一种基于串口和光电转换器阵列的无线光定位系统
阅读说明：本技术 一种基于串口和光电转换器阵列的无线光定位系统 (Wireless optical positioning system based on serial port and photoelectric converter array ) 是由 朱秉诚 张在琛 汪磊 党建 吴亮 于 2021-01-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于串口和光电转换器阵列的无线光定位系统,包括发射端、接收端,所述发射端包括带有串口的信号处理单元、LED及其驱动电路。接收端包括多个方向增益不同的光电转换器、模数转换器组以及信号合并放大器,信号合并放大器的输出送入串口提取光基站的身份信息或坐标；模数转换器组的输出送入信号处理单元,提取光信号入射角度和接收机坐标。本发明不依赖大量高速AD,不要求信号处理单元具有高速运算能力,故成本低、易集成。引入信号合并放大器提升了身份信息提取的可靠性。(The invention discloses a wireless optical positioning system based on a serial port and a photoelectric converter array, which comprises a transmitting end and a receiving end, wherein the transmitting end comprises a signal processing unit with the serial port, an LED and a driving circuit thereof. The receiving end comprises a plurality of photoelectric converters with different directional gains, an analog-to-digital converter group and a signal combining amplifier, and the output of the signal combining amplifier is sent to the serial port to extract the identity information or the coordinates of the optical base station; the output of the analog-to-digital converter group is sent to a signal processing unit to extract the incident angle of the optical signal and the coordinates of the receiver. The invention does not depend on a large amount of high-speed AD, does not require the signal processing unit to have high-speed operation capability, and has low cost and easy integration. The introduction of the signal combination amplifier improves the reliability of identity information extraction.)
技术领域
本发明涉及一种基于串口和光电二极管阵列的无线光定位系统，属于信息技术和自动化技术的交叉领域。
背景技术
无线光频谱资源宝贵：无线光通信系统具有带宽大、保密性强、兼具照明功能、无电磁干扰等诸多优势；基于入射角度的无线光定位系统能达到厘米级精度。
现有的无线光定位系统通常基于摄像头或光电传感器阵列。对于基于摄像头的无线光定位系统，由于摄像头采样速率低，光信道容量小，其实现难点在于不同LED基站的身份识别。此外，基于摄像头的光定位系统也面临着功耗难以降低的问题。对于基于光电转换器阵列的光定位系统，通常LED基站的身份信息被携带在高速光信号当中，而每一路光电转换器都需要配备一个昂贵的高速模数转换器(Analog-to-digital,AD)来对光信号采样，然后由信号处理单元根据采样值序列识别出LED基站的身份码。当光电转换器数量很多时，AD的总成本会很高；另外，信号处理核心必须具备实时接收、处理多路AD样本的能力，而这将进一步推高系统成本。再者，由于单路光电转换器的输出信号的信噪比很低，且每路AD都引入了量化噪声，因此基于AD采样值的身份码识别误判率较高。最后，大量的高速AD和强大的处理器也不利于功耗的降低和体积的压缩。
发明内容
