一种三维无线光定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种三维无线光定位方法及系统，包括以下步骤：天花板上设置有发出光信息且用作照明的两个LED灯，接收平面设置有包含两个光电检测器的接收机；通过到达时间TOA方法分别计算出LED灯与光电检测器距离；根据LED灯和光电检测器在XYZ坐标系中的几何关系，两个光电检测器之间的距离为确定的l且在同一接收平面内，接收机在两个LED灯下方，且待定位范围位于两个LED灯和原点所组成平面的任意一侧，最终确定接收机的实际位置和方向角。本发明专利技术在照明的同时实现终端的三维定位与定向，在减少光发射机数量的情况下，依然实现精确的室内三维定位，并精确地判断终端的实际方位情况。况。况。

【技术实现步骤摘要】
一种三维无线光定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及定位
，具体涉及一种三维无线光定位方法及系统。

技术介绍

[0002]定位需求在生活中处处可见。传统的用于室外的定位技术如北斗、GPS，虽然在室外有着米级的定位精度，但是由于其信号在经过墙壁等遮挡物时，会有严重的衰减，对于需要高精度的室内定位，北斗和GPS是不适用的。近年来，作为GPS的替代方案，许多新型室内定位技术如超声波、蓝牙、WiFi、可见光定位等室内定位技术不断发展。可见光定位因为节能、精度高、定位速度快、抗干扰强、成本低等优点，在众多的室内定位技术中脱颖而出。然而，由于其定位原理的限制，在三维定位和定向方面依然有着极大的提升空间，这在一定程度上限制了可见光定位的大规模使用。
[0003]常见的可见光定位方案存在以下问题：场景分析法在使用时，首先需要对LED光源所在的环境进行特征参数测量，若待定区域空间较大时，测量参数过程工作量就会很大。其次，当环境改变时，参数需要重新测定，场景分析法的可移植性差；
[0004]传统的几何测量法，为了实现三边或者三角测量，至少需要三个LED光源，这在LED数量不足的场景中限制了定位方案的使用，并且这种方法由于接收端一般只有一个光电检测器，难以确定接收端的方位(即朝向)。
[0005]图像传感器法，由于其处理的是光源在图像传感器中的投影变化，三维的空间信息变成了二维平面信息，图像传感器法无法直接计算出接收端的高度，只能实现二维定位；
[0006]所以，当前的室内可见光定位方法主要面向室内二维定位，难以实现精确的室内三维定位，同时难以判断接收端的实际方位情况。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种三维无线光定位方法及系统，在照明的同时实现终端的三维定位与定向，在减少光发射机数量的情况下，依然实现精确的室内三维定位，并精确地判断终端的实际方位情况。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种三维无线光定位方法，包括以下步骤：
[0009]天花板上设置有发出光信息且用作照明的LED灯，接收平面设置有接收光信息的接收机，其中，所述LED灯包括第一LED灯和第二LED灯，其坐标分别为(x
t1
,y
t1
,z
t1
)和(x
t2
,y
t2
,z
t2
)，所述接收机上设置有第一光电检测器和第二光电检测器，其坐标分别为和定义第一光电检测器和第二光电检测器之间的距离为l，同时所述第一光电检测器和所述第二光电检测器在接收平面上都面朝上，所述第一光电检测器和所述第二光电检测器的中点定义了要预测的接收端的实际位置，从第一光电检测器指向第二光电检测器的方向定义接收端的朝向，即第一光电检测器指向第二光电检测器的连线和X轴的正半轴的夹角为方向角η；
[0010]通过到达时间TOA原理，测量光信号从第一LED灯、第二LED灯分别发射到第一光电
检测器、第二光电检测器接收所需的时间，用传播时间乘以光速，分别计算出第一LED灯和第一光电检测器之间的距离d1，第二LED灯和第一光电检测器之间的距离d2，第一LED灯和第二光电检测器之间的距离d3，第二LED灯和第二光电检测器之间的距离为d4；
[0011]根据LED灯和接收机在XYZ坐标系中的几何关系，同时，第一光电检测器和第二光电检测器之间的距离为确定的l且在同一接收平面内，接收机在第一LED灯和第二LED灯下方，且接收机的待定位范围位于第一LED灯、第二LED灯和原点所组成平面的任意一侧，从而得到接收机的实际位置和方向角。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，计算距离d1～d4时，与其对应的光电检测器和LED灯保持时间同步。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，距离d1～d4在XYZ坐标系中得到以下方程组：
[0014][0015][0016][0017][0018]同时，由于第一光电检测器和第二光电检测器之间的距离为确定的l，且其在同一个接收平面内，得到以下补充方程：
[0019][0020][0021]由于已知d1、d2、d3和d4，及公式(5)和(6)，结合接收机在第一LED灯和第二LED灯下方，且接收机的待定位范围位于第一LED灯、第二LED灯和原点所组成平面的任意一侧，求解得到接收机的实际位置得到接收机的实际位置及接收机的方向角：
[0022][0023]作为本专利技术的进一步改进，求解接收机的实际位置作为本专利技术的进一步改进，求解接收机的实际位置及接收机的方向角的过程，具体包括以下步骤：
