本發(fā)明涉及一種可見光室內(nèi)高精度定位方法，特別是涉及一種基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，屬于可見光定位技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

全球定位系統(tǒng)，又稱gps，作為一種成熟的室外定位技術(shù)，其廣泛地應(yīng)用于手機地圖服務(wù)、汽車導(dǎo)航、船舶導(dǎo)航和飛機導(dǎo)航等導(dǎo)航領(lǐng)域，這很大程度上激勵了室內(nèi)定位技術(shù)的開發(fā)和研究，近年來，室內(nèi)定位技術(shù)吸引了廣大學(xué)者的關(guān)注，如大型倉庫的產(chǎn)品定位檢測、大型建筑內(nèi)的導(dǎo)航服務(wù)等，但由于室內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，由于多徑衰落的影響和其他無線設(shè)備的干擾使得gps在建筑物內(nèi)的信號覆蓋較差，用于室內(nèi)定位存在較大的誤差。

近十年，各研究機構(gòu)在室內(nèi)定位技術(shù)方面開展了大量的研究，涌現(xiàn)了大量的新技術(shù)，如基于無線局域網(wǎng)wlan、rfid、zigbee、藍(lán)牙、超帶寬無線電uwb、紅外定位、計算機視覺定位、超聲波定位等眾多室內(nèi)定位技術(shù)，這些方法提供了從幾米到幾十厘米的定位精度，然而大多數(shù)基于無線通信的系統(tǒng)會受到電磁干擾的影響，直接影響定位質(zhì)量。

與上述定位技術(shù)方案不同，可見光室內(nèi)定位技術(shù)是基于可見光通信，又稱vlc的室內(nèi)定位技術(shù)，通過人眼識別不了的高頻率來控制白光led的光強，在保證提供正常照明的同時進(jìn)行傳播定位的id信息，其具有定位精度高、附加模塊少、保密性好、且沒有電磁輻射、不受電磁干擾等優(yōu)點，成為國內(nèi)外研究人員的研究熱點。

基于led-id的定位方法是一種簡單易行的可見光室內(nèi)定位方法，該方法將與位置相關(guān)的id數(shù)據(jù)加載到不同的led光源上，接收終端通過接收并解析id數(shù)據(jù)實現(xiàn)被動定位，現(xiàn)如今，接收終端一般使用光電探測器接收光信號，并將檢測的光信號強度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，通過這種方法來接收光信號，在接收端同時被多燈照射時，由于信號強度的混疊，無法判斷接收到的比特信息，多路信號相互干擾，無法接收到正確的id信息，而通過時隙控制的方法導(dǎo)致嚴(yán)重的定位延時、較低的頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率；通過成像的方法需要攝像頭的輔助，十分不便；干擾消除的算法也十分麻煩。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是為了提供一種基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，該方法通過利用sc-fdma調(diào)制過程中子載波的正交性和理想的papr特性，每個led的id數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制后以光的形式發(fā)送出去，接收端經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換還原出sc-fdma信號，再經(jīng)過解調(diào)得到各led的id數(shù)據(jù)和對應(yīng)強度，最終通過不同led的id信息和強度來實現(xiàn)定位。

本發(fā)明的目的可以通過采用如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，包括如下步驟：

步驟s1：構(gòu)建可見光室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)，產(chǎn)生白光led模塊的id數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對id數(shù)據(jù)的調(diào)制；

步驟s2：對id數(shù)據(jù)進(jìn)行n點離散傅立葉變換，對通過m點的離散傅立葉逆變換和插入循環(huán)前綴實現(xiàn)對id數(shù)據(jù)的sc-fdma調(diào)制，將id數(shù)據(jù)以光信號的形式發(fā)送出去；

步驟s3：接收光信號完成光電轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后得到的光電信號傳輸出去；

步驟s4：去除循環(huán)前綴得到有效id數(shù)據(jù)，并還原出接收到的有效id數(shù)據(jù)；

步驟s5：利用接收到的有效id數(shù)據(jù)和對應(yīng)的信號強度，計算出定位點坐標(biāo)；

步驟s6：完成基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位。

進(jìn)一步的，步驟s1中，可見光室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)包括多個led發(fā)射機、一個定位接收機和一個定位服務(wù)器，led發(fā)射機包括發(fā)射端處理器、d/a模塊和光發(fā)射模塊，定位接收機包括光電轉(zhuǎn)換模塊、a/d模塊和接收端處理器。

