无线车联物联网定位系统

摘要

本发明涉及无线车联物联网定位系统，包括若干车辆和若干在路边的路灯，各路灯均包括微处理器、第一LTE通信模块、存储路灯地理位置的存储器、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和LED光源；LED光源均匀设置若干独立编号的方形LED发光晶格；LED发光晶格内均设黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED；各车辆设处理器、蓝牙模块、第二LTE通信模块、GPS定位模块、定位信号标识生成器、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。该系统能借助路灯光信号和附近车辆定位数据，获取车辆位置。

主权项

无线车联物联网定位系统，其特征在于，包括若干车辆以及若干设置在路边的路灯，其中：所述各路灯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、存储路灯地理位置数据的存储器、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、蓄电模块、光电转换器和太阳能电池；第一LTE通信模块与外网连接；第一扩频码发生器分别连接信号调制器和扩频调制器，扩频调制器连接第一光电信号转换器；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；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，黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED分别连接微处理器；蓄电模块连接光电转换器，LED光源分别连接蓄电模块和太阳能电池；其中，所述微处理器，读取存储器内保存的路灯地理位置数据，并将路灯地理位置数据分别转换为光信息和多维彩码信息，并命令LED发光晶格执行发光；所述信号调制器，用以将路灯地理位置数据进行信号调制，得到包含路灯地理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，接收扩频码，以扩展包含路灯地理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，在路灯地理位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器分别对黑光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；所述各车辆上设置有中央处理器以及分别连接中央处理器的蓝牙模块、第二LTE通信模块、GPS定位模块、定位信号标识生成器、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；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，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；GPS定位模块分别连接第二LTE通信模块和显示屏；显示屏连接摄像头；其中，所述蓝牙模块，用以在车辆与附近车辆之间建立通信，实现各车辆之间含有GPS定位数据以及GPS定位信号标识的相互传递；所述GPS定位模块，获取车辆的当前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；所述定位信号标识生成器，用以产生具有车辆ID信息的GPS定位信号标识，并发送该GPS信号标识给中央处理器；所述光信号接收器，接收路灯发出的光信号，并发送给滤噪器处理；所述光信号强度检测器，用以分别检测附近各路灯发送来的光信号强度值，并发送给中央处理器；所述滤噪器，根据中央处理器的命令，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，将接收的光信号转换为含有路灯地理位置的电信号，并发送给中央处理器；所述摄像头，读取路灯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路灯地理位置信息；所述中央处理器，根据接收的GPS定位信号标识、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，以获取车辆当前的定位数据；其中，中央处理器获取车辆当前的定位数据的过程依次包括如下步骤：(1)设待定位车辆独立获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度预设阈值为p_{GPS_door}；获取的附近车辆的GPS定位信号标识为附近车辆h的GPS定位数据为(x'_GPS,y'_GPS,z'_GPS)；各路灯分别为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；待定位车辆的最终定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1，且M∈N⁺；(2)当获取到GPS定位信号标识时，则以附近车辆h的GPS定位数据(x'_GPS,y'_GPS,z'_GPS)为待定位车辆的初始定位数据，并执行步骤(3)；否则，直接执行步骤(4)；(3)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度预设阈值p_{GPS_door}时，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为待定位车辆最终的定位数据；否则，执行步骤(4)；(4)根据在时间段T内接收到的各路灯的光信号强度值，计算每个路灯发出的光信号强度值的信号强度均方根值p_i：$p_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{p^2}_{ij}},i=1,2,3,...,N;$   式(1)其中，p_i表示路灯L_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示路灯L_i发出的某一个光信号强度值；(5)根据接收到的各路灯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；(6)根据接收的各路灯的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取路灯L₁、L₂、L₃和L₄到待定位车辆的距离d₁、d₂、d₃和d₄：$p_i=p_0+10n{\log }_{10}\left[\frac{d_i+\delta }{d_0}\right]+\xi ,i=1,2,3,4;$   式(2)$d_i=d_0{10}^{\frac{p_i-p_0-\xi }{10n}}-\delta ;$   式(3)其中，p_i为路灯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为路灯L_i到待定位车辆的距离，d₀为参考距离，p₀为距离待定位车辆d₀处的光信号强度值，δ为距离估计误差，且(7)根据路灯L₁、L₂、L₃和L₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)，以及获取的距离d₁、d₂、d₃和d₄，计算待定位车辆最终的定位数据(x,y,z)：(7‑1)以三个为一组，对路灯L₁、L₂、L₃和L₄进行分组，获得四组路灯组合：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)；(7‑2)根据路灯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，分别计算待定位车辆的第一坐标(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””)以及各距离对应的权重系数ω₁、ω₂、ω₃和ω₄，其中，$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_1-x^{\prime }\right)}^2+{\left(y_1-y^{\prime }\right)}^2+{\left(z_1-z^{\prime }\right)}^2=d_1^2\\ {\left(x_2-x^{\prime }\right)}^2+{\left(y_2-y^{\prime }\right)}^2+{\left(z_2-z^{\prime }\right)}^2=d_2^2\\ {\left(x_3-x^{\prime }\right)}^2+{\left(y_3-y^{\prime }\right)}^2+{\left(z_3-z^{\prime }\right)}^2=d_3^2\end{array}\right.