CN104391273B - 一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及室内定位应用领域，具体来讲是一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统。本发明通过测量圆形发光平面在接收端的椭圆形投影的指向进而对接收端水平的水平位置进行定位，本方法通过测量投影的指向可稳定的获得较高的平面定位精度，而且由于在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有较大的实用价值。

Description

一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统
技术领域
本发明涉室内定位应用领域，具体来讲是一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统，通过图像处理测得圆形发光平面在接收端的椭圆形投影的指向，进而对接收端进行水平定位的方法。
背景技术
LED（Lighting Emitting Diode）被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域，势将成为下一代照明技术。LED因为具有节能、安全、可用频谱宽等优点，在提供室内照明的同时还可应用于无线光通信系统中，同时满足室内上网以及一系列扩展应用。基于LED的室内定位就是其中一个潜力巨大的应用方向，由于LED在室内布放位置固定，覆盖范围较广，以各LED为参照可准确获知位置和距离，在室内实现类似GPS的定位和导航。
使用LED的室内可见光定位通常测量接收信号的强度(RSS, Received SignalStrength) 或延时(TOA，Time of Arrive) 或到信号源的接收角度(AOA，Angle ofArrive)，基于估算的到多个信号源的距离或角度，进而基于三角几何方法进行定位。定位使用的接收端探测器采用光强探测器或成像探测器，由于光强探测器同时适用于高速通信，所以基于光强探测器以及RSS测量方法的定位方法是研究和使用较多的定位方案。
在基于RSS的测量定位方法中，接收光功率随通信距离的增加而非线性减小，确定这种对应关系后，测得接收信号功率即可确定发射和接收间的距离。但由于接收光功率通常会受到光源的亮度波动、信号光的散射和反射、以及光发送接收角等因素影响，接收光功率的波动难以克服，由此换算得出的估算距离波动明显，直接影响最后的定位精度。目前基于RSS的LED定位方法精度约为5-10cm，并不能满足更高精度的定位要求。另一方面，基于RSS的测量定位方法中需要专用高速电路发送和接收数据信号，发送和接收信号所需的硬件昂贵而复杂，并不适于消费级别的应用。
对于采用角度到达(Arrival Of Angle，简称AOA) 技术的可见光定位系统，该技术根据光信号到达的角度，确定目标相对于信号发射器的角度关系进行定位。具体地，是利用探测器阵列计算LED 灯( 信号发射器) 与目标( 信号接收器) 的角度，并根据计算的LED 灯( 信号发射器) 与目标( 信号接收器) 的角度计算目标的位置。基于AOA方法相对于RSS方法可获得更稳定精确的测量结果，尤其在消费级的CMOS成像器件以及DSP处理技术成熟的条件下，基于AOA方案日渐成为一种硬件易获取且定位精度高的测量定位方案。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明通过对圆形发光平面的投影成像，可测得在接收端的椭圆形投影的指向，并确定接收端的二维坐标。本发明可以在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有较大的实用价值。
本发明的的技术方案是：一种基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、在发射端至少有2个圆形发光平面，且在信息处理端能区分各圆形发光平面，并已知每个圆形发光平面的位置信息；所述的圆形发光平面水平放置，即圆形发光平面与水平面的夹角为0°；
步骤2、接收端通过水平放置的成像装置在同一位置拍摄至少2个圆形发光平面，获得包括多个圆形发光平面成像图案；
步骤3、通过图像处理方法，分别确定成像中各椭圆图案的短轴，并计算出短轴延长线在成像中的交点；
步骤4、信息处理端根据圆形发光平面的中心坐标将成像中的交点映射到实际坐标，从而确定接收端的二维坐标。
如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面为圆形的LED灯发光面。
如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面大于或等于3个时，步骤3中可获得多个短轴延长线的交点，可采用多次计算取平均值作为交点坐标的最终结果。
如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤2中成像装置为广角镜头。
如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所示的圆形发光平面为环状、圆弧状发光面或由多个分离光源组成的圆形、圆环或圆弧形灯带。
本发明还公开了一种基于圆形投影的可见光定位系统，包括至少2个圆形发光平面、接收端和信息处理端，接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，其特征在于：所述的信息处理端通过通信或输入方式确定圆形发光平面的位置信息，信息处理端识别所拍摄各圆形发光平面的椭圆成像，确定多个椭圆的短轴及其延长线，计算出短轴延长线在成像中的交点，并根据圆形发光平面的中心坐标将成像中的交点映射到实际坐标，从而确定接收端的二维坐标。
如上所述的基于圆形投影的可见光定位系统，其特征在于：所述的圆形发光平面为3个。
