阅读说明：本技术 一种基于LED半功率角的投影DV-hop定位算法 (Projection DV-hop positioning algorithm based on LED half-power angle ) 是由 张月霞 陈爽 陈行 王晓健 于 2018-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于LED半功率角的投影DV-hop定位算法。其中,所述算法为：基于非测距方式的DV-hop定位算法,待定位节点P随机位于布设有LED光源s<Sub>1</Sub>、s<Sub>2</Sub>、s<Sub>3</Sub>的可见光通信室内定位模型中,s<Sub>1</Sub>、s<Sub>2</Sub>、s<Sub>3</Sub>坐标已知,P点坐标未知,为(x,y,z)。首先,计算出P与s<Sub>1</Sub>、s<Sub>2</Sub>、s<Sub>3</Sub>的入射角值α<Sub>1p</Sub>、α<Sub>2p</Sub>、α<Sub>3p</Sub>,并根据s<Sub>1</Sub>、s<Sub>2</Sub>、s<Sub>3</Sub>已知位置计算出通信网络中的全网平均跳距AHS。然后,通过得到的α<Sub>1p</Sub>、α<Sub>2p</Sub>、α<Sub>3p</Sub>和AHS计算出s<Sub>1</Sub>、s<Sub>2</Sub>、s<Sub>3</Sub>与P点间距离的水平面映射值L<Sub>1p</Sub>、L<Sub>2p</Sub>、L<Sub>3p</Sub>。最后,利用S<Sub>1</Sub>、S<Sub>2</Sub>、S<Sub>3</Sub>投影到待定位节点P水平面上的三点(x<Sub>1</Sub>,y<Sub>1</Sub>,z)、(x<Sub>2</Sub>,y<Sub>2</Sub>,z)、(x<Sub>3</Sub>,y<Sub>3</Sub>,z)为圆心,L<Sub>1p</Sub>、L<Sub>2p</Sub>、L<Sub>3p</Sub>为半径作圆O<Sub>1</Sub>,O<Sub>2</Sub>,O<Sub>3</Sub>,再通过三边质心加权算法,求出圆O<Sub>1</Sub>,O<Sub>2</Sub>,O<Sub>3</Sub>重叠区域的质心,即得出待定位点P的坐标值(x,y,z)。(The invention provides a projection DV-hop positioning algorithm based on an LED half-power angle. Wherein the algorithm is as follows: DV-hop positioning algorithm based on non-ranging mode, wherein nodes P to be positioned are randomly distributed with LED light sources s 1 、s 2 、s 3 In the visible light communication indoor positioning model, s 1 、s 2 、s 3 The coordinates are known, and the coordinates of the point P are unknown as (x, y, z). First, P and s are calculated 1 、s 2 、s 3 Angle of incidence value alpha 1p 、α 2p 、α 3p And according to s 1 、s 2 、s 3 The known position calculates the average hop distance AHS of the whole network in the communication network. Then, by the obtained alpha 1p 、α 2p 、α 3p And AHS calculates s 1 、s 2 、s 3 Horizontal plane mapping value L of distance between P point and P point 1p 、L 2p 、L 3p . Finally, by S 1 、S 2 、S 3 Three points (x) projected onto the horizontal plane of the node P to be positioned 1 ，y 1 ，z)、(x 2 ，y 2 ，z)、(x 3 ，y 3 Z) is the center of a circle, L 1p 、L 2p 、L 3p Making a circle O for the radius 1 ，O 2 ，O 3 Then, the round O is calculated by the trilateral centroid weighting algorithm 1 ，O 2 ，O 3 And (4) obtaining the coordinate value (x, y, z) of the point P to be located by the centroid of the overlapped area.)

一种基于LED半功率角的投影DV-hop定位算法

技术领域

本发明涉及可见光通信室内定位算法，具体涉及一种基于LED半功率角的投影DV-hop 定位算法。

背景技术

目前，全球定位系统(GPS)在定位领域发挥着重要作用。但由于室内环境下难以接收 GPS卫星信号，导致GPS并不适用于室内定位。可见光通信(VLC)技术是利用白光LED承载的高频明暗闪烁信号来实现数据高速传输的一种新型绿色通信技术，基于VLC的室内定位系 统受到的多径效应的干扰少，定位精度更高。2011年，中国公布了淘汰白炽灯路线图，LED 将成为下一代照明技术，因此研究基于LED的VLC室内定位技术具有重要的意义。

