CN104567875A - 基于手机惯性定位和vlc的室内混合定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于手机惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统及方法。下行链路包括可见光下行发送模块和惯性与VLC混合定位模块，可见光下行发送模块包括：下行发送处理器和可见光LED；惯性与VLC混合定位模块包括：VLC定位接收器，通信接口和手机中内置的陀螺仪、加速度传感器、APP模块。上行链路包括定位数据发送模块和定位数据接收模块，定位数据发送模块包括：智能手机的蓝牙模块；定位数据接收模块包括：终端蓝牙接收模块。本发明充分利用当前智能手机中集成的硬件设备，简化了定位装置，操作简单，而且便于日常携带，同时利用目标位置来实现位置相关信息的推送，应用广泛，实用性强，在未来的超市、图书馆等公共场所中都可以有实效应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于手机惯性定位和VLC的室内混合定位系统及方法，属于可见光通信技术领域。
背景技术
基于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术的室内定位方案由于利用白色半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发射的白光作为定位信号的载体，所以没有电磁辐射，不受应用环境的限制；并且VLC的传输信道一般采用直射信道，多径干扰比较小，所以该定位方案可以达到比较高的精度；另外，基于VLC技术的室内定位系统与未来的VLC通信技术相兼容，因此不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低。现有的专利申请号：CN201410084621的专利申请：“一种基于可见光标签的室内定位方法”给出了一种基于光强度进行精确定位的装置和方法，但这些方法也有一定的缺陷，对于室内一些LED直射光线不能到达的地方或者受到遮挡的地方，该定位方法的定位精度将急剧下降甚至失效。
惯性定位系统的原理是利用陀螺仪和加速度传感器，测得物体移动的方向和距离，由物体初始位置求得其移动后的位置坐标。该定位算法简单且便于实现，而且不受周围环境是否有光照的影响，但缺点是存在累计误差，不适宜长时间使用。因此，将惯性定位技术引入到VLC室内定位系统中，可以与VLC室内定位技术进行互补，进一步提高室内定位系统的定位精度。
现有的专利申请号：CN201410067768的专利：“基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统及方法”中，下行收发模块要求使用相关FPGA，上行收发模块同样要求使用相关FPGA和红外LED发射感应装置，整个系统装置复杂，需要额外配置相关设备，而且不便于携带。
21世纪，智能手机逐步应用于人们的日常生活中，手机中集成的陀螺仪和加速度计为惯性定位提供了可能，手机中的蓝牙功能同样为信息的上传提供了可能。因此，只需要将外置的VLC定位模块通过通信串口与手机连接，我们就可实现VLC技术与手机惯性定位的混合定位，同时通过手机蓝牙实现信息的上传。该装置实现简单，而且便于携带，可以极大的满足人们的室内定位需求。
发明内容
本发明的目的是为解决现有室内混合定位系统装置复杂、不便于携带的问题，提出一种基于手机惯性定位和VLC的室内混合定位系统及方法。
一种基于手机惯性定位和VLC的室内混合定位系统，包括可见光下行发送模块、惯性与VLC混合定位模块、定位数据发送模块和定位数据接收模块。
上述组成部分的连接关系为：可见光下行发送模块通过可见光发送调制编码信号，惯性与VLC混合定位模块中的VLC定位接收器接收并解调可见光信号并判决出定位信息，惯性与VLC混合定位模块与定位数据发送模块通过手机连接，定位数据发送模块与定位数据接收模块之间通过蓝牙信号传递数据。
