基于可见光通信的室内三维定位方法技术

本发明专利技术提供一种基于可见光通信的室内三维定位方法，包括以下步骤：步骤1，在室内天花板上等间隔布置N个LED，在室内侧壁上等间隔布置M个LED，在目标终端的底部和顶部分别配置光电检测器件以接收光信号，其中，顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)，底部光电检测器件的三维坐标为(x，y，0)；步骤2，采用基于目标函数的非线性TDOA优化算法计算底部光电检测器件的三维坐标(x，y，0)；步骤3，基于RSSI技术计算出顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)。

Indoor 3D positioning method based on visible light communication

\u672c\u53d1\u660e\u63d0\u4f9b\u4e00\u79cd\u57fa\u4e8e\u53ef\u89c1\u5149\u901a\u4fe1\u7684\u5ba4\u5185\u4e09\u7ef4\u5b9a\u4f4d\u65b9\u6cd5\uff0c\u5305\u62ec\u4ee5\u4e0b\u6b65\u9aa4\uff1a\u6b65\u9aa41\uff0c\u5728\u5ba4\u5185\u5929\u82b1\u677f\u4e0a\u7b49\u95f4\u9694\u5e03\u7f6eN\u4e2aLED\uff0c\u5728\u5ba4\u5185\u4fa7\u58c1\u4e0a\u7b49\u95f4\u9694\u5e03\u7f6eM\u4e2aLED\uff0c\u5728\u76ee\u6807\u7ec8\u7aef\u7684\u5e95\u90e8\u548c\u9876\u90e8\u5206\u522b\u914d\u7f6e\u5149\u7535\u68c0\u6d4b\u5668\u4ef6\u4ee5\u63a5\u6536\u5149\u4fe1\u53f7\uff0c\u5176\u4e2d\uff0c\u9876\u90e8\u5149\u7535\u68c0\u6d4b\u5668\u4ef6\u7684\u4e09\u7ef4\u5750\u6807\u4e3a(x\uff0cy\uff0cz)\uff0c\u5e95\u90e8\u5149\u7535\u68c0\u6d4b\u5668\u4ef6\u7684\u4e09\u7ef4\u5750\u6807\u4e3a(x\uff0cy\uff0c0)\uff1b\u6b65\u9aa42\uff0c\u91c7\u7528\u57fa\u4e8e\u76ee\u6807\u51fd\u6570\u7684\u975e\u7ebf\u6027TDOA\u4f18\u5316\u7b97\u6cd5\u8ba1\u7b97\u5e95\u90e8\u5149\u7535\u68c0\u6d4b\u5668\u4ef6\u7684\u4e09\u7ef4\u5750\u6807(x\uff0cy\uff0c0)\uff1b\u6b65\u9aa43\uff0c\u57fa\u4e8eRSSI\u6280\u672f\u8ba1\u7b97\u51fa\u9876\u90e8\u5149\u7535\u68c0\u6d4b\u5668\u4ef6\u7684\u4e09\u7ef4\u5750\u6807\u4e3a(x\uff0cy\uff0cz)\u3002

