CN105425209B - 一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，包括多个多光谱发射端和接收端两部分；多光谱发射端在满足照明要求的同时，为定位系统提供多个光谱标签，由电源模块、LED驱动与比例控制模块和多光谱固体光源组成；接收端则根据其拍摄到的多光谱固体光源的图像进行解算，得出接收端的位置实现定位，包括彩色成像探测器、光谱标签与位置识别模块和成像定位算法三部分；其中成像定位算法根据多光谱固体光源的大小及其成像大小估计接收端高度，再根据其成像位置和各多光谱发射端的空间坐标计算出接收端位置。本发明提出的定位系统可实现照明功能，还可在任意建筑物内部提供高精度定位，为基于位置的服务提供位置信息。

Description

一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统

技术领域

本发明涉及室内照明集成的室内可见光定位技术，尤其涉及一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，属于可见光通信技术领域。

背景技术

随着电子技术的不断发展和个人智能移动设备的普及，人们对定位和基于位置服务的需求和依赖不断增加。由于受到传输损耗和多径效应的影响，传统的GPS定位技术并不能在室内有效地使用。随着固体光源技术的进步，以LED为代表的固体光源以其在发光效率、显色性、制造成本以及环境保护方面的优势逐渐取代白炽灯和荧光灯，成为未来照明市场的重要组成部分。近年来，基于固体照明器件的室内可见光定位技术被提出，并出现了与强度、成像和编码相关的多种可见光定位方法，也出现了基于不同原理的多种可见光定位系统和专利。

与传统的GPS定位技术相比，可见光定位技术能在室内环境下使用，弥补了GPS定位的盲区。在室内环境下，与基于Wi-Fi和蓝牙的定位技术相比，可见光定位技术具有不需要谱段授权和没有电磁干扰的优点。与此同时，由于室内环境下灯具的密度远大于Wi-Fi和蓝牙热点的密度，且可见光信号受多径效应的影响远小于射频信号。因此室内可见光定位技术的定位精度远大于基于Wi-Fi和蓝牙定位技术的定位精度。而与基于超声、红外和超宽带(UWB)的室内定位技术相比，可见光定位技术可直接利用室内用于照明的灯具，在不影响正常室内照明的前提下同时实现精确的定位。因此其架设成本更低，更易于推广和实用。

当前的室内可见光定位技术中，光信号强度、光信号频率、光信号偏振态和光信号条纹都被用于基于各种原理的可见光定位。目前提出的室内可见光定位系统中，接收端大部分采用的是光电探测器，需要对光信号进行调制编码，对光电探测器的响应速度存在一定要求(如专利“基于室内照明的定位导航系统”、“一种室内可见光定位方法”和发表于2015年第3期的《电子与信息学报》的文章“基于多LED的高精度室内可见光定位方法”)。而目前的商用移动设备(手机、平板电脑等)并未集成高速光电探测器，因此需要额外加装附件，并不实用。

除此之外，在专利(申请号:CN103383446A,名称为“基于可见光的室内定位方法、装置和系统以及光源”)中，利用调制后可见光图像的明暗条纹进行定位。采用这种方法的定位系统，其在接收端与发射端之间的距离和角度方面存在一些限制；而且在对运动目标进行识别时，会出现模糊的现象，因此在实际使用的过程中存在一些问题。

在众多的室内可见光定位系统中，光源独特的光谱特性未被使用，具有利用的价值。

发明内容

本发明的目的在于改进现有室内光定位系统对光源光谱特性利用不足且接收设备复杂、昂贵的问题，提供一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统。

本发明提出的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，包括多光谱发射端和接收端两部分；其中，多光谱发射端的多个多光谱固体光源在满足照明要求的同时，为定位系统提供多个参考点；接收端则根据其拍摄到的多个多光谱固体光源的图像进行解算，最终得出接收端自身的位置，以实现定位；

所述的多光谱发射端具有多个，每个多光谱发射端都由多光谱固体光源、电源模块、LED驱动与比例控制模块组成；

所述的多光谱固体光源是由多光谱LED芯片组成的同色异谱光源，发出混合均匀的、具有不同光谱分布的特定颜色的照明光：具体来说，每一个多光谱固体光源含有多个彩色LED芯片，根据预先设定的色光标(即人眼感受到的颜色)，确定每一个多光谱固体光源中各个彩色LED芯片的光强及相应的驱动电流，由此确定LED驱动与比例控制模块输出的电流，最终得到多个同色异谱的多光谱光源，即每个多光谱光源具有独一无二的光谱分布，该独一无二的光谱分布作为识别各个多光谱光源的光谱标签；

