基于可见光的室内定位系统技术方案

一种用于实现移动接收器的室内定位的方法，包括：探测移动接收器的定向；使用定位在移动接收器上的至少三个有效可见光接收区域来测量光强度，其中至少三个有效可见光接收区域被定向成使得由至少有效三个可见光接收区域中的每个对来自相同光源的光的光强度的测量结果不同于其它；以及产生实现移动接收器相对于第二坐标系的三维室内定位的输出。

Indoor positioning system based on visible light

A method for realizing indoor positioning mobile receiver includes: directional detection mobile receiver; positioning in the mobile receiver using at least three effective visible light receiving area to measure the intensity of light, of which at least three effective visible light receiving area is oriented such that by measuring at least three effective visible light receiving each region in the light from the same light intensity the result is different from the other; and the output generated three-dimensional indoor positioning mobile receiver relative to the coordinate system of the second.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于可见光的室内定位系统优先权文件本申请请求享有于2014年12月10日递交的题为"VisibleLightBasedIndoorPositioningSystem"的申请号为2014905003的澳大利亚临时专利申请的优先权，在此通过引用并入其全部内容。
本专利技术涉及基于可见光的室内定位系统。
技术介绍
基于位置的服务正在变得日益重要。通过知晓使用者的物理位置，移动装置可向使用者提供足够的信息，且支持不同的移动应用。例如，人可在他/她的智能电话中具有导航应用和跟踪/监测应用。在通信网络中，如果使用者的位置信息已知，则可进行诸如网络规划、网络适配、负载平衡等的应用。已经针对室外和室内定位开发了不同的技术。对于室外场景，完善的导航系统被称为全球定位系统(GPS)。GPS正在被广泛用于不但定位使用者的位置，而且还跟踪移动电话使用者的路径。GPS是基于卫星的系统，其依靠来自至少四颗卫星的信号来估计使用者的坐标。GPS的定位精度大约是几米，这在室内场景中是不可接受的。此外，卫星信号在建筑物内也遭受严重的衰减，造成GPS不可用作可接受的室内导航系统。对于室内场景，提出了不同的系统，包括基于射频(RF)的系统、基于红外线的系统和基于超声的系统。这些提出的系统存在许多正面性和负面性。它们中的一些使用现有的基础设施，因此不昂贵，但其定位精度达到五米。一些系统具有良好的定位准确性，如，超宽带(UWB)系统；然而，它们很昂贵。类似地，一些定位系统，如基于蜂窝的定位系统，从基站(BS)估计使用者的位置，引起了使用者的隐私方面的忧虑。可见光通信(VLC)由于发光二极管(LED)和光电传感器的进步而变得受关注。可见光谱是免授权的，且相比于射频(RF)具有宽得多的带宽。VLC是节能的，因为除用于室内定位外，可见光还可用于照明和通信两个目的。此外，人们可在RF敏感的区域如医院中使用VLC。注意，在本说明书中，用语"定位"和"跟踪"可互换使用，以意指获得或计算移动装置的位置和/或定向。所谓的获得或计算可由移动装置或由移动装置外部的装置来执行。当执行"定位/跟踪"时，移动装置可处于运动或静止。注意，移动装置的任何物理附加元件都可认作是移动装置的一部分。