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CN111352070B - 一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法 - Google Patents

一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法 Download PDF

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CN111352070B
CN111352070B CN202010195903.5A CN202010195903A CN111352070B CN 111352070 B CN111352070 B CN 111352070B CN 202010195903 A CN202010195903 A CN 202010195903A CN 111352070 B CN111352070 B CN 111352070B
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CN
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朱秉诚
匡青云
张在琛
吴亮
党建
汪磊
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Southeast University
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Southeast University
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves

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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于光电二极管（Photodiode,PD）阵列和电子罗盘的三维光定位方法，针对室内定位、导航、游戏设备需求。该方法通过PD阵列采集入射光信号，通过电子罗盘测量方向，可通过简单表达式直接获得接收机的三维坐标。与已有的到达角（Angle of Arrival,AOA）、到达时间（Time of Arrival,TOA）、接收信号强度（Received Signal Strength,RSS）等三维室内光定位方法相比，本发明的优势在于：不依赖同步或调制解调系统；运算复杂度低；仅要求一个光源；能够在一定范围内提供厘米级精度；PD阵列可以支持高速可见光通信。

Description

一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法
技术领域
本发明属于室内光定位领域，具体是一种基于互补光电二极管阵列的室内三维光定位方法。
背景技术
定位技术是物联网、人工智能应用的基础核心技术之一。可见光定位系统具有低成本、高精度的特点，具有巨大的市场潜力。目前，在基于可见光的室内定位技术中，基于到达角(Angle of Arrival,AOA)的可见光定位算法以其低成本、高精度、低运算复杂度被认为是最具应用潜力的室内定位方法。然而已有的可见光AOA定位算法依赖神经网络或数值积分等复杂算法，实现成本较高；或者需要多个LED才能完成定位，系统限制较多；或是依赖摄像头，导致成本高、耗电量大、且不支持大带宽的可见光通信。因此，已有的光定位AOA算法很难应用在低成本移动设备上。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是无线光定位系统硬件成本高、运算复杂度高、需要多个LED、不支持无线光通信的问题，提供一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法。通过采用光电二极管(photodiode,PD)阵列，设计了仅采用一个LED，且不依赖神经网络或数值积分的定位系统，降低了硬件成本，并支持高速率可见光通信。
为了达到上述目的，本发明采用的方法是：一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法，包括以下步骤：
(1)首先，测量LED的三维坐标，记为坐标向量l；
(2)然后，将K个朝向不同的PD组合成阵列，其中K＞3；
(3)将接收机水平放置，且中轴线指向某一绝对方向；
(4)将此时的第k个PD的法向量记为
Figure BDA0002417594770000011
并将K个PD的法向量组成K×3矩阵
Figure BDA0002417594770000012
所有的法向量默认幅度归一化；
(5)通过电子罗盘测量接收机与绝对方向的旋转角β，通过公式
Figure BDA0002417594770000013
计算PD的法向量矩阵，其中
Figure BDA0002417594770000021
(6)对K个光电二极管上的信号采样，得到K×1向量s；
(7)将接收机水平放置，根据朗博辐射模型，可得
Figure BDA0002417594770000022
其中Pt为发射光强；m为朗博模型参数；
(8)将公式(1)两端左乘伪逆矩阵
Figure BDA0002417594770000023
可得到
Figure BDA0002417594770000024
令常数部分
Figure BDA0002417594770000025
以简化表达式,将公式(2)代入公式(1)并化简，可得LED和用户的距离
Figure BDA0002417594770000026
(9)将公式(2)和公式(3)带入公式(1)并化简，可得用户坐标计算方法
Figure BDA0002417594770000027
l，Pt，m为系统已知参数，
Figure BDA0002417594770000028
通过
Figure BDA0002417594770000029
和电子罗盘的输出β计算，s为光强的测量值。
有益效果：
本发明采用廉价的硬件平台实现三维光定位功能，仅包含一个LED，一个光电二极管阵列，一个低速信号处理单元,不依赖神经网络或数值积分等复杂算法，且能支持高速率可见光通信。
附图说明
图1为一个由四个PD构成的全视角接收机。
图2为本发明的定位系统框图。
具体实施方式
系统框架如图2所示，包括一个LED，一个光电二极管阵列，一个低速信号处理单元以及一个电子罗盘。
首先，测量LED的三维坐标，记为坐标向量l，例如(1米,1米,0.5米)。
然后，采用多个朝向不同的PD构成阵列，其中K＞3；如图1所示，将第k个PD的3×1法向量记为vk。记VPD＝[v1,v2,…,vK]T为vk构成的K×3矩阵，其伪逆矩阵为
Figure BDA0002417594770000031
将接收机水平放置，且中轴线指向某一绝对方向，例如正北方。将此时的第k个PD的法向量记为
Figure BDA0002417594770000032
并将K个PD的法向量组成K×3矩阵
Figure BDA0002417594770000033
所有的法向量默认幅度归一化。
定位时，通过电子罗盘测量接收机与绝对方向的旋转角β，通过公式
Figure BDA0002417594770000034
计算PD的法向量矩阵，其中
Figure BDA0002417594770000035
对K个光电二极管上的信号采样，得到K×1向量s。将接收机水平放置，根据朗博辐射模型，可得
Figure BDA0002417594770000036
其中Pt为发射光强；m为朗博模型参数，用于描述LED的辐射模式。s为K×1的光强向量，由K个PD采集；
Figure BDA0002417594770000037
表示向量
Figure BDA0002417594770000038
的第3个元素。
将公式(1)两端左乘伪逆矩阵
Figure BDA0002417594770000039
可得到
Figure BDA00024175947700000310
公式(2)提供了LED到用户的向量的计算方法，可令常数部分
Figure BDA00024175947700000311
以简化表达式。将(2)代入(1)并化简，可得LED和用户的距离
Figure BDA0002417594770000041
公式(3)提供了估计用户到LED距离的方法。将(2)和(3)带入(1)并化简，可得用户坐标计算方法
Figure BDA0002417594770000042
在公式(2)-公式(4)中l，Pt，m为系统已知参数，
Figure BDA0002417594770000043
通过
Figure BDA0002417594770000044
和电子罗盘的输出β计算，s为光强的测量值。

