一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，属于可见光通信
技术领域。
【背景技术】
[0002] 基于可见光通信（Visible Light Communication, VLC)技术的室内定位方案由于 利用白色半导体发光二极管（Light Emitting Diode, LED)发射的白光作为定位信号的载 体，抗电磁辐射能力强，并且VLC的传输信道一般采用直射信道，多径干扰比较小，所以该 定位方案可以达到比较高的精度；另外，基于VLC技术的室内定位系统与未来的VLC通信技 术相兼容，因此不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低。目前的室内定位多采用RSS的高 精度定位，发射端通过控制LED阵列发射具有定位码型的可见光信号，使位于室内的用户 从接收到的光信号解析出其所在的位置。每个LED具有唯一的ID号，设计LED循环发送的 定位数据帧结构，加载到LED驱动放大电路上，驱动LED灯阵列发出数据光信号；探测器在 识别帧头的同时判决各个ID的强度，然后根据强度分布实现高精度定位。但是该方法有个 不足之处，对LED的光源稳定性和一致性要求较高。当光源长时间工作发生衰减后则定位 误差增大。因此需要采用更好的方法提高定位精度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为解决现有基于可见光RSS室内定位误差波动的问题，提出了一 种包含误差校正的室内可见光强度定位系统。
[0004] 一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统，包括可见光下行发射模块、可见 光接收模块和光强波动因子监测单元。
[0005] 所述可见光下行发射模块包括第三FPGA，多个LED驱动电路和多个LED (每个驱动 电路驱动1个LED，第三FPGA的输出IO 口和驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端和 LED相连）由第三FPGA生成调制编码信号，通过LED驱动电路放大后，驱动LED照明，并将 调制编码信号发射出去。
[0006] 所述光强波动因子监测单元包括第一光电探测器、第一运算放大器、第一模数转 换器、第一 FPGA及第一蓝牙模块。第一光电探测器和第一运算放大器输入端相连，第一运 算放大器和第一模数转换器的模拟输入端相连，第一模数转换器的数字输出端和第一 FPGA 的输入IO相连，第一 FPGA的输出IO和第一蓝牙模块的串口相连。第一光电探测器把探 测到可见光信号转化成电信号，电信号通过第一运算放大器放大，放大后的电信号经过第 一模数转换器转化成数字信号，FPGA通过公式（1)计算光强波动因子，光强波动因子通过 FGPA和第一蓝牙模块的串口通信，发送到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块把光强波动因子通 过蓝牙无线发送出去。
[0007] 根据不同光源的强度波动计算出光强波动因子：
[0008] Si= PiVPi(I)
[0009] 其中，Si为第i个LED的光强波动因子，P i为系统上电工作开始时第i个LED的 光强值（作为第i个LED的基准值），Pi.为实时获取新的光强值。
[0010] 光强波动因子监测单元固定于多个LED下方，在多个LED的光照射范围内。
[0011] 所述可见光接收模块安装在被测物体上，包括第二光电探测器、第二运算放大器、 第二模数转换器、第二FPGA及第二蓝牙模块。第二光电探测器、第二运算放大器、第二模数 转换器、第二FPGA及第二蓝牙模块顺次相连。第二光电探测器把采集到的光信号转成电信 号，第二运算放大器将电信号放大，通过第二模数转换器采集到第二FPGA中。
[0012] 上述组成部分的连接关系为：可见光下行发射模块通过LED发送调制编码信号； 光强波动因子监测单元根据不同LED光源的强度波动计算出光强波动因子，通过无线通信 方式把光强波动因子发送给可见光接收模块；可见光接收模块接收可见光下行发射模块的 调制编码信号，通过接收到的调制编码信号和接收到的光强波动因子计算位置。
[0013] 基于上述室内可见光强度定位系统的一种室内可见光强度定位的误差校正方法， 具体步骤为：
[0014] 步骤1，可见光LED下行发射模块发送定位编码信息；
[0015] 所述定位编码信息为LED的位置编码信息（ID编码），每个LED对应唯一的ID编 码或者唯一的频率。第二光电探测器同时接收到多个LED的编码信息时，能识别出不同的 LED光信号并获取不同LED的光强；
[0016] 步骤2,光强波动因子监测单元获取当前不同LED的调制编码信号，并计算出编码 信号强度，该信号由于光源幅度波动，信号强度会不同，因此是误差补偿的依据。获取不同 LED的编码信号强度，通过公式（1)计算出不同光强波动因子S 1, S2…，Si,~Sn(η为LED的 数量，η不小于3);把得到的光强波动因子通过第一蓝牙模块发送到可见光接收模块的第 二蓝牙模块；
[0017] 步骤3,可见光接收模块接收到可见光LED下行发射模块发射模块发送的调制编 码信号，并接收到光强波动因子，第二FPGA通过接收信号强度（RSS)测量法计算出定位 占 .