目前，国内外学者均已对VLC室内定位展开研究。2008年Yoshino M等人提出一种利用 图像传感器的方法实现VLC室内三维空间定位，定位误差小于1.5m。2011年Kim H S等人提 出一种基于载波分配的VLC定位方法，将定位误差降低到6cm。国内，2015年吴楠等人提出 利用多个LED发射端实现定位的方法，该方法的定位误差可达3.5cm。同年***等人提出 一种质心加权的改进TDOA定位算法，在信噪比(SNR)为2dB条件下，平均定位误差为3cm。

现有的VLC室内定位方法在减小定位误差方面有了一定的改进，但却都是基于测距的方 式，且没有考虑到待定位点受LED半功率角的特性而造成定位精度变化的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LED半功率角的投影DV-hop定位算法。该算法利用了 非测距方式的DV-hop定位算法，将三维室内空间中待定位节点与信源节点之间的距离投影 映射到二维平面内计算，降低了算法复杂度。且该算法考虑了LED半功率角造成的定位误差 影响，精度更高。

本发明提出了一种基于LED半功率角的投影DV-hop定位算法。其中，所述算法为：基 于非测距方式的DV-hop定位算法，待定位节点P随机位于布设有LED光源S₁、S₂、S₃的可见光通信室内定位模型中，S₁、S₂、S₃坐标已知，P点坐标未知，为(x，y，z)。首先，计算出P 与S₁、S₂、S₃的入射角值α_1p、α_2p、α_3p，并根据S₁、S₂、S₃已知位置计算出通信网络中的全网 平均跳距AHS。然后，通过得到的α_1p、α_2p、α_3p和AHS计算出s₁、s₂、s₃与P点间距离的水平 面映射值L_1p、L_2p、L_3p。最后，利用S₁、S₂、S₃投影到待定位节点P水平面上的三点 (x₁，y₁，z)、(x₂，y₂，z)、(x₃，y₃，z)为圆心，L_1p、L_2p、L_3p为半径作圆o₁，o₂，o₃，再通过三边质心加 权算法，求出圆o₁，o₂，o₃重叠区域的质心，即得出待定位点P的坐标值(x，y，z)。具体步骤如下：

1)以定位空间为5m×5m×3m的房间建立可见光通信室内定位模型，LED光源 S₁、S₂、S₃布设于房顶且坐标已知，P为待定位点且坐标未知；

2)计算出P与S₁、S₂、S₃的入射角值α_1p、α_2p、α_3p，并根据S₁、S₂、S₃已知位置计算 出通信网络中的全网平均跳距AHS；

3)利用α_1p、α_2p、α_3p和AHS计算出S₁、S₂、S₃与P点间距离的水平面映射值 L_1p、L_2p、L_3p；

4)利用S₁、S₂、S₃投影到待定位节点P水平面上的三点(x₁，y₁，z)、(x₂，y₂，z)、(x₃，y₃，z)为圆心， L_1p、L_2p、L_3p为半径作圆o₁，o₂，o₃；

5)通过三边质心加权算法，求出圆o₁，o₂，o₃重叠区域的质心，即得出待定位点P的坐 标值(x，y，z)；

6)如果待定位点P位置改变，则重复进行步骤2至步骤6。

上述步骤1中，以定位空间为5m×5m×3m的房间建立可见光通信室内定位模型，LED 光源s₁、s₂、s₃布设于房顶且坐标已知，P为待定位点且坐标未知。

其中，S₁、S₂、S₃坐标已知，为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)，z₁＝z₂＝z₃＝3。P坐标 待求，设为(x，y，z)。

上述步骤2中，计算出P与S₁、S₂、S₃的入射角值α_1p、α_2p、α_3p，并根据S₁、S₂、S₃已知 位置计算出通信网络中的全网平均跳距AHS。

其中，计算入射角值α_1p、α_2p、α_3p过程为：设信源节点到待定位节点间的距离为R，则表达式为：

信源节点S_i和待定位节点P之间的入射角最小为α_{ip min}，且：

式中，d为待定位节点P至房顶平面的垂直距离，且d＝H-z。

因为

所以α_{ip min}＝π/6，因此入射角α_ip的取值范围为[π/6，π/2]。由于待定位 节点的位置存在不确定性，即实际入射角度α_ip在

之间分布，为此取平均值

作为估计的入射角度。则由式(2)得入射角估计值为：

通信网络中全网平均跳距AHS可利用已知信源节点的位置计算得出：

上述步骤3中，利用α_1p、α_2p、α_3p和AHS计算出S₁、S₂、S₃与P点间距离的水平面映射 值L_1p、L_2p、L_3p。

其中，水平面映射值计算公式为：

上述步骤4中，利用S₁、S₂、S₃投影到待定位节点P水平面上的三点(x₁，y₁，z)、(x₂，y₂，z)、(x₃，y₃，z) 为圆心，L_1p、L_2p、L_3p为半径作圆o₁，o₂，o₃。