发明目的：为了解决基于光电转换器阵列的无线光定位系统成本过高、不易集成、身份码难提取的问题，本发明提供一种低成本的、稳定的基于串口和光电转换器阵列的无线光定位系统，本系统能够利用处理器芯片广泛采用的串口作为接收LED身份码的关键接口，因此避免了使用高速的AD转换器。另外，采用模拟电路——“信号合并放大器”将多路低信噪比的光信号进行合并，生成高信噪比的信号后再送入串口进行LED基站的身份识别，从而提高身份识别的准确性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于串口和光电转换器阵列的无线光定位系统，包括发射端、接收端，所述发射端包括带有串口的信号处理单元、LED及其驱动电路。接收端包括多个方向增益不同的光电转换器、模数转换器组以及信号合并放大器，其中：
发射端利用串口信号调制光信号，将光基站的身份信息或坐标嵌入调制光信号中，得到的调制光信号通过LED及其驱动电路发射出去。
光电转换器接收LED及其驱动电路发射的调制光信号得到光电信号向量；所述光电信号向量由信号合并放大器和接收端信号处理单元上的模数转换器组接收；信号合并放大器将光电信号向量合并后送入接收端信号处理单元的串口接收端，串口接收端将接收到的信息传送给接收端信号处理单元；所述模数转换器组将光电信号向量采样后的采样信号送入接收端信号处理单元。
所述接收端信号处理单元根据串口接收端接收的光电信号识别出当前发送信息的光定位基站或其坐标；接收端信号处理单元根据模数转换器组发送的光电信号提取出光信号入射角度，通过光信号入射角度和其对应的光定位基站或其坐标得到接收机坐标。
经过信号合并器输出的信号具有高信噪比，且电压已被放大至串口的标准电压，因此能够直接被接收机的串口接收，接收端信号处理单元根据串口接收端接收的光电信号识别出当前发送信息的光定位基站或其坐标。
识别LED身份码的过程和AD采样的过程是联合进行的。只有当LED身份码被正确识别后，接收机当前获取的AD样本才能够和某一基站的坐标匹配，用于求解自身坐标。未与基站坐标匹配的AD样本不能够反映接收机的位置信息。由于采用的AD转换器组和信号处理单元均是低成本设备，因此也不能通过AD样本求解基站的身份码。总之，孤立的信号合并放大器和AD转换器组都不能够完成身份码识别、多路光电流信号采样这两个功能。
优选的：当有两个以上的光基站时，每个基站只占用部分时隙发送自己的身份信息或坐标，其他时隙则供其他光基站发送身份信息或坐标。
优选的：信号合并放大器通过求和或者选择最大值的方法对光电信号向量进行合并，并将合并后的光电信号向量放大至接收端信号处理单元串口接收端的可接受电压范围。
优选的：所述光电转换器是能将光信号转换成微弱电信号的基本元器件。
优选的：所述光电转换器包括光电二极管、光敏电阻、光敏三极管、光电倍增管中的一种。
优选的：多个方向增益不同的光电转换器采用不同的倾角、光学参数不同的透镜、光学参数不同的光栅来实现。
本发明的工作原理为：
发射机发送的光信号直接受串口信号调控，在接收端经过电平转换可直接由接收端的串口接收，即实现基于光信号的串口透传。该光信号可嵌入LED基站的身份码或坐标，作为接收机定位算法的输入参数。
采用一组方向增益不同的光电转换器来区分入射光的角度。即当入射光线方向改变时，光电转换器生成的电信号组合会发生改变。根据光电转换器在不同方向上的增益参数，以及光电转换器的输出信号幅度，可以通过查表或几何计算得出光信号的入射角或方向向量，进而利用现有光定位算法确定接收机坐标。
信号合并放大器将每一路微弱的光信号进行合并，获得高信噪比的输出信号，从而提升串口对身份码或坐标的成功接收概率。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明通过光信道实现发射端和接收端的串口透传，在不使用昂贵的高速AD组的情况下，实现了LED基站身份码的识别或基站坐标的获取，降低了AD组和信号处理的成本，缩小了系统体积，降低了功耗。此外，采用信号合并放大器将多路低信噪比的光电信号进行合并，获得了高信噪比的信号，提升了获取身份码和基站坐标的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于串口和光电转换器阵列的无线光定位系统框图；
图2是本发明实施例提供的方向增益不同的光电转换器示意图；
图3是本发明实施例提供的定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于串口和光电转换器阵列的无线光定位系统，如图1、3所示，包括发射端、接收端，所述发射端包括带有串口的信号处理单元、LED及其驱动电路。接收端包括多个方向增益不同的光电转换器、模数转换器组(Analog-to-digital,AD组)以及信号合并放大器，其中：
