CN103389488B - 一种基于光强度的多光源室内定位装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光强度的多光源室内定位装置与方法，所述装置包括：光传感器、至少三个点光源、数据处理模块以及存储模块。其中，光传感器采集点光源发出的光信号数据；存储模块存储光源坐标值、光信号数据以及光强模型；数据处理模块获取光强值，并根据光强模型以及点光源的坐标值建立包含至少三个方程的方程组，并求解方程组，获得光传感器的坐标值(x,y,z)，所述方程由光强模型s_i=f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)建立。本发明使用可见光灯或者红外线点光源，集成有光传感器的接收端装置接收光信号并获取光强值，根据光强模型计算传感器的坐标，无需布置其他高精度辅助设备，定位精度高，成本低廉。

Description

一种基于光强度的多光源室内定位装置与方法

【技术领域】

本发明涉及定位技术，尤其涉及一种基于光强度的多光源室内定位装置与方法。

【背景技术】

随着信息和通信技术的普及，人们对室内定位信息的需求与日俱增，在诸如商场、机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场等公共场所都需要使用准确的定位信息，例如在商场导购、大型仓库管理、公共场所寻人等应用场景。精确的室内定位信息能够对可用空间和库存物资实现高效管理，能够导航警察、消防员、士兵、医务工作人员在特定场所完成特定的室内任务，因此室内定位技术具有广阔的应用前景。然而，传统的定位系统已经不能满足室内定位需求。GPS虽然在室外定位方面能满足很多应用的需求，但是由于混凝土等障碍物对信号存在遮挡，限制了其在室内环境中的应用。

目前室内定位技术主要包括邻近检测法、指纹匹配法和多边/角度法等。邻近检测法将检测到的信号源位置作为定位位置，其缺点是精度较低；指纹匹配方法利用室内环境中的信号特征匹配可获取较高的定位精度，但定位结果易受室内多径效应和环境变化等影响，且建立指纹数据库工作繁琐；多边/角度法需要预先通过其他算法精确测量定位点到参考点的距离/角度等信息，再利用三边测量法等对目标进行定位，如果测距/角设备精度较高，参考节点位置信息准确、测量距离准确，就可以精确地测得目标节点的位置，但精度高的测距/角设备较为昂贵、成本较高，若在在实际测量中采用精度一般的测距/角设备又会存在误差，结果不够准确。

【发明内容】

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种基于光强度的多光源室内定位装置与方法。

一方面，本发明提出的基于光强度的多光源室内定位装置包括光传感器、至少三个点光源、数据处理模块以及存储模块。其中，所述光传感器采集所述点光源的光信号数据；所述存储模块存储所述点光源的坐标值、所述光信号数据以及光强模型；所述数据处理模块根据所述光信号数据获取光强值，并结合所述点光源的坐标值以及光强模型建立包含至少三个方程的方程组，并求解所述方程组，获得所述光传感器的坐标值(x,y,z)；其中，所述方程由光强模型s_i=f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)建立，距离 $d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},$ s_i为第i个点光源的光强值，(x_i、y_i、z_i)为第i个点光源的坐标值，f_d(d_i)为光强值与距离d_i的关系函数，f_μ(μ_i)、f_ω(ω_i)分别为光强值与角度μ_i、ω_i的关系函数，μ_i=arcsin(|A(x_i-x)+B(y_i-y)+C(z_i-z)|/d_i),其中，(A,B,C)为传感器平面单位法向量，ω_i=arccos((z_i-z)/d_i)。

另一方面，本发明提出的基于光强度的多光源室内定位方法包括以下步骤：S100、使用光传感器采集至少三个点光源的光信号数据；S200、存储所述点光源的坐标值、光信号数据以及光强模型，根据所述光信号数据获取光强值；S300、根据所述光强值、点光源的坐标值以及光强模型建立包含至少三个方程的方程组，并求解所述方程组，获得所述光传感器的坐标值(x,y,z)，其中，所述方程由光强模型s_i=f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)建立，距离 $d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},$ s_i为第i个点光源的光强值，(x_i、y_i、z_i)为第i个点光源的坐标值，f_d(d_i)为光强值与距离d_i的关系函数，f_μ(μ_i)、f_ω(ω_i)分别为光强值与角度μ_i、ω_i的关系函数，μ_i=arcsin(|A(x_i-x)+B(y_i-y)+C(z_i-z)|/d_i)，其中，(A,B,C)为传感器平面单位法向量，ω_i=arccos((z_i-z)/d_i)。

