一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法，包括：在室内布置多个LED作为光信号发射器，并让PD在室内的不同位置接收LED的光信号；若PD在某个位置接收到的某个LED的光信号强度明显小于由朗博模型计算出的理论值，则此LED与PD当前位置之间很有可能被障碍物遮挡。根据光信号沿直线传播的特性，采用两种算法来进行室内障碍物的探测。第一种算法通过识别受遮挡的光链路，实现了障碍物的二维探测；第二种算法通过识别未受遮挡的光链路，实现了室内环境的三维感知。本发明专利技术拓展了光通信系统的服务类型，能够在不使用激光雷达等设备的前提下感知环境的三维信息，为路径规划和无线信道衰落预测提供数据支持。划和无线信道衰落预测提供数据支持。划和无线信道衰落预测提供数据支持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法


[0001]本专利技术涉及可见光定位
，特别是涉及一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法。

技术介绍

[0002]可见光通信(visible light communication，VLC)因为其高传输速率、无需频谱申请、无电磁干扰、高保密性等优势受到广泛关注。由于光信号的传播具有较强的指向性，VLC系统也可以支持高精度的可见光定位(visible light positioning，VLP)服务。除了定位，光信号还可以用于室内环境建模，即室内障碍物的检测。
[0003]现有的室内障碍物检测技术大多依赖智能手机、摄像头或激光雷达，不仅需要较高的硬件成本和较复杂的算法设计，还需要高昂的人力成本完成环境信息的采集。因此，已有的技术无法支持低成本的室内环境建模，很难应用于一些预算有限的系统中。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法，用以解决现有室内环境建模算法成本较高，算法复杂度相对较高的问题，本专利技术该方法实现成本较低，只需要布置少量的LED和PD。同时只需要根据PD在运动时接收的光信号判断当前链路上是否有障碍物存在，不依赖复杂的算法实现。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法，所述建模方法包括如下步骤：
[0007]步骤S1、针对一室内场景，在其顶部布置有n个LED，该n个LED用于发射光信号，在该室内场景中还设置有障碍物，该障碍物建模为单个长方体或者多个长方体的组合；
[0008]步骤S2、针对所述的室内场景，在其底部设置一个PD，该PD用于测量LED的光信号强度，并且具有平面内移动能力，该PD在该室内场景中通过移动u个位置来测量相应的光信号强度；
[0009]步骤S3、执行算法一或者执行算法二来获取所述障碍物的估计范围，其中，
[0010]所述算法一包括：
[0011]让PD在所有u个位置上遍历，假设其在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度为且对应的朗博模型的理论计算值为s
ij
，若其中，α为表示阈值的系数，则PD的第i个位置和第j个LED连线上的区域标记为第j个LED探测的障碍物区域；
[0012]在遍历完成之后，将每个LED探测到的障碍物区域求交集作为所述障碍物的范围估计；
[0013]所述算法二包括：
[0014]让PD在所有u个位置上遍历，假设其在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度为且对应的朗博模型的理论计算值为s
ij
，若其中，α为表示阈值的系
数，则将PD的第i个位置和第j个LED连线上的区域从整个空间中去除；
[0015]在遍历完成之后，把室内环境中剩余的空间作为障碍物的三维估计。
[0016]进一步的，在所述步骤S1中，所述的n个LED，其三维坐标由三维列向量p
LED1
至p
LEDn
表示；当所述障碍物建模为单个长方体时，其特征用6个参数来进行描述，包括：
[0017][0018]公式中，P
obstacle
表示的是障碍物的空间范围矩阵，矩阵中的各个元素表示为在室内场景的全局坐标系中，该长方体在x、y和z三轴上的坐标最小值和最大值。
[0019]进一步的，在所述步骤S2中，所述PD搭载在移动物体或者人体上，并且采用u
×
3维的矩阵P
PD
表示PD所有u个位置的三维坐标，同时用u
×
n维的矩阵表示PD实际接收的光信号强度，则其第i行第j列的元素代表的就是PD在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度。
[0020]进一步的，所述的n个LED，其辐射模式满足朗博模型，表达式为：
[0021][0022]公式中，s是理论上PD接收的光信号强度，s
t
是LED的传输功率，m是LED的朗博系数，A是PD的有效接收面积，d是LED到PD的距离，θ和φ分别为此条光链路与LED法向和PD法向的夹角。
[0023]进一步的，所述的PD采用频分复用的方式处理不同LED的发射信号。
[0024]进一步的，通过采用将所述室内场景划分成等大小正方体的方式来对存在或者不存在障碍物的区域进行量化，具体包括：
