CN101358846A - 使用可见光通信确定移动物体位置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过利用可见光通信系统确定汽车(1)的当前位置的设备。该设备使用可见光通信信标和由摄像机拍摄的图像表示的视频数据。该信标发射可见光信号(310)，从而产生位置数据。该可见光通信信标包括道路照明灯(30)和可见光通信设备(31)，都被提供给灯杆(3)。该汽车(1)具有一个摄像机和一个汽车位置确定确定设备(10)。该汽车位置确定确定设备(10)解调可见光信号(310)，从而恢复位置信号，并且根据位置数据计算汽车(1)的当前位置。

Description

使用可见光通信确定移动物体位置的方法和装置
背景技术
本发明总体涉及一种利用可见光通信的位置确定系统。更具体的，本发明涉及一种确定诸如车辆等移动物体位置的位置确定系统。
近年来，利用全球定位系统(GPS)的位置确定系统已经被广泛运用到确定车辆位置的系统中，一个代表性的例子就是汽车。每一个这种类型的位置确定系统被结合到例如汽车导航装置中。
最近，利用可见光通信系统的位置确定系统已经被提出来作为高精度的位置确定系统。可见光通信系统利用可见光信号，并可以传输调制了位置确定功能所必须的位置数据的可见光信号。(参见，例如，公开号为2007-81703的日本专利申请)。
在此类位置确定系统中应用的可见光信号，可以跟安装在汽车上的多个视频摄像机产生的立体视频数据联合使用。这使得能够确定例如行驶在公路上的汽车的当前位置。
但是，任何使用了多个安装在汽车上的摄像机的系统，造价都很昂贵，不仅仅是由于使用了摄像机，更是由于使用了进行复杂信号处理的装置，诸如处理立体视频信号。因此，这种类型的位置确定系统很难被投入到实际应用中。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以容易地投入实际应用的、利通可见光通信的位置确定系统。
对于本发明的一个方面，提供了一种位置确定系统，其使用可见光通信信标和单镜头摄像装置。此信标以可见光信号的形式发射位置数据。此单镜头摄像装置拥有摄像机并且产生代表摄像机拍摄到画面的视频数据。
根据本发明这一方面的位置确定系统包括：传输单元，固定在固定位置，传输调制了包含高度数据的位置数据的可见光信号；单镜头摄像单元，设置在移动物体上并且拍摄传输单元；数据获取单元，设置在移动物体上，接收可见光信号并从可见光信号中获得位置数据；和确定单元，设置在移动物体上，利用单镜头摄像单元产生的视频数据，由此确定移动物体的位置。
附图说明
所附图作为本发明的一部分，描绘了本发明的实施例，同前面给出的发明概述和后面将要给出的实施例具体解释说明一起，解释了本发明的原理。
附图1示出了根据本发明的实施例的位置确定系统的主要部件；
附图2示出了根据本发明的实施例的可见光通信装置的结构图；
附图3示出了根据本发明的实施例的车辆位置确定装置的结构图；
附图4示出了根据本发明的实施例的位置确定操作，并且示出了一辆行驶中的车辆跟可见光通信信标之间的位置关系；
附图5示出了根据本发明的实施例的系统执行的用于确定车辆位置的计算操作流程；
附图6示出了根据本发明的实施例的系统如何为了确定车辆位置而修正位置数据；以及
附图7是根据本发明的实施例的系统执行的步骤序列图。
具体实施例
下面结合相关的附图，描述本发明的实施例。
(本发明的配置)
附图1示出了根据本发明的实施例的位置确定系统的主要部件。
该实施例是一个利用了可见光通信系统来确定汽车1(后文称为车辆)当前位置的系统。该系统的主要部件有：灯杆3和位置确定装置10。灯杆3位于车辆1行驶的道路2一旁。位置确定装置10(后文叫做车辆位置确定装置)安装在车辆1上。
灯杆3具有道路照明灯30和可见光通信设备31。灯30照亮道路2。灯30有发光二极管(后文称为LED)，发射照明光300。因此，灯30作为可见光通信信标，后面将详细介绍。
可见光通信设备31驱动并控制道路照明灯30内的LED，并且组成可见光通信信标。信标发射包含位置数据的可见光信号310。在后文，由固定位置的灯杆3、道路照明灯30和可见光通信装置31组成的设备将被称为“可见光通信信标”。
车辆位置确定装置10接收从可见光通信信标发射的可见光信号。可见光信号被解调从而提供位置数据。通过这些位置数据，车辆位置确定装置10可以确定出车辆1当前所处的位置。位置数据包括坐标数据(经度和纬度)和高度数据。坐标数据表征被固定位置的可见光通信信标的位置。高度数据表征从道路2到道路照明灯30的距离。(换句话说，高度数据表征可见光通信信标的高度“H”。)
