[发明专利]一种基于可见光通信的井下移动目标光指纹定位跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下移动目标定位跟踪方法，特别是一种基于可见光通信的井下移动目标光指纹定位跟踪方法。

背景技术

由于目标定位在军事、国土资源、交通、航海等诸多方面的巨大应用潜力，国内外已经研究出了许多目标定位方法和实用的定位系统，特别是在地面目标定位方面。在这些方法中，可以分成基于距离的定位和无需距离的定位两大类，前者如TOA、TDOA、AOA、RSSI等，它们在测量出距离后，根据三角测量、近似测量、场景分析、min-max算法、最小矩形算法等方法估计坐标位置；后者如图心算法、DV-Hop、Amorphous、Point-In-Test（PIT）、近似Point-In-Test（APIT）。这些方法都是针对某些具体条件设计的，几乎都有预定的参数假设，不具有直接在矿井中使用的能力。

当前，能够有效运用于煤矿井下的目标定位方法还比较有限，主要有蓝牙技术、超宽带技术、无线传感器网络(ZigBee 占主要)技术等。这些技术都属于射频通信，它们受无线频谱的限制，成本较高，不易安装。另外，煤矿井下环境恶劣，空气中分布有大量的煤矿粉尘、可燃气体，而工作面环境除了要面临这些难题之外，还需要解决通信物理空间随时间变化、大型设备众多、通信空间狭小等特殊问题。正是由于这些原因，基于射频识别的定位方法在煤矿井下的稳定性和精度很不理想。

可见光通信(Visible Light Communication, VLC)是一种在白光LED技术上发展起来的新兴光无线通信技术，它与传统的射频通信和其它光无线通信相比,具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点,即使在恶劣的通信环境下，也能够高效稳定的传输数据。在煤矿井下中，一直有用于照明的可见光源，但是却没有地面常见的背景光干扰，因此，可见光通信在煤矿工作环境具有天然的应用优势。利用可见光通信进行井下的移动目标定位和跟踪，将是解决现有定位难题的一个研究方向。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于可见光通信的井下移动目标光指纹定位跟踪方法，解决现有煤矿井下利用无线射频进行定位跟踪的过程中系统复杂、不稳定、误差较大等问题。

实现本发明目的具体技术方案如下：该基于可见光通信的井下移动目标光指纹定位跟踪方法包括离线阶段和在线阶段；离线阶段建立基于接收强度和角度的光指纹数据库，在线阶段则通过指纹匹配的方式进行目标的定位跟踪；运动目标在井下巷道移动过程中，通过所携带的接收机检测照明灯基站的信号，随后将计算得到的光信号强度、目标ID等信息发送给照明灯基站；照明灯基站判断收到的用户信息是有效的，就计算用户信号相对于基站的方位信息，并将此到达角度信息、基站自身的ID和移动目标传递来的光信号强度、目标ID一起组装成定位数据包传输到定位服务器；定位服务器通过基于差值的模糊预测匹配模式计算出目标位置；照明灯基站利用基于接收强度的盲自适应多光源检测算法实时追踪目标移动方位，把估计出的坐标通过粒子滤波算法加以滤波，便可得出目标的精确位置，实现定位跟踪。

所述的离线阶段：离线指纹数据库建立阶段；

离线阶段通过采集基站发射的光信号数据建立光指纹数据库；在井下巷道中，每隔6-10米安装1个照明灯基站，它兼做照明和通信之用，巷道被按照照明灯基站的覆盖范围划分为一个个存在部分交集的区域；在每个区域，安装一个信标点采集基站的光信号数据，所述的光信号数据为光信号强度和角度，称为光指纹，在服务器中建立基于接收光信号强度和角度的光指纹数据库；同时，对照明灯基站、巷道分区和采集信标点编号，留待后续定位之用；光指纹数据库的构建过程如下：

（1）将巷道划分区域：每隔50米左右建立一个区域光指纹数据库，该长度内将包含5-8个照明灯基站以及相应的信标点信息；根据巷道长度和物理拓扑的不同，整个矿井光指纹数据库可达几十到上百个；对每个光指纹数据库进行分区标识，并将它们存储到定位系统服务器中；由于每个照明灯基站的光线信号覆盖范围较广，为了获得更多的信标点光指纹信息，在每个照明灯基站下面必须还要有3-5个信标点，这样，每个巷道区域将被信标点划分为3-5个子分区，每个子分区内包含一个信标点，用于采集光指纹数据；通过这种子分区的划分，在每个基站下，能够至少采集3个以上的光指纹信息；