一种检测可见光到达角的PD阵列及室内可见光定位方法技术

本发明专利技术公开了一种检测可见光到达角的PD阵列及室内可见光定位方法。本发明专利技术的PD阵列，包括多个PD基本单元片和一信号采集和处理设备，各PD基本单元拼接为一PD半球接收器，各PD基本单元片分别与该信号采集和处理设备连接；第i个PD基本单元片对应以该PD半球接收器的球心为中心的球坐标系中的一方位角和俯仰角θi。定位方法为：1)建立室内地图和室内三维直角坐标系；2)当定位设备位于室内某一点时，PD阵列接收三盏不同方向的LED光源信息，并计算出该三盏LED光源的到达角及对应ID信息；PD阵列位于以第i个LED光源为顶点，锥角为θi的圆锥面上；3)根据三个锥面的交点确定出所述PD阵列的位置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可见光通信(VLC)领域，涉及一种能检测可见光到达角(AngleofArrival，AOA)的新型PD阵列，以及基于此PD阵列并结合传感器融合算法(主要是惯导系统)的两种(动态和静态)AOA室内可见光精确定位方法。技术背景近年来，随着LED在照明、通信和传感技术等各个领域的广泛应用，可见光通信具有同时用于照明和通信的优势，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。在基于VLC的各种应用中，可见光室内定位系统与现有的定位技术相比具有许多优点，成为国内外研究人员的研究热点。现有的定位系统主要基于全球定位系统(GPS)和无线电波技术。GPS能很好地应用于室外定位，然而因为其定位依赖于无线电波传播，室内覆盖小，导致在室内环境中会出现较大的定位误差，因此不适用于室内定位。相比之下，VLC定位技术有如下优点：首先，VLC技术使用LED作光源，从而用于室内定位目的的VLC系统均可在用于照明的地方提供服务，而且除一些必要的信号处理，几乎不需多余的功率消耗。其次，基于VLC的定位系统不会产生任何射频干扰，因此可以部署在射频辐射被严格限制的环境中(如医院)。最后，因为VLC系统受到多径效应以及来自其他无线手持设备的干扰较少，所以比无线电波能提供更高的定位精度。在室内可见光定位系统中，由天花板上固定位置的LED阵列发射带有位置信息的光信号，经编码调制后由移动目标携带光探测器接收光信号，通过解码、解调等信号处理后恢复出原始信号，再由相应的定位算法分析得到移动目标的位置。定位系统中可见光通信结构框图如图1所示。在传统的LED信号检测方案中，分米级别高精度定位研究结果几乎都是基于多LED灯，其技术路径可分为三角测量法和图像传感器法。三角测量相关的算法基于多灯且要求灯之间严格同步，导致网络结构复杂，可操作性差；图像传感器法要求同一种图片中必须有两盏及以上的LED，导致定位结果对终端的姿态敏感并受限于前置摄像头的视角，在实际应用中有较大的性能损失。考虑到LED的主要功能是照明，其次才是定位。因此实际中决定LED灯布局的首要因素是照明和节能的诉求，故在PD或图像传感器的可视范围之内，只存在单个LED灯的概率将会非常高。因此本方案基于单个LED灯(含单个发光二极管或由多个发光二极管构成的阵列)或者广视域的多盏灯来完成定位，并充分利用智能终端的加速度、角速度等传感器，实现多传感器融合来提升定位精度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于可见光通信的定位系统、装置和方法，定位精度高，并且实现简单。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种检测可见光到达角的PD阵列，其特征在于，包括多个PD基本单元片和一信号采集和处理设备，各所述PD基本单元拼接为一PD半球接收器，各所述PD基本单元片分别与该信号采集和处理设备连接；其中，该信号采集和处理设备用于将所述PD基本单元片接收到的可见光信号转换为相应的信号强度和调制信息，第i个PD基本单元片对应以该PD半球接收器的球心为中心的球坐标系中的一方位角和一俯仰角θi。进一步的，所述PD基本单元片为等接收面积或者不等接收面积的PD基本单元片。一种室内可见光定位方法，其步骤为：1)建立室内地图和原点位于水平面上的室内三维直角坐标系，记录室内每个LED光源的ID与其室内坐标(x,y,z)的对应关系，以及LED光源距水平面的高度h；将所述PD阵列设置于定位设备上；2)当该定位设备位于室内某一点时，该定位设备上的所述PD阵列选取接收到的三盏不同方向的LED光源信息，并计算出该三盏LED光源的到达角θ1、θ2、θ3及对应ID信息；所述PD阵列位于以第i个LED光源为顶点，锥角为θi的圆锥面上；i＝1,2,3；3)根据三个锥面的交点确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)，从而得到该定位设备在室内地图的位置(x,y)。进一步的，计算LED光源i的到达角θi的方法：该定位设备计算所述PD阵列中每个PD基本单元片接收到的平均光功率Pr；根据平均光功率最大的PD基本单元片的俯仰角θ计算到达角θi＝π/2-θ。进一步的，所述平均光功率其中，β为LED光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源发射光功率。进一步的，根据公式确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)；其中，三盏LED光源的坐标为(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3。