本發(fā)明涉及一種利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，屬于可見光通信技術(shù)。

背景技術(shù)：

近年來，為了提供基于位置的服務(location based service，LBS)，GPS等室外定位技術(shù)發(fā)展迅速，為人們的生活工作以及娛樂提供了極大的便利。GPS需要接收衛(wèi)星的信號信息，對于室內(nèi)系統(tǒng)來說，墻壁等建筑物的遮擋會造成嚴重的信號衰落。因此室內(nèi)定位一般采用其他方法，比如射頻信號、紅外線、超聲波、激光等等。雖然一些技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，但是其定位精度一般從幾十分米到幾米，精度比較低，而且都受到電磁干擾和多徑衰落的影響。

相比而言，采用發(fā)光二極管(LED)的可見光通信(VLC)系統(tǒng)擁有豐富的頻帶資源、不受電磁干擾的影響、安全性較高、用于定位時具有精度高、延時短等優(yōu)點；和傳統(tǒng)的照明設備相比，LED燈具有耗能小、使用壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點。不僅如此，LED燈在提供照明的同時可以作為光信號發(fā)射端，因此可見光定位系統(tǒng)不需要額外的硬件設施，成本較低。

至今為止，已經(jīng)有很多相關(guān)的可見光定位算法被提出，其中最主要的是幾何方法。幾何方法可以分為兩種，一是三邊定位法，通過計算多個接收端與目標的距離來定位；二是三角定位法，通過計算多個接收端與目標的相對夾角從而實現(xiàn)定位。在三邊定位法中，采用幅度調(diào)制/直接檢測(intensity modulation/direct detection，IM/DD)，主要通過測量接收信號功率(RSS)或者接收信號功率比(RSSR)來估計接收端和目標的距離。傳統(tǒng)的三邊定位方法大多需要多個接收端的絕對位置坐標信息，假設目標終端的高度已知，僅僅針對其剩下的二維坐標進行定位，且需要采用窮舉或迭代算法，系統(tǒng)計算量較大。

在實際應用中，包含高度信息的三維坐標定位方法具有非常大的應用價值。在手機、便攜式平板電腦等電子設備上安裝光電二極管(PD)作為光信號接收裝置，室內(nèi)照明LED燈作為光信號發(fā)射裝置，采用VLC可對目標設備進行精確定位。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，定位精度高。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，包括如下步驟：

(1)在室內(nèi)天花板上設置M個LED以發(fā)射光信號，在目標終端上配置N個PD以接收光信號，滿足MN≥4；設LED的豎直高度為0，PD和目標終端的豎直高度均為h，則第i個LED的三維坐標為(x_{t_i},y_{t_i},0)，第j個PD的三維坐標為(x_{r_j},y_{r_j},h)，目標終端的三維坐標為(x,y,h)，且存在如下關(guān)系：

其中：r_j為第j個PD距離目標終端定位點的距離，φ_j為第j個PD相對于目標終端定位點的極坐標角度；

(2)使用三維坐標表示第i個LED和第j個PD之間的距離d_ij，則有：

(3)使用第j個PD對第i個LED的光接收功率P_{r_ij}表示第i個LED和第j個PD之間的距離d_ij，具體計算步驟如下：

(31)測量第j個PD對第i個LED的光接收功率P_{r_ij}，設光信道直流增益為H_ij(0)，第i個LED的光發(fā)射功率為P_{t_i}，則有：

P_{r_ij}＝H_ij(0)P_{t_i} (3)

其中：n為LED的朗伯模型階數(shù)(取n＝1)，A_j為第j個PD的光接收面積，為第i個LED對第j個PD的輻射角度，θ_ij為第j個PD對第i個LED的入射角度；

(32)由于帶入式(3)可得：

(4)對式(2)和式(5)進行整合，得到目標終端的三維坐標為(x,y,h)的方程為：

由于存在M個LED和N個PD，因此可以得到MN個式(6)，將其中未知數(shù)的平方項消除，得到MN-1個線性方程，用矩陣形式表示，并采用最小二乘法對目標終端的三維坐標進行估計。

具體的，采用最小二乘法對目標終端的三維坐標進行估計的過程包括如下步驟：

(41)將MN-1個線性方程表示成如下的矩陣形式：

Ax＝b (7)

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1} (11)

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1} (12)

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1；

(42)在定位時，首先由已知參數(shù)(x_{t_i},y_{t_i},0)、已知參數(shù)r_j、已知參數(shù)φ_j和測量值P_{r_ij}，根據(jù)式(9)～(14)計算得到A和b，然后采用最小二乘法估計目標終端的三維坐標：

其中：(·)^T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，(·)^-1表示矩陣的逆，是對目標終端的三維坐標的估計。

有益效果：本發(fā)明提供的利用可見光通信的三維室內(nèi)定位方法，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢：1、本發(fā)明中目標終端的高度坐標不再假設為常數(shù)，而是同樣需要進行估計的未知變量，實現(xiàn)了真正意義上的三維空間定位；2、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)可見光定位方案中需要多個接收裝置的絕對位置的條件，僅需要接收裝置與目標終端的相對位置即可實現(xiàn)定位；3、本發(fā)明中LED數(shù)目M和PD數(shù)目N取值靈活，只要滿足MN大于等于4即可；因此，該方案不僅適用于一發(fā)多收和多發(fā)一收系統(tǒng)，也適用于多發(fā)多收系統(tǒng)；4、把方程用矩陣形式表示，采用最小二乘法估計目標終端的位置坐標，定位精度高，計算量小，且避免了傳統(tǒng)定位方案中的窮舉遍歷，迭代計算；5、本發(fā)明對于實際應用具有重要價值；可見光定位系統(tǒng)適用于常見的移動終端設備，例如配置多攝像頭的手機，便攜式平板電腦等；如果目標終端上多個接收裝置的相對位置關(guān)系已知，則通過測量接收裝置的接收信號功率，就可計算確定目標終端的位置坐標。

