CN102967307B - 基于室内照明的定位导航系统 - Google Patents

Abstract

基于室内照明的可见光定位导航系统，属于室内定位导航技术领域，包括控制计算机、发射部件、接收部件和多个便携设备，发射部件由信息加载电路、LED驱动电路和LED光源组成，接收部件由凸透镜以及光电接收器、滤波放大整形电路以及解调解码器连接而成。控制计算机向发射部件发送附加服务信息和控制命令，接收部件把附加服务信息连同LED的ID地址信息解码后发送给便携设备用于显示，其中光电接收器采用凸透镜加上光电检测PD阵列的光路接收方案，便于精确确定用户的地理位置。所述附加服务信息包括场景和边界切换信息、导航地图刷新信息和紧急疏散信息，本发明突破了现有系统存在的需安装特定设备以及使用区域受限的缺失。

Description

基于室内照明的定位导航系统

技术领域

本发明属于室内定位导航技术领域，特别涉及一种基于室内LED照明的定位导航系统。

背景技术

无论普通的商业活动、科学研究，还是搜救抢险等行业，定位导航服务都有着重要的应用。GPS作为一种成熟的无线定位系统已在户外开阔环境中得到广泛的应用，然而在人们活动最为频繁的室内环境却由于接收信号很差而无法使用。室内定位导航有着广阔的市场前景，比如大型商场和博物馆的自动化导游、大型停车场的车位自动导航、医院的病患追踪、矿井的自动定位导航、建筑物中的应急导向等等。

目前的室内定位导航系统主要基于红外技术、超声波技术、无线局域网、蓝牙技术等。这些技术的使用往往通过移动目标和固定单元的通信来确定它们之间的相对位置，进而推算出目标的真实位置。但是，这些技术往往需要额外安装特定设备（如Wi-Fi接入点、红外发送装置），极大地增加了安装、维护、管理等方面的成本。另外，这些技术可使用的场所也受到一定限制，例如在矿井、加油站、医院、飞机机舱等无线通信被禁止或限制使用的区域就无法采用基于无线局域网或蓝牙的技术进行定位。最后，这些技术在稳定性、抗干扰能力上也存在一定的不足，这也是现代室内无线定位技术需要着重解决的问题。

发明内容

基于室内照明的可见光定位导航系统，其特征在于，是一种基于室内LED照明光源的定位导航系统，包括控制部分、发射部分、接收部分以及客户端，其中：

控制部分是一台控制计算机，通过Internet、Wi-Fi、USB、串口或得到电力线组网支持的电力线中的任何一种方式与所述发射部分通信，向所述发射部分发射输入数据及其格式和控制命令，其中：

输入数据的格式，采用可见光信号的数据包格式，包括帧头、发射LED的ID、功能服务类型、数据长度、功能服务数据、检纠错校验位以及帧尾，其中：

帧头和帧尾，表示数据包的开始和结束；

ID是发射LED的地址，信息是一个32位二进制地址，由4个8位字段构成，每个字段之间用点号隔开，用于标识不同位置的LED照明光源，前两个字段代表该LED照明光源所在的外部位置，后两个字段代表该LED照明光源所在的内部环境；

功能服务类型，表示附加服务信息的功能类型，其中包括：场景描述、导航地图刷新、紧急情况下疏散指示以及基于位置的其他服务信息，也称位置服务信息；

数据长度，为信息数据总长；

功能服务数据，表示具体的附加服务内容；

检纠错校验位，用于校验数据包并纠错；

所述发射LED的ID中的具体内容在所述控制计算机发出的输入数据中缺失，但以空字段形式出现，待补；

所述输入数据的二进制码流采用曼彻斯特编码方式，以防止由于二进制码“0”和“1”的交替而引发在发送信号时LED灯光的闪烁；

所述输入数据的二进制码流采用包括OOK、PPM、VPPM在内的任何一种调制方式：

在信道恶劣场合采用PPM调制；

在用户要求改变LED亮度时，在工作直流不变的条件下采用VPPM调制；

在带宽大、实现简单时采用OOK调制；

控制命令，包括开或关LED；

所述控制计算机向所述发射部分发出的输入数据中只包括所述位置服务信息和控制命令；

发射部分，包括信息加载电路、LED驱动电路和LED光源，其中：

信息加载电路，判别输入数据的内容：

若：为所述位置服务信息，则加入本地LED的ID地址后，和所述位置服务信息按所述可见光信号的数据包格式封装成数据包后，在相邻两个照明信号的间隔内发送数据，形成一个由照明信号和可见光信号共同组成的信息发射周期，向所述接收部件发送，在所述LED睡眠发出微光时维持通信；

