一种基于多PD接收机的可见光三维定位系统及方法

技术领域

本发明涉及可见光定位技术领域，特别涉及一种基于多PD接收机的可见光三维定位系统及方法。

背景技术

近年来，伴随着信息技术的迅猛发展，智能终端正在日益普及，随着智能手机和其他无线设备的大规模普及，引发了包括室内定位在内的泛在业务的需求。为了解决室内定位问题，目前有一些常用的室内定位技术，主要包括：红外线室内定位技术、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)室内定位技术、蓝牙室内定位技术、无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)室内定位技术、Zigbee室内定位技术和超宽带(Ultra Wide Band，UWB)室内定位技术等。虽然这些技术在一定程度上可以满足人们日常室内定位的需求，但在实际应用中很难做到精度和成本的完美平衡。除此之外，这些室内定位技术存在电磁辐射，不仅安全性差，更不能应用于电磁辐射被严格限制的场所；同时，当今频谱资源的稀缺也限制了这些技术的进一步广泛应用。

可见光定位技术，由于其具有定位精度高、无射频干扰、复杂度低等特殊优点，受到了广泛的关注，被认为是最有吸引力的解决方案之一。在众多基于可见光的非成像定位技术中，主要包括基于单PD接收机的定位方法和基于多PD对称结构接收机的定位算法；其中，基于多PD对称结构接收机的定位算法利用单LED光源即可实现定位，能够应用于接收LED光源有限的定位场景，有效消除定位误差。

但现有的基于可见光的非成像定位技术实现的主要是获取二维定位信息，而在室内定位中，除了要求获得高精度二维定位信息，还需要获取垂直高度的位置信息，即实现室内可见光三维定位，满足高精度定位数据采集需求。因此，需要研发一种新的基于可见光的非成像定位技术，以获取三维位置信息。

发明内容

本发明提供了一种基于多PD接收机的可见光三维定位系统及方法，以解决室内三维定位的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于多PD接收机的可见光三维定位系统，其包括：LED光源、基于多PD的对称结构接收机以及处理设备；其中，

所述LED光源由单个LED灯组成，用于向定位空间中发送可见光信号；

所述接收机包括一个水平设置的第一光电探测器和多个相对于所述第一光电探测器倾斜设置的第二光电探测器，多个所述第二光电探测器等距分布在所述第一光电探测器的四周，并且相邻两个所述第二光电探测器的夹角相同；所述光电探测器用于将接收到的可见光信号转换为电信号，得到接收信号强度；

所述处理设备包括信号处理模块，所述信号处理模块用于将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，基于所述第一光电探测器的接收信号强度和所述第二光电探测器的接收信号强度，结合内点法，求解所述接收机的三维坐标。

进一步地，各所述第二光电探测器到所述第一光电探测器的距离相等，各所述第二光电探测器相对于所述第一光电探测器的倾斜角相等，且所述第一光电探测电器及各所述第二光电探测器的边长相等；其中，所述第一光电探测器的坐标(x

其中，Δs表示第i个第二光电探测器中心到第一光电探测器中心的水平距离，α表示第i个第二光电探测器相对于第一光电探测器的倾斜角，Δh表示第i个第二光电探测器中心到第一光电探测器所在的水平面的垂直距离，l表示光电探测器的边长，β

进一步地，根据朗博辐射模型，所述第一光电探测器的接收信号强度P

第i个第二光电探测器与所述第一光电探测器的接收信号强度比RSSR

其中，P

进一步地，所述信号处理模块具体用于：

构造平方和函数：

将所述平方和函数作为目标函数，并设置待求解三维坐标(x,y,z)的定义域：

利用内点法对待求解三维坐标(x,y,z)进行求解。

进一步地，所述利用内点法对待求解三维坐标(x,y,z)进行求解，包括：

由给定的目标函数定义域构造限定条件：

利用所述限定条件构造函数C(x,y,z)＝-(ln(g(x))+ln(g(y))+ln(g(z)))，并定义障碍函数B(x,y,z,r)＝F(x,y,z)+rC(x,y,z)；其中，r是一个正参数；

对障碍函数B(x,y,z,r)求梯度得到式(7)：

引入拉格朗日乘子

其中，

计算F(x,y,z)的黑塞矩阵W，以及λ的对角矩阵B：

利用牛顿迭代法得到：

其中，

选定x、y、z和r的初值，由式(8)求出λ的初值。根据设定的步长对式(11)进行迭代，当((x,y,z),λ)→((x,y,z)+αΔ(x,y,z),λ+αΔλ)至r→0时，对应的(x,y,z)的解即为最优解。

