CN105866736A - 一种基于光图案的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光图案的室内定位方法，包括以下步骤：(1)设置光图案发射装置；(2)对所述待定位目标的光信号进行检测；(3)定位所述待定位目标的位置，得到该待定位目标距扇叶旋转轴的距离ρ，以及该待定位目标相对基准线的偏转角度θ。本发明通过对光图案发射装置的组成及设置、以及相应的基于光图案的室内定位方法的测量参数等进行改进，与现有技术相比能够有效解决室内定位精度不高的问题，该室内定位方法可实现厘米级定位精度，并且定位目标数量多，定位范围广；此外，该室内定位方法对定位目标的硬件功能要求不高，可大大扩展应用范围。

Description

一种基于光图案的室内定位方法
技术领域
本发明属于IT信息技术领域，更具体地，涉及一种基于光图案的室内定位方法，该方法具有高的定位精度。
背景技术
室内定位往往需要较高的精度。现有的室内定位方法主要分两类：基于无线电信号的定位方法、以及基于光信号的定位方法。
基于无线电信号的定位方法，目前代表性的方案有：基于测距信息的定位方法、基于探测区域的定位方法、以及基于无线电地理分布先验知识的定位方法。这些方法的一个共同的缺点是：由于无线电信号易受环境影响，因而提供的定位参考不稳定，从而造成较低的定位精度。
基于光信号的定位方法，目前代表性的方案有：基于定位目标特定光学特征的定位方法、以及基于固定参考物特定光学特征的定位方法。其中，前者对定位目标的硬件功能有着特定要求，后者对固定参考物的部署有着特定要求，因此均造成了应用普及的障碍。此外，这些方法的定位规模(包括指定位目标的数量、以及定位范围大小等)较小，也限制了它们的应用范围。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于光图案的室内定位方法，其中通过对其关键的光图案发射装置的组成及设置、以及相应的基于光图案的室内定位方法的测量参数等进行改进，与现有技术相比能够有效解决室内定位精度不高的问题，该室内定位方法可实现厘米级定位精度，并且定位目标数量多，定位范围广；此外，该室内定位方法对定位目标的硬件功能要求不高，可大大扩展应用范围。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光图案的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置光图案发射装置：
该光图案发射装置包括光源、扇叶和电机，其中，
所述扇叶与所述电机相连，该电机驱动所述扇叶使该扇叶绕扇叶的旋转轴匀速旋转；所述扇叶的旋转轴所在直线经过该光源的中心，并且该旋转轴垂直于地面；该光源发出的光被所述扇叶遮挡在地面上形成阴影，该阴影随所述扇叶作周期性旋转形成周期性光图案；在被所述阴影周期性覆盖的地面区域上，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，距所述扇叶旋转轴距离不同的所述地面区域上的点因所述周期性光图案而保持被所述阴影覆盖的持续时间不同；待定位目标位于地面上，并被所述阴影周期性覆盖；
该光源周期性闪烁，所述周期性闪烁的周期与所述扇叶旋转的周期相同；
(2)对所述待定位目标的光信号进行检测：
通过光敏传感器对该待定位目标接收到的光信号强度进行检测；在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，当所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述光源的周期性闪烁发生变化时，记该时刻为基准时刻，并记在该基准时刻下经过所述扇叶上任意两点的直线在所述地面上的投影为基准线，经过所述扇叶上任意两点的所述直线与所述旋转轴所在的直线两者相交且不重合；
(3)定位所述待定位目标的位置：
根据所述光敏传感器检测到的光信号强度随所述周期性光图案发生的变化，判断该待定位目标距所述扇叶旋转轴的距离ρ，以及该待定位目标相对所述基准线的偏转角度θ。
作为本发明的进一步优选，记所述扇叶旋转的周期为T，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，记所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述周期性光图案而由强变弱的时刻为变化时刻，记该变化时刻滞后所述基准时刻的时间为T’，则该待定位目标相对所述基准线的角度θ满足：θ＝2πT’/T。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于光图案的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置光图案发射装置：
该光图案发射装置包括光源、扇叶和电机，其中，
所述扇叶优选为菱形，该菱形所在平面与地面平行，记该菱形的长对角线的长度为2×R，该菱形的短对角线的长度为D；
所述电机驱动所述扇叶使该扇叶匀速旋转，该光源的中心与所述扇叶的中心的连线垂直于地面，该光源发出的光被所述扇叶遮挡在地面上形成阴影，该阴影随所述扇叶作周期性旋转形成周期性光图案；待定位目标位于地面上，被所述阴影周期性覆盖；
该光源周期性闪烁，所述周期性闪烁的周期与所述扇叶旋转的周期相同；
(2)对所述待定位目标的光信号进行检测：
通过光敏传感器对该待定位目标接收到的光信号强度进行检测；在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，当所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述光源的周期性闪烁发生变化时，记该时刻为基准时刻，并记在该基准时刻下的所述扇叶的菱形长对角线在所述地面上的投影所在直线为基准线；
(3)定位所述待定位目标的位置：