附圖說明

圖1為本發(fā)明定位方法的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)一般性的布局示意圖；

圖3為本發(fā)明采用4個LED和2個PD時的布局示意圖；

圖4為在圖3所示布局下得到的定位誤差圖；

圖5為在圖3所示布局下平均定位誤差與目標終端高度的關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

圖1展示了可見光定位方案的系統(tǒng)框圖。首先，LED發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的光信號；然后光信號通過信道被接收端的PD接受；最后，終端采用本發(fā)明的算法經(jīng)過計算得到目標終端的三維坐標估計值?？梢娛覂?nèi)可見光定位系統(tǒng)不需要額外的硬件設備，實施方便，成本低廉。

圖2展示了本發(fā)明定位方法的一般布局。在天花板上放置若干個LED作為光信號發(fā)射端，在目標終端上配置若干個PD作為光信號接收端。具體實施過程如下：

步驟一：在室內(nèi)天花板上設置M個LED以發(fā)射光信號，在目標終端上配置N個PD以接收光信號，滿足MN≥4；設LED的豎直高度為0，PD和目標終端的豎直高度均為h，則第i個LED的三維坐標為(x_{t_i},y_{t_i},0)，第j個PD的三維坐標為(x_{r_j},y_{r_j},h)，目標終端的三維坐標為(x,y,h)，且存在如下關(guān)系：

其中：r_j為第j個PD距離目標終端定位點的距離，φ_j為第j個PD相對于目標終端定位點的極坐標角度。

步驟二：使用三維坐標表示第i個LED和第j個PD之間的距離d_ij，則有：

步驟三：使用第j個PD對第i個LED的光接收功率P_{r_ij}表示第i個LED和第j個PD之間的距離d_ij，具體計算步驟如下：

(31)測量第j個PD對第i個LED的光接收功率P_{r_ij}，設光信道直流增益為H_ij(0)，第i個LED的光發(fā)射功率為P_{t_i}，則有：

P_{r_ij}＝H_ij(0)P_{t_i} (3)

其中：n為LED的朗伯模型階數(shù)(取n＝1)，A_j為第j個PD的光接收面積，為第i個LED對第j個PD的輻射角度，θ_ij為第j個PD對第i個LED的入射角度。

(32)由于帶入式(3)可得：

步驟四：對式(2)和式(5)進行整合，得到目標終端的三維坐標為(x,y,h)的方程為：

由于存在M個LED和N個PD，因此可以得到MN個式(6)，將其中未知數(shù)的平方項消除，得到MN-1個線性方程，將這MN-1個線性方程表示成如下的矩陣形式：

Ax＝b (7)

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1} (11)

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1} (12)

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1。

步驟五：在定位時，首先由已知參數(shù)(x_{t_i},y_{t_i},0)、已知參數(shù)r_j、已知參數(shù)φ_j和測量值P_{r_ij}，根據(jù)式(9)～(14)計算得到A和b，然后采用最小二乘法估計目標終端的三維坐標：

其中：(·)^T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，(·)^-1表示矩陣的逆，是對目標終端的三維坐標的估計。

圖3展示了進行仿真實驗時的具體布局情況。結(jié)合圖3對仿真過程進行說明：

仿真參數(shù)：房間大小為6m×6m×3m(長，寬，高)，天花板上布置4個LED，其坐標分別為LED1(1,-1,0)，LED2(2,2,0)，LED3(-2,-2,0)，LED4(-1,1,0)；4個LED燈的發(fā)射信號功率均為P_t＝1W；目標終端配置有2個PD作為光接收裝置，2個PD到目標終端定位點的距離均為r＝0.2m，2個PD的光接收器面積均為A＝1mm²，2個PD相對于目標終端定位點的極坐標角度分別為φ₁＝120°，φ₂＝60°。

仿真過程：

1)按如下公式計算矩陣A和b：

α_i×j＝2r_j cosφ_j-2x_{t_i}-2r₁cosφ₁+2x_{t_1}

β_i×j＝2r_j sinφ_j-2y_{t_i}-2r₁sinφ₁+2y_{t_1}

其中：A中不存在元素α_1×1、β_1×1和γ_1×1，b中不存在元素b_1×1。

2)按下式估計目標終端的三維坐標：

圖4給出了在圖3所示情形下，當目標終端距離天花板3m時，目標終端在各個位置的定位誤差。定位誤差最小為0.7mm，最大為8.45mm。從圖中可以看出，當目標終端位于房間角落時，定位誤差較大；當目標終端位于房間中心時，定位誤差較小。整體來說，定位誤差達到毫米量級，定位精度較高。

圖5給出了在圖3所示布局下，平均定位誤差與目標終端距LED垂直距離的關(guān)系。從圖中可以看出，當終端與LED距離從1m增加到2m時，平均誤差減小，這是因為光信號入射角減小，造成直流增益增加；當距離從2m增加到3m時，平均誤差增大，這是因為PD與LED距離增大，造成直流增益減小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。