由可见光下行发送模块和惯性与VLC混合定位模块构成下行链路，由定位数据发送模块和定位数据接收模块构成上行链路。
所述可见光下行发送模块包括：下行发送处理器和可见光LED；下行发送处理器的信号输出端和可见光LED的驱动输入端相连，其中，下行发送处理器由单片机或FPGA及其驱动电路组成，单片机或FPGA产生可见光LED发送的信号帧，该信号帧包含了可见光LED在室内的位置信息；该信号帧由驱动电路进行电流放大，并把放大后的调制信号加载到可见光LED的驱动电流上；可见光LED将调制后的信号以可见光形式发射出去。
所述惯性与VLC混合定位模块包括：VLC定位接收器，通信接口和手机中内置的陀螺仪、加速度传感器、APP模块。所述VLC定位接收器含有光电探测器、VLC定位数据采集处理单元，光电探测器把光信号转换成电信号，VLC定位数据采集处理单元把电信号进行模数转换，并计算接收到的光电转换信号强度；所述通信接口采用串口或蓝牙，完成VLC定位接收器与手机内置的各模块间的通信；所述陀螺仪用于测量方向；加速度传感器用于测量手机移动距离；APP模块接收到通信接口传输过来的VLC定位接收器的光电转换信号强度，进行阈值判决，如果信号强度高于阈值，通过不同LED的强度关系和RSS定位方法，APP模块选择基于VLC技术所得位置信息，在光照较弱即低于阈值时，认为光信号被遮挡，APP模块选择基于惯性定位所得位置信息。上述模块的连接关系为：VLC定位接收器输出光电转换后的信号强度，通信接口把信号强度信息传输到手机APP模块中，手机APP模块通过通信接口获取信号强度，并根据阈值判决输出光定位信息或者惯性定位信息。
定位数据发送模块采用手机中的蓝牙模块，把定位数据发送出去。
定位数据接收模块采用终端蓝牙接收定位数据。
一种基于手机惯性定位和VLC的室内混合定位方法，具体步骤为：
步骤1，可见光下行发射模块发送定位编码信息；
所述定位编码信息为基于多个LED编码信息(LED数量不小于3个)。每个LED对应唯一的ID编码。定位编码信息基于时分复用(TDM)，有共同的帧头，探测器同时接收到多个LED的编码信息时，能识别出不同的ID码；
步骤2，惯性与VLC混合定位模块通过VLC定位接收器获取当前不同LED的编码信号强度；
步骤3，惯性与VLC混合定位模块通过VLC定位接收器把步骤2得到的编码信号强度信息通过通信接口发送到手机中；
步骤4，手机通过陀螺仪和加速度计获取惯性定位信息；
获取惯性定位的方法为：先设定手机没移动之前的初始位置为坐标原点，利用包含加速度计的手机进行惯性导航，手机利用基本加速度公式对加速度信息进行解算，得出相对于初始位置的位移量，进而通过位移量和初始位置的相对关系进行定位。
步骤5，APP模块把从通信接口获取的编码信号强度和阈值进行比较，当编码信号强度大于阈值时，计算出多个LED相对强度关系，根据强度关系得到光传输的衰减距离，定位出VLC定位接收器中的光电探测器所在的基于多个LED光源的相对位置关系(RSS定位)。当编码信号强度低于阈值时，把步骤4的惯性定位数值作为定位值。
步骤6，手机把最终定位数据通过定位数据发送模块的蓝牙协议上传至定位数据接收模块。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明充分利用当前智能手机中集成的硬件设备，简化了定位装置，操作简单，而且便于日常携带；利用目标位置来实现位置相关信息的推送，应用广泛，实用性强，在未来的超市、图书馆等公共场所中都可以有实效应用。
附图说明
图1为本发明提供的室内混合定位装置的结构框图；
图2为具体实施方式中基于LED照明的室内可见光定位系统原型实验系统示意图；
图3为具体实施方式中基于LED照明的室内可见光定位系统原型实验原理框图；
标号说明：1-第一LED灯，2-第二LED灯，3-第三LED灯，4-单个LED灯示意图，5-光信号，6-顾客。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行详细说明。以下实施例对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。