(可见光通信装置的配置)
附图2描绘了根据本实施例的可见光通信设备31的结构示意图。
如附图2所示，可见光通信设备31被固定到灯杆3上，位于道路照明灯30附近。设备31拥有电源供应33，LED驱动装置34，通信控制装置35，以及存储装置36。LED驱动装置34驱动道路照明灯30内的发光元件LED32。通信控制装置35控制LED驱动装置34，最终重复开启和关闭LED32。如此驱动，LED32传输调制了位置数据的可见光信号310，位置数据存储在存储装置36中。位置数据包含前文所述的高度数据和坐标数据，表征固定位置的可见光通信信标的位置信息。
可见光通信信标的位置信息被事先存储到存储装置36中，或者通过无线电传输并存储到存储装置36中。可见光通信设备31调制位置数据到LED32发射的可见光上，产生可见光信号(可见光信标信号)310。可见光可以从现有的多种调制方式中选择合适的调试方式，比如开关控制或者RGB调制方式来进行调制。
(位置确定装置的配置)
附图3描绘了根据本实施例的车辆位置确定装置10的结构意图。
车辆1不仅具有车辆位置确定设备10，还包含车载测量装置16和车载视频摄像机19(后文称作摄像机)。如附图3所示，车载测量装置16包括光接收单元15，方位检测器17，和距离探测器18。光接收单元15接收可见光。
光接收单元15是光电二极管元件(PD)，接收可见光信号并将它转换成电信号，提供给车辆位置确定设备10。方位检测器17和距离探测器18被连接到车辆位置确定设备10。方位检测器17检测车辆1的方位并且产生方位信号，距离探测器18确定车辆1已经行驶的距离并产生距离信号。方位信号和距离信号输出给车辆位置确定设备10。摄像机19是单镜头摄像装置，并且产生表示拍摄到的任何图像的视频数据。视频数据输出给车辆位置确定设备10。
车辆位置确定设备10包括数据处理单元11，视频数据处理单元12，可见光通信单元13，和车载设备界面14。数据处理单元11进行操作以便确定车辆1的位置，后文将详细描述。视频数据处理单元12处理从摄像机19传来的视频数据，产生视频数据。这个视频数据传送给数据处理单元11，用于计算可见光通信信标的高度。数据处理单元11和视频数据处理单元12由微处理器或者计算机软件构成。
可见光通信单元13解调光接收单元15接收到的可见光信号(电信号)，从而恢复位置数据。恢复的位置数据被传送给数据处理单元11。同时，车载设备界面14分别从方位检测器17接收方位信号，从距离探测器18接收到距离信号，并且把这些信号传输给数据处理单元11。
(位置确定系统的操作)
下面将要参考附图4到附图7介绍根据本实施例的位置确定系统如何工作。
首先，参考附图4附图7的流程图，给出系统的操作的简要概述。
根据本实施例的位置确定系统设计为确定位置P2(第二位置)，车辆1假设目前在P1(第一位置)在道路上行驶之后到达P2。
道路由道路照明灯30上LED32发出的光照亮。道路照明灯30从各个方向发射可见光信号200到道路上。信号200是可见光通信信标，每一个都固定在指定位置并且包含位置数据。
车辆1在第一位置P1，光接收单元15接收可见光通信信标发射的可见光信号200(步骤S1)。在车辆位置确定设备10，可见光通信单元13接收从光接收单元15得到的可见光信号200，并且解调信号200(电信号)，恢复位置数据。位置数据被传输给数据处理单元11。
当车辆1位于位置P1，摄像机19拍摄道路照明灯30，灯杆3支撑照明灯30，同时光接收单元15接收可见光信号200(步骤S1)。在车辆位置确定设备10内，视频数据处理单元12接收摄像机19拍摄的图像100。单元12处理图像100，产生视频数据。视频数据传输给数据处理单元11，因此可见光通信信标的高度(H)可以被计算出来。
当车辆1从位置P1行驶到位置P2，光接收单元15接收从可见光通信信标发射的可见光信号200。于此同时，摄像机19拍摄可见光通信信标(步骤S2)。这样，在车辆位置确定设备10内，可见光通信单元13解调可见光信号200，恢复位置数据。然后，恢复的位置数据传输给数据处理单元11。
数据处理单元11拥有内部存储器，分别保存车辆1在此时位于位置P1和P2的位置数据。视频数据处理单元12接收摄像机19拍摄的图像100，产生视频数据。视频数据传输给数据处理单元11。
在车辆位置确定设备10内，距离探测器18确定车辆1从位置P1行驶到位置P2的距离Lo，并且产生距离信号。这个距离信号被传送给车辆位置确定设备10内的数据处理单元11。在数据处理单元11中，表示距离Lo的数据被存储到内部存储器中。