【技术实现步骤摘要】
基于可见光通信的室内三维定位方法
本专利技术涉及可见光通信定位技术，具体的说，涉及了一种基于可见光通信的室内三维定位方法。
技术介绍
近年来，人们在室内定位技术方面开展了大量的研究，涌现了很多新技术，其中，可见光室内定位技术是基于可见光通信的室内定位技术，通过以人眼识别不了的高频来控制LED的光强度，进而传播定位的ID信息，具有定位精度高、保密性好且没有电磁辐射、不受电磁干扰等优点。可见光室内定位技术主要为三边定位法，通过计算多个接收端与目标的距离来定位，这种方法需要多个接收端的绝对位置坐标信息，假设目标终端的高度已知，仅仅针对其剩下的二维坐标进行定位，且需要采用穷举或迭代算法，系统计算量较大，并且在目标终端高度未知的情况无法进行目标终端的定位。为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种基于可见光通信的室内三维定位方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于可见光通信的室内三维定位方法，包括以下步骤：步骤1，在室内天花板上等间隔布置N个LED，在室内侧壁上等间隔布置M个LED，在目标终端的底部和顶部分别配置光电检测器件以接收光信号，其中，顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)，底部光电检测器件的三维坐标为(x，y，0)；步骤2，采用基于目标函数的非线性TDOA优化算法获得底部光电检测器件的三维坐标(x，y，0)；步骤3，基于RSSI技术计算出顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)。基于上述，所述步骤2的具体步骤为：步骤2.1，令室内天花板上第i个LED的坐标为(xi,yi,H)，其中H为天花板高度,则底部光电检测器件到室内天花板上第i个LED的距离di为:步骤2.2，选取室内天花板上组成矩形或正方形的4个LED，分别计算这4个LED到底部光电检测器件的距离di(i＝1、2、3、4)；步骤2.3，分别计算这4个LED到底部光电检测器件的距离的差值：d21＝d2-d1,d31＝d3-d1,d41＝d4-d1；步骤2.4，构造目标函数J(x,y)minJ(x,y)＝(d21-R21)2+(d31-R31)2+(d41-R41)2,s.t{0≤x≤dL,0≤y≤dw；其中，dL、dw分别为定位区域的长度和宽度，R21、R31、R41分别为第二个LED、第三个LED、第四个LED到第一个LED的距离；根据构造函数计算出坐标(xkk,ykk),(k＝1、2、3、4)；步骤2.5，令加权因子为利用质心加权算法得到底部光电检测器件的三维坐标F(x,y，0)的精确坐标为基于上述，所述步骤3的具体步骤为：步骤3.1，选择顶部光电检测器件接收到的RSSI信号较强的3个室内侧壁上的LED,三个LED分别为A(0，yA,zA)、B(0，yB,zB)、C(0，yC,zC),根据这三个LED所对应的RSSI值获得这三个LED到顶部光电检测器件的欧式距离Rj,j＝A,B,C；步骤3.2，根据如下公式和第j个LED的三维坐标计算顶部光电检测器件的高度，获得ZjE(j＝A,B,C)：x2+(yj-y)2+(zj-zjE)2＝Rj2，其中，x，y均为步骤2中获得的坐标值，ZjE(j＝A,B,C)为根据第j个LED的三维坐标获得的顶部光电检测器件的高度；步骤3.3，令即可求出顶部光电检测器件E的三维坐标(x,y，z)的z值。基于上述，室内天花板上的N个LED与室内侧壁上的M个LED的颜色不同。本专利技术相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本专利技术在室内天花板和室内侧壁上等间隔设置LED，利用室内天花板上的LED确定光电接收器的x，y坐标，用空间侧面LED确定光电接收器的z坐标，将两者合并即可得到光电接收器的三维坐标，解决了在目标终端高度未知的情况下无法对目标终端进行三维定位的问题，具有设计科学、定位精准的优点。附图说明图1是本专利技术的布局示意图。图2是本专利技术步骤2的示意图。图3是本专利技术步骤3的示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。如图1所示，一种基于可见光通信的室内三维定位方法，包括以下步骤：步骤1，在室内天花板上等间隔布置N个LED，在室内侧壁上等间隔布置M个LED，在目标终端的底部和顶部分别配置光电检测器件以接收光信号，其中，顶部光电检测器件E的三维坐标为(x，y，z)，底部光电检测器件F的三维坐标(x，y，0)；侧壁上的LED可以根据实际环境进行布置，如果空间高度较低，可以在侧壁上布置三层LED；如果空间高度较高，可以侧面布置四层LED；优选的，室内天花板上的N个LED与室内侧壁上的M个LED的颜色不同；如室内天花板上的LED灯为蓝色，室内侧壁上的M个LED为红色；步骤2，采用基于目标函数的非线性TDOA优化算法获得底部光电检测器件F的三维坐标(x，y，0)；步骤3，基于RSSI技术计算出顶部光电检测器件E的三维坐标为(x,y，z)。具体的，如图2所示，所述步骤2的具体步骤为：步骤2.1，令室内天花板上第i个LED的坐标为(xi，yi，H),1≤i≤N，其中H为天花板高度,则底部光电检测器件到室内天花板上第i个LED的距离di为:步骤2.2，选取室内天花板上组成矩形或正方形的4个LED，分别计算这4个LED到底部光电检测器件的距离di(i＝1，2，3，4)；步骤2.3，分别计算这4个LED到底部光电检测器件的距离的差值：d21＝d2-d1,d31＝d3-d1,d41＝d4-d1；步骤2.4，构造目标函数J(x,y)minJ(x,y)＝(d21-R21)2+(d31-R31)2+(d41-R41)2,s.t{0≤x≤dL,0≤y≤dw；其中，dL、dw分别为定位区域的长度和宽度，R21、R31、R41分别为第二个LED、第三个LED、第四个LED到第一个LED的距离；根据构造函数计算出坐标(xkk,ykk),(k＝1、2、3、4)；步骤2.5，令加权因子为利用质心加权算法得到底部光电检测器件的三维坐标F(x，y，0)的精确坐标为本专利技术利用测出的底部光电检测器件到各个LED的距离的差值设定目标函数的方法，采用非线性约束的问题得出位置估计坐标，大大减小了定位误差；并且采用质心加权混合定位算法优化了定位结果，进一步减小了定位误差。具体的，如图3所示，所述步骤3的具体步骤为：步骤3.1，选择顶部光电检测器件接收到的RSSI信号较强的3个室内侧壁上的LED,三个LED分别为A(0，yA，zA)、B(0，yB,zB)、C(0，yC，zC),根据这三个LED所对应的RSSI值获得这三个LED到顶部光电检测器件的欧式距离Rj,j＝A，B，C；步骤3.2，根据如下公式和第j个LED的三维坐标计算顶部光电检测器件的高度，获得ZjE(j＝A，B，C)：x2+(yj-y)2+(zj-zjE)2＝Rj2，其中，x，y均为步骤2中获得的坐标值，ZjE(j＝A，B，C)为根据第j个LED的三维坐标获得的顶部光电检测器件的高度；步骤3.3，令即可求出顶部光电检测器件E的三维坐标(x，y，z)的z值。最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本专利技术的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本专利技术进行了详细的说本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可见光通信的室内三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在室内天花板上等间隔布置N个LED，在室内侧壁上等间隔布置M个LED，在目标终端的底部和顶部分别配置光电检测器件以接收光信号，其中，顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)，底部光电检测器件的三维坐标为(x，y，0)；步骤2，采用基于目标函数的非线性TDOA优化算法获得底部光电检测器件的三维坐标(x，y，0)；步骤3，基于RSSI技术计算出顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)。