[0018] 典型的RSS测量法是基于信号传播损耗模型的定位方法；
[0019] 根据LED朗勃辐射体模型，光由第i个（i = 1，2, 3···，η)LED发出后到达第二光探 测器的信道增益为
[0020]
【主权项】
1. 一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征在于：包括可见光下行 发射模块、可见光接收模块和光强波动因子监测单元； 所述可见光下行发射模块包括第三FPGA，多个LED驱动电路和多个LED，由第三FPGA生成调制编码信号，通过LED驱动电路放大后，驱动LED照明，并将调制编码信号发射出 去； 所述光强波动因子监测单元包括第一光电探测器、第一运算放大器、第一模数转换器、 第一FPGA及第一蓝牙模块；第一光电探测器和第一运算放大器输入端相连，第一运算放大 器和第一模数转换器的模拟输入端相连，第一模数转换器的数字输出端和第一FPGA的输 入10相连，第一FPGA的输出10和第一蓝牙模块的串口相连；第一光电探测器把探测到可 见光信号转化成电信号，电信号通过第一运算放大器放大，放大后的电信号经过第一模数 转换器转化成数字信号，FPGA计算光强波动因子，光强波动因子通过FGPA和第一蓝牙模 块的串口通信，发送到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块把光强波动因子通过蓝牙无线发送出 去； 根据不同光源的强度波动计算出光强波动因子： Sj=Pj./Pi(1) 其中，Si为第i个LED的光强波动因子，Pi为系统上电工作开始时第i个LED的光强 值，作为第i个LED的基准值，Pi，为实时获取新的光强值； 光强波动因子监测单元固定于多个LED下方，在多个LED的光照射范围内； 所述可见光接收模块安装在被测物体上，包括第二光电探测器、第二运算放大器、第二 模数转换器、第二FPGA及第二蓝牙模块；第二光电探测器、第二运算放大器、第二模数转换 器、第二FPGA及第二蓝牙模块顺次相连；第二光电探测器把采集到的光信号转成电信号， 第二运算放大器将电信号放大，通过第二模数转换器采集到第二FPGA中； 上述组成部分的连接关系为：可见光下行发射模块通过LED发送调制编码信号；光强 波动因子监测单元根据不同LED光源的强度波动计算出光强波动因子，通过无线通信方式 把光强波动因子发送给可见光接收模块，可见光接收模块接收可见光下行发射模块的调制 编码信号，通过接收到的调制编码信号和接收到的光强波动因子计算位置。
2. 根据权利要求1所述的一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征 在于：每个驱动电路驱动1个LED，第三FPGA的输出10 口和驱动电路的输入端相连，驱动 电路的输出端和LED相连。
3. 根据权利要求1所述的一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征 在于：其室内可见光强度定位的误差校正方法具体步骤为： 步骤1，可见光LED下行发射模块发送定位编码信息； 所述定位编码信息为LED的位置编码信息，每个LED对应唯一的ID编码或者唯一的频 率；第二光电探测器同时接收到多个LED的编码信息时，能识别出不同的LED光信号并获取 不同LED的光强； 步骤2,光强波动因子监测单元获取当前不同LED的调制编码信号，并计算出编码信号 强度，该信号由于光源幅度波动，信号强度会不同，因此是误差补偿的依据；获取不同LED 的编码信号强度，通过计算得出不同光强波动因子Si，S2…，Sp…Sn，n为LED的数量，n不小 于3 ;把得到的光强波动因子通过第一蓝牙模块发送到可见光接收模块的第二蓝牙模块； 步骤3,可见光接收模块接收到可见光LED下行发射模块发送的调制编码信号，并接收 到光强波动因子，第二FPGA通过接收信号强度测量法计算出定位点； 由于光强随时间的波动，光由第i个LED发出后到达第二光探测器的实际增益H(0)'ws 为
其中，供表示是该LED和第二光探测器之间的辐射角度，屯是第i个LED与第二光探测 器之间的距离，A是第二光探测器的有效面积，0是光入射到第二光探测器接收面时的角 度；-为该LED的半功率角，变量m= -In2 /ln(cos妁/2); 该LED发出的光经过传输后第二光探测器接收到的光强度P为
其中P〇为该LED发光功率，h为第二光探测器距离该LED的竖直距离；
屯为编号i的LED与光探测器的距离，r 光探测器距离编号为i的LED在探测器所 在水平面投影中心的距离； 当i= 3时，利用三圆相交的方法即可确定光探测器在水平面上的位置坐标X和Y;当i>3时，任何3个LED即可获得X，Y值；至此，通过实时检测Si，完成包含误差校正的可见光 信号强度室内定位。
4.根据权利要求3所述的一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征 在于：所述三圆相交的方法具体为：以各个LED在水平面上的投影中心为圆心，以距离^为 半径画圆，三个及以上的圆相交的位置为被测物体所在位置。
【专利摘要】本发明涉及一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，属于可见光通信技术领域。系统包括可见光下行发射模块、可见光接收模块和光强波动因子监测单元。可见光下行发射模块通过LED发送调制编码信号；光强波动因子监测单元根据不同LED光源的强度波动计算出光强波动因子，通过无线通信方式把光强波动因子发送给可见光接收模块，可见光接收模块接收可见光下行发射模块的调制编码信号，通过接收到的调制编码信号和接收到的光强波动因子计算位置。本系统通过增加光强波动因子监测和发射单元获取实时的光强信息，并用实时强度因子取代传统的固定参数进行位置计算，减小了由于光强波动带来的定位误差。
【IPC分类】G01S11-12
【公开号】CN104777475
【申请号】CN201510182109
【发明人】冯立辉, 吕慧超, 杨爱英, 倪国强
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月16日