[0024]S1：由于公式(1)和公式(2)的物理意义是代表一个球体，所以采用公式(1)减公式(2)，得到两个球体所相交平面P1的方程，第一光电检测器就位于该平面和公式(1)所表示的球相交的圆上，该圆以K1为圆心，坐标为(a1,b1,c1)，半径为R1；同样的，采用公式(3)减公式(4)，得到两个球体所相交平面P2的方程，第二光电检测器就位于该平面和公式(3)所表示的球相交的圆上，该圆以K2为圆心，坐标为(a2,b2,c2)，半径为R2，圆心坐标和圆的半径用以下公式表示：
[0025][0026][0027]其中，w
i
表示第一LED灯和两球相交面P
i
(i＝1,2)之间的距离，L表示第一LED和第二LED灯之间的距离；
[0028]S2：进行两次坐标系变换：第一次坐标变换是将XYZ坐标系转换为X
’
Y
’
Z
’
坐标系，X
’
Y
’
Z
’
坐标系是以圆心K1为坐标原点，直线K
1 K2为新的Z
’
轴，圆K1和原本的XY平面的交线为新的X
’
轴，新的Y
’
轴是垂直于X
’
Z
’
平面的任意一条直线；第二次坐标变换，是将新的X
’
Y
’
Z
’
坐标系转换为柱坐标系，经过两次坐标变换后，第一光电检测器和第二光电检测器的坐标分别变为(R1,Φ1,0)和(R2,Φ2,S)，同时，在柱坐标系下，公式(5)和公式(6)分别表示为：
[0029]Φ1‑
Φ2＝
±
arccosM
ꢀꢀ
(9)
[0030]β(R2sinΦ2‑
R1sinΦ1)＝
‑
γS
ꢀꢀ
(10)
[0031]其中，M＝(R
12
+R
22
+S2‑
l2)/(2R1R2),两圆心K1和K2之间的距离之间的距离γ＝c/S,a＝a2‑
a1,b＝b2‑
b1,c＝c2‑
c1；
[0032]S3：根据公式(9)和公式(10)计算出Φ1和Φ2，然后进行两次坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维无线光定位方法，其特征在于：包括以下步骤：天花板上设置有发出光信息且用作照明的LED灯，接收平面设置有接收光信息的接收机，其中，所述LED灯包括第一LED灯和第二LED灯，其坐标分别为(x
t1
，y
t1
，z
t1
)和(x
t2
，y
t2
，z
t2
)，所述接收机上设置有第一光电检测器和第二光电检测器，其坐标分别为和定义第一光电检测器和第二光电检测器之间的距离为l，同时所述第一光电检测器和所述第二光电检测器在接收平面上都面朝上，所述第一光电检测器和所述第二光电检测器的中点定义了要预测的接收端的实际位置，从第一光电检测器指向第二光电检测器的方向定义接收端的朝向，即第一光电检测器指向第二光电检测器的连线和X轴的正半轴的夹角为方向角η；通过到达时间TOA原理，测量光信号从第一LED灯、第二LED灯分别发射到第一光电检测器、第二光电检测器接收所需的时间，用传播时间乘以光速，分别计算出第一LED灯和第一光电检测器之间的距离d1，第二LED灯和第一光电检测器之间的距离d2，第一LED灯和第二光电检测器之间的距离d3，第二LED灯和第二光电检测器之间的距离为d4；根据LED灯和接收机在XYZ坐标系中的几何关系，同时，第一光电检测器和第二光电检测器之间的距离为确定的l且在同一接收平面内，接收机在第一LED灯和第二LED灯下方，且接收机的待定位范围位于第一LED灯、第二LED灯和原点所组成平面的任意一侧，从而得到接收机的实际位置和方向角。2.如权利要求1所述的一种三维无线光定位方法，其特征在于：计算距离d1～d4时，与其对应的光电检测器和LED灯保持时间同步。3.如权利要求1所述的一种三维无线光定位方法，其特征在于：距离d1～d4在XYZ坐标系中得到以下方程组：中得到以下方程组：中得到以下方程组：中得到以下方程组：同时，由于第一光电检测器和第二光电检测器之间的距离为确定的l，且其在同一个接收平面内，得到以下补充方程：收平面内，得到以下补充方程：由于已知d1、d2、d3和d4，及公式(5)和(6)，结合接收机在第一LED灯和第二LED灯下方，且接收机的待定位范围位于第一LED灯、第二LED灯和原点所组成平面的任意一侧，求解得到接收机的实际位置接收机的实际位置及接收机的方向角：4.如权利要求3所述的一种三维无线光定位方法，其特征在于：求解接收机的实际位置
及接收机的方向角的过程，具体包括以下步骤：S1：由于公式(1)和公式(2)的物理意义是代表一个球体，所以采用公式(1)减公式(2)，得到两个球体所相交平面P1的方程，第一光电检测器就位于该平面和公式(1)所表示的球相交的圆上，该圆以K1为圆心，坐标为(a1，b1，c1)，半径为R1；同样的，采用公式(3)减公式(4)，得到两个球体所相交平面P2的方程，第二光电检测器就位于该平面和公式(3)所表示的球相交的圆上，该圆以K2为圆心，坐标为(a2，b2，c2)，半径为R2，圆心坐标和圆的半径用以下公式表示：下公式表示：其中，w
i
表示第一LED灯和两球相交面P
i
(i＝1，2)之间的距离，L表示第一LED和第二LED灯之间的距离；S2：进行两次坐标系变换：第一次坐标变换是将XYZ坐标系转换为X
’
Y
’
Z
’
坐标系，X
’
Y
’
Z
’
坐标系是以圆心K1为坐标原点，直线K1K2为新的Z
’
轴，圆K1和原本的XY平面的交线为新的X
’
轴，新的Y
’
轴是垂直于X
’
Z
’
平面的任意一条直线；第二次坐标变换，是将新的X
’
Y
’
Z
’
坐标系转换为柱坐标系，经过两次坐标变换后，第一光电检测器和第二光电检测器的坐标分别变为(R1，Φ1，0)和(R2，Φ2，S)，同时，在柱坐标系下，公式(5)和公式(6)分别表示为：Φ1‑
Φ2＝
±
arccos M
ꢀꢀꢀ
(9)β(R2sinΦ2‑
R1sinΦ1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：由骁迪，杨霄柏，姜子乐，沈纲祥，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：