CN105824008B - 一种针对多个特征光源的室内定位系统和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内定位领域，具体涉及一种针对多个特征光源的室内定位系统和定位方法。所述的定位为三维空间定位。本发明系统包括采光装置、通讯模块和处理器这三个组成部分，本发明方法包括装置布置、信息录入、信号采集和位置计算这四个步骤。相比传统的室内定位系统，本发明提供的室内定位技术具有精度高、成本低，实时性好等明显优点。

Description

一种针对多个特征光源的室内定位系统和定位方法

技术领域

本发明涉及室内定位领域，具体涉及一种针对多个特征光源的高精度室内定位系统及相应的方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的进步，定位技术也备受关注且发展迅速。当今，基于GPS的室外定位技术已经非常成熟并开始被广泛使用，但是作为定位技术的末端，室内定位技术发展一直相对缓慢。现有的室内定位技术或是通过红外线、超声波等手段对室内物体的位置和运动进行感知，或是通过Wi-Fi、蓝牙或ZigBee等无线通讯手段和待测物体进行数据交互。前者所采用的技术手段能实现较高的精确度，但是也大大增加了室内布局的复杂程度，且成本高，穿透性、抗干扰性差；后者虽然降低了成本，具备一定的穿透能力，但是精确度也随之下降。

发明内容

本发明的目的在于针对现有室内定位技术的不足，提供一种针对多个特征光源的室内定位系统，并给出基于该系统实现室内定位的方法。本发明所述的室内定位系统能够针对室内多个光源实现基于角度的高精度三维空间定位，且部署简单、功耗小、成本低，实时性好。

本发明采用的技术方案如下：一种针对多个特征光源的室内定位系统，所述的定位为三维空间定位，所述的多个特征光源指频率和/或编码有所区别的多个光源，该系统包括采光装置、通讯模块和处理器，其中：

所述的采光装置用于采集室内各个特征光源发出的光，记录其频率、编码和入射角，传递至通讯模块；

所述的通讯模块用于接收采光装置传递来的信息，再通过有线或无线方式传递给处理器；

所述的处理器用于记录各个特征光源的频率和编码以及各个采光装置的精确位置，再根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码和入射角，计算出各个特征光源的位置，实现室内定位。

所述的采光装置为能获知光线入射角度的光传感器，即在采集光信号的同时能够记录或者计算出该光线的入射角。作为优选，采光装置可以为球形采光装置，小孔采光装置或摄像头。

所述的球形采光装置由球形支架、多根光纤和数据传输模块组成，所述的多根光纤中的每一根光纤一端以垂直于球形支架表面的角度嵌入球形支架，交点称为采光点，另一端引至数据传输模块；所述的采光点对光的入射角有所限制，用于采集特定角度入射的特征光源发出的光信号并通过光纤传输至数据传输模块，所述的数据传输模块将采集到的光信号频率、编码和采集到该光信号的采光点位置通过有线或无线方式传输给处理器。处理器即可根据各个光信号的采光点的位置确定出其入射角。

所述的小孔采光装置由带孔外壳、感光板和数据传输模块组成，所述的带孔外壳为一刚性柱体外壳，上底有一小孔，下底和感光板结合，感光板具有感光能力的一面朝向小孔，感光板和小孔之间的垂直距离已知(即带孔外壳上底和下底之间的距离减去感光板厚度)且记录在处理器内；所述的感光板表面密布精密感光元件，能精确感知入射感光板的光信号的特征以及在感光板上的位置；所述的数据传输模块将采集到的光信号的特征和在感光板上的位置通过有线或无线方式传输给处理器。处理器即可根据各个光信号在感光板上的位置确定出其入射角。

针对每个特征光源，能采集到其发出的光信号的采光装置应至少为2个，以保证后续计算可以进行。同时，也可以通过布置更广范围、更多数量的采光装置以提高针对多个特征光源的室内定位精度。

所述的处理器为至少一台具有光电信号转换和数据处理能力的终端。即，所述的处理器既可以是一台具有光电信号转换和数据处理能力的终端，如一台配有CCD的笔记本电脑；也可以是多台分别具有光电信号转换能力和数据处理能力的终端的组合，如一个光电信号转换器和与一部之能够通讯的智能手机的组合。作为优选，所述的处理器可以是一台移动智能终端。

本发明还提供一种基于上述系统的室内定位方法，所述的定位为三维空间定位，包括以下步骤：

(1)装置布置：在所需室内定位的场所布置采光装置；

(2)信息录入：将各个特征光源的频率和编码，以及步骤(1)中所布置的各个采光装置的位置录入处理器；

(3)信号采集：打开所需定位的特征光源使其发光，采光装置采集光信息并通过通讯模块传递至处理器；

(4)位置计算：处理器根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码和入射角，计算出各个特征光源的位置，从而实现室内定位。

