一种基于LED照明的室内定位导航方法及装置

摘要

本发明提供了一种基于LED照明的室内定位导航方法，每个LED具有一个可编程的ID编码，各LED灯具有不同且唯一的发光功率变化形式，形成接收端可识别的可见数据光信号，以时分复用的形式将这些可编程的ID编码发射出去；接收端接收到的数据光信号进行解析，并计算接收到的来自不同LED灯的功率；根据定位算法测算出接收端的初始三维坐标，并通过非线性拟合算法对初始三维坐标进行修正；本发明还对应提供了用于该方法的室内定位导航装置，LED的亮暗变化肉眼无法识别，故同时建立LED照明系统；该方法在个别LED灯出现异常的情况下仍可为用户提供精度精确的定位服务，通过非线性拟合算法修正坐标，可保障厘米级的定位精确度。

主权项

一种基于LED照明的室内定位导航方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对室内LED照明系统中的各LED灯进行编码，设置与各LED灯相对应的ID编码，ID编码由位置编码和识别码构成，其中位置编码为M位二进制字符串，位置编码与对应LED灯所在的三维空间坐标(x_i，y_i，z_i)相对应，识别码为N位二进制字符串，识别码中“1”表示亮，对应的LED灯发射功率为P₁，“0”表示暗，对应发射功率为P₂，P₁：P₂＝10：6～10：9，各ID编码的识别码中“0”的个数相同，i、N和M均为正整数；(2)将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成数据光信号；(3)接收端接收各LED灯的数据光信号，根据公式①计算接收的数据光信号所对应LED灯的功率P_ri，公式①为：①其中，α为设定的接收端内部接收电路的矫正系数，V_i为接收端测得的对应LED灯的光电流转换电压，R是接收端内部接收电路的输出电阻，G是接收端内部接收电路的增益，是设定的接收端的光电响应度；(4)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算垂直距离根据公式②计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算空间距离公式②为：${\hat{d}}_i=\sqrt{\frac{\left(m+1\right)*{{\hat{h}}_i}^2*A*T_s\left(\psi \right)*g\left(\psi \right)*P_t}{2{\mathrm{\pi P}}_{ri}}}$  ②其中，m是LED灯的朗伯系数，ψ是LED灯入射光与探测器的角度，A是接收端光接收面的物理探测面积，A＝5mm²～15mm²，T_s(ψ)是接收端的传播系数，T_s(ψ)＝0～1，g(ψ)是接收端的电学增益，g(ψ)＝1～10，P_t为设定的LED灯的发射功率，为接收端的估算高度，${\hat{Z}}_0=0m~2.0m;$(5)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算水平距离计算公式为${\hat{r}}_i=\sqrt{{{\hat{d}}_i}^2-{{\hat{h}}_i}^2};$(6)进行初步位置估算：a、当接收端接收到3个不在同一直线上的LED灯或4个以上LED灯的数据光信号时，选择接收的数据光信号功率强度最大的k个LED灯，k≥3，根据三角定位法计算初始三维坐标初始三维坐标中为步骤(4)中确定的接收端的估算高度，计算公式为：$\hat{S}=\left[{\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0\right],\hat{S}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B,$其中：$A=\left[\begin{array}{cc}{x}_2-x_1& y_2-y_1\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ x_k-x_1& y_k-y_1\end{array}\right],$$B=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_2^2)+(x_2^2+y_2^2)-(x_1^2+y_1^2)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ ({\hat{r}}_1^2-{\hat{r}}_k^2)+(x_k^2+y_k^2)-(x_1^2+y_1^2)\end{array}\right];$b、当接收端仅接收到3个共线的LED灯的数据光信号时，通过公式$({\hat{X}}_0,{\hat{Y}}_0)=\left(\right(X_a+X_b)/2,(Y_a+T_b)/2)$计算初始三维坐标其中X_a和Y_a为方程组①的解，X_b和Y_b为方程组②的解，x₂和y₂分别为位于中间的LED灯的横坐标和纵坐标，方程组①和方程组②分别为：$\left\{\begin{array}{c}\left(2x_2-2x_1\right)X_a+\left(2y_2-2y_1\right)Y_a={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_1}^2\\ \left(y_2-y_1\right)X_a-\left(x_2-x_1\right)Y_a=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$  ①，$\left\{\begin{array}{c}\left(2x_2-2x_3\right)X_b+\left(2y_2-2y_3\right)Y_b={{\hat{r}}_3}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_3}^2\\ \left(y_2-y_3\right)X_b-\left(x_2-x_3\right)Y_b=x_3{y}_2-y_3{x}_2\end{array}\right.$  ②；c、当接收端仅接收到2个LED灯的数据光信号时，计算初始三维坐标其中和为方程组③的解，方程组③为：$\left\{\begin{array}{c}\left(2x_2-2x_1\right){\hat{X}}_0+\left(2y_2-2y_1\right){\hat{Y}}_0={{\hat{r}}_1}^2-{{\hat{r}}_2}^2+{y_2}^2-{y_1}^2\\ \left(y_2-y_1\right){\hat{X}}_0-\left(x_2-x_1\right){\hat{Y}}_0=x_1{y}_2-y_1{x}_2\end{array}\right.$  ③；d、当接收端仅接收到1个LED灯的数据光信号时，则初始三维坐标其中x_i和y_i分别为该LED灯的横坐标和纵坐标；(7)对初始三维坐标进行非线性拟合修正，得到修正坐标使用置信域方法对修正坐标(X，Y，Z)的坐标值进行修正迭代，直到非线性拟合算子收敛，此时的修正坐标(X，Y，Z)即为定位坐标非线性拟合算子的计算公式为：${\tilde{S}}_l=\underset{i}{\Sigma }{\left(F\right(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i)-{\hat{d}}_i)}^2,$其中$F(X,Y,Z;x_i,y_i,z_i)=\sqrt{{(X-x_i)}^2+{(Y-y_i)}^2+{(Z-z_i)}^2},$f、g和h均为随机整数，l为迭代次数，△为设定的增量；(8)将定位坐标发送至用户，配合对应的室内地图进行导航。