本发明的混合定位装置如图1所示，包括可见光下行发射模块；惯性与VLC混合定位模块；定位数据发送模块；定位数据接收模块。本实施例的基于LED照明的室内可见光定位系统原型实验系统如图2所示，其对应的系统原理框图如图3所示。
实施例1：可见光下行发送模块包括：下行发送处理器路和可见光LED；
见光下行发送模块由FPGA(EP2C8Q208C8)产生定位编码信号，驱动电路进行信号放大后加载到相应的LED灯上。可见光LED将调制后的信号以可见光形式发射出去。
惯性与VLC混合定位模块包括：VLC定位接收器，通信接口和手机中内置的陀螺仪、加速度传感器和APP模块；
定位接收器中光强由光电探测器PDA10A转换为电信号，该信号经过FPGA处理后，可提取出不同LED的调制信号强度，通信接口采用芯片FT311D实现串口通信。
所用的手机是三星I9508，把串口通信配置参数设定为，波特率为9600，数据位为8，校验位为0，停止位为1。通过以上配置实现FPGA和手机通信。
接收到的信号强度通过串口传至手机中。手机中的APP模块判断光强的幅度，当光强的幅度小于阈值时，认为光定位失效，如果光强幅度大于阈值，则可以采用接收信号强度的方法获取定位值。
定位数据发送模块为智能手机的蓝牙模块；蓝牙模块把定位数据发送出去。
定位数据接收模块为终端蓝牙接收模块；终端蓝牙接收模块接收定位数据。
实施例2：
采用与实施例1相同的可见光下行发射模块；定位数据发送模块；定位数据接收模块；在惯性与VLC混合定位模块中的通信接口中，采用蓝牙模块ATK-HC05-V1。
断开KEY(或者接GND)，蓝牙模块此时可以正常收发数据，否则不能正常收发数据。在手机上安装：模块配套资料中的蓝牙串口助手V1.97apk。安装完软件后，打开软件，进入搜索蓝牙设备界面，点击设备，即进入选择操作模式，输入密码，完成配对，蓝牙模块应连接成功。可以进行互发数据了。光强信号可通过蓝牙模块传输到手机中。
上述室内混合定位装置的工作具体步骤为：
步骤1，可见光下行发射模块发送定位编码信息；
所述定位编码信息为基于3个LED编码信息。每个LED对应唯一的ID编码。定位编码信息基于时分复用(TDM)，有共同的帧头，探测器同时接收到3个LED的编码信息时，能识别出不同的ID码；
步骤2，惯性与VLC混合定位模块通过VLC定位接收器获取当前不同LED的编码信号强度；
步骤3，惯性与VLC混合定位模块通过VLC定位接收器把步骤2得到的编码信号强度信息通过通信接口发送到手机中；
步骤4，手机通过陀螺仪和加速度计获取惯性定位信息；
获取惯性定位的方法为：先设定手机没移动之前的初始位置为坐标原点，利用包含加速度计的手机进行惯性导航，手机利用基本加速度公式对加速度信息进行解算，得出相对于初始位置的位移量，进而通过位移量和初始位置的相对关系进行定位。
步骤5，APP模块把从通信接口获取的编码信号强度和阈值进行比较，当编码信号强度大于阈值时，计算出多个LED相对强度关系，根据强度关系得到光传输的衰减距离，定位出VLC定位接收器中的光电探测器所在的基于多个LED光源的相对位置关系(RSS定位)。当编码信号强度低于阈值时，把惯性定位的数值作为定位值。
步骤6，手机把最终定位数据通过定位数据发送模块的蓝牙协议上传至定位数据接收模块。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种基于手机惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于:包括可见光下行发送模块、惯性与VLC混合定位模块、定位数据发送模块和定位数据接收模块；由可见光下行发送模块和惯性与VLC混合定位模块构成下行链路，由定位数据发送模块和定位数据接收模块构成上行链路；
