[发明专利]可见光扩频通信定位系统

摘要

本发明涉及可见光扩频通信定位系统，包括移动接收端和至少四个发射端，发射端包括微处理器、存储LED光源位置的RFID标签、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发光晶格内均设有黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED；移动接收端包括中央处理器、LTE通信模块、GPS定位模块、光信号接收器、滤噪器、光信号强度检测器、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。该系统通过提取多维彩码或二维码中的位置信息粗略定位，由GPS定位和可见光扩频通信融合实现精确定位。

主权项

可见光扩频通信定位系统，其特征在于，包括移动接收端和至少四个发射端，所述发射端分布设置在移动接收端的周围；其中，所述发射端包括微处理器以及分别连接微处理器的存储LED光源位置数据的RFID标签、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光源和太阳能电池；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LED光源连接太阳能电池；其中，所述微处理器，用以读取RFID标签内存储的LED光源位置数据，并将LED光源位置数据分别转换为光信息、二维码信息和多维彩码信息，并命令指定的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，一方面在LED光源位置数据转换为二维码信息后，根据微处理器对指定LED发光晶格的发光或闭光命令，发出明暗相间的二维码图像；另一方面在LED光源位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器分别对指定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；所述移动接收端包括中央处理器以及分别连接中央处理器的LTE通信模块、GPS定位模块、光信号接收器、滤噪器、光信号强度检测器、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；滤噪器分别连接光信号接收器和光信号强度检测器，滤噪器连接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；LTE通信模块连接GPS定位模块，GPS定位模块和摄像头分别连接显示屏；其中所述GPS定位模块，用以获取移动接收端的当前GPS位置数据和GPS信号强度值，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，用以接收发射端中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器进行滤噪处理；所述光信号强度检测器，用以分别检测各发射端发送来的光信号强度值，并发送各光信号强度值给中央处理器；所述滤噪器，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给中央处理器作出判断：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，用以对LED光源发出的二维码图像或者多维彩码图像进行读取，并由中央处理器提取二维码图像或多维彩码图像中的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，以获取移动接收端的最终定位数据；其中，中央处理器获取移动接收端最终定位数据的过程依次包括如下步骤：(1)设定获取的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}；各发射端分别为R₁、R₂、R₃、R₄、…、R_N，R₁、R₂、R₃、R₄、…、R_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；假设移动接收端的参考坐标为(x,y,z)，移动接收端的最终定位数据为(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)为移动接收端的最终定位数据；否则，执行步骤(3)；(3)根据在时间段T内接收到的各发射端的光信号强度值，计算每个发射端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表示发射端R_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示发射端R_i发出的某一个光信号强度值；(4)根据接收到的各发射端的光信号强度均方根值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)根据接收的各发射端的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取发射端R₁、R₂、R₃和R₄到移动接收端的距离d₁、d₂、d₃和d₄：$p_i=p_0+10{\mathrm{nlog}}_{10}\[\frac{d_i+v}{d_0}\]+\mathrm{\ξ},i=1,2,3,4;$   式(2)$d_i=d_0{10}^{\frac{p_i-p_0-\mathrm{\ξ}}{10n}}-v;$   式(3)；其中，p_i为发射端R_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为发射端R_i到移动接收端的距离，d₀为参考距离，p₀为距离移动接收端d₀处的光信号强度值，v为距离估计误差，且(6)根据发射端R₁、R₂、R₃和R₄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，对移动接收端的参考坐标(x,y,z)进行求解：(6‑1)以三个为一组，对发射端R₁、R₂、R₃和R₄进行分组，获得四组发射端组合：R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)和R₃(x₃,y₃,z₃)，R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)和R₄(x₄,y₄,z₄)，R₁(x₁,y₁,z₁)、R₃(x₃,y₃,z₃)和R₄(x₄,y₄,z₄)，R₂(x₂,y₂,z₂)、R₃(x₃,y₃,z₃)和R₄(x₄,y₄,z₄)；(6‑2)根据发射端R₁、R₂、R₃和R₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)及距离d₁、d₂、d₃和d₄，分别计算移动接收端的第一坐标(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””)以及各距离对应的权重系数ω₁、ω₂、ω₃和ω₄，其中，$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_1-x^{\′}\right)}^2+{\left(y_1-y^{\′}\right)}^2+{\left(z_1-z^{\′}\right)}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′})}^2+{(y_2-y^{\′})}^2+{(z_2-z^{\′})}^2=d_2^2\\ {(x_3-x^{\′})}^2+{(y_3-y^{\′})}^2+{(z_3-z^{\′})}^2=d_3^2\end{array}\right.