若：为所述控制命令，则把数据包格式的控制命令经过编码、调制后输入LED驱动电路，控制对应的LED的工作状态；

接收部件，包括一个凸透镜以及一个由光电接收器、滤波放大整形电路和解调解码器串接而形成的一个分立的接收部件，把接收的可见光信号转换成电信号，经解调解码后解析出包括所述本地LED的ID信息和所述位置服务信息在内的由所述发射部件输出的供定位导航的由接收的可见光信号转换成的电信号，经解调解码后解析出包括所述本地LED的ID信息和所述位置服务信息在内的由所述发射部件输出的供定位导航的可见光信号，发送给所述客户端，

客户端，是一种与用户交互，提供定位导航服务的便携设备，至少包括移动通信终端和PDA，内置有定位导航软件，在接收到所述接收部件发送的所述定位导航的数据包后，首先利用检纠错校验位判断是否存在误码，若没有，则取出发射LED的位置ID以及对应在所述光电接收器内光电检测PD阵列上的位置信息以及所述功能服务数据，用定位算法计算出当前用户所在的位置，连同所述功能服务数据一起，通过多媒体形式把相关信息再所述便携设备上提供给用户，其中所述定位算法共有三种，分别是单灯粗略定位、双灯粗略定位和多灯精确定位，以应对不同场景和不同的定位精度需求：

第一种，单灯粗略定位：当所述接收部件只能接收到一个所述LED光源的ID位置信息时，接收部件将接收到的单个LED的ID位置信息发送给所述用户终端，用户终端的定位导航软件将接收到的LED的位置信息加载到定位导航界面，以表示用户的当前地理位置，该算法适用于走廊区域，定位精度为单灯照明区域的半径；

第二种，双灯粗略定位：当所述接收部件能够接收到两个所述LED光源的ID位置信息时，接收部件中的PD阵列将接收到的两个LED的ID信息以及两个LED映射到阵列上的相对位置信息一起发送给所述用户终端，用户终端的定位导航软件将接收到的两个LED的位置进行二分法处理得到的地理位置加载到定位导航界面，以表示用户的当前地理位置，该算法适用于走廊或者室内照明重叠区域，定位精度为相邻LED照明重叠区域的最大半径；

第三种，多灯精确定位：当所述接收部件能够接收到三个或者三个以上的并且不在同一条直线上的LED光源的ID位置信息时，接收部件中的PD阵列将接收到的三个或者三个以上LED的ID信息以及LED映射到阵列上的相对位置信息一起发给所述用户终端，用户终端的定位导航软件通过分析LED映射到阵列上的相对位置信息计算出所述接收部件与LED光源的相对夹角，通过求解方程求得用户终端当前精确的地理位置，并加载到定位导航界面以表示用户的当前地理位置，该算法适用于室内照明密集区域，定位精度为厘米量级，用户的当前未知地理位置(x,y,z)按下式得到：

$\begin{array}{c}\frac{k_{11}(x_i-x)+k_{12}(y_i-y)+k_{13}(z_i-z)}{k_{32}(x_i-x)+k_{32}(y_i-y)+k_{33}(z_i-z)}=-\frac{X_i}{l}\\ \frac{k_{21}(x_i-x)+k_{22}(y_i-y)+k_{23}(z_i-z)}{k_{31}(x_i-x)+k_{32}(y_i-y)+k_{33}(z_i-z)}=-\frac{Y_i}{l}\end{array}$ ，

其中，(x_i,y_i,z_i)为第i个LED的三维位置， l为接收部件的凸透镜的焦距，(X_i,Y_i)为第i个LED映射到PD阵列上的二维相对位置，k_ij是与接收部件中凸透镜的方位角相关的参数：

$\begin{array}{c}{k}_{11}=\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\α},k_{12}=-\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\α},k_{13}=\sin \mathrm{\φ}\\ k_{21}=\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\α}+\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α},k_{22}=-\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\α}+\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α},k_{23}=-\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\φ}\\ k_{31}=-\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α},k_{32}=\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α},k_{33}=\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\φ}\end{array}$