本发明提出的基于光强度的多光源室内定位装置与方法依据光强模型、使用集成有光传感器的接收端装置接收光信号并获取光强值，能够在复杂的室内环境中较为精确地定位该接收端的位置，且无需布置其他高精度辅助设备、无需采集室内指纹，定位精度高，稳定性好，成本低廉。

【附图说明】

图1为本发明一实施例的基于光强度的多光源室内定位装置结构图。

图2为本发明一实施例的光传感器与点光源光强关系示意图。

图3为本发明一实施例的基于光强度的多光源室内定位方法流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合具体实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，文中所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

本发明提供一种基于光强度的多光源室内定位装置与方法。

本发明一方面公开了一种基于光强度的多光源室内定位装置。如图1所示，在一实施例中，所述基于光强度的多光源室内定位装置包括至少三个点光源（第一点光源101、第二点光源102、第三点光源103、……）、光传感器200、数据处理模块300以及存储模块400。

其中，所述光传感器200可设置于一电路板上，通过数据接口与所述数据处理模块300相连接，所述数据处理模块300包括但不限于CPU处理器、嵌入式处理芯片等具有数据处理功能的器件。所述光传感器200、数据处理模块300、存储模块400可一体设置于待定位的载体上，跟随所述载体运动。优选地，所述光传感器200的传感平面与水平面平行。

所述点光源包括但不限于可见光LED灯、红外线LED灯等。优选地，所述第一点光源101、第二点光源102、第三点光源103等不共线。

所述光传感器200采集所述第一点光源101、第二点光源102、第三点光源103的光信号数据，所述光信号数据包括若干个离散数据，数据处理模块300根据所述光信号数据获取各个点光源的光强值s₁、s₂、s₃等，其中，s₁对应于第一点光源101，s₂对应于第二点光源102，s₃对应于第三点光源103，…。优选地，所述基于光强度的多光源室内定位装置还包括频率控制模块，所述频率控制模块用于控制所述点光源发出光信号的频率。所述光信号应不影响室内人们的正常工作、休息，其频率不宜太低，应使所述光传感器200能完整采集到光信号，频率同时不宜太高，同时其频率也要避开环境中已有的干扰频率，如日光灯的100hz频率等。优选地，将所述点光源频率设置在30Hz‐400Hz范围内。此外，所述第一点光源101、第二点光源102、第三点光源103等各个点光源的频率均不相同。

所述数据处理模块300根据所述光强值、所述点光源的坐标值以及光强模型建立包含至少三个方程的方程组，并求解所述方程组，获得所述光传感器的坐标值(x,y,z)。

具体地，所述方程建立方法如下所述：设所述第一点光源101、第二点光源102、第三点光源103等的坐标值分别为(x₁、y₁、z₁)、(x₂、y₂、z₂)、(x₃、y₃、z₃)、…，第i个点光源的坐标值为(x_i、y_i、z_i)。在一实施例中，如图2所示，以第i个点光源为例，所述光传感器200的坐标值(x,y,z)待求，所述光传感器200与所述第i个点光源之间的距离 $d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},$ 其中，入射角μ_i=arcsin(|A(x_i-x)+B(y_i-y)+C(z_i-z)|/d_i),其中，(A，B，C)为传感器平面单位法向量，角度ω_i=arccos((z_i-z)/d_i)。所述光传感器200采集到的由所述第i个点光源发出的光信号强度与d_i、μ_i、ω_i均有关。具体地，分别使用函数f_d(d_i)、f_μ(μ_i)、f_ω(ω_i)来表示光强与d_i、μ_i、ω_i的关系。由于光强衰减与距离的平方成反比，用参数k表示所述光传感器200垂直面对第i个点光源中心光距离第i个点光源1m处测得的光强值，因此有；将所述光传感器200置于中心光线上距离第i个点光源d_im处，入射角μ_i初值设为90°，等角度（如每隔10°）偏转所述光传感器200的传感平面，使中心光进入传感器的入射角μ_i从垂直时的90°等角度（如10°）减小到0°，此时中心光线与所述光传感器200的传感平面平行，每次偏转后测试光强值，得到光强与入射角μ_i的关系函数f_μ(μ_i)，同时，在上述过程中，角度ω_i从0°增大到90°，每次偏转后测试光强值，得到光强与角度ω_i的关系函数f_ω(ω_i)。综合以上影响光强的各个参数，得到所述光传感器200与第i个点光源之间的光强模型s_i=f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)。所述光传感器200与所述第一点光源101、第二点光源102、第三点光源103之间的光强模型即构成所述包含至少三个方程的方程组。

