一种利用镜面反射解决室内可见光定位遮挡问题的方法与流程

1.本发明属于可见光通信技术领域，具体的说是一种利用镜面反射解决室内可见光定位遮挡问题的方法。


背景技术：

2.与传统的室内可见光定位技术只考虑了漫反射模式的方法不同，该技术是建立在将漫反射和镜面反射结合的基础上，提出的定位计算方法；之所以采取这种方法，原因一，在实际场景中，经常会装饰一面镜子以达到视觉效果的开阔和明亮，这是从实际场景出发的。原因二：镜面反射能够有效的削弱多径效应的干扰，减少光功率的损耗，引入镜面的系统通信性能会得到提升。原因三，引入镜面反射不仅简化了光功率的计算，而且为接收端提供功了更多有效的定位信息，提高了定位性能。原因四，在传统模型中，链路若因碍物的遮挡，接收端无法接收到灯的直射分量的信息，那么定位精度将会骤降，而在引入镜面的室内可见光模型中，镜面反射能有效地规避障碍物的遮挡，并且其为接收端提供的功率分量是一个有效的定位数值。
3.由于对于室内位置信息需求的增长，定位技术也不断发展。常见的室内可见光定位算法包括toa(time of arrival)、tdoa(time difference of arrival)、aoa(angle of arrival)、rssi(received signal strength indication)。目前衡量定位性能的指标有：定位精度、复杂度、扩展性、设备成本。由于rssi定位算法实现简单，灵活可扩展，硬件设备要求不高，所以该定位算法在现阶段研究较多的定位算法。其算法的基本原理是利用接收端的接收值转换成发送端与接收端之间的距离的量，从而实现接收端位置的估计。基于可见光的室内通信系统，其定位性能会受到很多因素的影响，例如环境背景光噪声，障碍物，多径反射等。为削减背景光噪声对定位性能的影响，学者提出利用卡尔曼滤波方法在接收端对有效信息尽可能还原。卡尔曼滤波方法是1960年美国学者kalman和bucy提出的，其基本思想是估计上一时刻的状态值，将此值带入当前时刻测量值，更新指定状态的估计值，最终得到当前时刻的估计值。研究学者发现只要系统满足线性微分的特性，而且噪声是高斯白噪声，那么利用卡尔曼滤波法是最佳的方案。针对障碍物对定位性能的干扰，研究人员提出利用一种自适应修正的方案，利用未被遮挡的信息对接收机进行初步定位，再利用该初步定位的位置和发送端的参数对被遮挡的信道信息进行还原，再对接收端进行定位。针对多径反射的影响，学者又提出了强信号选择与质心加权相结合的定位算法。
4.申请公布号cn108802679a公开了一种用于室内定位的可见光定位系统，仅仅是使用大功率的led灯具来提高定位系统的定位精度，无法解决因障碍物遮挡导致的定位精度不高的问题。
5.先前关于室内可见光的定位性能的研究大多建立在漫反射基础上，虽然算法简单，但是在该模型下，光线无规律的向四面八方传播，造成了光功率的大量损耗，且在漫反射的功率分量对于定位而言是干扰分量，定位性能的提升也因此受限。并且传统模型下，一旦直射链路受到了遮挡，想要恢复有用信号用于定位是比较困难的。虽然后来可以借助对
定位算法的改进，但是并没有提出含镜面反射的室内可见光系统的定位计算方法。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种用于含有障碍物遮挡的室内可见光模型中的定位方法。
7.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
8.本发明是一种利用镜面反射解决室内可见光定位遮挡问题的方法，具体包含如下步骤：
9.步骤1，将三个led灯矩阵抽象成点光源t1，t2，t3，并设定房间及接收机的参数；
10.步骤2，做出t1，t2，t3的镜像，t1、t2、t3分别向镜面作垂线，延长对应垂线使得延长线长度等于t1、t2、t3到垂点的距离，从而得到t1、t2、t3的镜像t11、t21、t31的坐标；