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于实现移动接收器的室内定位的方法，包括：探测所述移动接收器相对于第一坐标系的定向；使用定位在所述移动接收器上的至少三个有效可见光接收区域来测量光强度，其中所述至少三个有效可见光接收区域被定向成使得由所述至少三个有效可见光接收区域中的每个对来自相同光源的光的光强度的测量结果不同于其它；以及基于(1)代表由所述至少三个有效可见光接收区域测得的、来自相对于第二坐标系定位的至少两个不同光源的光的光强度的信号，(2)所述至少两个不同光源相对于所述第二坐标系的位置及(3)探测到的所述移动接收器相对于所述第一坐标系的定向，产生实现所述移动接收器相对于所述第二坐标系的三维室内定位的输出。根据本专利技术的第二方面，提供了一种室内定位系统，包括：用于向单个光学接收器提供可见光信号的相对于第二坐标系定位的至少两个不同光源；以及移动接收器，其包括：用于探测所述移动接收器相对于第一坐标系的定向的装置；用于测量光强度的至少三个有效可见光接收区域，其中所述至少三个有效可见光接收区域被定向成使得由所述至少三个有效可见光接收区域中每个对来自相同光源的光的光强度的测量结果不同于其它；以及处理器，其被编程为基于处理(1)代表由所述至少三个有效可见光接收区域测得的来自所述至少两个不同光源的光的光强度的信号，(2)所述至少两个不同光源相对于所述第二坐标系的位置和(3)探测到的所述移动接收器的定向，产生实现移动接收器相对于第二坐标系的三维室内定位的输出。根据本专利技术的第三方面，提供了一种移动接收器，包括：用于探测所述移动接收器相对于第一坐标系的定向的装置；用于测量光强度的至少三个有效可见光接收区域，其中所述至少三个有效可见光接收区域被定向成使得由所述至少三个有效可见光接收区域中的每个对来自相同光源的光的光强度的测量结果不同于其它；以及处理器，其被编程为基于处理(1)代表由所述至少三个有效可见光接收区域测得的、来自所述至少两个不同光源的光的光强度的信号，(2)所述至少两个不同光源相对于所述第二坐标系的位置及(3)探测的所述移动接收器的定向，产生实现移动接收器相对于第二坐标系的三维室内定位的输出。附图说明将参照附图来讨论本专利技术的实施例，在附图中：图1示出了根据本专利技术的一个方面的实现基于可见光的室内定位的步骤；图2示出了根据本专利技术的一个实施例的室内定位系统；图3示出了LED与光电二极管(PD)之间的角的简单模型；图4示出了球坐标系；图5示出了PD的分离是零的模型；图6示出了接收器的坐标系与房间的坐标系之间的差异；图7示出了PD的分离是非零的模型；图8a示出了通过假定所有光电二极管都置于相同位置处而给出使用者的位置的估计的算法1；图8b示出了算法1的备选方案；图9示出了用于功率校正的发射器和接收器的模型；图10a示出了不需要假定所有光电二极管都置于相同位置而给出使用者的位置的估计的算法2；图10b示出了算法2的备选方案；图11和图12分别示出了接收器和发射器的电路的示例；图13示出了时分多址(TDMA)方案；图14例示了TDMA场景中的四个光电二极管的典型输出；图15呈现了由LED发射的光通量的不同值的位置误差的模拟结果；图16呈现了由LED发射的光通量的不同值的位置误差的模拟结果；图17比较公开的系统与本专利技术；图18呈现了不同速度下的接收器的X坐标与估计的X坐标之间的误差；图19及20呈现了接收器的实际Y坐标及Z坐标与估计的Y坐标及Z坐标之间的误差；图21示出了在接收器以1.3m/s的速度移动时的实际路径与估计路径之间的差异；以及具体实施方式图1示出了根据本专利技术的一个方面的实现基于可见光的室内定位的步骤。具体而言，这些步骤涉及首先探测移动装置相对于第一坐标系的定向的步骤1。这可使用一个或多个加速计来执行。移动装置可为由人携带的任何电子装置，如，移动电话、PDA、NFC装置、笔记本计算机等。其还可为被定位或安装在手推车、婴儿车等上的电子装置，只要该移动装置可在室内使用。坐标系可为技术人员已知的任何形式，只要其提供参考系来跟踪移动装置的定向。在一种形式中，坐标系为地心笛卡尔坐标系和地心球/椭圆坐标系中的一者。其它装置可用于替换加速计，只要它们能够至少探测重力相对于移动装置的方向。除探测重力的方向(有时称为Z方向)外，可使用但并非必须使用加速计，以探测移动电话的X和Y方向上的移动来加强室内环境中的移动装置的跟踪。下一个步骤3涉及使用定位在移动接收器上的至少三个有效可见光接收区域来测量光强度，其中所述至少三个有效可见光接收区域被定向成使得由所述至少三个有效可见光接收区域中的每个对来自相同光源的光的光强度的测量结果不同于其它。有效可见光接收区域可由也称为可见光探测器的一个或多个光学接收器提供。可见光通常被限定为包括从大约390至700nm的波长，其对应于430-790THz左右的频率。