距离，因此可根据相位差计算收发两端的距离L，则有由于为未知值，因此单靠式(4)不可能得到距离的解。但对于定位而言，往往需要多个发射机。因此对于N个发射机存在收发之间不同步相差矩阵则式(4)可转换为在N个发射机下的矩阵表达若对于N个发射机进行相位同步，则不同步相差矩阵可表述为不同步相差与单位矩阵I＝[1,1,L,1]T的乘积，即为因此式(5)可转换为由于波长λ、相位初始测量值均为已知，而为不需要获取的信息值，因此可用最小二乘法求解超定方程获得各个发射机到接收机之间的距离矩阵[L]N×1。进一步，所述的发射机进行相位同步，具体为：通过任意的互联网络连接各个灯具；所有灯具之间的有且仅有一个同步时钟发射源；各发射机均与该时钟触发源进行同步，从而保证各发射机输出载波相位同步。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术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为本专利技术基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置的结构示意图；图2：同步标志输出序列示意图；图3：3点定位示意图；图4：因多径和遮挡效应产生光强变化导致测量误差的示意图；图中：1－同步时钟发射源、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和具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。如图1所示，一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置，包括同步时钟发射源1和n个灯具发射机，每个灯具发射机包括相应的发射机2和与之电连接的LED灯具，其中同步时钟发射源1和n个灯具发射机通过网络连接总线3进行通信，每个灯具发射机的发射机2通过网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置，其特征在于，包括同步时钟发射源(1)、至少三个灯具发射机(2)和至少一个接收机(4)；其中每个灯具发射机(2)包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，同步时钟发射源(1)和每个灯具发射机(2)通过网络连接总线(3)进行通信。

【技术特征摘要】
1.一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位装置，其特征在于，包括同步时钟发射源(1)、至少三个灯具发射机(2)和至少一个接收机(4)；其中每个灯具发射机(2)包括相应的发射机和与之电连接的LED灯具，同步时钟发射源(1)和每个灯具发射机(2)通过网络连接总线(3)进行通信。2.一种基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：多个具有调制功能的LED灯具发射经过信息调制的可见光，该调制在于将可见光通讯信息加载在载波中；接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量；由于所有LED灯均受到一个同步时钟发射源控制实现同步输出可见光信号，从而达到各LED灯具输出信号载波相位相同；接收机利用得到光载波相位变化量解算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。3.根据权利要求2所述的基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，所述的将可见光通讯信息加载在载波中，具体为：采用插入导频法，进行载波处理；将需要发送的信息前端添加位数为Nnull的0，形成新发送信息；然后用该固定载波频率调制新发送信息，从而使得实际发送信息之前存在Nnull个周期的载波同频信号。4.根据权利要求3所述的基于载波相位测量的可见光通讯室内定位方法，其特征在于，所述的接收机获取LED灯具可见光载波因距离传输导致的相位变化量，实际应当为当前收发两端的相位差，其获取方法具体为：根据权利要求3得到的导频信号的频率，通过模数转换器对载波信号进行采样，采样频率以不低于8倍导频频率为宜，采样点以导频的0相位点、相位点、相位点为宜；对所有采样值按照数字相敏检波的原理获取当前接收到的发射机信号相位设接收机...

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