所述的电源模块使用的是交流转直流电路，其主要功能是将交流电转化为驱动LED光源所需要的直流电，并提供给各个多光谱发射端中的LED驱动电路；

所述的LED驱动与比例控制模块为多光谱固体光源提供可控的驱动电流，控制多光谱固体光源发射不同分布的光谱；

所述的接收端包括彩色成像探测器、光谱标签与位置识别模块和成像定位算法三个部分；

其中，所述的彩色成像探测器，其主要功能是拍摄同时具有多个(至少三个)多光谱发射端的彩色图像，并将拍摄到的各个彩色通道的原始图像数据输出至光源标签与位置识别模块；

所述的光谱标签与位置识别模块中包含光谱标签数据库；此数据库中的光谱标签和多光谱固体光源的空间坐标一一对应；所述的光谱标签与位置识别模块，其主要功能是提取彩色成像探测器拍摄的图像中每个光斑中每个像素的彩色子像素，根据彩色子像素的平均强度比确定多光谱固体光源的空间坐标：

由于每个多光谱固体光源具有独一无二的光谱标签，即发射端各个多光谱固体光源的光谱分布不同，光谱标签与位置识别模块计算接收端彩色成像探测器拍摄的图像中每个光斑中各种彩色子像素的平均强度比，再与光谱标签数据库比对，确定探测到的每个光斑对应的多光谱固体光源的标签，从而确定每个光斑对应的多光谱固体光源的空间坐标；

所述的成像定位算法，首先根据多光谱固体光源的大小和其在彩色成像探测器像面上所成图像的大小估计接收端高度，然后根据各个多光谱发射端在成像探测器像面上所成图像的位置和各个多光谱发射端的空间坐标计算出接收端自身的位置，从而完成定位，所述成像定位算法的具体步骤为：

步骤一、假设室内定位场景内具有N(N≥3)个多光谱发射端，每个多光谱发射端产生在此室内定位场景中与其自身的空间坐标(x₁,y₁,h)、(x₂,y₂,h)…(x_N,y_N,h)一一对应的独一无二的光谱标签；

步骤二、接收端对此N个多光谱发射端进行彩色成像，计算各自的像在接收端彩色成像探测器上的位置坐标(x₁',y₁')、(x'₂,y'₂)…(x'_N,y'_N)；

与此同时，接收端光谱标签与位置识别模块根据其中光谱标签数据库中的标签和彩色成像探测器上获得的每个光斑内部各种子像素的平均强度比进行比对，完成各个多光谱固体光源的识别，确定各个光斑对应的多光谱发射端的空间坐标(x₁,y₁,h)、(x₂,y₂,h)…(x_N,y_N,h)；

步骤三、根据多光谱固体光源的大小与其在彩色成像探测器像面上所成图像的大小的平均比例k以及成像探测器焦距f，估计接收端的高度为：h'＝f×k；

其中，所述的成像探测器焦距f可直接由接收图像内部的集成信息读出，平均比例k可以是多光谱固体光源的真实直径与其在成像探测器上投影的直径之比；

步骤四、当多光谱发射端的数量大于3时，对每3个多光谱发射端的组合分别进行计算，并取所有计算的坐标的平均值作为接收端当前所处的位置；其中每3个多光谱发射端的组合确定的接收端位置的解算方法为：

利用几何光学和三角计算的原理列出非线性方程组为：

由于该非线性方程组是二次方程组，解算得到的坐标值有两组值。

步骤五、根据步骤三估计的接收端高度对步骤四求得的两组坐标值进行筛选，其中解算的一组坐标值中高度h与步骤三估算的h'更接近的坐标确定为接收端的空间位置。

有益效果

本发明提出的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，同现有技术中“基于室内照明的定位导航系统”和“一种可见光定位系统及方法”相比，具有以下有益效果：

1.本发明的多光谱发射端相对独立，即插即用；

2.本发明利用移动设备和固定设备上广泛配备的彩色成像探测器为接收器件，不需要对设备本身进行改造或者添加额外的附件；

3.本发明提出的每一个用于室内定位的多光谱可见光定位系统，仅需一个彩色成像探测器；

4.本发明提出的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，可实现任意颜色的可见光照明，并满足不同场景的照明需求。

附图说明

图1为本发明一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统的原理示意框图；

图2为本发明一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统实施例1的多光谱发射端原理框图；

图3为本发明一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统实施例1的成像定位算法流程图。

实施方式

下面，下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明，并详细描述本发明的优选实施方式。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

实施例1

图1中所描述的本发明一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统的原理示意框图，其主要特征是包括多光谱发射端和接收端两部分。结合图2所描述的是本实施例中的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统的多光谱发射端原理框图。其中，具有3个多光谱发射端，每个都可以分为201电源模块，202单片机，203LED驱动电路，204LED芯片，205塑料微透镜和206灯罩5个部分；