接收器可为任何形式。唯一要求在于它们以使得由它们测得的单个光源的强度将不同的方式被定向。在一种形式中，接收器相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于实现移动接收器的室内定位的方法，包括：探测所述移动接收器相对于第一坐标系的定向；使用定位在所述移动接收器上的至少三个有效可见光接收区域来测量光强度，其中所述至少三个有效可见光接收区域被定向成使得由所述至少三个有效可见光接收区域中的每个对来自相同光源的光的光强度的测量结果不同于其它；以及基于(1)代表由所述至少三个有效可见光接收区域测得的、来自相对于第二坐标系定位的至少两个不同光源的光的光强度的信号，(2)所述至少两个不同光源相对于所述第二坐标系的位置及(3)探测到的所述移动接收器相对于所述第一坐标系的定向，产生实现所述移动接收器相对于所述第二坐标系的三维室内定位的输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.10 AU 20149050031.一种用于实现移动接收器的室内定位的方法，包括：探测所述移动接收器相对于第一坐标系的定向；使用定位在所述移动接收器上的至少三个有效可见光接收区域来测量光强度，其中所述至少三个有效可见光接收区域被定向成使得由所述至少三个有效可见光接收区域中的每个对来自相同光源的光的光强度的测量结果不同于其它；以及基于(1)代表由所述至少三个有效可见光接收区域测得的、来自相对于第二坐标系定位的至少两个不同光源的光的光强度的信号，(2)所述至少两个不同光源相对于所述第二坐标系的位置及(3)探测到的所述移动接收器相对于所述第一坐标系的定向，产生实现所述移动接收器相对于所述第二坐标系的三维室内定位的输出。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动接收器的三维室内定位包括提供所述移动接收器相对于所述第二坐标系的坐标和定向。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法由所述移动接收器执行，以及所述至少两个不同光源相对于所述第二坐标系的位置经由因特网连接、预先下载、与所述至少两个不同光源中的一个的通信以及与来自所述至少两个不同光源中的不同光源的通信来提供至所述移动接收器。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理包括：基于代表所述至少两个不同光源的光强度的所述信号计算所述移动接收器与所述至少两个不同光源中每一个之间的向量；以及估计所述移动接收器相对于所述第二坐标系的位置。5.根据权利要求4所述的方法，其中，估计所述移动接收器相对于所述第二坐标系的位置的步骤包括：对准所述第一坐标系和所述第二坐标系。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述对准所述第一坐标系和所述第二坐标系的步骤包括：对准所述第一坐标系的z轴和所述第二坐标系的z轴；计算对准所述第一坐标系的x轴和y轴与所述第二坐标系的x轴和y轴所需的旋转角；以及基于所述计算的旋转角来旋转所述向量。7.根据权利要求4所述的方法，其中，估计所述移动接收器相对于所述第二坐标系的位置的步骤包括：处理所述向量，以便所述向量是相对于所述第二坐标系的；解出的最小化函数，其中dmin[(sx，sy，sz)，γi]代表光线γi与(sx，sy，sz)之间的最小距离；[sxsysz]T为所述移动接收器的位置的估计；γi,i＝1，2，...，k代表平行于所述处理的向量、穿过所述至少两个不同光源的位置的光线。8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述处理还包括：补偿因所述至少三个有效可见光接收区域中的任两个之间的物理距离引起的所述移动接收器的三维室内定位的误差。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述补偿步骤包括：基于所述至少三个有效可见光接收区域定位在所述至少三个有效可见光接收区域的几何中心处的假定来估计所述至少两...

【专利技术属性】
技术研发人员：何秀韦，亚希尔·默罕默德，巴蒂尼·纳拉亚南·韦拉姆比·拉维桑卡尔，
申请(专利权)人：南澳大学，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU