一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法
【專利摘要】一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，包括基于接收信號(hào)強(qiáng)度的粗定位以及結(jié)合接收信號(hào)強(qiáng)度和估計(jì)反射信號(hào)強(qiáng)度的迭代定位兩部分：首先，根據(jù)接收光信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行粗定位；隨后根據(jù)粗定位的結(jié)果和預(yù)先計(jì)算的在接收平面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的反射信號(hào)強(qiáng)度對(duì)粗定位位置處的反射信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行估算；再結(jié)合接收信號(hào)強(qiáng)度和估算的反射信號(hào)強(qiáng)度，通過對(duì)定位結(jié)果和定位方程進(jìn)行多次迭代，就可以得到最終的精確定位結(jié)果。由于該算法能夠?qū)碜詨γ婕捌渌矬w表面的漫反射光信號(hào)進(jìn)行估計(jì)并抑制了這些反射信號(hào)的影響，因此，應(yīng)用于實(shí)際場景中能實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的室內(nèi)可見光定位。
【專利說明】
一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及照明集成的室內(nèi)可見光定位技術(shù)，尤其涉及一種用于提高室內(nèi)可見光 定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，屬于可見光通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的廣泛應(yīng)用和基于位置服務(wù)的不斷發(fā)展，室內(nèi)定位技術(shù)逐漸進(jìn) 入人們的視野，相關(guān)需求也不斷增長。在定位與導(dǎo)航市場中，GPS和北斗等基于衛(wèi)星信號(hào)的 定位系統(tǒng)占據(jù)了絕大多數(shù)。但是與此同時(shí)，由于在城市中衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被高樓遮擋;而且在室 內(nèi)，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過穿墻之后會(huì)被嚴(yán)重衰減，因此GPS和北斗這類基于衛(wèi)星信號(hào)的定位技術(shù)在 室內(nèi)環(huán)境下并不實(shí)用。近年來，隨著綠色照明的發(fā)展，LED以其高發(fā)光效率、低能耗、低成本、 高顯色性和環(huán)境友好等優(yōu)勢逐漸得到普及。而基于LED光源的可見光通信和可見光定位技 術(shù)也不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種原理的與可見光定位相關(guān)的論文和專利。
[0003] 與基于Wi-Fi和藍(lán)牙的定位技術(shù)相比，可見光定位技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，且不受 電磁信號(hào)的干擾。因此其定位精度高于基于Wi-Fi和藍(lán)牙定位，且更加穩(wěn)定。而與基于超聲、 紅外和超寬帶(UWB)的室內(nèi)定位技術(shù)相比，可見光定位技術(shù)可直接利用室內(nèi)的照明LED燈， 無需額外假設(shè)信號(hào)發(fā)射裝置。因此其成本更低，更易于推廣和實(shí)用。
[0004] 對(duì)于當(dāng)前的室內(nèi)可見光定位技術(shù)，出于成本的考慮，很多都是在接收端采用光電 探測器，同時(shí)利用接收到的來自各個(gè)光源的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位，例如專利"一種基于頻移 鍵控的室內(nèi)可見光定位及信息推送方法"（申請?zhí)?01510379394.0)和專利"基于可見光信 號(hào)強(qiáng)度的三維空間室內(nèi)定位方法"（申請?zhí)?01510063426.6)。但是對(duì)于這一類的定位技術(shù) 而言，都只考慮到了直接來自光源的直射信號(hào)，而忽略了來自于墻面或家具的反射光信號(hào)， 因此在實(shí)際應(yīng)用中存在較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決目前室內(nèi)可見光定位技術(shù)受到反射光信號(hào)干擾的問題。提 出一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)核心為:其利用基于接收信號(hào)強(qiáng)度的粗定位以及結(jié)合接收信號(hào)強(qiáng)度 和估計(jì)反射信號(hào)強(qiáng)度的迭代定位來進(jìn)行基于可見光信號(hào)的室內(nèi)定位，并通過不斷迭代來提 高定位精度;本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，具體步驟如 下：
[0007] 步驟一、預(yù)處理，具體包括：
[0008] 1.1在室內(nèi)天花板上放置N個(gè)光源，每個(gè)光源都采用強(qiáng)度調(diào)制的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同 時(shí)每個(gè)光源通過光信號(hào)發(fā)送自己的空間坐標(biāo)，在完成照明功能的同時(shí)作為可見光定位系統(tǒng) 的信號(hào)源；
[0009] 其中，所述的N>3;
[0010] 1.2根據(jù)室內(nèi)環(huán)境，將可見光定位系統(tǒng)的接收端所處的接收平面分為R個(gè)網(wǎng)格節(jié) 點(diǎn)，并求出或測量出在各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處分別來自各個(gè)光源的經(jīng)墻面和家具所反射光信號(hào)的 強(qiáng)度；
[0011]其中，所述的可見光定位系統(tǒng)的接收端位于光源下方的某個(gè)平面上，假設(shè)接收端 與光源的垂直距離為h，且豎直向上放置；
[0012]所述的R的選擇依據(jù)主要為系統(tǒng)定位精度和定位時(shí)間要求，且優(yōu)選的R值密度范圍 為：100個(gè)/平方米到400個(gè)/平方米之間；
[0013] 1.3初始化迭代次數(shù)K為1，預(yù)設(shè)迭代次數(shù)M;
[0014]步驟二、可見光定位系統(tǒng)的接收端根據(jù)接收到的來自各個(gè)光源的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行 粗定位，具體過程為：
[0015]假設(shè)第i個(gè)光源所發(fā)射的原始光信號(hào)強(qiáng)度為Ptl，接收端接收到的來自第i個(gè)光源的 光信號(hào)強(qiáng)度為Pn，第i個(gè)光源的坐標(biāo)為(Xl，yi);通過求解以下超定方程組的最小二乘解，可 以獲得粗定位結(jié)果的坐標(biāo)(X。，％)，并將其作為迭代定位算法的初值；
[0017] 步驟三、尋找距離步驟二輸出的粗定位結(jié)果坐標(biāo)(Xc，yc)最近的S個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)：結(jié)合 預(yù)處理中所得的各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處分別來自各個(gè)光源的經(jīng)墻面和家具所反射光信號(hào)的強(qiáng)度， 可以利用插值的方法，估計(jì)在粗定位結(jié)果的位置上來自第i個(gè)光源的經(jīng)墻面和家具所反射 光信號(hào)的強(qiáng)度，記為Prdi ;
[0018] 其中，S的大小由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布形式?jīng)Q定，通常可為3、4或6，分別對(duì)應(yīng)
[0019] 三角形排布矩形排布以及六邊形排布；
[0020] 步驟四、根據(jù)步驟三估計(jì)的粗定位坐標(biāo)附近的反射光信號(hào)強(qiáng)度，求解以下方程組， 重新計(jì)算接收端的位置坐標(biāo)(X，y);
[0022] 步驟五、判斷迭代次數(shù)K是否到達(dá)預(yù)設(shè)迭代次數(shù)M，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行如下操作：
[0023] 5.1當(dāng)K〈M，即沒有達(dá)到預(yù)定迭代次數(shù)，將K值加1，并將步驟四重新計(jì)算的接收端坐 標(biāo)(χ，y)作為新的粗定位坐標(biāo)(χ。，y。），跳至步驟三；
[0024] 5.2當(dāng)K = M，即已經(jīng)達(dá)到預(yù)定迭代次數(shù)，步驟四得出的接收端坐標(biāo)(x，y)即為最終 的定位結(jié)果；
[0025]其中，所述的迭代次數(shù)K由系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確度和復(fù)雜度要求決定。
[0026]有益效果
[0027] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)中"一種基于頻移鍵控的室內(nèi)可見光定位及信息推送方法"和 "基于可見光信號(hào)強(qiáng)度的三維空間室內(nèi)定位方法"相比，具有以下有益效果：
[0028] 1.考慮并從一定程度上消除了反射光對(duì)室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)的影響，在同等條件 下的定位精度更高，對(duì)于實(shí)施例1中的情況，可以將室內(nèi)的平均定位誤差減小10倍以上；
[0029] 2.利用迭代算法在計(jì)算中不斷提高定位精度，通過設(shè)置不同的迭代次數(shù)，可在定 位精度和算法復(fù)雜度之間任意取舍。
【附圖說明】
[0030] 下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明：
[0031] 圖1為本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法的算法流程 圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法實(shí)施例1中 步驟S1網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)示意圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法實(shí)施例1中 步驟S5反射信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)算法中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面，結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。為了便于描述和突出顯示本發(fā) 明，附圖中省略了現(xiàn)有技術(shù)中已有的相關(guān)部件，并將省略對(duì)這些公知部件的描述。
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 具體結(jié)合圖1、圖2和圖3對(duì)本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的 迭代算法進(jìn)行細(xì)致闡述。圖1為本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代 算法及實(shí)施例中的算法流程圖；圖2為本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度 的迭代算法及實(shí)施例1中步驟S1網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)示意圖；圖3為本發(fā)明一種用于提高室內(nèi)可見光定 位系統(tǒng)定位精度的迭代算法實(shí)施例1中步驟S5反射信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)算法中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)示意圖。
[0037] 在本實(shí)施例中，假設(shè)在室內(nèi)房間中進(jìn)行定位，房間的大小為5米X 5米X 3米，天花 板上有4個(gè)LED燈在提供照明的同時(shí)作為可見光定位系統(tǒng)的信號(hào)源。這4個(gè)LED燈采用不同頻 率的開關(guān)鍵控(00K)信號(hào)調(diào)制，并循環(huán)發(fā)送自己的位置坐標(biāo)，分別為（1，1，3)，（1，3,3)，（3， 1，3)和(3,3,3)。與此同時(shí)，接收端位于光源下方且與光源垂直距離為3米的平面上，并豎直 向上放置。圖1中所描述的是本發(fā)明中定位算法的總體流程圖，其主要步驟如下：
[0038] 步驟S1:根據(jù)室內(nèi)環(huán)境，將接收端所處的接收平面均勻分為2601個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，每個(gè) 節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的間距為10厘米(如圖2所示），此時(shí)節(jié)點(diǎn)密度為100個(gè)/平方米;隨后利用可 見光信道傳輸模型求出在各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處分別來自各個(gè)光源的經(jīng)墻面和家具所反射光信 號(hào)的強(qiáng)度;初始化迭代次數(shù)K為1，預(yù)設(shè)迭代次數(shù)Μ為3;
[0039] 步驟S2:在接收端接收來自4個(gè)不同LED光源的光信號(hào)。根據(jù)不同的頻率對(duì)其進(jìn)行 識(shí)別并分別測量光信號(hào)強(qiáng)度，分別記為Prl，Pr2，Pr3和Pr4;與此同時(shí)，對(duì)分別來自4個(gè)LED光源 的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并獲取他們的位置坐標(biāo)，即（1，1，3)，（1，3,3)，（3，1，3)和(3,3,3)，并將 光信號(hào)強(qiáng)度和光源位置坐標(biāo) 對(duì)應(yīng)；
[0040] 步驟S3:在定位時(shí)，首先根據(jù)接收到的來自4個(gè)光源的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行粗定位，假 設(shè)第i個(gè)光源所發(fā)射的原始光信號(hào)強(qiáng)度為ptl，列出超定方程組為：
[0042]步驟S4:求解步驟S3中所給出的超定方程組的最小二乘解，可以獲得粗定位結(jié)果 坐標(biāo)，并將其作為迭代定位算法的初值；
[0043]步驟S5:在獲取了粗定位結(jié)果的坐標(biāo)后，尋找距離其最近的4個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)（如圖3所 示），假設(shè)對(duì)于第m個(gè)節(jié)點(diǎn)，來自光源i的經(jīng)墻面和家具所反射光信號(hào)的強(qiáng)度為Prdim;利用雙 線性插值的方法，利用下式可以估計(jì)在粗定位結(jié)果的位置上，來自光源i的經(jīng)墻面和家具所 反射光信號(hào)的強(qiáng)度為Prdi:
[0045] 其中，AuS以粗定位位置與節(jié)點(diǎn)i之間連線作為對(duì)角線的矩形的面積；
[0046] 步驟S6:根據(jù)估計(jì)的粗定位位置的反射光信號(hào)強(qiáng)度，求解以下方程組，重新計(jì)算接 收端的位置坐標(biāo)；
[0048]步驟S7:統(tǒng)計(jì)迭代次數(shù)K;
[0049] 步驟S8:對(duì)于定位精度(定位速度)優(yōu)先的系統(tǒng)，判定當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)行過的迭代次數(shù)K 是否等于預(yù)設(shè)的Μ值，并進(jìn)行相應(yīng)操作：
[0050] S8.1若等于Μ = 3次，將定位結(jié)果(即接收端的位置)輸出，定位結(jié)束；
[0051 ] S8.2若少于Μ = 3次，則將步驟S6中求得的接收端位置坐標(biāo)代替粗定位結(jié)果，作為 新的迭代初值，將迭代次數(shù)Κ加1，并跳轉(zhuǎn)至步驟S5,繼續(xù)進(jìn)行迭代定位的計(jì)算。
[0052] 實(shí)施例2
[0053]將實(shí)施例1中的4個(gè)LED燈改成N( N>4)個(gè)燈，該定位系統(tǒng)依然有效。
[0054] 實(shí)施例3
[0055]將實(shí)施例1中的LED燈改成其他固體光源如0LED，該定位系統(tǒng)依然有效。為了更好 地理解本發(fā)明，對(duì)有關(guān)內(nèi)容補(bǔ)充說明如下：
[0056]關(guān)于反射光信號(hào)的預(yù)處理:在本算法中，需要預(yù)先獲取接收平面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上來自 各個(gè)光源的反射信號(hào)光強(qiáng)。這些光強(qiáng)可由多種仿真算法或軟件對(duì)室內(nèi)環(huán)境仿真計(jì)算得出， 也可通過在實(shí)際場景中的實(shí)地測量獲得。上述實(shí)施方式中未述及的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容采取或借 鑒已有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，例如實(shí)施例1中發(fā)射端的的可見光信號(hào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路和接收端的數(shù) 據(jù)采集，均可采用專利"一種基于頻移鍵控的室內(nèi)可見光定位及信息推送方法"（申請?zhí)?201510379394.0)中所述的方法進(jìn)行。
