1.一种基于LED照明的室内定位导航方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)对室内LED照明系统中的各LED灯进行编码,设置与各LED灯相对应的ID编码,ID编码由位置编码和识别码构成,其中位置编码为M位二进制字符串,位置编码与对应LED灯所在的三维空间坐标(xi,yi,zi)相对应,识别码为N位二进制字符串,识别码中“1”表示亮,对应的LED灯发射功率为P1,“0”表示暗,对应发射功率为P2,P1:P2=10:6~10:9,各ID编码的识别码中“0”的个数相同,i、N和M均为正整数;
(2)将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中,形成数据光信号;
(3)接收端接收各LED灯的数据光信号,根据公式①计算接收的数据光信号所对应LED灯的功率Pri,公式①为: ①
其中,α为设定的接收端内部接收电路的矫正系数,Vi为接收端测得的对应LED灯的光电流转换电压,R是接收端内部接收电路的输出电阻,G是接收端内部接收电路的增益,是设定的接收端的光电响应度;
(4)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算垂直距离 根据公式②计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算空间距离 公式②为: ②
其中,m是LED灯的朗伯系数,ψ是LED灯入射光与探测器的角度,A是接收端光接收
2 2
面的物理探测面积,A=5mm~15mm ,Ts(ψ)是接收端的传播系数,Ts(ψ)=0~1,g(ψ)是接收端的电学增益,g(ψ)=1~10,Pt为设定的LED灯的发射功率, 为接收端的估算高度,(5)计算接收的数据光信号所对应LED灯与接收端的估算水平距离 计算公式为(6)进行初步位置估算:a、当接收端接收到3个不在同一直线上的LED灯或4个以上LED灯的数据光信号时,选择接收的数据光信号功率强度最大的k个LED灯,k≥3,根据三角定位法计算初始三维坐标 初始三维坐标中 为步骤(4)中确定的接收端的估算高度,计算公式为:
其中:
b、当接收端仅接收到3个共线的LED灯的数据光信号时,通过公式计算初始三维坐标 其中Xa和Ya为方程组
①的解,Xb和Yb为方程组②的解,x2和y2分别为位于中间的LED灯的横坐标和纵坐标,方程组①和方程组②分别为: ①,
②;
c、当接收端仅接收到2个LED灯的数据光信号时,计算初始三维坐标 其中 和 为方程组③的解,方程组③为:
③;
d、当接收端仅接收到1个LED灯的数据光信号时,则初始三维坐标其中xi和yi分别为该LED灯的横坐标和纵坐标;
(7)对初始三维坐标 进行非线性拟合修正,得到修正坐标使用置信域方法对修正坐标(X,Y,Z)的坐标值进行修正迭代,直到非线性拟合算子 收敛,此时的修正坐标(X,Y,Z)即为定位坐标 非线性拟合算子 的计算公式为:其中 f、g和h均为随机整数,l为
迭代次数,△为设定的增量;
(8)将定位坐标 发送至用户,配合对应的室内地图进行导航。
2.根据权利要求1所述的基于LED照明的定位导航方法,其特征在于:步骤(2)中将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号的具体内容为,设计由帧头和定位时段组成的定位数据帧,其中帧头确定所发送的定位时段,定位时段等分为2个以上时隙,分别记作时隙1、时隙2……,定位时段标志对应LED灯发光的时隙,各LED灯按照与其对应的时隙发光照明。
3.一种用于权利要求1所述方法的室内定位导航装置,至少包括发射端和接收端,其特征在于:所述发射端包括依次电性连接的控制器A、驱动电路和LED灯阵列,所述驱动电路包括2个以上驱动芯片,所述LED灯阵列由2个以上呈矩形网格排布的LED灯构成,LED灯阵列中各LED灯分别由各驱动芯片驱动动作;所述接收端包括光电接收电路、信号调理电路、控制器B和用户界面,光电接收电路和信号调理电路连接控制器B的输入端,用户界面连接控制器B的输出端。
4.根据权利要求3所述的室内定位导航装置,其特征在于:驱动芯片由MOS管构成,驱动芯片的开关频率不小于1MHz。
5.根据权利要求3所述的室内定位导航装置,其特征在于:LED灯阵列中相邻两个LED灯间隔1m~2m。
6.根据权利要求3所述的室内定位导航装置,其特征在于:所述光电接收电路为PIN光电二极管。
7.根据权利要求3所述的室内定位导航装置,其特征在于:所述信号调理电路由低噪声放大电路和低通滤波电路构成。
8.根据权利要求3所述的室内定位导航装置,其特征在于:所述控制器A为支持IEEE1588硬件时间同步协议的高速以太网单片机,控制器B为内部带有A/D转换电路和译码电路的单片机。
9.根据权利要求3所述的室内定位导航装置,其特征在于:所述接收端封装于可穿戴物品或固定夹上。