进一步地，所述处理设备还包括位置显示模块，所述位置显示模块用于显示所述信号处理模块求解出的所述接收机的三维坐标。

另一方面，本发明还提供了一种基于多PD接收机的可见光三维定位方法，该基于多PD接收机的可见光三维定位方法包括：

通过LED光源向定位空间中发送可见光信号；其中，所述LED光源由单个LED灯组成；

通过接收机接收LED光源发送的可见光信号；其中，所述接收机包括一个水平设置的第一光电探测器和多个相对于所述第一光电探测器倾斜设置的第二光电探测器，多个所述第二光电探测器等距分布在所述第一光电探测器的四周，并且相邻两个所述第二光电探测器的夹角相同；所述光电探测器用于将接收到的可见光信号转换为电信号，得到接收信号强度；

将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，基于所述第一光电探测器的接收信号强度和所述第二光电探测器的接收信号强度，结合内点法，求解所述接收机的三维坐标。

进一步地，各所述第二光电探测器到所述第一光电探测器的距离相等，各所述第二光电探测器相对于所述第一光电探测器的倾斜角相等，且所述第一光电探测电器及各所述第二光电探测器的边长相等；其中，所述第一光电探测器的坐标(x

其中，Δs表示第i个第二光电探测器中心到第一光电探测器中心的水平距离，α表示第i个第二光电探测器相对于第一光电探测器的倾斜角，Δh表示第i个第二光电探测器中心到第一光电探测器所在的水平面的垂直距离，l表示光电探测器的边长，β

进一步地，根据朗博辐射模型，所述第一光电探测器的接收信号强度P

第i个第二光电探测器与所述第一光电探测器的接收信号强度比RSSR

其中，P

进一步地，所述利用内点法对待求解三维坐标进行求解，包括：

构造平方和函数：

将所述平方和函数作为目标函数，并设置待求解三维坐标(x,y,z)的定义域：

由给定的目标函数定义域构造限定条件：

利用所述限定条件构造函数C(x,y,z)＝-(ln(g(x))+ln(g(y))+ln(g(z)))，并定义障碍函数B(x,y,z,r)＝F(x,y,z)+rC(x,y,z)；其中，r是一个正参数；

对障碍函数B(x,y,z,r)求梯度得到式(7)：

引入拉格朗日乘子

其中，

计算F(x,y,z)的黑塞矩阵W，以及λ的对角矩阵B：

利用牛顿迭代法得到：

其中，

选定x、y、z和r的初值，由式(8)求出λ的初值。根据设定的步长对式(11)进行迭代，当((x,y,z),λ)→((x,y,z)+αΔ(x,y,z),λ+αΔλ)至r→0时，对应的(x,y,z)的解即为最优解。

再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明针对多PD对称结构接收机的结构，将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，结合内点法，对三维位置信息进行求解，保证定位误差最优。本发明可有效获取三维位置信息，定位精度高，实现复杂度低，实用价值更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于多PD接收机的可见光三维定位系统的工作流程示意图；

图2是本发明实施例提供的基于多PD接收机的可见光三维定位系统的定位误差图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

如图1所示，本实施例提供了一种基于多光电探测器PD接收机的可见光三维定位系统，包括：LED光源、基于多PD的对称结构接收机以及处理设备；

所述LED光源位于发送平面中心，其由单个LED灯组成，用于向定位空间中发送可见光信号；所述LED光源发出的可见光信号能够覆盖一定区域的定位平面；该LED光源的位置坐标为(x

所述接收机包括一个水平设置的第一光电探测器PD

所述处理设备包括信号处理模块和位置显示模块，所述信号处理模块用于将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，基于所述第一光电探测器的接收信号强度和所述第二光电探测器的接收信号强度，结合内点法，求解所述接收机的三维坐标；所述位置显示模块用于显示所述信号处理模块求解出的所述接收机的三维坐标。

具体地，在本实施例中，所述第二光电探测器PD

其中，Δs表示第i个第二光电探测器中心到所述第一光电探测器中心的水平距离，各所述第二光电探测器到所述第一光电探测器的距离相等；α表示第i个第二光电探测器相对于所述第一光电探测器的倾斜角(α∈(0°，90°))，各所述第二光电探测器相对于所述第一光电探测器的倾斜角相等；Δh表示第i个第二光电探测器中心到所述第一光电探测器所在的水平面的垂直距离；l表示光电探测器的边长，且所述第一光电探测电器及各所述第二光电探测器的边长相等；β

根据朗博辐射模型，可得所述第一光电探测器的接收光功率P

其中，P

由式(1)、式(2)和式(3)，可得第i个第二光电探测器PD

基于上述，本实施例求解三维位置坐标的过程如下：

考虑m＝1的情况，构造如式(5)的平方和函数对三维位置坐标进行求解：

将式(5)作为目标函数，并设置待求解三维坐标(x,y,z)的定义域，即：

接下来，利用内点法对待求解三维坐标(x,y,z)进行求解，具体步骤如下：

步骤一：由给定的目标函数定义域构造如式(6)的限定条件：

利用所述限定条件构造函数C(x,y,z)＝-(ln(g(x))+ln(g(y))+ln(g(z)))，并定义障碍函数B(x,y,z,r)＝F(x,y,z)+rC(x,y,z)；其中，r是一个小的正参数，称之为惩罚因子，当r趋于0时，B(x,y,z,r)趋近于F(x,y,z)的解。