一种室内可见光定位方法，其步骤为：1)建立室内地图和原点位于水平面上的室内三维直角坐标系，记录室内每个LED光源的ID与其室内坐标(x,y,z)的对应关系，以及LED光源距水平面的高度h；将所述PD阵列设置于具有惯导传感器的定位设备上；2)当t1时刻该定位设备位于室内某一点A，根据t1时刻该定位设备上的所述PD阵列接收到的LED光源信号，计算得到该LED光源的到达角θ1，并根据该LED光源的ID信息得到该LED光源的位置信息；3)当t2时刻该PD阵列移动到一点B，根据t2时刻该PD阵列接收到的LED光源信号，计算该LED光源的到达角θ2，并根据该LED光源的ID信息得到该LED光源的位置信息；根据步骤2)、3)得到的位置信息计算A点到B点的移动距离L及方向角φ；t1时刻，所述PD阵列位于以LED光源为顶点，锥角为θ1的圆锥面上，t,2时刻，所述PD阵列位于以LED光源为顶点，锥角为θ2的圆锥面上；4)根据步骤2)、3)得到的LED光源的位置信息，以及θ1、θ2、L、φ信息，计算得到t1时刻A点坐标(xa,ya,0)和t2时刻B点坐标(xb,yb,0)，完成对该移动端的动态定位。进一步的，计算到达角θi的方法：该定位设备计算所述PD阵列中每个PD基本单元片接收到的平均光功率Pr；根据平均光功率最大的PD基本单元片的俯仰角θ计算到达角θi＝π/2-θ。进一步的，所述平均光功率其中，β为LED光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源发射光功率。进一步的，通过解三角形，得到坐标(xa,xb,0)和(xb,yb,0)。与现有技术相比，本专利技术的积极效果为：要实现高精度定位，现有算法只有三角测量法和图像传感器法；三角测量法中TOA(测量到达时间)相关的算法需严格同步，接收设备复杂；图像传感器法要求同一种图片中必须有两盏及以上的LED，可操作性差；因此与现有的技术相比，本专利技术模型构造直观，设备便携，集成度高；定位算法简单，定位精度高，只需要在有照明LED基础上加装调制模块进行升级，系统成本低；并融合其它传感器技术，具有较好的应用开发前景；通过合理设计LED发射码型，可以有效抑制室内其他背景光噪声的干扰，提高定位精度，这也是传统PD方案无法比拟的。附图说明图1为室内可见光定位系统结构图；图2为LED信号调制示意图；(a)调制后的灯光示意图，(b)LED调制模块；图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测可见光到达角的PD阵列，其特征在于，包括多个PD基本单元片和一信号采集和处理设备，各所述PD基本单元拼接为一PD半球接收器，各所述PD基本单元片分别与该信号采集和处理设备连接；其中，该信号采集和处理设备用于将所述PD基本单元片接收到的可见光信号转换为相应的信号强度和调制信息，第i个PD基本单元片对应以该PD半球接收器的球心为中心的球坐标系中的一方位角和一俯仰角θi。

【技术特征摘要】
1.一种检测可见光到达角的PD阵列，其特征在于，包括多个PD基本单元片和一信号采集和处理设备，各所述PD基本单元拼接为一PD半球接收器，各所述PD基本单元片分别与该信号采集和处理设备连接；其中，该信号采集和处理设备用于将所述PD基本单元片接收到的可见光信号转换为相应的信号强度和调制信息，第i个PD基本单元片对应以该PD半球接收器的球心为中心的球坐标系中的一方位角和一俯仰角θi。2.如权利要求1所述的PD阵列，其特征在于，所述PD基本单元片为等接收面积或者不等接收面积的PD基本单元片。3.一种基于权利要求1所述PD阵列的室内可见光定位方法，其步骤为：1)建立室内地图和原点位于水平面上的室内三维直角坐标系，记录室内每个LED光源的ID与其室内坐标(x,y,z)的对应关系，以及LED光源距水平面的高度h；将所述PD阵列设置于定位设备上；2)当该定位设备位于室内某一点时，该定位设备上的所述PD阵列选取接收到的三盏不同方向的LED光源信息，并计算出该三盏LED光源的到达角θ1、θ2、θ3及对应ID信息；所述PD阵列位于以第i个LED光源为顶点，锥角为θi的圆锥面上；i＝1,2,3；3)根据三个锥面的交点确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)，从而得到该定位设备在室内地图的位置(x,y)。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，计算LED光源i的到达角θi的方法：该定位设备计算所述PD阵列中每个PD基本单元片接收到的的平均光功率Pr；根据平均光功率最大的PD基本单元片的俯仰角θ计算到达角θi＝π/2-θ。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述平均光功率其中，β为LED光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，gt(γ)为LED光源光强分布函数，Ar为PD基本单元片有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，γmax为LED光源最大的照明半角，γ为LED光源的照明半角，Pt为LED光源发射光功率。6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据公式确定出所述PD阵列的位置(x,y,0)；...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯晨波，杨川川，
申请(专利权)人：北京大学，深圳市磐鼎科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11