其中，所述的201电源模块直接连接220V交流电，将交流电转换为LED驱动电路所需要的64V直流电压；

所述的202单片机采用STM32单片机为核心，并利用输出周期方波信号的脉冲宽度来控制各路彩色LED芯片输出的平均电流；

所述的203LED驱动电路共有四路，分别控制4个彩色LED芯片：204LED芯片；

所述的每路203LED驱动电路均以LM3402HV驱动芯片为核心，在单片机的控制下为单个彩色LED芯片提供指定好的驱动电流；

所述的204LED芯片共有4个，分别为红色、绿色、蓝色和黄色。不同的LED芯片在不同驱动电流的控制下输出对应光强的单色信号；

上述的红色、绿色、蓝色和黄色，四色光信号经由205塑料微透镜和206灯罩混合均匀。使每一个多光谱发射端输出具有独特光谱标签且色坐标均为相同白光的同色异谱光信号，在照明的同时为定位算法提供参考点。

在本实施例中，3个多光谱发射端所发射光信号的颜色相同，而光谱分布不同。

在本实施例中，接收端采用手机，并利用其前端或后端的彩色摄像头进行照片的拍摄。与此同时，成像定位算法将利用手机中的处理器进行计算，并将处理结果通过软件的形式显示在手机屏幕上。

结合图3所描述的是本发明及实施例中一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统的成像定位算法流程图。所述的成像定位算法利用了几何光学和三角计算的原理，具体步骤为：

S1：场景内具有3个多光谱发射端，每个多光谱发射端产生在此室内定位场景中与其自身的空间坐标(x₁,y₁,h)、(x₂,y₂,h)、(x₃,y₃,h)一一对应的独一无二的光谱标签；

S2：接收端对此3个多光谱发射端进行彩色成像，计算各自的像在接收端彩色成像探测器上的位置坐标(x₁',y₁')、(x'₂,y'₂)和(x'₃,y'₃)；

与此同时，接收端光谱标签与位置识别模块根据其中光谱标签数据库中的标签和彩色成像探测器上获得的每个光斑内部各个子像素的平均强度比进行比对，完成各个多光谱固体光源的识别，确定各个光斑对应的多光谱发射端的空间坐标(x₁,y₁,h)、(x₂,y₂,h)和(x₃,y₃,h)；

S3：根据多光谱固体光源的大小与其在彩色成像探测器像面上所成图像的大小的平均比例k以及成像探测器焦距f，估计接收端的高度为：h'＝f×k；

其中，所述的成像探测器焦距f可直接由接收图像内部的集成信息读出，平均比例k可以是多光谱固体光源的真实直径与其在成像探测器上投影的直径之比；

S4：对于3个多光谱发射端，利用几何光学和三角计算的原理列出非线性方程组对接收端的位置进行解算，方程为：

注：由于是二次方程，此处三个方程组联立可解出两组坐标值。

S5：根据S3估计的接收端高度对S4求得的两组坐标值进行筛选，其中解算的一组坐标值中高度h与S3估算的h'更接近的坐标确定为接收端的空间位置。

实施例2

将实施例1中的手机改成平板电脑或其他具有彩色成像探测器的移动设备或固定设备，该定位系统依然有效。

实施例3

将实施例1中的白光照明改成其他颜色光的照明，该定位系统依然有效。

实施例4

将实施例1中的3个多光谱光源改成N(N≥3)个，该定位系统依然有效。

为了更好地理解本发明，对有关内容补充说明如下：

关于多光谱固体光源：本申请中，多光谱发射端中的多光谱固体光源由多种颜色的LED芯片组成，同时利用集成的塑料微透镜和外置的灯罩实现均匀的混光，以实现均匀照明。

关于成像探测器：本申请中，仅要求彩色成像探测器能输出多路颜色通道的探测信号，因此所有能输出原始彩色探测数据的成像探测器均能满足要求。

上述实施方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，本说明书所述的只是本发明的4种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

包括多光谱发射端和接收端两部分；其中，多光谱发射端的多个多光谱固体光源在满足照明要求的同时，为定位系统提供多个参考点；接收端则根据其拍摄到的多个多光谱固体光源的图像进行解算，最终得出接收端自身的位置，以实现定位；

其中，所述的多光谱发射端具有多个，每个多光谱发射端都由电源模块、LED驱动与比例控制模块和多光谱固体光源组成；

所述的接收端包括彩色成像探测器、光谱标签与位置识别模块和成像定位算法模块三个部分。

2.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的多光谱发射端中的所述的多光谱固体光源是由多光谱LED芯片组成的同色异谱光源，发出混合均匀的、具有不同光谱分布的特定颜色的照明光：具体来说，每一个多光谱固体光源含有多个彩色LED芯片，根据预先设定的色光标,确定每一个多光谱固体光源中各个彩色LED芯片的光强及相应的驱动电流，由此确定LED驱动与比例控制模块输出的电流，最终得到多个同色异谱的多光谱光源，即每个多光谱光源具有独一无二的光谱分布，该独一无二的光谱分布作为识别各个多光谱光源的光谱标签。