发射端利用串口信号调制光信号，将光基站的身份信息或坐标嵌入调制光信号中，得到的调制光信号通过LED及其驱动电路发射出去。发射端信号处理单元通过串口调制光信号，将基站的身份信息或坐标通过光信道发送至接收端。常见的带串口的信号处理单元为单片机(例如Atmega328P、8051、STM3)或大规模可编程阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)。
光电转换器接收LED及其驱动电路发射的调制光信号得到光电信号向量。所述光电信号向量由信号合并放大器和接收端信号处理单元上的模数转换器组接收。经过信号合并器输出的信号具有高信噪比，且电压已被放大至串口的标准电压，因此能够直接被接收机的串口接收，因此LED基站的身份码能够被直接获取。所述模数转换器组将光电信号向量采样后送入接收端信号处理单元。接收端信号处理单元根据模数转换器组发送的光电信号提取出光信号入射角度，通过光信号入射角度和其对应的光定位基站或其坐标得到接收机坐标。值得强调的是，在正确接收LED基站身份码后，后续一段时间内的AD采样值默认均是当前LED基站的信号采样值，因此LED基站身份码的识别和AD采样的过程是一种联合过程，必须相辅相成。
所述光电转换器是能将光信号转换成微弱电信号的基本元器件。包括光电二极管、光敏电阻、光敏三极管、光电倍增管中的一种。多个方向增益不同的光电转换器采用不同的倾角、光学参数不同的透镜、光学参数不同的光栅来实现。通过多个方向增益不同的光电转换器对光信号进行接收，生成光电信号向量。该光电信号向量送入信号处理单元的低速AD组，同时与信号合并放大器连接。低速AD组是主流单片机的常见设备，Atmega328P和STM32均配有AD组。信号合并放大器可通过运算放大器实现，例如采用模拟加法器电路即可实现。如图2所示，光电转换器组输出电压值正比于感光面上的光通量，即光电信号向量。AD组的输入是低信噪比的光电信号向量，其样本的幅度反映了特定方向上收到的光信号能量。例如，假如接收机上有3个光电转换器，其法向量方向分别为(-0.4082,0.7071,0.5774)T，(-0.4082,-0.7071,0.5774)T，(0.8165,-0.0000,0.5774)T，单个光电转换器的方向增益为
g＝cosθ
其中θ为入射光和光电转换器法线方向的夹角。假设当前三个AD的样本值分别为(115,115,781)T，则可通过“B.Zhu,Z.Zhu,Y.Wang and J.Cheng,"Optimal OpticalOmnidirectional Angle-of-Arrival Estimator With Complementary Photodiodes,"inJournal of Lightwave Technology,vol.37,no.13,pp.2932-2945,1July1,2019”中的方法计算出入射光方向为(0.68,0,0.73)T。
假设接收机在z＝0平面上运动，则可通过“B.Zhu,Z.Zhu,Y.Wang and J.Cheng,"Optimal Optical Omnidirectional Angle-of-Arrival Estimator With ComplementaryPhotodiodes,"in Journal of Lightwave Technology,vol.37,no.13,pp.2932-2945,1July1,2019”中的定位方法得到接收机坐标为(-2.79,0,0)T。除此之外，在测量到入射光方向以后，也可以采用其他已有的角度定位算法来计算接收机坐标。
信号合并放大器将光电信号向量合并后送入接收端信号处理单元的串口接收端，接收端信号处理单元根据串口接收端接收的光电信号识别出当前发送信息的光定位基站或其坐标。信号合并放大器通过求和或者选择最大值的方法对光电信号向量进行合并，并将合并后的光电信号向量放大至接收端信号处理单元串口接收端的可接受电压范围。信号合并放大器的输出是高信噪比的光电信号，经过电平转换后可直接通入信号处理单元的串口，由内置的串口处理硬件提取LED身份码或坐标存入串口缓存，最后存入信号处理单元。例如，当前发送信号的LED的身份码可能为“123”，坐标为(0,0,3)。
当有两个以上的光基站时，每个基站只占用少量时隙发送自己的身份信息或坐标，其他时隙则供其他光基站发送身份信息或坐标。
本发明通过信号合并放大器的输出送入串口提取光基站的身份信息或坐标；AD组的输出送入信号处理单元，通过定位算法提取光信号入射角度和接收机坐标，该系统不依赖大量高速AD，不要求信号处理单元具有高速运算能力，故成本低、易集成。引入信号合并放大器提升了身份信息提取的可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，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。
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