11.步骤3，将实灯和其镜像光源设置为一灯组，则有(t1,t11,t12,t13,t14)，(t2,t21,t22,t23,t24)，(t3,t31,t32,t33,t34)，不同频率的载波f1，f2，f3调制每个灯组中实灯的位置坐标，根据镜面反射原理得出对应镜像光源的坐标；
12.步骤4，判断实灯和其虚灯到接收机之间的直射链路是否受到障碍物的阻断，确定各灯组的通断模式；
13.步骤5，根据灯组的通断模式，对应不同的流程进行定位工作；
14.步骤6，获取定位结果和虚灯之间的连线，与镜面的交点位置，此位置即一个镜面反射点，最终让接收机遍历所有接收平面上的待测位置，重复步骤二到五进行定位工作，得到所有的镜面反射点，最终镜面尺寸可调整可囊括所有镜面反射点的一个具体尺寸。
15.本发明的进一步改进在于：步骤1中，所述参数包括房间的长宽高，初始镜面的大小和位置，墙面和镜面的反射率，房间内物件的位置和大小。
16.本发明的进一步改进在于：分别为左、右、前、后墙编号为1，2，3，4，步骤3中，t1、t2、t3是真实的点光源，t11、t21、t31是墙1的镜子产生的实灯的镜像光源、t12、t22、t32、是墙2的镜子产生的实灯的镜像光源，t13、t23、t33是墙3的镜子产生的实灯的镜像光源，t14、t24、t34是墙4的镜子产生的实灯的镜像光源。
17.本发明的进一步改进在于：步骤4中通断模式是用来判断实光源和镜像光源是否能够直射到达接收端的，通断模式表达为(a,b,c,d,e),其中a的取值表示实光源到接收端的直射路径通断与否，b、c、d、e的取值分别表示镜像光源1，2，3，4到接收端的直射路径通断与否，a、b、c、d、e均取值0或1，0表示无法直射传输信号，1表示直射传输信号，若镜像光源不存在，通断模式的对应位置缺省表达。
18.本发明的进一步改进在于：步骤5中定位工作如：
[0019][0020]
其中，i为灯组的序号，故i取值为1、2、3，室内可见光定位的实现需要三个led作为信标，故最终的定位结果是由上述定位工作过程中联立的方程组的求解；
[0021]
h表示光源与接收机之的垂直高度，ts表示光学滤波器的增益，g是光聚能的增益。pri是接收机接收的来自灯组i的功率，pti是led光源ti的发送功率；
[0022][0023]di
是ti：(xi，yi，xi)到接收机r：(x,y,z)的距离；
[0024][0025]
dim是ti灯的第m号墙对应的虚灯t
im
：(x
im
，y
im
，z
im
)到接收机r的距离,m取值为1至4。
[0026]
本发明的进一步改进在于：由定位工作过程中联立的方程组为：
[0027][0028]
本发明的有益效果是：1、本发明建立在漫反射和镜面反射的混合反射模式的基础上，给出了定位功能的计算方法，一方面弥补了传统信道仿真过程中考虑不周全，计算繁琐的弊端，并利用镜面反射的特性，提高了室内定位的性能；
[0029]
1、本发明建立了带镜面反射的室内可见光系统模型，由于跟漫反射比起来，镜面反射路线只有一条，这能更好的集聚光功率，并且镜面反射的路径载荷了有效的定位参量，所以本发明能够有效提高定位的性能；
[0030]
3、本发明中引入镜面反射考虑定位功能，能够有效的解决当直射链路受到障碍物遮挡时定位精度的骤降的问题。对比于传统漫反射下一旦直射路径被阻断，则无法提供有效定位参量的弊端，镜面反射链路能够有效规避障碍物，提供可用于定位的参量。
附图说明
[0031]
图1是引入镜面的房间模型图。
[0032]
图2是镜面反射的绕障碍物功能图。
[0033]
图3是初始房间的定位流程图。
[0034]
图4是引入新镜面的绕障碍物功能增强图。
具体实施方式
[0035]
以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。
[0036]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0037]
本发明是一种利用镜面反射解决室内可见光定位遮挡问题的方法，具体包含如下步骤：