在车辆位置确定设备10内，数据处理单元11合成视频数据处理单元12分别从位置P1和P2获得的两个视频数据项，产生合成视频数据。使用合成视频数据，位置数据和表示距离Lo的数据(车辆1行驶的距离)，数据处理单元11计算从车辆1的位置(P2)到可见光通信信标的距离Lx，并且计算位置P2的坐标(步骤S3)。
在车辆位置确定设备10内，数据处理单元11进一步接收方位检测器17在位置P2探测的表示方位角度的数据，这些数据由车载测量装置16获得，通过车载设备界面14传送。基于这个方位角度数据，数据处理单元11修正位置P2的坐标，从而计算车辆1当前位置(步骤S4)。
根据本实施例的车辆位置确定设备10执行确定车辆1的位置从而计算车辆位置的流程，将结合附图5和附图6进一步详细解释。
首先，解释设备10如何计算位置P2和可见光通信信标之间的距离Lx，假设车辆1已经在道路上从位置P1行驶到位置P2。在这里，为了简便起见，可将光通信信标的位置700这样定义，从道路照明灯30和道路表面跟灯30垂直延伸线交点之间的距离。
在车辆位置确定设备10内，数据处理单元11计算灯杆3的高度h，视频数据处理单元12在位置P1和P2产生的两个视频数据400和500，合成起来获得合成图像600，测量图像600便可获得h。如图5所示，高度h是高度hb和ha的差，ha是摄像机19在位置P1的高度，hb是以角度α拍摄道路照明灯30的线与在位置P2垂直线交点的高度。
在本实施例中满足以下的关系式(1)-(5)：
D 0 = ( Lo ) 2 + h 2 - - - ( 1 )
α＝cos-1(L0/D0)          (2)
β＝90-α                 (3)
L＝(H-vh)tanβ            (4)
Lx＝L-Lo                  (5)
H是可见光通信信标位置700的高度，vh是是车辆1上的摄像机19的高度，L是位置P1和可见光通信信标位置700之间的距离。
数据处理单元11通过计算距离探测器18检测的车辆1行驶的距离，得到位置P1和P2之间的距离Lo。通过解调光接收单元15接收到的可见光信号200，数据处理单元11找到可见光光通信信标的高度H。
车辆位置确定设备10内的数据处理单元11基于前面介绍的关系式(1)至(5)进行计算，得到行驶到位置P2的车辆1与可见光通信信标位置700之间的距离Lx。
下面将要参考附图6，介绍计算车辆1行驶到位置P2的坐标(x，y)的流程。
可见光通信信标的位置由坐标(xo，yo)定义。坐标是表征经度和纬度的位置数据。在车辆位置检测装置10中，光接收单元15接收可见光信号200，可见光通信单元13解调信号200，提取坐标(xo，yo)。表征坐标(xo，yo)的位置数据传输给数据处理单元11。同时，数据处理单元11通过车载测量设备16的车载设备界面14，从方位检测器17得到方位角γ。
数据处理单元11使用下面给出关系式(6)和(7)修正可见光通信信标的坐标(xo，yo)，计算车辆1暂时处于的位置P2的坐标(x，y)。更精确地，数据处理单元11使用车辆1和信标位置之间的距离Lx修正信标的坐标(xo，yo)，从而计算位置坐标(x，y)，计算位置P2的坐标(x，y)，例如，车辆1当前的位置。
x＝xo-Lx*sinγ                (6)
y＝yo-Lx*cosγ                (7)
基于本实施例的系统，数据处理单元11可以通过可见光通信信标的坐标(xo，yo)得到车辆1的坐标(x，y)，车辆1与信标的距离Lx和车辆1的方位角γ。注意到，车辆1和信标位置之间的距离Lx可以通过所谓的三角测绘方法，使用摄像机19拍摄到的图像合成的合成图像来获得。
这样，根据本实施例的系统，车辆1和信标位置之间的距离Lx可以这样计算，仅使用单镜头摄像机19，不需要使用多个摄像机或者例如立体图像处理的复杂的视频数据处理。因此，距离Lx的计算成本要比使用多个摄像机更低。基于本实施例的系统可以很容易投入到实际使用中，因为最近生产和销售的汽车都拥有一个摄像机。另外，基于本实施例的系统可以精确地找到车辆1的坐标，因为信标的坐标(xo，yo)是被校正的。
因此，本实施例可以提供使用可见光通信系统的位置确定系统，并且低成本，易于投入实用。
在上面描述的实施例，可见光通信信标具有位于固定位置的道路照明灯30。但是，光通信信标也可以，例如，具有用在建筑物或者设施上的照明灯。进一步，可见光通信信标不需要集成该照明灯。它可以是一个独立的的传输可见光信号的装置。
对于本领域的技术人员来说，本发明额外的优点和修改将很容易想到。因此，本发明的保护范围不仅仅限于这里描述的细节和实施例。因此，不脱离附上的权利要求及其等同物所限定的总体发明概念的精神和范围，本发明还可以包括各种修改。

