一种基于可见光的三角定位系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间定位技术领域，特别涉及一种基于可见光的三角定位系统及方 法。
【背景技术】
[0002] LED(Lighting Emitting Diode)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、 环保、寿命长、体积小等特点，已被广泛用于指示和照明。由于LED作为半导体光源还可实现 高速调制，可见光波段作为光载波可实现无线通信，因此LED技术用于可见光通信近年来日 益成熟。
[0003] 基于LED的定位是可见光通信一个潜力巨大的应用方向，由于LED布放位置灵活， 覆盖范围较广，借助可见光通信手段可以准确获知探测点到LED的距离，实现类似GPS功能 的定位和导航。
[0004] 由于LED通信系统具有光无线通信的特点，LED定位通常采用基于RSS(Received Signal Power，接收信号强度）、A0A(Angle of arrival，接收信号角度）、T0A(Time of Arrival，到达时间）等方法。各种方法各有利弊:基于RSS的测量方案中，接收光功率通常会 受到光源的亮度、信号光的散射和反射、光发送接收角、背景光干扰等因素影响，直接影响 测距和定位的精度;在基于Α0Α测量方案中，缺乏精确且可操作的光入射角度测量方法;在 基于Τ0Α的测量方案中，难以精确的实现信号同步和时间测量。因此，还需探索新的定位机 理以方便的实现可见光定位。
【发明内容】
[0005] 为现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于LED可见光的定位系统及方 法。本发明采用的技术方案是:待定位目标使用LED灯发送可见光信号，信号接收端使用多 个已知座标的光探测器同时接收来自LED的光信号，光探测器将测量信号汇聚到处理单元， 计算出相位差进而得出LED到多个光探测器的光程差，再依据三角几何原理可计算出信号 接收端的座标。
[0006] 本发明的技术方案是:一种基于可见光的三角定位方法，其特征在于：
[0007] 待定位目标使用LED灯发送可见光信号，在信号接收端至少3个已知座标的光探测 器同时接收来自LED灯的光信号，其中LED灯光的发送频率已知。
[0008] 根据光信号测量LED灯光到每两个不同光探测器之间的时间差；
[0009] 根据每两个不同光探测器之间的时间差计算LED灯到每两个不同光探测器的距离 差；
[0010] 通过获取3组或3组以上不同的探测器的路程差，可获得3组或3组以上的单曲面； [0011 ] 通过3组单曲面，得出待定位目标的LED灯坐标。
[0012]根据如上所述的基于可见光的三角定位方法，其特征在于:所述的LED灯光的发送 频率可变，且采用多个发送频率测量LED灯光到每两个不同光探测器之间的时间差，取其平 均值为最终测量值。
[0013] 根据如上所述的基于可见光的三角定位方法，其特征在于:所述的3组单曲面拟合 后，位于光探测器上方交点坐标为LED灯坐标。
[0014] 一种基于可见光的三角定位系统，包括至少3个已知座标的光探测器和处理单元， 所述的光探测器与处理单元相互连接，其特征在于:所述的处理单元通过光探测器采集LED 灯，处理单元通过采集的光信号和LED灯光的发送频率测算出每两个光探测器之间的距离， 并最终测定LED灯坐标。
[0015] 本发明的有益效果是:利用多个光探测器，通过对被测量LED信号的处理和计算确 定LED的位置。此方案中发射端硬件简单，可扩展到多个定位目标，而所有计算和处理可在 接收端完成，方便同步和控制，因此具有低成本适用范围广的特点。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0018]如图1所示，待定位目标使用LED灯发送可见光信号，信号接收端至少有3个已知座 标的光探测器同时接收来自LED灯的光信号，图1中，D1、D2、D3为3个不均匀分布的光探测 器。发送端LED灯光的发送频率为ω !，初始相位为正弦波，即Sin( ω lt+qi)。接收端有两 个不同的光探测器D1和D2，D1接收到的光信号表示为^ = c^ti+qO,其中心是 增益，t是光信号到光探测器D1的传输延时。光探测器D2接收到的光信号表示为:S2=A2sin (ω lt+ ω lt2+qi)，其中A2是增益，t2是光信号到光探测器D2的传输延时。
