CN105548964A - 一种基于光源成像的室内可见光定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其中发射端在满足照明要求的同时，为成像定位系统提供参考点；接收端包括成像探测器、角度识别模块及成像定位算法处理模块，采集光源图像，结合加速度计、地磁探测器和陀螺仪对探测器自身的角度进行探测，并获取接收端在三维空间直角坐标系中的方位角、俯仰角和滚转角；再根据成像定位算法处理模块中的成像定位算法，利用光源实际大小和像面上光源投影大小的比例计算移动端高度；将光源抽象为多个定位参考点，并在像面的光源投影上获取对应的投影点；再基于相似三角形和几何光学的原理列出定位方程组，最后用数值方法解出最小二乘解，完成定位小区内部的高精度室内定位。

Description

一种基于光源成像的室内可见光定位方法

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，尤其涉及一种基于光源成像的室内可见光定位方法，属于可见光通信技术领域。

背景技术

随着网络技术的迅速发展和人们对基于位置服务需求的不断增长，室内定位技术的重要性和潜在市场不断增加。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。因此，逐渐出现了一系列基于Wi-Fi、蓝牙、超声、红外和超宽带原理的室内定位系统。但是由于定位精度和成本的限制，这些定位方法并未得到广泛应用。随着材料技术的进步，以LED为代表的照明光源以其高发光效率、低能耗、低成本、高显色性和环境友好等优势逐渐得到普及。与此同时，相对于传统照明光源，LED光源具有较高的调制带宽，为基于可见光的通信和定位技术提供了器件支持。

与广为使用的GPS定位相比，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。与基于Wi-Fi和蓝牙的定位技术相比，可见光定位技术具有受多径效应和其他设备干扰的影响远小于射频信号。因此其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。

近年来，随着室内可见光定位技术不断发展，出现了多种原理的可见光定位系统和专利。在这些室内可见光定位系统中，接收端的探测器可分为两类，即高速光电探测器(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”)和成像探测器。对于大多数个人智能移动设备来说，并不配置高速光电探测器，在定位时需要加装额外的附件；因此基于成像探测器的定位方法更易实用。当前，基于成像探测器的定位方法(如专利“基于可见光的室内定位方法、装置和系统以及光源”)均将每个光源视为一个整体，并未充分利用单个光源包含的丰富的定位信息，因此精度受到一定限制。

发明内容

本发明的目的在于解决目前室内定位接收设备成本和定位精度之间存在的矛盾，提供一种基于光源成像的室内可见光定位方法。

其技术解决方案是：一种基于光源成像的室内可见光定位方法所依托的一种基于光源成像的室内可见光定位系统，包含发射端和接收端两个部分，其中发射端在满足照明要求的同时，为成像定位系统提供参考点；接收端包括成像探测器、角度识别模块和成像定位算法处理模块，根据其采集到的光源图像和接收端自身的角度信息进行解算，并最终对其自身进行定位。

对于每个定位小区，上述发射端仅具有一个。在实际使用时通过不同小区的组合对室内环境进行覆盖。每个发射端均由电源模块、光源驱动模块、光源三部分组成。

所述的电源模块使用的是交流转直流电路，其主要功能是将市电转化为光源驱动模块所需要的直流电压；为光源驱动模块提供电源。

所述的光源驱动模块为其对应的光源提供恰当的驱动电流，使其发出满足室内照明要求的可见光。

所述的成像探测器主要用来采集图像，为基于光源成像的成像定位算法提供原始图像数据；

所述的角度识别模块集成在接收端内部，结合加速度计、地磁探测器和陀螺仪对探测器自身的角度进行探测，并获取接收端在三维空间直角坐标系中的方位角、俯仰角和滚转角。

所述的成像定位算法处理模块中的成像定位算法，主要是利用光源实际大小和像面上光源投影大小的比例计算移动端高度；同时将光源抽象为多个定位参考点，并在像面的光源投影上获取对应的投影点；再利用基于相似三角形和几何光学的原理列出定位方程组，最后用数值方法解出最小二乘解，完成对接收端的定位。具体步骤如下：

