[发明专利]可见光通信多阵元三维无线定位系统

摘要

本发明涉及可见光通信多阵元三维无线定位系统，包括待定位终端和至少四个可见光发射阵元，可见光发射阵元包括微处理器、存储器、信号调制器、第一扩频码发生器、扩频调制器、第一光电信号转换器和均匀设置有若干独立编号方形LED发光晶格的LED光源；LED发光晶格内设黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED；待定位终端包括中央处理器、GPS定位模块、光信号强度检测器、光信号接收器、信号比较器、第二光电信号转换器、扩频解调器、第二扩频码发生器、信号解调器、摄像头和显示屏。该系统利用GPS定位和可见光准确融合定位，地理位置信息以多维彩码形式发送给待定位终端提取，进行粗略定位，提高了定位准确度和定位效率。

主权项

可见光通信多阵元三维无线定位系统，其特征在于，包括待定位终端和至少四个可见光发射阵元，所述可见光发射阵元分布设置在待定位终端的周围；其中，所述各可见光发射阵元均包括微处理器以及分别连接微处理器的第一LTE通信模块、第一WIFI通信模块、存储LED光源位置数据的存储器、信号调制器、第一扩频码发生器、扩频调制器、第一光电信号转换器、LED光源、蓄电池和光电转换器；第一WIFI通信模块与外网连接；所述第一扩频码发生器分别连接信号调制器和扩频调制器，所述扩频调制器连接第一光电信号转换器；所述LED光源上均匀地设置若干具有独立编号的方形LED发光晶格；所述每个LED发光晶格内均设置有黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED，所述黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED分别连接微处理器；所述蓄电池分别连接LED光源和光电转换器；其中，所述微处理器，用以读取存储器内保存的LED光源位置数据，并分别转换为光信息和多维彩码信息，并命令指定编号的LED发光晶格执行发光；所述信号调制器，用以将LED光源位置数据进行信号调制，得到包含LED光源位置信息的调制信号；所述第一扩频码发生器，用以产生扩频码序列，并发送扩频码序列给扩频调制器；所述扩频调制器，用以接收扩频码，以扩展包含LED光源位置信息的调制信号频谱，得到扩频调制信号；所述第一光电信号转换器，根据微处理器的调制命令，将扩频调制信号由电信号转换为光信号；所述LED光源，在LED光源位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器分别指定编号LED发光晶格内黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED发光或闭光命令，发出由不同颜色组成的多维彩码图像；所示光电转换器，用以将LED光源发出的光能转换为电能；所述待定位终端包括中央处理器以及分别连接中央处理器的第二LTE通信模块、第二WIFI通信模块、GPS定位模块、光信号强度检测器、光信号接收器、滤噪器、信号比较器、第二光电信号转换器、扩频解调器、第二扩频码发生器、信号解调器、摄像头和显示屏；所述光信号接收器连接滤噪器，信号比较器连接滤噪器和第二光电信号转换器，所述扩频解调器分别连接第二光电信号转换器、第二扩频码发生器和信号解调器；所述显示屏连接摄像头，所述GPS定位模块连接第二LTE通信模块和显示屏；其中，所述GPS定位模块，用以获取待定位终端的当前GPS位置数据和GPS信号强度，并发送获取的GPS位置数据和GPS信号强度值给中央处理器；所述光信号接收器，用以接收可见光发射阵元中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器处理；所述光信号强度检测器，用以分别检测各可见光发射阵元发送来的光信号强度值，并发送给中央处理器；所述滤噪器，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给信号比较器作出判断：当光信号强度超过预设阈值时，则将判断结果发送给第二光电信号转换器启动光电转换；所述第二光电信号转换器，用以将接收的光信号转换为LED光源位置的电信号，并发送给中央处理器；所述摄像头，用以读取LED光源发出的多维彩码图像，并由中央处理器提取多维彩码图像中的LED光源位置信息；所述中央处理器，根据接收的GPS位置数据、GPS信号强度值以及第二光电信号转换器发送的电信号进行融合计算，以获取待定位终端最终的三维定位数据；其中，中央处理器获取待定位终端最终的三维定位数据的过程依次包括如下步骤：(1)设获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度可信阈值为p_{GPS_door}；各可见光发射阵元分别为L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_N，L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_N的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)、…、(x_N,y_N,z_N)，在时间段T内接收到的光信号强度值分别为p₁₁,p₁₂,p₁₃,…,p_1M；p₂₁,p₂₂,p₂₃,…,p_2M；p₃₁,p₃₂,p₃₃,…,p_3M；…；p_N1,p_N2,p_N3,…,p_NM；待定位终端最终的三维定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1；(2)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度可信阈值p_{GPS_door}时，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为待定位终端最终的三维定位数据；否则，存储当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，并执行步骤(3)；(3)根据在时间段T内接收到的各可见光发射阵元的光信号强度值，计算每个可见光发射阵元发出的光信号强度值的信号强度均方根值p_i：$p_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{p^2}_{ij}},i=1,2,3,...,N;$        式(1)其中，p_i表示可见光发射阵元L_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示可见光发射阵元L_i发出的某一个光信号强度值；(4)根据接收到的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值的降序序列p₁、p₂、p₃、p₄、…、p_N，选取光信号强度均方根值大小位于前四位的值p₁、p₂、p₃和p₄；(5)根据接收的各可见光发射阵元的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄到待定位终端的距离d₁、d₂、d₃和d₄：$p_i=p_0+10n{\log }_{10}\[\frac{d_i}{d_0}\]+\mathrm{\ξ};$         式(2)$d_i=d_0{10}^{\frac{p_i-p_0-\mathrm{\ξ}}{10n}},i=1,2,3,4;$        式(3)其中，p_i为可见光发射阵元L_i发出的光信号强度均方根值，n是路径损耗指数，ξ为满足高斯分布的随机数，d_i为可见光发射阵元L_i到待定位终端的距离，d₀为参考距离，p₀为距离待定位终端d₀处的光信号强度值；(6)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)、已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)以及获取的距离d₁、d₂、d₃和d₄，对待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)进行求解：(6‑1)以三个为一组，对可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄进行分组，获得四组可见光发射阵元组合：L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₃(x₃,y₃,z₃)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₂(x₂,y₂,z₂)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₁(x₁,y₁,z₁)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)，L₂(x₂,y₂,z₂)、L₃(x₃,y₃,z₃)和L₄(x₄,y₄,z₄)；(6‑2)根据可见光发射阵元L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)及距离d₁、d₂、d₃和d₄，分别计算待定位终端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)；其中，$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′})}^2+{(y_1-y^{\′})}^2+{(z_1-z^{\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′})}^2+{(y_2-y^{\′})}^2+{(z_2-z^{\′})}^2=d_2^2\\ {(x_3-x^{\′})}^2+{(y_3-y^{\′})}^2+{(z_3-z^{\′})}^2=d_3^2\end{array}\right.$         式(4)$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′})}^2=d_2^2\\ {(x_4-x^{\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$        式(5)$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x^{\′\′\′})}^2+{(y_1-y^{\′\′\′})}^2+{(z_1-z^{\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$         式(6)$\left\{\begin{array}{c}{(x_2-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′\′\′})}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$         式(7)；(6‑3)根据获取的待定位终端的四组坐标值以及已存储的当前GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，计算系统定位误差的平均值(Δx,Δy，Δz)和待定位终端四组坐标值的平均值其中，$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=\frac{1}{4}\left(|x^{\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′}-x_{GPS}|+|x^{\′\′\′\′}-x_{GPS}|\right)\\ \mathrm{\Δ}y=\frac{1}{4}\left(|y^{\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′}-y_{GPS}|+|y^{\′\′\′\′}-y_{GPS}|\right)\\ \mathrm{\Δ}z=\frac{1}{4}\left(|z^{\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′}-z_{GPS}|+|z^{\′\′\′\′}-z_{GPS}|\right)\end{array}\right.$      式(8)$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\frac{x^{\′}+x^{\′\′}+x^{\′\′\′}+x^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{y}=\frac{y^{\′}+y^{\′\′}+y^{\′\′\′}+y^{\′\′\′\′}}{4}\\ \stackrel{\‾}{z}=\frac{z^{\′}+z^{\′\′}+z^{\′\′\′}+z^{\′\′\′\′}}{4}\end{array}\right.$          式(9)；(6‑4)根据获取的待定位终端四组坐标值的平均值以及定位误差的平均值(Δx,Δy,Δz)，计算得到待定位终端最终的三维定位数据(x,y,z)；其中，$\left\{\begin{array}{c}x=\stackrel{\‾}{x}+\mathrm{\Δ}x\\ y=\stackrel{\‾}{y}+\mathrm{\Δ}y\\ z=\stackrel{\‾}{z}+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.$           式(10)。