進(jìn)一步的，步驟s1中，光發(fā)射模塊由led驅(qū)動電路和白光led模塊組成，光電轉(zhuǎn)換模塊由光電探測器和放大電路組成，發(fā)射端處理器用于產(chǎn)生白光led模塊的id數(shù)據(jù)和實現(xiàn)對id數(shù)據(jù)的調(diào)制，接收端處理器用于完成對接收信號的解調(diào)，及完成對接收信號強度的計算，定位服務(wù)器利用得到的id數(shù)據(jù)和對影強度實現(xiàn)定位。

進(jìn)一步的，步驟s2中，發(fā)射端處理器對id數(shù)據(jù)進(jìn)行n點離散傅立葉變換，經(jīng)過子載波映射將id數(shù)據(jù)分配到相應(yīng)的n個子載波上，未分配數(shù)據(jù)的m-n個子載波分配空數(shù)據(jù)，然后通過m點的離散傅立葉逆變換和插入循環(huán)前綴實現(xiàn)對id數(shù)據(jù)的sc-fdma調(diào)制，并經(jīng)過d/a模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后通過光發(fā)射模塊將id數(shù)據(jù)以光信號的形式發(fā)送出去。

進(jìn)一步的，步驟s2中，光發(fā)射模塊用于實現(xiàn)對模擬信號的傳輸，經(jīng)過a/d模塊轉(zhuǎn)換得到的模擬信號變化速率大于人眼識別高頻，用于保證信號幅度位于光發(fā)射模塊的線性區(qū)間，確保信號無失真?zhèn)鬏敗?/p>

進(jìn)一步的，步驟s3中，光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號，并完成光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大和a/d模塊轉(zhuǎn)換后，將采樣得到的光信號傳輸至接收端處理器。

進(jìn)一步的，步驟s4中，接收端處理器去除循環(huán)前綴得到有效id數(shù)據(jù)，對有效id數(shù)據(jù)進(jìn)行m點的離散傅立葉變換，得到m個子載波，通過子載波逆映射分離出對應(yīng)id數(shù)據(jù)的n個子載波，并得到相應(yīng)載波的強度，再對存在有效信號強度的n個子載波進(jìn)行n點的離散傅立葉逆變換，最終還原出接收到的有效id數(shù)據(jù)；得到的相應(yīng)載波強度與白光led模塊到達(dá)光電探測器的光照度成正比，即強度能夠表征光照度的大小。

進(jìn)一步的，步驟s5中，定位服務(wù)器通過接收到的有效id數(shù)據(jù)和對應(yīng)的信號強度，采用接收信號強度測量法計算出定位點坐標(biāo)，接收信號強度測量法是根據(jù)朗伯輻射體模型，得到白光led模塊與光電探測器之間的距離d1、光電探測器接收光強度p之間存在式(1)的關(guān)系如下，即：

其中，d1為編號為1的白光led模塊與光電探測器之間的距離；

為白光led模塊的半功率角，

p0為白光led模塊的發(fā)光功率；

p為光電探測器接收的光強度；

a為光電探測器的有效面積；

h1為光電探測器距離該白光led模塊的豎直距離。

進(jìn)一步的，步驟s5中，利用得到的白光led模塊與光電探測器之間的距離信息，結(jié)合相應(yīng)白光led模塊的位置信息，當(dāng)接收到三個白光led模塊的id數(shù)據(jù)時，利用三邊定位算法求解得到光電探測器位置坐標(biāo)；當(dāng)接收到三個以上白光led模塊的id數(shù)據(jù)時，將排列組合法和三邊定位算法結(jié)合得到多組位置坐標(biāo)，最終將得到的位置坐標(biāo)取平均坐標(biāo)作為光電探測器的最終坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，步驟s5中，三邊定位算法包括以下步驟：以各個白光led模塊在水平面上的投影中心為圓心，以光電探測器到各白光led模塊在光電探測器所在平面投影中心的距離為半徑畫圓，三個圓相交的位置或公共區(qū)域即為探測器坐標(biāo)；排列組合法包括以下步驟：以每三個不在同一條直線上的白光led模塊為一組進(jìn)行組合。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：按照本發(fā)明的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，本發(fā)明提供的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，將sc-fdma調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于可見光系統(tǒng)中，在不增加成本的前提下大大地提高了無線通信速率和頻譜利用率；利用調(diào)制過程中子載波之間的正交特性，實現(xiàn)了對重疊信號的分離，克服了光信號之間的干擾帶來的定位誤差和嚴(yán)重的定位延時；利用sc-fdma技術(shù)的理想papr特性，有效避免信號在傳輸過程中產(chǎn)生非線性失真而帶來的嚴(yán)重定位誤差；將sc-fdma技術(shù)與三邊定位法相結(jié)合，不僅提高了定位精度，而且不需要同步發(fā)送，大大增加了可見光定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為按照本發(fā)明的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法的一優(yōu)選實施例的方法流程圖；