所述可见光下行发送模块包括：下行发送处理器和可见光LED；下行发送处理器的信号输出端和可见光LED的驱动输入端相连，其中，下行发送处理器产生可见光LED发送的信号帧，该信号帧包含了可见光LED在室内的位置信息；该信号帧由驱动电路进行电流放大，并把放大后的调制信号加载到可见光LED的驱动电流上；可见光LED将调制后的信号以可见光形式发射出去；
所述惯性与VLC混合定位模块包括：VLC定位接收器，通信接口和手机中内置的陀螺仪、加速度传感器、APP模块；所述VLC定位接收器含有光电探测器、VLC定位数据采集处理单元，光电探测器把光信号转换成电信号，VLC定位数据采集处理单元把电信号进行模数转换，并计算接收到的光电转换信号强度；所述通信接口完成VLC定位接收器与手机内置的各模块间的通信；所述陀螺仪用于测量方向；加速度传感器用于测量手机移动距离；APP模块接收到通信接口传输过来的VLC定位接收器的光电转换信号强度，进行阈值判决，如果信号强度高于阈值，通过不同LED的强度关系和RSS定位方法，APP模块选择基于VLC技术所得位置信息，在光照较弱即低于阈值时，认为光信号被遮挡，APP模块选择基于惯性定位所得位置信息；上述模块的连接关系为：VLC定位接收器输出光电转换后的信号强度，通信接口把信号强度信息传输到手机APP模块中，手机APP模块通过通信接口获取信号强度，并根据阈值判决输出光定位信息或者惯性定位信息；
定位数据发送模块是指智能手机的蓝牙模块，通过蓝牙模块把定位数据发送出去；
定位数据接收模块指终端蓝牙接收模块；所述终端蓝牙接收模块接收定位数据。
2.基于权利要求1所述的基于手机惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于：所述下行发送处理器为FPGA及其驱动电路。
3.基于权利要求1所述的基于手机惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于：所述可见光下行发送模块的下行发送处理器为单片机及其驱动电路。
4.基于权利要求1所述的基于手机惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于：所述惯性与VLC混合定位模块中通信接口为串口。
5.基于权利要求1所述的基于手机惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于：所述惯性与VLC混合定位模块中通信接口为蓝牙。
6.一种基于手机惯性定位和VLC的室内混合定位方法，其特征在于:具体步骤为：
步骤1，可见光下行发射模块发送定位编码信息；
步骤2，惯性与VLC混合定位模块通过VLC定位接收器获取当前不同LED的编码信号强度；
步骤3，惯性与VLC混合定位模块通过VLC定位接收器把步骤2得到的编码信号强度信息通过通信接口发送到手机中；
步骤4，手机通过陀螺仪和加速度计获取惯性定位信息；
步骤5，APP模块把从通信接口获取的编码信号强度和阈值进行比较，当编码信号强度大于阈值时，计算出多个LED相对强度关系，根据强度关系得到光传输的衰减距离，定位出VLC定位接收器中的光电探测器所在的基于多个LED光源的相对位置关系；当编码信号强度低于阈值时，把步骤4的惯性定位数值作为定位值；
步骤6，手机把最终定位数据通过定位数据发送模块的蓝牙协议上传至定位数据接收模块。
7.基于权利要求6所述的一种基于手机惯性定位和VLC的室内混合定位方法，其特征在于：步骤1所述定位编码信息为基于多个LED编码信息；每个LED对应唯一的ID编码；定位编码信息基于时分复用，有共同的帧头，探测器同时接收到多个LED的编码信息时，能识别出不同的ID码。
8.基于权利要求6所述的一种基于手机惯性定位和VLC的室内混合定位方法，其特征在于：步骤4所述获取惯性定位方法为：先设定手机没移动之前的初始位置为坐标原点，利用包含加速度计的手机进行惯性导航，手机利用基本加速度公式对加速度信息进行解算，得出相对于初始位置的位移量，进而通过位移量和初始位置的相对关系进行定位。
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