上述步骤5中，通过三边质心加权算法，求出圆o₁，o₂，o₃重叠区域的质心，即得出待定位 点P的坐标值(x，y，z)。

其中，三边测量法计算出P坐标(x，y，z)公式为：

式(6)在理想状况下，三个圆会相交于一点，但由于实际测量误差的影响，三个圆会 两两相交而形成一个重叠区域。因此，再利用质心算法，即求出重叠区域的质心来代替待定 位点P的位置。所以圆O₁、O₂交点坐标(x_O12，y_O12，z_O12)计算公式为：

同理计算出交点(x_O13，y_O13，z_O13)、(x_O23，y_O23，z_O23)的坐标，最后再利用质心加权得出重叠区 域的质心：

即求出待定位点P的坐标(x，y，z)。

上述步骤6中，如果待定位点P位置改变，则重复进行步骤2至步骤5。

本发明技术方案的优点：本发明方法不同于一般定位方法使用的测距方式算法，而利用 了非测距方式的DV-hop算法。该算法将三维室内空间中待定位节点与信源节点之间的距离 投影映射到二维平面内，再通过三边质心加权算法，确定出待定位节点的位置坐标，降低了 算法复杂度。而且，该算法考虑了可见光通信中LED信源存在的半功率角特性造成的定位误 差影响，使其相比传统可见光室内定位算法，精度更高、合理性更强、优势性更大。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当 理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定 义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其它优点、目的和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目的和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及 附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的 详细描述，其中：

图1为可见光通信系统信道传输模型

图2为投影DV-hop VLC算法原理图

图3为该算法定位误差与次数的关系曲线图

图4为改进算法和传统DV-hop算法误差比较图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。

图1为可见光通信系统信道传输模型。信源S发出调制后的光信号为X(t)，信宿D使用 光电二极管接收到的信号为Y(t)。则：

Y(t)＝ηX(t)·h(t)+N(t) (9)

其中，η为光电传感器转换效率；N(t)为高斯白噪声；h(t)为信道冲激响应，VLC系统 信道可表示为：

式中，R为信源与信宿之间的距离；c＝3×10⁸m/s为光速；FOV表示信源的视场角；A_r为光检测器的接收面积；

和ψ分别为辐射角和接收角；T_s(ψ)为信宿的光学滤波器增益； g(ψ)表示光学聚光器的增益。m表示朗伯辐射系数，其值为

其中

指LED光源的SAHP。

LED的封装会影响其发光强度，一般将VLC系统中LED辐射模式看成服从朗伯分布，且LED发光强度与其发光角遵守余弦模型：

P(φ)＝P₀cosφ (11)

式中，P₀为LED中心发光强度。因此，当

时，发光强度变为一半，即

图2为投影DV-hop VLC算法原理图。LED光源S₁、S₂、S₃布设于房顶且坐标已知，为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)，z₁＝z₂＝z₃＝3。P为随机位于房间模型内的待定位点，坐标 未知，设为(x，y，z)。为保证最佳通信效果，假设待定位节点P处于信源节点S₁、S₂、S₃的SAHP 覆盖范围内。

图3为该算法定位误差与次数的关系曲线图。图中给出了信源个数为3时，待定位节点 的定位误差与定位次数的曲线关系。可看出定位误差随着仿真次数而呈现区间浮动的状态， 但定位误差基本都小于2.5cm，且多次出现误差小于0.5cm的情况。由此可见，所提出的改 进算法定位精度较高。

图4为改进算法和传统DV-hop算法误差比较图。图中，虚线和实线分别表示传统DV-hop 算法和改进算法。可看出，改进算法的平均定位误差小于传统DV-hop算法，即在定位精度上 相比传统DV-hop算法得到提高。且还能看出图中实线呈现下降的趋势，即改进算法的平均定 位误差随着信源节点个数的增加而减小，一方面是由于信源节点的增加，使得待定位节点处 于更多的LED SAHP覆盖范围内，因而通信效果更佳，测量误差更小；另一方面是因为信源个 数的增加导致利用三边质心加权算法计算质心时方程组内的方程个数的增多，使得计算结果 更精确。图中虚线随着信源节点的增多而呈现不规律的状态，是因为传统DV-hop算法中节点 间跳数存在随机性，信源个数的增加会引起网络内跳数、平均跳距以及定位误差的改变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人 员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这 些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动 和变型在内。