本发明的有益效果在于：通过对圆形发光平面的投影成像，可测得在接收端的椭圆形投影的指向，进而确定接收端的二维坐标。该方法基于光信号的发射角可获得较高的定位精度，而且由于在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有较大的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例根据三个圆形发光面的椭圆投影确定接收端坐标的原理图；
图2 为本发明实施例处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的原理是：对于具有圆形发光面的LED灯具，在其下方不同方位投影为不同的椭圆。如图1所示，当圆形发光面与成像透镜的法线都垂直时，圆形发光面Ci的圆心、成像Ei的中心、与成像透镜的法线在一个平面Si上(i=1、2、3)，各平面Si与成像Ei相交于Ei的短轴。由于三个平面Si相交于成像透镜的法线上，因此在成像平面上，三个短轴延长线相交于接收端成像透镜这一点，确定该点在圆形发光面所在平面上的投影的坐标即得到接收端的二维坐标。在成像平面确立该交点相对于各成像Ei中心的位置，则可确定法线垂直于Ci所在平面上的投影坐标。
在使用广角镜头进行成像时，多个圆形发光面的尺寸相对于圆形发光面之间的距离以及镜头到圆形发光面的距离较小，可认为成像无变形。另外，可通过多种手段保证接收端的成像镜头的法线垂直向上。因此，在忽略成像镜头失真的情况下，可认为圆形发光面的成像为椭圆，不影响原理的有效性。
如图1，当选取3个LED光源时，发送端圆形发光面的中心坐标为(，，)(i=1、2、3)，在接收端各灯具椭圆成像的中心坐标分别为(，，) (i=1、2、3)，通过图像处理方法找出椭圆的短轴，在成像平面上可确立短轴延长线交点的坐标为(，)。本发明中只需要知晓圆形发光面的(，)信息即可，其高度信息可以不知晓，根据几何投影的等比关系，坐标满足：
(i=1、2、3) 公式（1）
联立2个上述方程，即可求解确定接收端坐标(，)。当出现=时（即接收端位于两个圆形发光平面的中心连线的投影上时），才需要寻找第3个方程进行求解。
图1中，各圆形发光平面经过广角镜头后的投影为椭圆，且成像于单一平面上，在该成像中，椭圆的短轴延长线交于一点。
如附图2所示，本发明的基于圆形投影的可见光定位方法，包括以下步骤：
步骤1、在发射端至少有2个圆形发光平面，如圆形的LED灯发光面。且每个圆形发光平面的位置信息已知且圆形发光平面水平放置，该位置信息可以是实现测定输入数据库的，也可以通过通信将圆形发光平面的位置信息发送给信息处理端。
步骤2、接收端通过水平放置的成像装置在同一位置拍摄至少2个圆形发光平面，获得包括多个圆形发光平面成像图案，并确定其短轴及延长线。
步骤3、选取成像平面上2个短轴延长线并计算出短轴延长线在成像中的交点；
步骤4、根据公式（1）求得交点在实际平面上的坐标。即信息处理端根据圆形发光平面的中心坐标将成像中的交点映射到实际坐标，从而确定接收端的二维坐标。
作为本发明的方案的进一步改进方案，参照的圆形发光平面数量N大于2时，可以采用多次计算接收端的坐标，取平均值作为最终结果，这样可以提高定位精度。
作为本发明的方案的一种实施方案，所述圆形发光平面还可以为环状或圆弧状发光面，也可是多个分离光源组成的圆形、圆环或圆弧形灯带，都适用基于成像椭圆的图像处理方法。
作为本发明的方案的进一步改进方案，所述步骤2中成像装置为广角镜头，可认为在视角范围内和接收距离内成像无失真，在已知镜头相关参数条件下，还可以通过相关算法对图像进行修正处理。
一种基于圆形投影的可见光定位系统，包括至少2个圆形发光平面、接收端和信息处理端，接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，信息处理端可通过通信或输入等方式确定圆形发光平面的位置信息。信息处理端分别识别所拍摄圆形发光平面的椭圆成像，测得成像中椭圆的短轴的交点，并根据公式（1），依据投影关系计算出接收端的二维坐标。
本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、在发射端至少有2个圆形发光平面，且在信息处理端能区分各圆形发光平面，并已知每个圆形发光平面的位置信息；所述的圆形发光平面水平放置，即圆形发光平面与水平面的夹角为0°；
步骤2、接收端通过水平放置的成像装置在同一位置拍摄至少2个圆形发光平面，获得包括多个圆形发光平面成像图案；
步骤3、通过图像处理方法，分别确定成像中各椭圆图案的短轴，并计算出短轴延长线在成像中的交点；
步骤4、信息处理端根据圆形发光平面的中心坐标将成像中的交点映射到实际坐标，从而确定接收端的二维坐标。
2.如权利要求1所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面为圆形的LED灯发光面。
3.如权利要求1所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面大于或等于3个时，步骤3中可获得多个短轴延长线的交点，采用多次计算取平均值作为交点坐标的最终结果。
4.如权利要求1所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤2中成像装置为广角镜头。
5.一种基于圆形投影的可见光定位系统，包括至少2个圆形发光平面、接收端和信息处理端，接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，其特征在于：所述的信息处理端通过通信或输入方式确定圆形发光平面的位置信息，信息处理端识别所拍摄各圆形发光平面的椭圆成像，确定多个椭圆的短轴及其延长线，计算出短轴延长线在成像中的交点，并根据圆形发光平面的中心坐标将成像中的交点映射到实际坐标，从而确定接收端的二维坐标。
6.如权利要求5所述的基于圆形投影的可见光定位系统，其特征在于：所述的圆形发光平面为3个。
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