所述的步骤(1)中，布置采光装置时应根据室内的具体布置情况，使每个特征光源所发出的光都能被至少2个采光装置所采集到，以保证室内定位的效果。所述的多个特征光源指频率和/或编码有所区别的多个光源。当其频率有所区别时，特征光源发出的光的频率互不相同，体现为可见光的不同颜色；当其编码有所区别时，特征光源发出的光的编码互不相同，体现为光按照不同明暗间歇闪烁，该闪烁频率较高因此人的肉眼无法识别，但是可以被具备光电信号转换和数据处理能力处理器所识别。特别地，如果仅需对一个光源进行室内定位，则对其频率和编码无任何要求。

所述的步骤(2)中，将信息录入处理器的具体方式可以根据实际场景来确定，包括但不限于手动录入、远程下载、二维码扫描、NFC近场通讯等方式。所述的各个特征光源的特征可以按照“光源编号-光源频率-光源编码”这样的格式记录在处理器内。

所述的步骤(4)中，处理器首先根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码区分出不同的特征光源，针对每个特征光源，根据采集到该光源发出的光信号的采光装置的位置和光信号的入射角计算出该特征光源的位置。具体地，当一特征光源的光信号被N个采光装置采集到(N≥2)，从这N个采光装置中选取2个，则这两个采光装置和该特征光源在空间构成一个三角形，如图5所示。根据2个采光装置的位置关系和光信号的入射角，可以换算出图中角α和β的大小以及线段L的长度，则该三角形另外2条边的长度可以由正弦定理求得：

即唯一确定了光源的位置。

为了提高计算的精度，可以在这N个采光装置中再另取2个进行类似计算，将所有计算的结果聚类以作为该光源的最终定位结果。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的室内定位系统和方法能够针对室内多个光源实现基于角度的三维空间定位，相比传统的室内定位技术，具有更高的精确度。

(2)本发明的室内定位系统仅需在现有的室内部署上增加采光装置，并配置常规的通讯装置和处理器，部署简单、功耗小、成本低，具有广泛的应用前景。

(3)本发明的室内定位方法步骤简单，对处理器的数据处理能力要求低，无需复杂计算，定位过程实时性好。

附图说明

图1是本发明系统组成图。

图2是本发明系统中球形采光装置示意图。

图3是本发明系统中小孔采光装置示意图。

图4是本发明方法流程图。

图5是本发明方法位置计算步骤的辅助说明图。

具体实施方式

为了更详细地说明本发明的针对多个特征光源的室内定位系统和定位方法，下面以具体场景为例，结合附图详细说明本发明。本实施例中，所需定位的特征光源有2个，记为特征光源A和特征光源B，其具有相同的频率和不同的编码。

如图1所示，本发明的针对多个特征光源的室内定位系统，包括采光装置、通讯模块和处理器，其中：

所述的采光装置用于采集室内各个特征光源发出的光，记录其频率、编码和入射角，传递至通讯模块；

所述的通讯模块用于接收采光装置传递来的信息，再通过有线或无线方式传递给处理器；

所述的处理器用于记录各个特征光源的频率和编码以及各个采光装置的精确位置，再根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码和入射角，计算出各个特征光源的位置，实现室内定位。

本实施例中，采光装置采用球形采光装置，通讯模块采用光纤通讯，处理器采用一台配有CCD的PC机。所述的球形采光装置如图2所示，由球形支架、多根光纤和数据传输模块组成，所述的多根光纤中的每一根光纤一端以垂直于球形支架表面的角度嵌入球形支架，交点称为采光点，另一端引至数据传输模块；所述的采光点对光的入射角有所限制，用于采集特定角度入射的特征光源发出的光信号并通过光纤传输至数据传输模块，所述的数据传输模块将采集到的光信号频率、编码和采集到该光信号的采光点位置通过光纤传输给PC。PC即可根据各个光信号的采光点的位置确定出其入射角。

具体的室内定位流程如图4所示，包括以下4个步骤：

(1)装置布置：在所需室内定位的场所布置采光装置。针对特征光源A和特征光源B，能采集到其发出的光信号的采光装置均应至少为2个，以保证后续计算可以进行。本实施例中，布置了4个采光装置：采光装置a、采光装置b、采光装置c和采光装置d，其中采光装置a、采光装置b和采光装置c这三个采光装置能够接收特征光源A发出的光信号，采光装置c和采光装置d这两个采光装置能够接收特征光源B发出的光信号。