基于非线性方程组中方程个数大于等于待求解未知数个数的理论，所述数据处理模块300根据所述光信号的光强值以及由存储模块400存储的第一点光源101、第二点光源102、第三点光源103等的坐标值建立包含至少三个方程(s₁=f_d(d₁)f_μ(μ₁)f_ω(ω₁)、s₂=f_d(d₂)f_μ(μ₂)f_ω(ω₂)、s₃=f_d(d₃)f_μ(μ₃)f_ω(ω₃))的方程组，并求解所述方程组，最终获得所述光传感器200的坐标值（x,y,z），所述光传感器200的坐标值（x,y,z）即代表了待定位载体的位置。

优选地，所述数据处理模块300在建立上述方程组之前，还先将干扰光信号去除。具体地，所述数据处理模块300对所述光强值进行采样、傅里叶变换，在频域上去除干扰光信号（例如普通日光灯100Hz频率等其它频率的室内杂质光）。

本发明另一方面提出了一种基于光强度的多光源室内定位方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：S100、使用光传感器采集至少三个点光源的光信号数据；S200、存储所述点光源的坐标值、光信号数据以及光强模型，根据所述光信号数据获取光强值；S300、根据所述光强值、点光源的坐标值以及光强模型建立包含至少三个方程的方程组，并求解所述方程组，获得所述光传感器的坐标值（x,y,z），其中，所述方程由光强模型s_i=f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)建立，其中，距离 $d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},$ s_i为第i个点光源的光强值，(x_i、y_i、z_i)为第i个点光源的坐标值，f_d(d_i)为光强值与距离d_i的关系函数，f_μ(μ_i)、f_ω(ω_i)分别为光强值与角度μ_i、ω_i的关系函数，μ_i=arcsin(|A(x_i-x)+B(y_i-y)+C(z_i-z)|/d_i)，其中，(A,B,C)为传感器平面单位法向量，ω_i=arccos((z_i-z)/d_i)。

下面将对所述基于光强度的多光源室内定位方法作进一步详细描述。

在步骤S100中，所述至少三个点光源（第一点光源、第二点光源、第三点光源、……）包括但不限于可见光LED灯、红外线LED灯等。优选地，所述第一点光源、第二点光源、第三点光源等不共线。所述光传感器可设置于一电路板上，通过数据接口与数据处理器相连接。所述光传感器、数据处理器等装置可一体设置于待定位的载体上，跟随所述载体运动。优选地，所述光传感器的传感平面与水平面平行。

所述光传感器采集所述第一点光源、第二点光源、第三点光源等的光信号数据，并可根据所述光信号数据可进一步获取各个光信号的光强值s₁、s₂、s₃等，其中，s₁对应于第一点光源，s₂对应于第二点光源，s₃对应于第三点光源，…。优选地，所述点光源发出光信号的频率可控，所述光信号应不影响室内人们的正常工作、休息，其频率不宜太低，应使所述光传感器能完整采集到光信号，同时其频率也不宜太高，其频率也要避开环境中已有的干扰频率，如日光灯的100hz频率等。优选地，将所述点光源频率设置在30Hz‐400Hz范围内。此外，所述第一点光源、第二点光源、第三点光源等各个点光源的频率各不相同。

在步骤S200中，预先获取并存储所述第一点光源、第二点光源、第三点光源的坐标值。具体地，可使用存储器存储所述第一点光源、第二点光源、第三点光源的坐标值，所述存储器通过数据接口与所述数据处理器相连接，所述数据处理器可随时调用所述存储器中存储的数据。

