[发明专利]三维无线光定位系统及方法

权利要求书

1.一种室内移动终端的三维无线光定位系统，其特征在于，包括：两个光源发射机和一个接收机；其中，光源发射机为安装于天花板上的一字线激光器，接收机位于接收平面，接收机上安装有光电检测器1和光电检测器2，用于接收光源发出的光信息；每个一字线激光器都可以产生具有宽扇角范围的扁平光束，其射到接收平面呈现一字型光斑，一字线激光器的发射角度可以调整，从而对接收平面进行快速扫描；光源1的坐标为(x_t1,y_t1,z_t1)，其发射光束沿X轴正负轴的方向来回摆动，而光源2的坐标为(x_t2,y_t2,z_t2)，其发射光束沿Y轴正负轴的方向来回摆动；

光源1和光源2依次快速扫描整个接收平面，并分别发出其动态俯角α和β的量化值；其中，α是光源1的发射方向与X轴正半轴的夹角，β是光源2的发射方向与Y轴正半轴的夹角；两个光源通过依次、轮流的方式扫描，消除了光源1和光源2之间的信号干扰，从而可以正确接收并恢复α和β；

来自光源1和光源2的信号以线形光斑的形式投影到接收平面上，并进行交替和方向互相垂直的扫描；在接收平面上，光电检测器1和光电检测器2面朝上，它们的坐标分别为(x_r1,y_r1,z_r1)和(x_r2,y_r2,z_r2)，且两个光电检测器均安装在接收机上，且均位于同一个接收平面内；它们之间的距离固定为l，它们的中点定义了要预测的终端的实际位置，而从光电检测器2指向光电检测器1的方向定义了终端的朝向，即相对于X轴的逆时针旋转的角度θ；只要通过在光电检测器1和光电检测器2处采用与发射光源波长相匹配的光学滤波器，便可在正常照明环境下成功恢复来自光源1和光源2的角度编码信息。

2.如权利要求1所述的室内移动终端的三维无线光定位系统，其特征在于，在利用定位时隙传输角度信息以外，还以时分复用的方式插入通信时隙以进行室内数据广播，因此定位信息和通信信息将依次发出，实现定位与通信双功能。

3.利用权利要求1到2任一项所述的室内移动终端的三维无线光定位系统的定位方法，其特征在于，包括：光电检测器1将接收到来自光源1和光源2发出的角度信息，分别定义为α₁和β₁；而光电检测器2也可以分别接收来自光源1和光源2发出的角度信息，分别定义为α₂和β₂；对于光电检测器1，当它接收到来自光源1发出的角度编码值α₁时，则光电检测器1必定位于一个平面内，将该平面取名为平面α₁，这个平面一定包含三个点：光源1、光电检测器1、以及光电检测器1在X轴上的投影；其中，光电检测器1的坐标为(x_t1+z_t1cotα₁,y_t1,0)，投影的坐标为(x_t1+z_t1cotα₁,0,0)；

因此，平面α₁可以表示为：

[(-1)/(x_t1+z_t1 cotα₁)]x+[(-cotα₁)/(x_t1+z_t1 cotα₁)]z+1＝0 (1)

与此同时，当光电检测器1接收到来自光源2发出的角度编码值β₁时，则光电检测器1也必定位于一个平面，取名为平面β₁，可以表示为：

[(-1)/(y_t2+z_t2 cotβ₁)]y+[(-cotβ₁)/(y_t2+z_t2 cotβ₁)]z+1＝0 (2)

因此，光电检测器1位于平面α₁和平面β₁的相交线内，其三维坐标满足如下关系，以点斜式的形式给出：

同理，对于光电检测器2，当它接收到来自光源1发出的角度编码值α₂时，则光电检测器2必定位于一个平面，我们取名为平面α₂，可以表示为：

[(-1)/(x_t1+z_t1 cotα₂)]x+[(-cotα₂)/(x_t1+z_t1 cotα₂)]z+1＝0 (4)

与此同时，当光电检测器2接收到来自光源2发出的角度编码值β₂时，则光电检测器2也必定位于一个平面，我们取名为平面β₂，可以表示为：

[(-1)/(y_t2+z_t2 cotβ₂)]y+[(-cotβ₂)/(y_t2+z_t2 cotβ₂)]z+1＝0 (5)

因此，光电检测器2位于平面α₂和平面β₂的相交线内，其三维坐标满足如下关系，以点斜式的形式给出：

由于光电检测器1和光电检测器2之间的固定距离为l，有以下约束条件：

令将公式(3)和(6)代入(7)后，可得到如下关系：

其中，P＝(cotα₁-cotα₂)²，Q＝(cotβ₁-cotβ₂)²；式(8)是一个关于h的一元二次方程，通过求解该方程可得到两个可能的解：

通过将和这两对高度值分别代入(3)和(6)，可以得到光电检测器1的光电检测器2的两对坐标估计值；然而，由于接收机的真实位置只有一个，因此进一步采用如下步骤来实现三维定位：

第一步：排除位于定位区域范围以外的值；

第二步：若第一步并未排除掉位于定位区域范围以外的值，则根据光电检测器1和光电检测器2各自所接收到来自光源1和光源2发出的角度信息的大小，以及光电检测器1和光电检测器2的坐标估计值大小，进行判断，筛选出接收机的实际位置；

第三步：跟据第一步或第二步所挑选出的坐标对，得到相应的h作为光电检测器的高度，从而计算得到终端的位置坐标为

第四步：判断终端的朝向。