Claims (10)

1.一种确定移动物体位置的装置，其特征在于包括：
传输单元，位于固定位置，并且传输用位置数据调制的可见光信号，该位置数据包括高度数据；
单镜头摄像单元，位于该移动物体上并且拍摄该传输单元；
数据获取单元，位于该移动物体上，接收可见光信号并且从该可见光信号获取该位置数据；和
确定单元，位于该移动物体上，使用该单镜头摄像单元产生的视频数据，由此确定该移动物体的位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，传输单元位于照亮诸如汽车的移动物体的道路的道路照明灯上，并且包括：
存储单元，存储包括在可见光信号内的该位置数据；和
发光元件驱动单元，控制和驱动道路照明灯内的发光元件，使得该发光元件传输该可见光信号，此信号调制有存储在该存储单元中的位置数据。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该传输单元位于例如建筑物等设施上并且固定在能够传输该可见光信号的结构上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于该确定单元包括：
距离计算单元，利用该视频数据和该位置数据，从而计算从移动物体当前位置到固定位置之间的距离；以及
位置修正单元，利用该距离计算单元计算出的距离、设置在该移动物体上的方位检测器检测的方位和该固定位置的坐标，从而计算该移动物体当前的位置。
5.根据权利要求1的设备，其特征在于该确定单元包括：
高度计算单元，使用通过将表示当该移动物体在第一位置时由该单镜头摄像单元拍摄的图像的第一视频数据与表示当该移动物体从该第一位置到达第二位置时由该单镜头摄像单元拍摄的图像的第二视频数据进行合成，从而得到的合成视频数据，来计算由该合成的视频数据表示的合成图像中固定位置具有的高度差；以及
距离计算单元，使用该高度差，包括在该位置数据中的数据以及在该第一和第二位置之间的距离，从而计算移动物体当前位置和该固定位置之间的距离；以及
修正/计算单元，使用该距离计算单元计算的距离、位于该移动物体上的方位检测器检测的方位以及该固定位置的坐标，从而计算移动物体的当前位置。
6.一种安装在移动物体上并被设计为确定该移动物体位置的设备，该设备的特征在于：
接收单元，接收在固定位置传输的、并且以包括高度数据的位置数据调制的可见光信号；
解调单元，解调该可见光信号，从而恢复该位置数据；
单镜头拍摄单元，拍摄位于该固定位置的物体并且输出表示物体图像的视频数据；以及
确定单元，使用单镜头拍摄单元输出的视频数据，从而确定该移动物体的位置。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于该移动物体是汽车，并且该接收单元包括：
光接收元件，用于接收从照亮道路的道路照明灯上设置的传输装置传输的可见光信号。
8.根据权利要求6的设备，其特征在于该确定单元包括：
距离计算单元，利用该视频数据和该位置数据，从而计算该移动物体当前位置和该固定位置之间的距离；以及
修正/计算单元，利用该距离计算单元计算的距离、位于该移动物体上的方位检测器检测的方位以及固定位置的坐标，从而计算该移动物体的当前位置。
9.根据权利要求6的设备，其特征在于该确定单元包括：
高度计算单元，使用通过将表示当该移动物体在第一位置时由该单镜头摄像单元拍摄的图像的第一视频数据与表示当该移动物体从该第一位置到达第二位置时由该单镜头摄像单元拍摄的图像的第二视频数据进行合成，从而得到的合成视频数据，来计算由该合成的视频数据表示的合成图像中固定位置具有的高度差；以及
距离计算单元，其利用该高度差、包括在该位置数据中的数据以及在第一和第二位置之间的距离，从而计算移动物体当前位置和固定位置之间的距离；以及
修正/计算单元，利用该距离计算单元计算的距离、位于该移动物体上的方位检测器检测的方位以及固定位置的坐标，从而计算该移动物体的当前位置。
10.一种用于确定移动物体的当前位置的方法，其利用从位于固定位置的传输单元传输的、并以包括高度数据的位置数据调制的可见光信号，该方法特征在于包括：
通过利用设置在该移动物体上的单镜头拍摄单元拍摄该传输单元，从而产生视频数据；
接收该移动物体的可见光信号，从而从该可见光信号获得该位置数据；以及
利用该移动物体的视频数据和该位置数据，从而确定该移动物体的位置。
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