在步骤S300中，根据所述光信号的光强值、所述点光源的坐标值以及光强模型建立包含至少三个方程的方程组，并求解所述方程组，获得所述光传感器的坐标值(x,y,z)。

具体地，所述方程建立方法如下所述：设所述第一点光源、第二点光源、第三点光源等的坐标值分别为(x₁、y₁、z₁)、(x₂、y₂、z₂)、(x₃、y₃、z₃）、...，第i个点光源的坐标值为(x_i、y_i、z_i)。在一实施例中，如图2所示，以第i个点光源为例，所述光传感器的坐标值(x,y,z)待求，所述光传感器与所述第i个点光源之间的距离 $d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},$ 其中，入射角μ_i=arcsin(|A(x_i-x)+B(y_i-y)+C(z_i-z)|/d_i),角度ω_i=arccos((z_i-z)/d_i)。所述光传感器采集到的由所述第i个点光源发出的光信号强度与d_i、μ_i、ω_i均有关。具体地，分别使用函数f_d(d_i)、f_μ(μ_i)、f_ω(ω_i)来表示光强与d_i、μ_i、ω_i的关系。由于光强衰减与距离的平方成反比，用参数k表示所述光传感器垂直面对第i个点光源中心光距离第i个点光源1m处测得的光强值，因此有将所述光传感器置于中心光线上距离第i个点光源d_im处，入射角μ_i初值设为90°，等角度（如每隔10°）偏转所述光传感器的传感平面，使中心光进入传感器的入射角μ_i从垂直时的90°等角度（如10°）减小到0°，此时中心光线与所述光传感器的传感平面平行，每次偏转后测试光强值，得到光强与入射角μ_i的关系函数f_μ(μ_i)，同时，在上述过程中，角度ω_i从0°增大到90°，每次偏转后测试光强值，得到光强与角度ω_i的关系函数f_ω(ω_i)。综合以上影响光强的各个参数，得到所述光传感器与第i个点光源之间的光强模型s_i=f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)。所述光传感器与所述第一点光源、第二点光源、第三点光源之间的光强模型即构成所述包含至少三个方程的方程组。

基于非线性方程组中方程个数大于等于待求解未知数个数的理论，根据所述光信号的光强值以及第一点光源、第二点光源、第三点光源等的坐标值建立包含至少三个方程(s₁=f_d(d₁)f_μ(μ₁)f_ω(ω₁)、s₂=f_d(d₂)f_μ(μ₂)f_ω(ω₂)、s₃=f_d(d₃)f_μ(μ₃)f_ω(ω₃))的方程组，并求解所述方程组，最终获得所述光传感器的坐标值(x,y,z)，所述光传感器的坐标值(x,y,z)即代表了待定位载体的位置。

优选地，在建立上述方程组之前，还先将干扰光信号去除。具体地，对所述光强值进行采样、傅里叶变换，在频域上去除干扰光信号（例如普通日光灯100Hz频率等其它频率的室内杂质光）。

本发明提出的基于光强度的多光源室内定位装置与方法依据光强模型、使用集成有光传感器的接收端装置接收光信号并获取光强值，能够在复杂的室内环境中较为精确地定位该接收端的位置，且无需布置其他高精度辅助设备、无需采集室内指纹，定位精度高，稳定性好，成本低廉。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来解释和说明本发明的技术方案，而并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、变形、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (17)

1.一种基于光强度的多光源室内定位装置，包括：光传感器、至少三个点光源、数据处理模块以及存储模块，其中，

所述光传感器采集所述点光源的光信号数据；

所述存储模块存储所述点光源的坐标值、所述光信号数据以及光强模型；

所述数据处理模块根据所述光信号数据获取光强值，并根据所述光强值、所述点光源的坐标值以及光强模型建立包含至少三个方程的方程组，并求解所述方程组，获得所述光传感器的坐标值(x,y,z)；

所述方程由光强模型s_i＝f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)建立，距离 $d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},$ s_i为第i个点光源的光强值，(x_i、y_i、z_i)为第i个点光源的坐标值，f_d(d_i)为光强值与距离d_i的关系函数，f_μ(μ_i)、f_ω(ω_i)分别为光强值与角度μ_i、ω_i的关系函数，μ_i＝arcsin(|A(x_i-x)+B(y_i-y)+C(z_i-z)|/d_i)，其中，(A,B,C)为传感器平面单位法向量，ω_i＝arccos((z_i-z)/d_i)；

用参数k表示所述光传感器垂直面对第i个点光源中心距离第i个点光源1m处测得的光强值，则所述

将所述光传感器置于中心光线上距离第i个点光源d_im处，所述角度μ_i初值设为90°，等角度偏转所述光传感器的传感平面，使中心光线进入所述光传感器的角度μ_i从垂直时的90°等角度减小到0°，此时中心光线与所述光传感器的传感平面平行，每次偏转后测试光强值，得到所述光强与角度μ_i的关系函数f_μ(μ_i)；