[0038]
步骤1，将三个led灯矩阵抽象成点光源t1，t2，t3，并设定房间及接收机的参数；其中，设定墙壁的反射率和天花板的反射率为0.8，地面的发射率为0.3，镜面的反射率为0.9；
[0039]
步骤2，做出t1，t2，t3的镜像，t1、t2、t3分别向镜面作垂线，延长对应垂线使得延长线长度等于t1、t2、t3到垂点的距离，从而得到t1、t2、t3的镜像t11、t21、t31的坐标；
[0040]
步骤3，将实灯和其镜像光源设置为一灯组，则有灯组1(t1,t11,t12,t13,t14)，灯
组2(t2,t21,t22,t23,t24)，灯组3(t3,t31,t32,t33,t34)，采用不同频率的载波f1，f2，f3调制不同灯组的led发射各自的位置坐标；
[0041]
步骤4，判断实灯和其虚灯到接收机之间的直射链路是否受到障碍物的阻断，确定各灯组的通断模式；
[0042]
步骤5，根据灯组的通断模式，对应不同的流程进行定位工作；
[0043]
步骤6，改变接收机的位置，重复步骤二到五，获取定位结果以及新增镜面的位置大小信息。
[0044]
在房间中出现障碍物时，在没有引入墙面的房间里，由于可用于定位的功率只有直射功率，一旦直射链路被障碍物阻塞，定位工作无法进行，而这里引入镜面反射的定位，是为定位功率提供了更多的备选参量，当直射功率不可达时，其他的镜面反射可以成为定位的补给。
[0045]
步骤1中，所述参数包括房间的长宽高，初始镜面的大小和位置，墙面和镜面的反射率，房间内物件的位置和大小。
[0046]
分别为左、右、前、后墙编号为1，2，3，4，步骤3中，t1、t2、t3是真实的点光源，t11、t21、t31是墙1的镜子产生的实灯的镜像光源、t12、t22、t32、是墙2的镜子产生的实灯的镜像光源，t13、t23、t33是墙3的镜子产生的实灯的镜像光源，t14、t24、t34是墙4的镜子产生的实灯的镜像光源。以灯组(t1,t11,t12,t13,t14)为例说明，t1是真实的点光源，t11是墙1的镜子产生的实灯的镜像光源，t12,t13,t14同理。若一墙面没有贴镜子，则该灯组对应墙面下的镜像灯缺省表示，例如若只有1，3墙面贴了镜子，那么t1的灯组表达形式为(t1,t11,:::,t13,:::)。
[0047]
步骤2做光源的镜像灯位置，那么光源到镜面到接收端的链路就等价位镜像灯到接收机反射的链路，引入镜像灯不仅对镜面反射的光线进行简化，而且在仿真计算上也大大减少计算量。不同于漫反射的反射光线可以向各个方向进行传播，镜面反射的路线只有一条，并且根据反射原理，一旦模型确定，其镜面反射的方向也是确定的。在传统模型里考虑定位算法，其有效分量只由直射路线提供的，而所有的反射路线的成分都是定位误差的因素。本发明引入镜面反射考虑定位的计算方法，是因为镜面反射不仅不是定位功能的干扰因素，而且载荷了有效的定位信息。一方面削弱了漫反射对定位性能的干扰，另一方面也增强了定位功能的健壮性。由于传统模型下的定位功能过于依赖直射链路，一旦链路受到障碍物的部分阻挡，就无法提供有效的定位参量。
[0048]
步骤4中通断模式是用来判断实光源和镜像光源是否能够直射到达接收端的，通断模式表达为(a,b,c,d,e),外每个灯组都对应了一个通断模式(a,b,c,d,e),其中a的取值表示实光源到接收端的直射路径通断与否，b、c、d、e的取值分别表示镜像光源1，2，3，4到接收端的直射路径通断与否，a、b、c、d、e均取值0或1，0表示无法直射传输信号，1表示直射传输信号，若镜像光源不存在，通断模式的对应位置缺省表达。例如若只有2，4墙面体贴了镜子，则通断模式表达为(a,：：：,c,：：：,d)。当房间中存在障碍物遮挡时，通断模式不是全1的情况，定位工作需要排除通断值取0的光源，而是利用值取1的那些光源进行定位。不同的通断模式的有效定位参量不同，对应着不同的定位算法。
[0049]