步骤一、根据光源的特征对将光源抽象成N个定位参考点(N为大于等于3的整数)，假设每个参考点的空间坐标为(x_i,y_i,z)i∈[1,2,...,N]。由于在同一光源中，各参考点的z坐标相等；

步骤二、在定位小区内部利用成像探测器对进行图像采集，获取光源在像面上的投影图像；

步骤三、利用角度识别模块获取接收端的方位角、俯仰角和滚转角；

步骤四、利用接收端的方位角、俯仰角和滚转角对采集到的图像进行重建，使重建的图像近似于接收端在方位角、俯仰角和滚转角均等于0时所采集的图像，重建公式如下：

其中(x'_重建,y'_重建)为重建后图像中光源光斑中各个像素点的坐标，(x'_采集,y'_采集)为采集的图像中光源光斑中各个像素点的坐标，α,β,γ分别为接收端的方位角、俯仰角和滚转角。

步骤五、根据重建的图像，对重建图像中光源的投影进行参考点对应投影点的选取，使得在光源投影上选取的投影点与之前在光源上选取的参考点一一对应。假设各投影点在以像面中心为原点，像面两边为坐标轴的二维直角坐标系中的坐标分别为(x'_i,y'_i)i∈[1,2,...,N]，其下标与参考点坐标的下标一一对应。

步骤六、根据光源大小与重建图像中其对应投影大小的比例以及成像探测器焦距，计算接收端的高度为：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，比例k是光源的真实直径与其在成像探测器上投影的直径之比；

步骤七、根据上述步骤五和步骤六中获得的坐标和高度值，列出如下的定位方程组：

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

步骤八、对步骤七的上述方程组求最小二乘解，可得接收端的空间坐标为(x,y,z-h)，定位完成。

有益效果

本发明一种基于光源成像的室内可见光定位方法，同现有技术“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)利用在移动设备和固定设备上广泛使用的成像探测器和角度识别模块作为接收器件，不需要对设备本身进行改造或者添加额外的附件；

2)在实现高精度室内定位的同时，小区内只需要一个发射端，降低了设备的密度和成本。

附图说明

图1为本发明一种基于光源成像的室内可见光定位方法及其实施例中的流程图；

图2为本发明实施例1中发射端的原理框图；

图3为本发明实施例1的定位算法流程图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图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

结合图1，图2，图3，一种基于光源成像的室内可见光定位方法，包含发射端和接收端两个部分，其中发射端在满足照明要求的同时，为成像定位系统提供参考点；接收端包括成像探测器角度识别模块和成像定位算法处理模块，根据其采集到的光源图像和接收端自身的角度信息进行解算，并最终对其自身进行定位。

图1中所描述的本发明一种基于光源成像的室内可见光定位系统的原理示意框图，其主要特征是包括发射端和接收端两部分。

图2所描述的是本实施例中的一种基于光源成像的室内可见光定位系统的发射端原理框图。其中，每个定位小区仅具有一个发射端。对于每个发射端而言，都可以分为201电源模块，202LED驱动电路，203LED芯片和204匀光灯罩4个部分；其中，所述的201电源模块直接连接220V市电，将交流电转换为LED驱动电路所需要的36V直流电压；所述的202LED驱动电路采用德州仪器的LM3402芯片为核心，将来自电源的驱动电压转化为驱动电流，并以此来驱动LED；所述的203LED芯片为经过串并联的多个白光LED芯片，将LED驱动电路输出的驱动电流转化为可见光，在提供照明的同时为定位系统提供参考点；所述的204匀光灯罩将多个LED芯片输出的可见光混合均匀，以保证照明光在空间的均匀发射。

在本实施例中，接收端采用具有摄像头、陀螺仪、加速度计和地磁探测器的手机。利用其前端或后端的彩色摄像头进行光源图像的采集，并利用陀螺仪、加速度计和地磁探测器对手机的角度进行探测。之后，成像定位算法将图像和角度数据上传至云端。处理完成之后，将定位结果传回手机，同时通过软件的形式显示在手机屏幕上。