(2)信息录入：将特征光源A和特征光源B的频率和编码，以及步骤(1)中所布置的4个采光装置的位置录入PC。本实施例中采用手动录入的方式。

(3)信号采集：打开特征光源A和特征光源B使其发光，采光装置采集光信息并通过光纤传递至PC。

(4)位置计算：PC根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码和入射角，计算出各个特征光源的位置，从而实现室内定位。具体地，PC首先分析光纤所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码，区分出有2个频率相同而编码不同的特征光源，即A和B。针对特征光源A，有采光装置a、采光装置b、采光装置c这三个采光装置采集到了其发出的光信号。先在这3个采光装置中选取2个，如采光装置a和采光装置b，则采光装置a、采光装置b和特征光源A在空间构成一个三角形，如图5所示。根据2个采光装置的位置关系和光信号的入射球形采光装置的入射角，进行三维空间建模即可换算出图中角α和β的大小以及线段L的长度，则该三角形另外2条边的长度可以由正弦定理求得：

即通过采光装置a和采光装置b唯一确定了特征光源A的位置。同理，可以选取采光装置a和采光装置c，或采光装置b和采光装置c进行计算，对求取出的3个计算结果进行聚类，以得到精度更高的特征光源A的位置。之后，特征光源B的位置也可以用类似的方法确定。

本实施例中，采光装置还可以采用小孔采光装置。所述的小孔采光装置如图3所示，由带孔外壳、感光板和数据传输模块组成，所述的带孔外壳为一刚性柱体外壳，上底有一小孔，下底和感光板结合，感光板具有感光能力的一面朝向小孔，感光板和小孔之间的垂直距离已知(即带孔外壳上底和下底之间的距离减去感光板厚度)且记录在处理器内；所述的感光板表面密布精密感光元件，能精确感知入射感光板的光信号的特征以及在感光板上的位置；所述的数据传输模块将采集到的光信号的特征和在感光板上的位置通过光纤传输给处理器。处理器即可根据各个光信号在感光板上的位置确定出其入射角。后续的计算过程中，仅步骤(4)中空间建模的模型需要作相应的改动，其他步骤均一致。

对本领域的技术人员来说应理解，根据设计要求和其他因素可以进行各种修改、组合、自组合和变化，只要它们都落于所附权利要求及其等效方案所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种针对多个特征光源的室内定位系统，所述的定位为三维空间定位，所述的多个特征光源指频率和/或编码有所区别的多个光源，其特征在于，该系统包括采光装置、通讯模块和处理器，其中：

所述的采光装置用于采集室内各个特征光源发出的光，记录其频率、编码和入射角，传递至通讯模块；

所述的通讯模块用于接收采光装置传递来的信息，再通过有线或无线方式传递给处理器；

所述的处理器用于记录各个特征光源的频率和编码以及各个采光装置的精确位置，再根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码和入射角，计算出各个特征光源的位置，实现室内定位；

所述的采光装置为球形采光装置、小孔采光装置或摄像头；

所述的球形采光装置由球形支架、多根光纤和数据传输模块组成，所述的多根光纤中的每一根光纤一端以垂直于球形支架表面的角度嵌入球形支架，交点为采光点，另一端引至数据传输模块；所述的数据传输模块将采集到的光信号频率、编码和采集到该光信号的采光点位置传输给处理器；

所述的小孔采光装置由带孔外壳、感光板和数据传输模块组成，所述的带孔外壳为一刚性柱体外壳，上底有一小孔，下底和感光板结合，感光板具有感光能力的一面朝向小孔；所述的感光板表面密布感光元件；所述的数据传输模块将采集到的光信号的特征和在感光板上的位置传输给处理器；

所述的多个特征光源指频率和/或编码有所区别的多个光源；当频率有所区别时，特征光源发出的光的频率互不相同，体现为可见光的不同颜色；当编码有所区别时，特征光源发出的光的编码互不相同，体现为光按照不同明暗间歇闪烁，闪烁频率较高因此人的肉眼无法识别，但是能够被具备光电信号转换和数据处理能力的处理器所识别；如果仅需对一个光源进行室内定位，则对其频率和编码无任何要求。

2.根据权利要求1所述的一种针对多个特征光源的室内定位系统，其特征在于：所述的处理器为至少一台具有光电信号转换和数据处理能力的终端。

3.一种利用权利要求1所述的针对多个特征光源的室内定位系统的定位方法，其特征在于，该方法包括以下4个步骤：

(1)装置布置：在所需室内定位的场所布置采光装置；

(2)信息录入：将各个特征光源的频率和编码，以及步骤(1)中所布置的各个采光装置的位置录入处理器；

(3)信号采集：打开所需定位的特征光源使其发光，采光装置采集光信息并通过通讯模块传递至处理器；

(4)位置计算：处理器根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码和入射角，计算出各个特征光源的位置，从而实现室内定位。

4.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体为：根据室内的具体布置情况布置采光装置，使每个特征光源所发出的光都能被至少2个采光装置所采集到。

5.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，将信息录入处理器的方式为手动录入、远程下载、二维码扫描、NFC近场通讯。

6.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体为：处理器首先根据通讯模块所传递的各个采光装置所采集到的光的频率、编码区分出不同的特征光源，针对每个特征光源，根据采集到该光源发出的光信号的采光装置的位置和光信号的入射角计算出该特征光源的位置。