当灯组到接收端的链路没有障碍物遮挡时，镜面反射对于定位起着增强功能；当灯组的实灯到接收端的链路受到障碍物的遮挡时，镜面反射对于定位起着补给功能；当灯
组到接收端的链路受到障碍物的遮挡时，需要在其他墙面引入新的镜面，探究新镜面反射链路的绕障碍物的定位补给功能。
[0050]
步骤5中定位工作如：
[0051][0052]
上述定位工作过程中联立的方程组为：
[0053]
定位结果由该方程组求解得到；
[0054]
其中，i为灯组的序号，故i取值为1、2、3，室内可见光定位的实现需要三个led作为信标；
[0055]
h表示光源与接收机之的垂直高度，ts表示光学滤波器的增益，g是光聚能的增益。pri是接收机接收的来自灯组i的功率，pti是led光源ti的发送功率；
[0056][0057]di
是ti：(xi，yi，xi)到接收机r：(x,y,z)的距离；
[0058][0059]
dim是ti灯的第m号墙对应的虚灯t
im
：(x
im
，y
im
，z
im
)到接收机r的距离,m取值为1至4。
[0060]
结合图3，对初始房间里的定位算法进行说明。若房间只有墙1贴了镜子，由于只有墙1会产生镜像光源，所以三灯组表达为(t1,t11,:::,:::,:::)，(t2,t21,:::,:::,:::)(t3,t31,:::,:::,:::)，可简写为(t1,t11)，(t2,t21)，(t3,t31)，此时的通断模式可缺省表达为(a，b)；故(a，b)可能取值为(1，1)，(0，1)，(1，0)，(0，0)。
[0061]
这里默认三灯组中两灯组固定为(1，1)模式，另一个灯组的通断模式不定。当不定灯组是(1，1)模式时，利用接收机接收的三个灯组的光功率进行定位，即：
[0062]
针对三灯组均是(1，1)模式下的定位计算，此时用于定位的数值是接收机接收的三个灯组的功率。针对三灯组(1，1)模式的定位工作过程中联立的方程组如下：
[0063][0064]
以方程组第一个式子为例，pr1是接收机接收的灯组1的功率，pt1是t1的发送功率；
[0065][0066]
d1是t1:(x1,y1,z1)到r：(x,y,z)的距离；
[0067][0068]
其中d11是t11:(x1,-y1,z1)到r的距离。
[0069]
两灯组是(1，1)模式，一灯组是(1，0)模式，即其中一灯组的实灯可以直射到达接收端，但其镜面反射的链路受到障碍物的遮挡，此时利用两正常传输灯组的光功率，以及(1，0)灯组的实灯传输光功率对终端进行初步定位，根据定位结果选择在其他墙面的具体位置新增一定尺寸的镜面，从而引入新的可绕障碍物的镜面反射路径。再在引入新镜面的房间重新进行定位的工作。
[0070]
针对两灯组是(1，1)模式，一灯组是(0，1)模式，即其中一灯组的实灯无法直射到达接收端，但对应镜像灯可以直射到达接收端。此时利用接收机接收的这一条仅由镜面反射提供的光功率，以及其他两正常传输灯组的光功率，对终端进行定位。针对两灯组是(1，1)模式，一灯组是(0，0)模式，即(0，0)模式下灯组的实灯和镜像灯都无法直射到达接收端。此时只有两灯组能执行定位工作，具体定位流程为，首先对灯组进行分离，得到两个实灯和两个镜像灯，再利用接收端对这四个灯的接收光功率对接收端位置进行初步定位。当不定灯组是(0，1)或(0，0)时，此时镜面反射链路受到障碍物遮挡，需要根据初步定位结果得到接收端位置以及障碍物位置，设计在未贴镜子的某一面墙的具体位置贴上一定尺寸的镜面，引入可以规避障碍物直射到达接收端的新的镜像光源。再在引入新镜面的房间重新进行定位的工作。如图4所示，在初始房间里，t1及其镜像灯t11均无法直射到达接收端，此时对可用于定位的两灯组进行实灯和镜像灯的分离，利用四灯对接收机初步定位，再由初步定位的结果选择新引入镜面的位置大小信息，目的是引入了可以直射到达接收端的镜面反射链路。最终在引入新镜面的房间内进行重新定位。
[0071]
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。