图3所描述的是本发明及实施例中一种基于光源成像的室内可见光定位算法流程图。所述的成像定位算法利用了图像重建、几何光学和非线性方程组求解的原理，具体步骤为：

步骤一、根据光源的特征对将光源抽象成5个定位参考点，假设每个参考点的空间坐标为(x_i,y_i,z)i∈[1,2,...,5]。由于在同一光源中，各参考点的z坐标相等；

步骤二、在定位小区内部利用成像探测器对进行图像采集，获取光源在像面上的投影图像；

步骤三、利用角度识别模块获取接收端的方位角、俯仰角和滚转角；

步骤四、利用接收端的方位角、俯仰角和滚转角对采集到的图像进行重建，使重建的图像近似于接收端在方位角、俯仰角和滚转角均等于0时所采集的图像，重建公式如下：

其中(x'_重建,y'_重建)为重建后图像中光源光斑中各个像素点的坐标，(x'_采集,y'_采集)为采集的图像中光源光斑中各个像素点的坐标，α,β,γ分别为接收端的方位角、俯仰角和滚转角。

步骤五、根据重建的图像，对重建图像中光源的投影进行参考点对应投影点的选取，使得在光源投影上选取的投影点与之前在光源上选取的参考点一一对应。假设各投影点在以像面中心为原点，像面两边为坐标轴的二维直角坐标系中的坐标分别为(x'_i,y'_i)i∈[1,2,...,5]，其下标与参考点坐标的下标一一对应。

步骤六、根据光源大小与重建图像中其对应投影大小的比例以及成像探测器焦距，计算接收端的高度为：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，比例k是光源的真实直径与其在成像探测器上投影的直径之比；

步骤七、根据上述步骤获得的坐标和高度值，列出定位方程组

$\left\{\begin{array}{c}\frac{f^2}{x_1^{\′2}+y_1^{\′2}}{(x-x_1)}^2+\frac{f^2}{x_1^{\′2}+y_1^{\′2}}{(y-y_1)}^2-h^2=0,\\ \frac{f^2}{x_2^{\′2}+y_2^{\′2}}{(x-x_2)}^2+\frac{f^2}{x_2^{\′2}+y_2^{\′2}}{(y-y_2)}^2-h^2=0,\\ \mathrm{...}\\ \frac{f^2}{x_5^{\′2}+y_5^{\′2}}{(x-x_5)}^2+\frac{f^2}{x_5^{\′2}+y_5^{\′2}}{(y-y_5)}^2-h^2=0.\end{array}\right.$

步骤八、对上述方程组求最小二乘解，可得接收端的空间坐标为(x,y,z-h)，定位完成。

在本实施例中，直接利用了手机中所具有的成像探测器与角度探测器，不需要额外附加其它附件。和需要在接收端外接光电二极管的定位系统相比，成本较低，使用方便。

在本实施例中，一个定位小区里仅需要一个参考光源，与其他方法相比，在实现高精度室内定位的同时降低了小区内参考光源的密度，因此成本更低。具体对比如下：

定位方法	小区内光源个数
		基于三角测量的定位方法	至少三个
基于成像的定位方法	至少三个
		本实施例中的定位方法	一个

实施例2

将实施例1中的手机改成平板电脑，智能眼镜或其他具有成像探测器和角度探测器的移动设备或固定设备，该定位方法依然有效。

实施例3

将实施例1中的LED改成其他光源如OLED，该定位方法依然有效。

实施例4

将多个实施例1中的发射端利用组网的方法对特定场景实现定位小区的覆盖，该定位方法依然有效。

为了更好地理解本发明，对有关内容补充说明如下：

关于角度识别模块：本设计中，将陀螺仪、加速度计和和地磁探测器等具有角度探测能力传感器的输出数据融合，共同获得移动设备的方位角、俯仰角和滚转角。

关于定位小区：本设计主要针对的是单个定位小区内部的成像定位技术，在单个小区内仅有一个光源。利用现有的组网技术把多个定位小区布设到不同的场景中，即可实现定位服务的覆盖。