$   式(4)$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_1-x^{\′\′}\right)}^2+{\left(y_1-y^{\′\′}\right)}^2+{\left(z_1-z^{\′\′}\right)}^2=d_1^2\\ {(x_2-x^{\′\′})}^2+{(y_2-y^{\′\′})}^2+{(z_2-z^{\′\′})}^2=d_2^2\\ {(x_4-x^{\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$   式(5)$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_1-x^{\′\′\′}\right)}^2+{\left(y_1-y^{\′\′\′}\right)}^2+{\left(z_1-z^{\′\′\′}\right)}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′})}^2+{(z_3-z^{\′\′\′})}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′})}^2+{(z_4-z^{\′\′\′})}^2=d_4^2\end{array}\right.$   式(6)$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_2-x^{\′\′\′\′}\right)}^2+{\left(y_2-y^{\′\′\′\′}\right)}^2+{\left(z_2-z^{\′\′\′\′}\right)}^2=d_1^2\\ {(x_3-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_3-y^{\′\′\′\′})}^2+{\left(z_3-z^{\′\′\′\′}\right)}^2=d_3^2\\ {(x_4-x^{\′\′\′\′})}^2+{(y_4-y^{\′\′\′\′})}^2+{\left(z_4-z^{\′\′\′\′}\right)}^2=d_4^2\end{array}\right.$   式(7)；${\mathrm{\ω}}_i=\frac{d_{5-i}^2}{\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{d}_i^2},i=1,2,3,4;$(6‑3)根据分别获取的移动接收端的第一坐标(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””)、以及各距离对应的权重系数，计算移动接收端的参考坐标(x,y,z)；其中，$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{d_4^2\·x^{\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_3^2\·x^{\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_2^2\·x^{\′\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_1^2\·x^{\′\′\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}\\ y=\frac{d_4^2\·y^{\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_3^2\·y^{\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_2^2\·y^{\′\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_1^2\·y^{\′\′\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}\\ z=\frac{d_4^2\·z^{\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_3^2\·z^{\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_2^2\·z^{\′\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}+\frac{d_1^2\·z^{\′\′\′\′}}{d_1^2+d_2^2+d_3^2+d_4^2}\end{array}\right.$   式(8)；(7)根据步骤(6)中计算的移动接收端的第一坐标(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””)以及计算获取的移动接收端的参考坐标(x,y,z)，计算移动接收端最终定位数据(x_R,y_R,z_R)的定位误差(Δx,Δy,Δz)：$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}-x=\mathrm{\Δ}{x}_1\\ x^{\′\′}-x=\mathrm{\Δ}{x}_2\\ x^{\′\′\′}-x=\mathrm{\Δ}{x}_3\\ x^{\′\′\′\′}-x=\mathrm{\Δ}{x}_4\end{array}\right.$   式(9)$\left\{\begin{array}{c}{y}^{\′}-y=\mathrm{\Δ}{y}_1\\ y^{\′\′}-y=\mathrm{\Δ}{y}_2\\ y^{\′\′\′}-y=\mathrm{\Δ}{y}_3\\ y^{\′\′\′\′}-y=\mathrm{\Δ}{y}_4\end{array}\right.$   式(10)$\left\{\begin{array}{c}{z}^{\′}-z=\mathrm{\Δ}{z}_1\\ z^{\′\′}-z=\mathrm{\Δ}{z}_2\\ z^{\′\′\′}-z=\mathrm{\Δ}{z}_3\\ z^{\′\′\′\′}-z=\mathrm{\Δ}{z}_4\end{array}\right.$   式(11)$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=\frac{{\mathrm{\Δx}}_1+{\mathrm{\Δx}}_2+{\mathrm{\Δx}}_3+{\mathrm{\Δx}}_4}{4}\\ \mathrm{\Δ}y=\frac{{\mathrm{\Δy}}_1+{\mathrm{\Δy}}_2+{\mathrm{\Δy}}_3+{\mathrm{\Δy}}_4}{4}\\ \mathrm{\Δ}z=\frac{{\mathrm{\Δz}}_1+{\mathrm{\Δz}}_2+{\mathrm{\Δz}}_3+{\mathrm{\Δz}}_4}{4}\end{array}\right.$   式(12)(8)根据计算获取的移动接收端的参考坐标(x,y,z)以及定位误差(Δx,Δy,Δz)，计算移动接收端的最终定位数据(x_R,y_R,z_R)：$\left\{\begin{array}{c}{x}_R=x+\mathrm{\Δ}x\\ y_R=y+\mathrm{\Δ}y\\ z_R=z+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.$   式(13)。