[发明专利]一种基于多PD接收机的可见光三维定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于多PD接收机的可见光三维定位系统，其特征在于，所述系统包括：LED光源、基于多PD的对称结构接收机以及处理设备；其中，

所述LED光源由单个LED灯组成，用于向定位空间中发送可见光信号；

所述接收机包括一个水平设置的第一光电探测器和多个相对于所述第一光电探测器倾斜设置的第二光电探测器，多个所述第二光电探测器等距分布在所述第一光电探测器的四周，并且相邻两个所述第二光电探测器的夹角相同；所述光电探测器用于将接收到的可见光信号转换为电信号，得到接收信号强度；

所述处理设备包括信号处理模块，所述信号处理模块用于将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，基于所述第一光电探测器的接收信号强度和所述第二光电探测器的接收信号强度，结合内点法，求解所述接收机的三维坐标。

2.如权利要求1所述的基于多PD接收机的可见光三维定位系统，其特征在于，各所述第二光电探测器到所述第一光电探测器的距离相等，各所述第二光电探测器相对于所述第一光电探测器的倾斜角相等，且所述第一光电探测电器及各所述第二光电探测器的边长相等；其中，所述第一光电探测器的坐标(x_r,y_r,z_r)与第i个第二光电探测器的坐标(x_r,i,y_r,i,z_r,i)的关系为：

其中，Δs表示第i个第二光电探测器中心到第一光电探测器中心的水平距离，α表示第i个第二光电探测器相对于第一光电探测器的倾斜角，Δh表示第i个第二光电探测器中心到第一光电探测器所在的水平面的垂直距离，l表示光电探测器的边长，β_i表示第i个第二光电探测器中心与第一光电探测器中心的连线在第一光电探测器所在的水平面上的投影与x轴正方向的夹角的补角。

3.如权利要求2所述的基于多PD接收机的可见光三维定位系统，其特征在于，根据朗博辐射模型，所述第一光电探测器的接收信号强度P_r,0和第i个第二光电探测器的接收信号强度P_r,i分别为：

第i个第二光电探测器与所述第一光电探测器的接收信号强度比RSSR_i为：

其中，P_t表示所述LED光源的发射功率，m表示朗博辐射系数，A表示当前光电探测器实际接收可见光信号的物理面积，d_r表示所述第一光电探测器到所述LED光源的距离，d_i表示第i个第二光电探测器到所述LED光源的距离。

4.如权利要求3所述的基于多PD接收机的可见光三维定位系统，其特征在于，所述信号处理模块具体用于：

构造平方和函数：

将所述平方和函数作为目标函数，并设置待求解三维坐标(x,y,z)的定义域：

利用内点法对待求解三维坐标(x,y,z)进行求解。

5.如权利要求4所述的基于多PD接收机的可见光三维定位系统，其特征在于，所述利用内点法对待求解三维坐标(x,y,z)进行求解，包括：

由给定的目标函数定义域构造限定条件：

利用所述限定条件构造函数C(x,y,z)＝-(ln(g(x))+ln(g(y))+ln(g(z)))，并定义障碍函数B(x,y,z,r)＝F(x,y,z)+rC(x,y,z)；其中，r是一个正参数；

对障碍函数B(x,y,z,r)求梯度得到式(7)：

引入拉格朗日乘子得到关于梯度的等式：

其中，

计算F(x,y,z)的黑塞矩阵W，以及λ的对角矩阵B：

利用牛顿迭代法得到：

其中，

选定x、y、z和r的初值，由式(8)求出λ的初值；根据设定的步长对式(11)进行迭代，当((x,y,z),λ)→((x,y,z)+αΔ(x,y,z),λ+αΔλ)至r→0时，对应的(x,y,z)的解即为最优解。