【技术特征摘要】
1.一种基于可见光通信的室内三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在室内天花板上等间隔布置N个LED，在室内侧壁上等间隔布置M个LED，在目标终端的底部和顶部分别配置光电检测器件以接收光信号，其中，顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)，底部光电检测器件的三维坐标为(x，y，0)；步骤2，采用基于目标函数的非线性TDOA优化算法获得底部光电检测器件的三维坐标(x，y，0)；步骤3，基于RSSI技术计算出顶部光电检测器件的三维坐标为(x，y，z)。2.根据权利要求2所述的基于可见光通信的室内三维定位方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：步骤2.1，令室内天花板上第i个LED的坐标为(xi，yi，H),1≤i≤N，其中H为天花板高度,则底部光电检测器件到室内天花板上第i个LED的距离di为:步骤2.2，选取室内天花板上组成矩形或正方形的4个LED，分别计算这4个LED到底部光电检测器件的距离di(i＝1，2，3，4)；步骤2.3，分别计算这4个LED到底部光电检测器件的距离的差值：d21＝d2-d1,d31＝d3-d1,d41＝d4-d1；步骤2.4，构造目标函数J(x,y)minJ(x,y)＝(d21-R21)2+(d31-R31)2+(d41-R41)2,s.t{0≤x≤dL,0≤y≤dw；其中，dL、dw分别为定位区域的长度和宽度，R21、R31、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长宝，杜红民，侯长生，孔晓阳，王茹川，郭振强，郧刚，卢建伟，王莹莹，王磊，
申请(专利权)人：中原智慧城市设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41