步骤二：对障碍函数B(x,y,z,r)求梯度得到式(7)：

并引入拉格朗日乘子

其中，

步骤三：计算F(x,y,z)的黑塞矩阵W，以及λ的对角矩阵B：

利用牛顿迭代法得到：

其中，

步骤四：选定x、y、z和r的初值，由式(8)求出λ的初值。确定一个合适的步长α(α∈(0,1])，并对式(11)进行迭代，当((x,y,z),λ)→((x,y,z)+αΔ(x,y,z),λ+αΔλ)至r→0时，对应的(x,y,z)的解即为最优解。

下面，以仿真实验来验证本实施例的可见光三维定位系统的定位效果；其中，在本仿真实验中，定位空间大小为1m×1m×1.5m，LED光源的坐标为(0.5,0.5,1.5)，接收机半径l为0.04m，PD

综上，本实施例的基于多光电探测器PD接收机的可见光三维定位系统将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，结合内点法，对三维位置信息进行求解，保证定位误差最优。该基于多光电探测器PD接收机的可见光三维定位系统能够有效地获取三维位置信息，定位精度高，实现复杂度低，实用价值更强。

第二实施例

本实施例提供了一种基于多光电探测器PD接收机的可见光三维定位方法，该基于多光电探测器PD接收机的可见光三维定位方法包括：

通过LED光源向定位空间中发送可见光信号；其中，所述LED光源位于发送平面中心，其由单个LED灯组成，所述LED光源发出的可见光信号能够覆盖一定区域的定位平面；该LED光源的位置坐标为(x

通过接收机接收LED光源发送的可见光信号；其中，所述接收机包括一个水平设置的第一光电探测器PD

将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，基于所述第一光电探测器的接收信号强度和所述第二光电探测器的接收信号强度，结合内点法，求解所述接收机的三维坐标。

具体地，在本实施例中，所述第二光电探测器PD

其中，Δs表示第i个第二光电探测器中心到所述第一光电探测器中心的水平距离，各所述第二光电探测器到所述第一光电探测器的距离相等；α表示第i个第二光电探测器相对于所述第一光电探测器的倾斜角(α∈(0°，90°))，各所述第二光电探测器相对于所述第一光电探测器的倾斜角相等；Δh表示第i个第二光电探测器中心到所述第一光电探测器所在的水平面的垂直距离；l表示光电探测器的边长，且所述第一光电探测电器及各所述第二光电探测器的边长相等；β

根据朗博辐射模型，可得所述第一光电探测器的接收光功率P

其中，P

由式(1)、式(2)和式(3)，可得第i个第二光电探测器PD

基于上述，本实施例求解三维位置坐标的过程如下：

构造如式(5)的平方和函数对三维位置坐标进行求解：

将式(5)作为目标函数，并设置待求解三维坐标(x,y,z)的定义域，即：

接下来，利用内点法对待求解三维坐标(x,y,z)进行求解，具体步骤如下：

步骤一：由给定的目标函数定义域构造如式(6)的限定条件：

利用所述限定条件构造函数C(x,y,z)＝-(ln(g(x))+ln(g(y))+ln(g(z)))，并定义障碍函数B(x,y,z,r)＝F(x,y,z)+rC(x,y,z)；其中，r是一个小的正参数，称之为惩罚因子，当r趋于0时，B(x,y,z,r)趋近于F(x,y,z)的解。

步骤二：对障碍函数B(x,y,z,r)求梯度得到式(7)：

并引入拉格朗日乘子g(i)λ

其中，

步骤三：计算F(x,y,z)的黑塞矩阵W，以及λ的对角矩阵B：

利用牛顿迭代法得到：

其中，

步骤四：选定x、y、z和r的初值，由式(8)求出λ的初值。确定一个合适的步长α(α∈(0,1])，并对式(11)进行迭代，当((x,y,z),λ)→((x,y,z)+αΔ(x,y,z),λ+αΔλ)至r→0时，对应的(x,y,z)的解即为最优解。

综上，本实施例的基于多光电探测器PD接收机的可见光三维定位方法将三维位置坐标的获取问题转化为最优化问题，结合内点法，对三维位置信息进行求解，保证定位误差最优。该基于多光电探测器PD接收机的可见光三维定位方法能够有效地获取三维位置信息，定位精度高，实现复杂度低，实用价值更强。

第三实施例

本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第二实施例的方法。

该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。

第四实施例

本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行第二实施例的方法。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。