圖2為按照本發(fā)明的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例的可見光通信調(diào)制解調(diào)原理框圖，該實施例可以是與圖1相同的實施例，也可以是與圖1不同的實施例；

圖3為按照本發(fā)明的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法的一優(yōu)選實施例的可見光室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)的原理框圖，該實施例可以是與圖1或圖2相同的實施例，也可以是與圖1或圖2不同的實施例；

圖4為按照本發(fā)明的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法的一優(yōu)選實施例的三邊定位算法原理示意圖，該實施例可以是與圖1或圖2或圖3相同的實施例，也可以是與圖1或圖2或圖3不同的實施例；

圖5為按照本發(fā)明的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法的一優(yōu)選實施例的定位系統(tǒng)框圖，該實施例可以是與圖1或圖2或圖3或圖4相同的實施例，也可以是與圖1或圖2或圖3或圖4不同的實施例。

具體實施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更加清楚和明確本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本實施例提供的一種基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，包括如下步驟：

步驟s1：構(gòu)建可見光室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)：該系統(tǒng)包括多個led發(fā)射機、一個定位接收機和定位服務(wù)器，所述led發(fā)射機包括發(fā)射端處理器、d/a模塊和光發(fā)射模塊，其中發(fā)射端處理器主要產(chǎn)生白光led模塊的id數(shù)據(jù)和實現(xiàn)對id數(shù)據(jù)的調(diào)制，光發(fā)射模塊由led驅(qū)動電路和白光led模塊組成，所述定位接收機包括光電轉(zhuǎn)換模塊、a/d模塊和接收端處理器，其中光電轉(zhuǎn)換模塊由光電探測器、放大電路組成，接收端處理器主要完成對接收信號的解調(diào)和強度的計算，定位服務(wù)器主要利用得到的id數(shù)據(jù)和對影強度實現(xiàn)定位；

步驟s2：發(fā)射端處理器對id數(shù)據(jù)進(jìn)行n點離散傅立葉變換，即dft，經(jīng)過子載波映射將id數(shù)據(jù)分配到相應(yīng)的n個子載波上，未分配數(shù)據(jù)的m-n個子載波分配空數(shù)據(jù)，然后通過m點的離散傅立葉逆變換即idft和插入循環(huán)前綴實現(xiàn)對id數(shù)據(jù)的sc-fdma調(diào)制，接著經(jīng)過d/a模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后通過光發(fā)射模塊將id數(shù)據(jù)以光信號的形式發(fā)送出去，光發(fā)射模塊可實現(xiàn)對模擬信號的傳輸；經(jīng)過a/d模塊轉(zhuǎn)換得到的模擬信號變化速率必須滿足人眼識別不了的高頻，保證正常的照明，且保證信號幅度位于光發(fā)射模塊的線性區(qū)間，確保信號的無失真?zhèn)鬏敚?/p>

步驟s3：光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號完成光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大和a/d模塊轉(zhuǎn)換后，將采樣得到的信號傳輸至接收端處理器；

步驟s4：接收端處理器去除循環(huán)前綴得到有效id數(shù)據(jù)，對有效id數(shù)據(jù)進(jìn)行m點的離散傅立葉變換即dft得到m個子載波，通過子載波逆映射分離出對應(yīng)id數(shù)據(jù)的n個子載波并得到相應(yīng)載波的強度，然后對存在有效信號強度的n個子載波進(jìn)行n點的離散傅立葉逆變換即idft，最終還原出接收到的有效id數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)載波的強度與白光led模塊到達(dá)光電探測器的光照度成正比，即強度能夠表征光照度的大?。?/p>