[0057]需要說明的是，本說明書所述的只是本發(fā)明的3種較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅 用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過 邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特征在于： 具體步驟如下： 步驟一、預(yù)處理； 步驟二、可見光定位系統(tǒng)的接收端根據(jù)接收到的來自各個(gè)光源的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行粗定 位； 步驟三、尋找距離步驟二輸出的粗定位結(jié)果坐標(biāo)(Xc，yc)最近的S個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn);結(jié)合預(yù)處 理中所得的各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處分別來自各個(gè)光源的經(jīng)墻面和家具所反射光信號(hào)的強(qiáng)度； 步驟四、根據(jù)步驟三估計(jì)的粗定位坐標(biāo)附近的反射光信號(hào)強(qiáng)度，重新計(jì)算接收端的位 置坐標(biāo)； 步驟五、判斷迭代次數(shù)K是否到達(dá)預(yù)設(shè)迭代次數(shù)M，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行如下操作： 5.1當(dāng)K〈M，即沒有達(dá)到預(yù)定迭代次數(shù)，將K值加1，并將步驟四重新計(jì)算的接收端坐標(biāo) (X，y)作為新的粗定位坐標(biāo)(X。，yc)，跳至步驟三； 5.2當(dāng)K = M，即已經(jīng)達(dá)到預(yù)定迭代次數(shù)，步驟四得出的接收端坐標(biāo)(x，y)即為最終的定 位結(jié)果； 至此，步驟一至步驟五完成了一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算 法。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟一具體包括： 1.1在室內(nèi)天花板上放置N個(gè)光源，每個(gè)光源都采用強(qiáng)度調(diào)制的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)每 個(gè)光源通過光信號(hào)發(fā)送自己的空間坐標(biāo)，在完成照明功能的同時(shí)作為可見光定位系統(tǒng)的信 號(hào)源； 1.2根據(jù)室內(nèi)環(huán)境，將可見光定位系統(tǒng)的接收端所處的接收平面分為R個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，并 求出或測量出在各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處分別來自各個(gè)光源的經(jīng)墻面和家具所反射光信號(hào)的強(qiáng)度； 其中，所述的可見光定位系統(tǒng)的接收端位于光源下方的某個(gè)平面上，假設(shè)接收端與光 源的垂直距離為h，且豎直向上放置； 1.3初始化迭代次數(shù)K為1。3. 如權(quán)利要求2所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟一中所述的N>3。4. 如權(quán)利要求2所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟一中所述的R的選擇依據(jù)主要為系統(tǒng)定位精度和定位時(shí)間要求，且優(yōu)選的R值密度 范圍為:100個(gè)/平方米到400個(gè)/平方米之間。5. 如權(quán)利要求1所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟二具體過程為： 假設(shè)第i個(gè)光源所發(fā)射的原始光信號(hào)強(qiáng)度為Ptl，接收端接收到的來自第i個(gè)光源的光信 號(hào)強(qiáng)度為Pn，第i個(gè)光源的坐標(biāo)為(Xl，yi);通過求解以下超定方程組的最小二乘解，可以獲 得粗定位結(jié)果的坐標(biāo)(Xc；，y。），并將其作為迭代定位算法的初值； ^G6. 如權(quán)利要求1所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟三具體為:利用插值的方法，估計(jì)在粗定位結(jié)果的位置上來自第i個(gè)光源的經(jīng)墻面 和家具所反射光信號(hào)的強(qiáng)度，記為Prdi。7. 如權(quán)利要求1所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟三中S的大小由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布形式?jīng)Q定，通?？蔀?、4或6，分別對(duì)應(yīng)三角形排布 矩形排布以及六邊形排布。8. 如權(quán)利要求1所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟四中重新計(jì)算接收端的位置坐標(biāo)(x，y)采用解如下方程組得出；9. 如權(quán)利要求1所述的一種用于提高室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)定位精度的迭代算法，其特 征還在于： 步驟五中所述的迭代次數(shù)K由系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確度和復(fù)雜度要求決定。
【文檔編號(hào)】G01S5/16GK105866738SQ201610245106
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月19日
【發(fā)明人】楊愛英, 黃河清, 馮立輝, 倪國強(qiáng)
【申請人】北京理工大學(xué)