$   式(4)$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_1-x^{\prime \prime }\right)}^2+{\left(y_1-y^{\prime \prime }\right)}^2+{\left(z_1-z^{\prime \prime }\right)}^2=d_1^2\\ {\left(x_2-x^{\prime \prime }\right)}^2+{\left(y_2-y^{\prime \prime }\right)}^2+{\left(z_2-z^{\prime \prime }\right)}^2=d_2^2\\ {\left(x_4-x^{\prime \prime }\right)}^2+{\left(y_4-y^{\prime \prime }\right)}^2+{\left(z_4-z^{\prime \prime }\right)}^2=d_4^2\end{array}\right.$   式(5)$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_1-x^{\prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(y_1-y^{\prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(z_1-z^{\prime \prime \prime }\right)}^2=d_1^2\\ {\left(x_3-x^{\prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(y_3-y^{\prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(z_3-z^{\prime \prime \prime }\right)}^2=d_3^2\\ {\left(x_4-x^{\prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(y_4-y^{\prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(z_4-z^{\prime \prime \prime }\right)}^2=d_4^2\end{array}\right.$   式(6)$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_2-x^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(y_2-y^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(z_2-z^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2=d_1^2\\ {\left(x_3-x^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(y_3-y^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(z_3-z^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2=d_3^2\\ {\left(x_4-x^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(y_4-y^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2+{\left(z_4-z^{\prime \prime \prime \prime }\right)}^2=d_4^2\end{array}\right.$   式(7)${ϵ}_i=\frac{d_{5-i}^2}{\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{d}_i^2},i=1,2,3,4;$   式(8)(7‑3)根据分别获取的待定位车辆的第一坐标(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””)、以及各距离对应的权重系数，计算待定位车辆的参考坐标(x,y,z)；其中，$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{d_4^2·x^{\prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_3^2·x^{\prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_2^2·x^{\prime \prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_1^2·x^{\prime \prime \prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}\\ y=\frac{d_4^2·y^{\prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_3^2·y^{\prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_2^2·y^{\prime \prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_1^2·y^{\prime \prime \prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}\\ z=\frac{d_4^2·z^{\prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_3^2·z^{\prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_2^2·z^{\prime \prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_1^2·z^{\prime \prime \prime \prime }}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}\end{array}\right.$   式(9)；(7‑4)根据计算的待定位车辆的第一坐标(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””)以及计算获取的待定位车辆的参考坐标(x,y,z)，计算待定位车辆的最终定位数据(x_R,y_R,z_R)的定位误差(△x,△y,△z)：$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\prime }-x=\Delta x_1\\ x^{\prime \prime }-x=\Delta x_2\\ x^{\prime \prime \prime }-x=\Delta x_3\\ x^{\prime \prime \prime \prime }-x=\Delta x_4\end{array}\right.$   式(10)$\left\{\begin{array}{c}{y}^{\prime }-y=\Delta y_1\\ y^{\prime \prime }-y=\Delta y_2\\ y^{\prime \prime \prime }-y=\Delta y_3\\ y^{\prime \prime \prime \prime }-y=\Delta y_4\end{array}\right.$   式(11)$\left\{\begin{array}{c}{z}^{\prime }-z=\Delta z_1\\ z^{\prime \prime }-z=\Delta z_2\\ z^{\prime \prime \prime }-z=\Delta z_3\\ z^{\prime \prime \prime \prime }-z=\Delta z_4\end{array}\right.$   式(12)$\left\{\begin{array}{c}\Delta x=\frac{{\mathrm{\Delta x}}_1+{\mathrm{\Delta x}}_2+{\mathrm{\Delta x}}_3+{\mathrm{\Delta x}}_4}{4}\\ \Delta y=\frac{{\mathrm{\Delta y}}_1+{\mathrm{\Delta y}}_2+{\mathrm{\Delta y}}_3+{\mathrm{\Delta y}}_4}{4}\\ \Delta z=\frac{{\mathrm{\Delta z}}_1+{\mathrm{\Delta z}}_2+{\mathrm{\Delta z}}_3+{\mathrm{\Delta z}}_4}{4}\end{array}\right.$   式(13)(7‑5)根据计算获取的待定位车辆的参考坐标(x,y,z)以及定位误差(Δx,Δy,Δz)，计算待定位车辆的最终定位数据(x_R,y_R,z_R)：$\left\{\begin{array}{c}{x}_R=x+\Delta x\\ y_R=y+\Delta y\\ z_R=z+\Delta z\end{array}\right.$   式(14)。