步驟s5中，定位服務(wù)器通過接收到的有效id數(shù)據(jù)和對應(yīng)的信號強度，采用接收信號強度測量法計算出定位點坐標(biāo)，接收信號強度測量法是根據(jù)朗伯輻射體模型，得到白光led模塊與光電探測器之間的距離d1、光電探測器接收光強度p之間存在式(1)的關(guān)系如下，即：

其中，d1為編號為1的白光led模塊與光電探測器之間的距離；

為白光led模塊的半功率角，

p0為該白光led模塊的發(fā)光功率；

p為光電探測器接收的光強度；

a為光電探測器的有效面積；

h1為光電探測器距離該白光led模塊的豎直距離；

由幾何關(guān)系可知：

求得光電探測器距離編號為1的白光led模塊在光電探測器所在平面投影中心的距離，同理，可以求得其他各led的d2(x,y)、d3(x,y)、d4(x,y)......；

利用步驟s5得到的距離信息，并結(jié)合相應(yīng)白光led模塊的位置信息，當(dāng)接收到三個白光led模塊的id數(shù)據(jù)時，利用三邊定位算法來求解探測器位置坐標(biāo)；當(dāng)接收到三個以上白光led模塊的id數(shù)據(jù)時，將排列組合的方法和三邊定位算法結(jié)合得到多組位置坐標(biāo)，最終將得到的位置坐標(biāo)取平均作為光電探測器的最終坐標(biāo)；

三邊定位算法包括以下步驟：以各個白光led模塊在水平面上的投影中心為圓心，以公式(2)求得的光電探測器到各白光led模塊在光電探測器所在平面投影中心的距離為半徑畫圓，三圓相交的位置或公共區(qū)域即為探測器坐標(biāo)；

排列組合的方法包括以下步驟：以每三個不在一條直線上的白光led模塊為一組進(jìn)行組合；

步驟s6：完成基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位。

進(jìn)一步的，在本實施例中，led發(fā)射機包括發(fā)送端處理器、d/a模塊和發(fā)射模塊，其中，發(fā)送端處理器采用fpga，用來產(chǎn)生不同的id數(shù)據(jù)并進(jìn)行sc-fdma調(diào)制，并將對應(yīng)的id數(shù)據(jù)調(diào)制到相應(yīng)的正交子載波上，且各個發(fā)送端處理器之間沒有聯(lián)系，互為獨立發(fā)送信號，調(diào)制信號經(jīng)d/a模塊轉(zhuǎn)換到發(fā)射模塊，發(fā)射模塊由led驅(qū)動電路和白光led模塊組成，其驅(qū)動電路為白光led模塊提供合適的直流偏置，并把信號調(diào)制在白光led模塊驅(qū)動電流的線性區(qū)間，白光led將調(diào)制后的信號以可見光的形式發(fā)送出去；接收端處理器采用fpga，用來對采集到的id數(shù)據(jù)進(jìn)行sc-fdma解調(diào)將有效的id數(shù)據(jù)還原出來并得到相應(yīng)的信號強度；定位服務(wù)器可以是嵌入式設(shè)備或者電腦。

綜上所述，在本實施例中，按照本實施例的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，本實施例提供的基于sc-fdma的可見光室內(nèi)高精度定位方法，將sc-fdma調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于可見光系統(tǒng)中，在不增加成本的前提下大大地提高了無線通信速率和頻譜利用率；利用調(diào)制過程中子載波之間的正交特性，實現(xiàn)了對重疊信號的分離，克服了光信號之間的干擾帶來的定位誤差和嚴(yán)重的定位延時；利用sc-fdma技術(shù)的理想papr特性，有效避免信號在傳輸過程中產(chǎn)生非線性失真而帶來的嚴(yán)重定位誤差；將sc-fdma技術(shù)與三邊定位法相結(jié)合，不僅提高了定位精度，而且不需要同步發(fā)送，大大增加了可見光定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以上所述，僅為本發(fā)明進(jìn)一步的實施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。