其中，φ为接收部件的凸透镜的垂直角度，α为旋转角度，β为水平角度。

所述接收部件嵌入用户终端设备中。

本发明的优点在于无需额外安装特定设备，适用范围广泛，定位精度高。

附图说明

图1 定位导航系统框架图。

图2 光接收器结构。

图3 定位场景示意图；a单灯粗略定位；b双灯粗略定位；c多灯精确定位。

图4 本发明实施例1场景示意图。

图5 本发明实施例1场景地图。

图6 本发明实施例1信息发射周期：a进出口区；b商品区；c走廊；d功能区；e紧急疏散信息。

具体实施方式

下面结合附图做进一步说明。

实施例1

图4为室内LED可见光定位导航系统应用，该系统主要由大型商场内的计算机控制端、LED光源为发射部分和用户手持终端为接收部分的三部分组成。移动终端预先加载图5所示的商场地图。商场地图包括各进出口、商品区、走道、功能区（开票处、洗手间等）。控制端控制不同区域的照明LED光源发送不同的位置服务信息。

当持有移动终端的用户进入商场，将接收到以下位置服务信息：场景切换命令，定位导航软件将导航图从城区外部地图切换到商场内部地图；商场地图刷新，实时刷新商场地图；商场信息刷新，如优惠活动，购物指南等。

当持有移动终端的用户在走廊行走时商场地图和信息会得到刷新，同时根据接收到的位置ID数据，解析出当前位置。

用户可在地图上通过选取坐标点或输入文字的方式选取目的地。导航软件会根据当前位置和目的地实时提供最佳推荐路线。用户也可通过自己需要购买的商品来确定目的地。导航软件会将出售该商品的商铺坐标展示给用户，供用户选择。

当持有移动终端的用户在商品区时，将接收到以下位置服务信息：商场地图刷新，实时刷新商场地图；区域地图切换命令，将区域地图切换到当前区域；区域地图刷新，刷新区域地图；区域内商品信息，提供各个商铺出售商品的信息。

当持有移动终端的用户在功能区时，除了商场地图会得到刷新外，在需要的情况下会刷新功能区信息，例如在洗手间用户终端会接收到“正在清洁中”的提醒信息等。

当商场出现紧急疏散情况时，所有信号灯一律发射如图6(e)所示信息周期，同时在定位导航软件接收到紧急情况信号后进入紧急模式，疏散路线变为高亮，并自动将目的地选为最佳紧急出口进行人群疏散导航，实现应急导向功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.基于室内照明的可见光定位导航系统，其特征在于，是一种基于室内LED照明光源的定位导航系统，包括控制部分、发射部分、接收部分以及客户端，其中：

控制部分是一台控制计算机，通过Internet、Wi-Fi、USB、串口或得到电力线组网支持的电力线中的任何一种方式与所述发射部分通信，向所述发射部分发射输入数据及其格式和控制命令，其中：

输入数据的格式，采用可见光信号的数据包格式，包括帧头、发射LED的ID、功能服务类型、数据长度、功能服务数据、检纠错校验位以及帧尾，其中：

帧头和帧尾，表示数据包的开始和结束；

ID是发射LED的地址，信息是一个32位二进制地址，由4个8位字段构成，每个字段之间用点号隔开，用于标识不同位置的LED照明光源，前两个字段代表该LED照明光源所在的外部位置，后两个字段代表该LED照明光源所在的内部环境；

功能服务类型，表示附加服务信息的功能类型，其中包括：场景描述、导航地图刷新、紧急情况下疏散指示以及基于位置的其他服务信息，也称位置服务信息；

数据长度，为信息数据总长；

功能服务数据，表示具体的附加服务内容；

检纠错校验位，用于校验数据包并纠错；

所述发射LED的ID中的具体内容在所述控制计算机发出的输入数据中缺失，但以空字段形式出现，待补；

所述输入数据的二进制码流采用曼彻斯特编码方式，以防止由于二进制码“0”和“1”的交替而引发在发送信号时LED灯光的闪烁；

所述输入数据的二进制码流采用包括OOK、PPM、VPPM在内的任何一种调制方式：

在信道恶劣场合采用PPM调制；

在用户要求改变LED亮度时，在工作直流不变的条件下采用VPPM调制；

在带宽大、实现简单时采用OOK调制；

控制命令，包括开或关LED；

所述控制计算机向所述发射部分发出的输入数据中只包括所述位置服务信息和控制命令；

发射部分，包括信息加载电路、LED驱动电路和LED光源，其中：

信息加载电路，判别输入数据的内容：

若：为所述位置服务信息，则加入本地LED的ID地址后，和所述位置服务信息按所述可见光信号的数据包格式封装成数据包后，在相邻两个照明信号的间隔内发送数据，形成一个由照明信号和可见光信号共同组成的信息发射周期，向所述接收部件发送，在所述LED睡眠发出微光时维持通信；