[0019] 接收端接收信号后通过移相器将S ! S 2相移可得到
，同时得到幅值A1A2。 计算4 5^ -5^6^ =為為8]·11^"2^ -&))可确定的大小。在ωι已知情 况下，〖2-^有多个可能取值，根据距离范围从中选取符合可能的取值。为提高测量精度，系 统可通过变换不同的ω:后多次计算&-^取多次平均值。
[0020] 选取不同的两个光探测器多次测量，可得到LED灯到不同光探测器的距离差。例 如，LED到D1和D2的距离差为Ι^2 = (：α2-ω、到D2和D3的距离差为L23 = c(t2-t3)、到D1和D3的 距离差为Ll3 = C(tl_t3)，其中c为光速。
[0021 ] 在某一时刻，若已知LED灯到D1和D2的路程差为L12,可知LED灯位于以D1和D2为焦 点，以L12为实轴长度的双曲面上。同样的，如果获知LED灯到3组不同的光探测器的路程差为 1^丄 23丄13，可获得3个单曲面，根据三角几何解方程，可求得1-2个交点，剔除明显不合理的 交点坐标，如图中光探测器下方的位置不可能为，位于光探测器上方交点坐标，则可确定 LED灯座标为位于3个单曲面上方的交叉点上。
[0022]接收端光光探测器到处理单元的传输路径上的误差需通过数字传输加以消除。接 收端所有探测结果需汇聚到处理单元进行处理和计算，最终得到定位结果。探测信号的相 位差直接决定测量距离的大小，因此需通过预先校准各光探测器到处理单元的传输时间， 严格保证接收端探测信号的同步。
[0023]本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离 本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护 范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种基于可见光的三角定位方法，其特征在于： 待定位目标使用LED灯发送可见光信号，在信号接收端至少包括3个已知座标的光探测 器同时接收来自LED灯的光信号，其中LED灯光的发送频率已知， 根据光信号测量LED灯光到每两个不同光探测器之间的时间差； 根据每两个不同光探测器之间的时间差计算LED灯到每两个不同光探测器的距离差； 通过获取3组或3组以上不同的探测器的路程差，可获得3组或3组以上的单曲面； 通过3组单曲面，得出待定位目标的LED灯坐标。2. 根据权利要求1所述的基于可见光的三角定位方法，其特征在于:所述的LED灯光的 发送频率可变，且采用多个发送频率测量LED灯光到每两个不同光探测器之间的时间差，取 其平均值为最终测量值。3. 根据权利要求1或2所述的基于可见光的三角定位方法，其特征在于:所述的3组单曲 面拟合后，位于光探测器上方交点坐标为LED灯坐标。4. 一种基于可见光的三角定位系统，包括至少3个已知座标的光探测器和处理单元，所 述的光探测器与处理单元相互连接，其特征在于：所述的处理单元通过光探测器采集LED 灯，处理单元通过采集的光信号和LED灯光的发送频率测算出每两个光探测器之间的距离， 并最终测定LED灯坐标。
【专利摘要】本发明属于通信和空间定位技术领域，特别涉及一种基于可见光的三角定位系统及方法。本发明的待定位目标使用LED灯发送可见光信号，信号接收端使用多个已知座标的光探测器同时接收来自LED的光信号，光探测器将测量信号汇聚到处理单元，计算出相位差进而得出LED到多个光探测器的光程差，再依据三角几何原理可计算出信号接收端的座标。本发明的发射端硬件简单，可扩展到多个定位目标，而所有计算和处理可在接收端完成，方便同步和控制，因此具有低成本适用范围广的特点。
【IPC分类】G01S5/16
【公开号】CN105467363
【申请号】CN201510873608
【发明人】刘武, 杨超, 杨奇
【申请人】武汉邮电科学研究院
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月3日