3.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的具有多个的多光谱发射端，其数量为N个，且N≥3；

所述的接收端也可以一个或多个。

4.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的多光谱发射端中的电源模块使用的是交流转直流电路，其主要功能是将交流电转化为驱动LED光源所需要的直流电，并提供给各个多光谱发射端中的LED驱动电路。

5.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的多光谱发射端中的LED驱动与比例控制模块为多光谱固体光源提供可控的驱动电流，控制多光谱固体光源发射不同分布的光谱。

6.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的接收端的彩色成像探测器，其主要功能是同时拍摄多个,多光谱发射端的彩色图像，并将拍摄到的各个彩色通道的原始图像数据输出至光源标签与位置识别模块。

7.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的光谱标签与位置识别模块中包含光谱标签数据库；此数据库中的光谱标签和多光谱固体光源的空间坐标一一对应；

所述的接收端的光谱标签与位置识别模块，其主要功能是提取彩色成像探测器拍摄的图像中每个光斑中每个像素的彩色子像素，根据彩色子像素的平均强度比确定多光谱固体光源的空间坐标。

8.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的多光谱发射端的多光谱固体光源具有独一无二的光谱标签，即发射端各个多光谱固体光源的光谱分布不同，光谱标签与位置识别模块计算接收端彩色成像探测器拍摄的图像中每个光斑中各种彩色子像素的平均强度比，再与光谱标签数据库比对，确定探测到的每个光斑对应的多光谱固体光源的标签，从而确定每个光斑对应的多光谱固体光源的空间坐标。

9.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述的接收端的成像定位算法模块，首先根据多光谱固体光源的大小和其在彩色成像探测器像面上所成图像的大小估计接收端高度，然后根据各个多光谱发射端在彩色成像探测器像面上所成图像的位置和各个多光谱发射端的空间坐标计算出接收端自身的位置，从而完成定位。

10.根据权利要求1所述的一种用于室内定位的多光谱可见光定位系统，其特征在于：

所述接收端的成像定位算法模块的具体步骤为：

步骤一、假设室内定位场景内具有N(N≥3)个多光谱发射端，每个多光谱发射端产生在此室内定位场景中与其自身的空间坐标(x₁,y₁,h)、(x₂,y₂,h)…(x_N,y_N,h)一一对应的独一无二的光谱标签；

步骤二、接收端对此N个多光谱发射端进行彩色成像，计算各自的像在接收端彩色成像探测器上的位置坐标(x′₁,y′₁)、(x'₂,y'₂)…(x'_N,y'_N)；

与此同时，接收端光谱标签与位置识别模块根据其中光谱标签数据库中的标签和彩色成像探测器上获得的每个光斑内部各种子像素的平均强度比进行比对，完成各个多光谱固体光源的识别，确定各个光斑对应的多光谱发射端的空间坐标(x₁,y₁,h)、(x₂,y₂,h)…(x_N,y_N,h)；

步骤三、根据多光谱固体光源的大小与其在彩色成像探测器像面上所成图像的大小的平均比例k以及彩色成像探测器焦距f，估计接收端的高度为：h'＝f×k；

其中，所述的彩色成像探测器焦距f可直接由接收图像内部的集成信息读出，平均比例k可以是多光谱固体光源的真实直径与其在彩色成像探测器上投影的直径之比；

步骤四、当多光谱发射端的数量大于3时，对每3个多光谱发射端的组合分别进行计算，并取所有计算的坐标的平均值作为接收端当前所处的位置；其中每3个多光谱发射端的组合确定的接收端位置的解算方法为：

利用几何光学和三角计算的原理列出非线性方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{f^2}{x_1^{\′2}+y_1^{\′2}}{(x-x_1)}^2+\frac{f^2}{x_1^{\′2}+y_1^{\′2}}{(y-y_1)}^2-h^2=0,\\ \frac{f^2}{x_2^{\′2}+y_2^{\′2}}{(x-x_2)}^2+\frac{f^2}{x_2^{\′2}+y_2^{\′2}}{(y-y_2)}^2-h^2=0,\\ \frac{f^2}{x_3^{\′2}+y_3^{\′2}}{(x-x_3)}^2+\frac{f^2}{x_3^{\′2}+y_3^{\′2}}{(y-y_3)}^2-h^2=0.\end{array}\right.$

由于该非线性方程组是二次方程组，解算得到的坐标值有两组值。

步骤五、根据步骤三估计的接收端高度对步骤四求得的两组坐标值进行筛选，其中解算的一组坐标值中高度h与步骤三估算的h'更接近的坐标确定为接收端的空间位置。