若：为所述控制命令，则把数据包格式的控制命令经过编码、调制后输入LED驱动电路，控制对应的LED的工作状态；

接收部件，包括一个凸透镜以及一个由光电接收器、滤波放大整形电路和解调解码器串接而形成的一个分立的接收部件，把接收的可见光信号转换成电信号，经解调解码后解析出包括所述本地LED的ID信息和所述位置服务信息在内的由所述发射部件输出的供定位导航的可见光信号转换成的电信号，发送给所述客户端，

客户端，是一种与用户交互，提供定位导航服务的便携设备，至少包括移动通信终端和PDA，内置有定位导航软件，在接收到所述接收部件发送的所述定位导航的数据包后，首先利用检纠错校验位判断是否存在误码，若没有，则取出发射LED的位置ID以及对应在所述光电接收器内光电检测PD阵列上的位置信息以及所述功能服务数据，用定位算法计算出当前用户所在的位置，连同所述功能服务数据一起，通过多媒体形式把相关信息在所述便携设备上提供给用户，其中所述定位算法共有三种，分别是单灯粗略定位、双灯粗略定位和多灯精确定位，以应对不同场景和不同的定位精度需求：

第一种，单灯粗略定位：当所述接收部件只能接收到一个所述LED光源的ID位置信息时，接收部件将接收到的单个LED的ID位置信息发送给所述用户终端，用户终端的定位导航软件将接收到的LED的位置信息加载到定位导航界面，以表示用户的当前地理位置，该算法适用于走廊区域，定位精度为单灯照明区域的半径；

第二种，双灯粗略定位：当所述接收部件能够接收到两个所述LED光源的ID位置信息时，接收部件中的PD阵列将接收到的两个LED的ID信息以及两个LED映射到阵列上的相对位置信息一起发送给所述用户终端，用户终端的定位导航软件将接收到的两个LED的位置进行二分法处理得到的地理位置加载到定位导航界面，以表示用户的当前地理位置，该算法适用于走廊或者室内照明重叠区域，定位精度为相邻LED照明重叠区域的最大半径；

第三种，多灯精确定位：当所述接收部件能够接收到三个或者三个以上的并且不在同一条直线上的LED光源的ID位置信息时，接收部件中的PD阵列将接收到的三个或者三个以上LED的ID信息以及LED映射到阵列上的相对位置信息一起发给所述用户终端，用户终端的定位导航软件通过分析LED映射到阵列上的相对位置信息计算出所述接收部件与LED光源的相对夹角，通过求解方程求得用户终端当前精确的地理位置，并加载到定位导航界面以表示用户的当前地理位置，该算法适用于室内照明密集区域，定位精度为厘米量级，用户的当前未知地理位置(x,y,z)按下式得到：

$\frac{k_{11}(x_i-x)+k_{12}(y_i-y)+k_{13}(z_i-z)}{k_{31}(x_i-x)+k_{32}(y_i-y)+k_{33}(z_i-z)}=-\frac{X_i}{l}$

$\frac{k_{21}(x_i-x)+k_{22}(y_i-y)+k_{23}(z_i-z)}{k_{31}(x_i-x)+k_{32}(y_i-y)+k_{33}(z_i-z)}=-\frac{Y_i}{l},$

其中，(x_i,y_i,z_i)为第i个LED的三维位置，l为接收部件的凸透镜的焦距，(X_i,Y_i)为第i个LED映射到PD阵列上的二维相对位置，k_ij是与接收部件中凸透镜的方位角相关的参数：

k₁₁＝cosφcosα,k₁₂＝-cosφcosα,k₁₃＝sinφ

k₂₁＝sinβsinφcosα+cosβsinα,k₂₂＝-sinβsinφsinα+cosβcosα,k₂₃＝-sinβcosφ

k₃₁＝-cosβsinφcosα+sinβsinα,k₃₂＝cosβsinφsinα+sinβcosα,k₃₃＝cosβcosφ

其中，φ为接收部件的凸透镜的垂直角度，α为旋转角度，β为水平角度。

2.根据权利要求1所述的基于室内照明的可见光定位导航系统，其特征在于，接收部件嵌入用户终端设备中。