Claims (1)

1.一种基于光电二极管阵列的室内三维光定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先，测量LED的三维坐标，记为坐标向量l；
(2)然后，将K个朝向不同的PD组合成阵列，其中K＞3；
(3)将接收机水平放置，且中轴线指向某一绝对方向；
(4)将此时的第k个PD的法向量记为
Figure FDA0002417594760000011
并将K个PD的法向量组成K×3矩阵
Figure FDA0002417594760000012
所有的法向量默认幅度归一化；
(5)通过电子罗盘测量接收机与绝对方向的旋转角β，通过公式
Figure FDA0002417594760000013
计算PD的法向量矩阵，其中
Figure FDA0002417594760000014
(6)对K个光电二极管上的信号采样，得到K×1向量s；
(7)将接收机水平放置，根据朗博辐射模型，可得
Figure FDA0002417594760000015
其中Pt为发射光强；m为朗博模型参数；
(8)将公式(1)两端左乘伪逆矩阵
Figure FDA0002417594760000016
可得到
Figure FDA0002417594760000017
令常数部分
Figure FDA0002417594760000018
以简化表达式,将公式(2)代入公式(1)并化简，可得LED和用户的距离
Figure FDA0002417594760000019
(9)将公式(2)和公式(3)带入公式(1)并化简，可得用户坐标计算方法
Figure FDA0002417594760000021
l，Pt，m为系统已知参数，
Figure FDA0002417594760000022
通过
Figure FDA0002417594760000023
和电子罗盘的输出β计算，s为光强的测量值。
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