[发明专利]LED光谱分区的机器人室内定位系统

说明书

本发明是一种基于LED灯光谱分区的室内定位系统，在机器人的后台预先构造模拟空间，以基本图形组合成建筑平面，每个基本图形布置特定波长的LED灯阵列。同时，在建筑平面中安装真实LED灯，安装位置与模拟空间一致，构成完整的定位网络。各定位区的LED灯分别发出不同波长的光编码，这些LED灯的位置已知，机器人识别不同波长的光编码，计算自身相对于各灯具的方位与距离，确定其在建筑平面中的准确位置。本发明可以用于室内移动设备的精确定位，特别适合机器人快速确认自身位置，极大方便机器人在民用领域的使用。

(一)技术领域

本发明是以LED灯的光谱划分定位区的室内定位系统，用于机器人等自走设备在特定空间的精确定位。本发明在天花板安装多个LED灯，每个灯均包含发出特定波长光线的芯片，组成光谱分区的定位网络，由于这些灯的位置是固定的，机器人识别不同LED灯发出的光编码，计算光信号来源与特征，实现精确的分区定位。本发明能自主生成室内地图，特别适合机器人快速确认自身位置。

(二)背景技术

可实现室内定位的技术有无线网络、声波、可见光及地磁场定位。无线网络需要在室内布置多个无线热点，通过读取应答器的ID码和测量信号强度来确定位置，精度不高但成本较低；超声波在室内布置多个接收机，定位器向固定的接收机发射超声波，从而获得定位器与各个接收机的距离，由此确定定位器的位置，精度较高，但需要布置大量硬件；.可见光通过天花板上的LED灯具发出光信号传输ID码，应答器通过识别ID码和测量信号强度来确认位置，定位精度很高；地磁场利用不同空间磁场差异性来定位，建筑的各楼层会分别构建各自独特的地磁场图，事先测量并生成对应的室内地图，该系统需要事先测量和建模，精度较高，但前期投资大。

可以看出，上述定位技术都需要事先布置硬件或生成地图，对于机器人来说，需要在控制系统提前预置室内地图。随着机器人在民用领域的逐步普及，机器人需要适应越来越多的陌生环境，举例来说，家庭机器人必须自我识别不同房间的位置，才能方便家庭使用，设计快速的、自学习的室内定位系统，已经成为迫切的技术需求。

注意到上述问题，本发明提出一种基于LED灯光谱分区的室内定位系统，多个定位区覆盖整个建筑，各定位区的LED灯分别发出不同波长的光编码，机器人识别不同波长的光编码，并计算确定自身的在定位网络中的位置，并发送到服务器显示在室内地图中。本发明很适合移动设备的室内定位，实现机器人对各种房间的快速适应。

(三)发明内容

常规的LED灯室内定位的原理，是在灯具驱动器中加入编码器，用脉宽调制的方法加载到LED的驱动电流中，利用LED芯片作为发射载体，定期发送特定的光信号。当携带定位器的用户进入该灯具照明区域，定位器接收并识别光信号，解析出该灯具发送的ID编码，根据光信号的入射方位、强度等特征，计算出定位器相对灯具的位置，显示在室内地图中。由于灯具在房间的位置是已知的，且光信号方向性极强，在室内呈线性衰减，单灯定位就能达到相当的精度，如果利用多点定位算法，其定位精度可达厘米级。

在开敞的大空间使用上述方法，某个定位器可能识别到过多的光信号，引起位置计算混乱，造成定位数据延迟，工作的可靠性不高。而对于多居室的家庭来说，跨房间的信号没有区分，定位器可能同时收到不同房间的信号，会带来误计算。本发明针对上述问题，提出以不同波长的光线划分定位区的技术方案，每个定位区都有特定波长的主导光信号，某个区内的定位器只识别这一波长的信号，忽略其他波长的信号，由此，多个定位区把互相拼接，快速生成完整的室内地图，且有效提高定位的可靠性。

LED发出的可见光，波长范围是380～780纳米，紫光比红光更短。光线的波长越长，穿透能力越强，红光明显强于紫光。白光LED由红绿蓝三原色的发光体组成，三种色光等比例混合得到白光，其他颜色的光线，都可以通过三原色按比例混合而得。本发明以20-100纳米为间隔，可以把可见光分为3～20个种类，对应的LED芯片分别用于各类建筑平面的定位区划分。