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 (8)

1.一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

本方法所依托的一种基于光源成像的室内可见光定位系统，包含发射端和接收端两个部分，其中发射端在满足照明要求的同时，为成像定位系统提供参考点；接收端包括成像探测器、角度识别模块和成像定位算法处理模块，根据其采集到的光源图像和接收端自身的角度信息进行解算，并最终对其自身进行定位。

2.如权利要求1所述的一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

对于每个定位小区，本方法所依托的一种基于光源成像的室内可见光定位系统的发射端仅具有一个，在实际使用时通过不同小区的组合对室内环境进行覆盖；

所述的发射端由电源模块、光源驱动模块、光源三部分组成；

所述的电源模块使用的是交流转直流电路，其主要功能是将市电转化为光源驱动模块所需要的直流电压；为光源驱动模块提供电源；

所述的光源驱动模块为其对应的光源提供恰当的驱动电流，使其发出满足室内照明要求的可见光。

3.如权利要求1所述的一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

所述的成像探测器主要用来采集图像，为基于光源成像的成像定位算法提供原始图像数据；

所述的角度识别模块集成在接收端内部，结合加速度计、地磁探测器和陀螺仪对探测器自身的角度进行探测，并获取接收端在三维空间直角坐标系中的方位角、俯仰角和滚转角。

所述的成像定位算法处理模块中的成像定位算法，主要是利用光源实际大小和像面上光源投影大小的比例计算移动端高度；同时将光源抽象为多个定位参考点，并在像面的光源投影上获取对应的投影点；再利用基于相似三角形和几何光学的原理列出定位方程组，最后用数值方法解出最小二乘解，完成对接收端的定位。

4.如权利要求3所述的一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

所述的成像定位算法处理模块中的成像定位算法，主要步骤如下：

步骤一、根据光源的特征对将光源抽象成N个定位参考点，假设每个参考点的空间坐标为(x_i,y_i,z)i∈[1,2,…,N]。由于在同一光源中，各参考点的z坐标相等；

步骤二、在定位小区内部利用成像探测器对进行图像采集，获取光源在像面上的投影图像；

步骤三、利用角度识别模块获取接收端的方位角、俯仰角和滚转角；

步骤四、利用接收端的方位角、俯仰角和滚转角对采集到的图像进行重建，使重建的图像近似于接收端在方位角、俯仰角和滚转角均等于0时所采集的图像；

步骤五、根据重建的图像，对重建图像中光源的投影进行参考点对应投影点的选取，使得在光源投影上选取的投影点与之前在光源上选取的参考点一一对应；

步骤六、根据光源大小与重建图像中其对应投影大小的比例以及成像探测器焦距，计算接收端的高度；

步骤七、根据上述步骤五和步骤六中获得的坐标和高度值，列出定位方程组；

步骤八、对步骤七的上述方程组求最小二乘解，可得接收端的空间坐标；

至此，从步骤一到步骤八完成了一种基于光源成像的室内可见光定位。

5.如权利要求4所述的一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

步骤四中所采集的重建图像的重建公式如下：

其中(x'_重建,y'_重建)为重建后图像中光源光斑中各个像素点的坐标，(x'_采集,y'_采集)为采集的图像中光源光斑中各个像素点的坐标，α,β,γ分别为接收端的方位角、俯仰角和滚转角。

6.如权利要求4所述的一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

步骤五中在光源投影上选取的各投影点在以像面中心为原点，像面两边为坐标轴的二维直角坐标系中的坐标分别为(x′_i,y'_i)i∈[1,2,…,N]，其下标与参考点坐标的下标一一对应。

7.如权利要求4所述的一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

步骤六中计算接收端的高度为：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，比例k是光源的真实直径与其在成像探测器上投影的直径之比。

8.如权利要求4所述的一种基于光源成像的室内可见光定位方法，其特征在于：

步骤七中列出的定位方程组如下：

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