[0025]在所述算法一中，假设其在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度为且对应的朗博模型的理论计算值为s
ij
，若其中α为表示阈值的系数，则将PD的第i个位置和第j个LED的连线按固定长度细分，细分成多个节点，并判断细分化后的每个节点对应到整个空间的哪个小正方体，然后再将这些小正方体归于第j个LED探测到的障碍物集合中；
[0026]在所述算法二中，假设其在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度为且对应的朗博模型的理论计算值为s
ij
，若其中α为表示阈值的系数，则将PD的第i个位置和第j个LED的连线按固定长度细分，细分成多个节点，并判断细分化后的每个节点对应到整个空间的哪个小正方体，再将这些小正方体从所述室内场景中剔除，剩余的小正方体归于第j个LED探测到的障碍物集合中。
[0027]进一步的，在执行所述算法一时，在所述室内场景顶面的四个角均设置一个LED，然后令PD在所述室内场景的底面遍历并测量LED的光信号强度。
[0028]进一步的，在执行所述算法二时，具体包括：
[0029]首先，在所述室内场景顶面的四个角以及底面的四个角均设置一个LED；
[0030]然后，令PD在所述室内场景的底面进行移动并测量顶面的四个LED的光信号强度；
[0031]最后，令PD靠近所述室内场景的某一侧面进行移动，并且同时测量该侧面对面的四个LED的光信号强度，按照顺时针或者逆时针的顺序，依次测量完成该室内场景四个侧面上，其LED发出的光信号强度。
[0032]本专利技术的有益效果是：
[0033]本专利技术实现成本较低，只需要布置少量的LED和PD。同时只需要根据PD接收的光信号判断当前链路上是否有障碍物存在，不依赖复杂的算法实现。
附图说明
[0034]图1为实施例1中提供的实施一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法的场景示意图；
[0035]图2为实施例1中提供的朗博模型示意图；
[0036]图3为实施例1中提供的在执行算法一时，探测障碍物1的结果示意图，其中，图3a为采用单个LED探测障碍物1的示意图，图3b为整体的探测结果，图3c表示为图3b的俯视图；
[0037]图4为实施例1中提供的在执行算法一时，探测障碍物2的结果示意图，其中，图4a为单个LED探测障碍物2的示意图，图4b为整体的探测结果，图4c表示为图4b的俯视图；
[0038]图5为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法，其特征在于，所述建模方法包括如下步骤：步骤S1、针对一室内场景，在其顶部布置有n个LED，该n个LED用于发射光信号，在该室内场景中还设置有障碍物，该障碍物建模为单个长方体或者多个长方体的组合；步骤S2、针对所述的室内场景，在其底部设置一个PD，该PD用于测量LED的光信号强度，并且具有平面内移动能力，该PD在该室内场景中通过移动u个位置来测量相应的光信号强度；步骤S3、执行算法一或者执行算法二来获取所述障碍物的估计范围，其中，所述算法一包括：让PD在所有u个位置上遍历，假设其在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度为且对应的朗博模型的理论计算值为s
ij
，若其中，α为表示阈值的系数，则PD的第i个位置和第j个LED连线上的区域标记为第j个LED探测的障碍物区域；在遍历完成之后，将每个LED探测到的障碍物区域求交集作为所述障碍物的范围估计；所述算法二包括：让PD在所有u个位置上遍历，假设其在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度为且对应的朗博模型的理论计算值为s
ij
，若其中，α为表示阈值的系数，则将PD的第i个位置和第j个LED连线上的区域从整个空间中去除；在遍历完成之后，把室内环境中剩余的空间作为障碍物的三维估计。2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述的n个LED，其三维坐标由三维列向量p
LED1
至p
LEDn
表示；当所述障碍物建模为单个长方体时，其特征用6个参数来进行描述，包括：公式中，P
obstacle
表示的是障碍物的空间范围矩阵，矩阵中的各个元素表示为在室内场景的全局坐标系中，该长方体在x、y和z三轴上的坐标最小值和最大值。3.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信和定位的室内环境建模方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述PD搭载在移动物体或者人体上，并且采用u
×
3维的矩阵P
PD
表示PD所有u个位置的三维坐标，同时用u
×
n维的矩阵表示PD实际接收的光信号强度，则其第i行第j列的元素代表的就是PD在第i个位置上接收到的来自第j个LED的光信号强度。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱秉诚，张可涵，张在琛，吴亮，党建，汪磊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：