将所述光传感器置于中心光线上距离第i个点光源d_im处，所述角度ω_i初值设为0°，等角度偏转所述第i个点光源，使所述第i个点光源发出的进入所述光传感器的光线与中心光线的角度ω_i从0°增大到90°，每次偏转后测试光强值，得到所述光强与角度ω_i的关系函数f_ω(ω_i)。

2.根据权利要求1所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，所述光传感器的传感平面与水平面平行。

3.根据权利要求1所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，所述点光源为可见光LED灯或红外线LED灯。

4.根据权利要求1所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，所述至少三个点光源非共线。

5.根据权利要求1所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，还包括频率控制模块，所述频率控制模块控制所述点光源发出光信号的频率。

6.根据权利要求5所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，所述至少三个点光源频率不同。

7.根据权利要求6所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，所述至少三个点光源频率为30Hz‐400Hz。

8.根据权利要求1所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，所述存储模块存储所述光强模型。

9.根据权利要求1所述的基于光强度的多光源室内定位装置，其特征在于，所述数据处理模块去除干扰光信号，并根据所述点光源发出的光信号光强值、光强模型以及点光源坐标值建立所述方程组。

10.一种基于光强度的多光源室内定位方法，包括以下步骤：

S100、使用光传感器采集至少三个点光源的光信号数据；

S200、存储所述点光源的坐标值、光信号数据以及光强模型，根据所述光信号数据获取光强值；

S300、根据所述光强值、点光源的坐标值以及光强模型建立包含至少三个方程的方程组，并求解所述方程组，获得所述光传感器的坐标值(x,y,z)，其中，所述方程由光强模型s_i＝f_d(d_i)f_μ(μ_i)f_ω(ω_i)建立，其中，距离 $d_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},$ s_i为第i个点光源的光强值，(x_i、y_i、z_i)为第i个点光源的坐标值，f_d(d_i)为光强值与距离d_i的关系函数，f_μ(μ_i)、f_ω(ω_i)分别为光强值与角度μ_i、ω_i的关系函数，μ_i＝arcsin(|A(x_i-x)+B(y_i-y)+C(z_i-z)|/d_i)，其中，(A,B,C)为传感器平面单位法向量，ω_i＝arccos((z_i-z)/d_i)；

用参数k表示所述光传感器垂直面对第i个点光源中心距离第i个点光源1m处测得的光强值，则所述

将所述光传感器置于中心光线上距离第i个点光源d_im处，所述角度μ_i初值设为90°，等角度偏转所述光传感器的传感平面，使中心光线进入所述光传感器的角度μ_i从垂直时的90°等角度减小到0°，此时中心光线与所述光传感器的传感平面平行，每次偏转后测试光强值，得到所述光强与角度μ_i的关系函数f_μ(μ_i)；

将所述光传感器置于中心光线上距离第i个点光源d_im处，所述角度ω_i初值设为0°，等角度偏转所述第i个点光源，使所述第i个点光源发出的进入所述光传感器的光线与中心光线的角度ω_i从0°增大到90°，每次偏转后测试光强值，得到所述光强与角度ω_i的关系函数f_ω(ω_i)。

11.根据权利要求10所述的基于光强度的多光源室内定位方法，其特征在于，所述光传感器的传感平面与水平面平行。

12.根据权利要求10所述的基于光强度的多光源室内定位方法，其特征在于，所述点光源为可见光LED灯或红外线LED灯。

13.根据权利要求10所述的基于光强度的多光源室内定位方法，其特征在于，所述至少三个点光源非共线。

14.根据权利要求10所述的基于光强度的多光源室内定位方法，其特征在于，所述点光源发出光信号的频率可控。

15.根据权利要求14所述的基于光强度的多光源室内定位方法，其特征在于，所述至少三个点光源频率不同。

16.根据权利要求15所述的基于光强度的多光源室内定位方法，其特征在于，所述至少三个点光源频率为30Hz‐400Hz。

17.根据权利要求10所述的基于光强度的多光源室内定位方法，其特征在于，在步骤S300中，首先去除干扰光信号，再根据所述光强值、点光源坐标值以及光强模型建立所述方程组。