根据所述光敏传感器检测到的光信号强度随所述周期性光图案发生的变化，判断该待定位目标距所述光源中心与所述扇叶中心两者连线的距离ρ，以及该待定位目标相对所述基准线的偏转角度θ。
作为本发明的进一步优选，记所述扇叶旋转的周期为T，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述周期性光图案而保持弱光强的持续时间为τ，则该待定位目标距所述光源中心与所述扇叶中心两者连线的距离ρ满足：ρ＝R(1-2πτ/T/D)*h/H，其中，h为所述光源的中心到所述扇叶中心的距离，H为所述光源的中心到所述地面的距离。
作为本发明的进一步优选，记所述扇叶旋转的周期为T，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，记所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述周期性光图案而由强变弱的时刻为变化时刻，记该变化时刻滞后所述基准时刻的时间为T’，则该待定位目标相对所述基准线的角度θ满足：θ＝2πT’/T。
作为本发明的进一步优选，所述光源为LED点光源。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于通过部署能产生具有特定规律的动态光图案的装置，让多个仅需光敏传感器的待定位目标实现高精度的自定位。因此，该基于光图案的室内定位方法具有定位精度高、定位结果稳定、部署成本低、待定位目标硬件要求简单、能同时定位的目标数量多、定位范围易扩展等优点。
本发明利用特定形状的扇叶旋转，来造成定位区域的投影按照特定规律进行变化，即产生动态的光图案；定位目标通过检测光图案的变化规律来判断离旋转投影轴心的距离，进而根据光源亮灭(即闪烁)产生的旋转相位指示信息判断相对于旋转投影轴心的方向，从而确定自身位置。
附图说明
图1是一种产生简单光图案的发射装置及其在地面投影的光图案示例；
图2是光敏传感器检测到的因扇叶周期性遮挡光源而造成的光强变化示例。
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楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种基于光图案的室内定位方法，包括以下步骤：
(1)设置光图案发射装置：
该光图案发射装置包括光源、扇叶和电机，其中，
扇叶与电机相连，该电机驱动扇叶使该扇叶绕扇叶的旋转轴匀速旋转；扇叶的旋转轴所在直线经过该光源的中心，并且该旋转轴垂直于地面；该光源发出的光被扇叶遮挡在地面上形成阴影，该阴影随扇叶作周期性旋转形成周期性光图案；在被阴影周期性覆盖的地面区域上，在扇叶旋转的一个周期的时间内，距扇叶旋转轴距离不同的地面区域上的点因周期性光图案而保持被阴影覆盖的持续时间不同；待定位目标位于地面上，并被阴影周期性覆盖；
该光源周期性闪烁，周期性闪烁的周期与扇叶旋转的周期相同(如图2所示)；
(2)对待定位目标的光信号进行检测：
通过光敏传感器对该待定位目标接收到的光信号强度进行检测；在扇叶旋转的一个周期的时间内，当光敏传感器检测到光信号强度由于光源的周期性闪烁发生变化时，记该时刻为基准时刻，并记在该基准时刻下经过扇叶上任意两点的直线在地面上的投影为基准线，经过扇叶上任意两点的直线与旋转轴所在的直线两者相交且不重合；
(3)定位待定位目标的位置：
根据光敏传感器检测到的光信号强度随周期性光图案发生的变化，判断该待定位目标距扇叶旋转轴的距离ρ，以及该待定位目标相对基准线的偏转角度θ。
记扇叶旋转的周期为T，在扇叶旋转的一个周期的时间内，记光敏传感器检测到光信号强度由于周期性光图案而由强变弱的时刻为变化时刻，记该变化时刻滞后基准时刻的时间为T’，则该待定位目标相对基准线的角度θ满足：θ＝2πT’/T。
实施例2
以菱形扇叶为例，图1所示为基于简单三角形双扇叶的光图案发射装置，三角形扇叶的底为D，高为R。该光图案发射装置中的扇叶以恒定速率旋转，在地面上投影出周期性的光图案。此外，光图案发射装置在扇叶每次转到特定方向时，控制光源按一定规律进行亮灭操作若干次，作为扇叶旋转至参考方向时的指示。
处在地面上某处的待定位目标，通过其光敏传感器，检测到因扇叶周期性遮挡光源、以及光源亮灭而造成的光强变化规律，如图2所示。
接着，按以下步骤进行分析：
1)待定位目标提取因光源亮灭而造成的光强变化规律，确定扇叶旋转至参考方向时的时刻。
2)待定位目标通过检测因扇叶周期性遮挡光源而造成的光强变化的周期，计算扇叶旋转的角速度2π/T。待定位目标检测因单个扇叶(即，将菱形扇叶作为由两个三角形的扇叶组成，单个扇叶即其中的一个三角形扇叶)在当前周期内遮挡光源而造成光强变弱的持续时间τ。根据扇叶旋转的角速度，在待定位目标平面上，计算得到扇叶上遮挡该待定位目标的部位的弧线长度(可近似为宽度)为2πτ/T。待定位目标根据扇叶形状以及2πτ/T，判断扇叶上遮挡该待定位目标的部位到扇叶中心距离r。由于本例中扇叶为简单的三角形，因此r＝R(1-2πτ/T/D)。进一步，待定位目标根据点光源到扇叶中心距离h以及点光源到地面距离H，可得到待定位目标离旋转投影轴心的距离ρ＝r*h/H＝R(1-2πτ/T/D)*h/H。
上述公式的推导过程如下：将扇叶上遮挡该待定位目标的部位的弧线长度2πτ/T近似为宽度，该宽度与扇叶短对角线长度之比(即2πτ/T/D)，等于扇叶遮挡部位离扇叶长对角线末端距离除以扇叶中心到长对角线末端距离R。因此，扇叶遮挡部位离扇叶长对角线末端距离＝R*2πτ/T/D。由此得到，扇叶中心到扇叶遮挡部位的距离r＝R-R*2πτ/T/D＝R(1-2πτ/T/D)。设点光源离扇叶中心距离为h，点光源离地面距离为H，则待定位目标离旋转投影轴心的距离为ρ＝r*h/H＝R(1-2πτ/T/D)*h/H
3)待定位目标判断参考方向时刻在因扇叶周期性遮挡光源而造成的光强变化的周期信号上的位置，由此计算扇叶每周期开始遮挡待定位目标的时刻相对于参考方向时刻滞后的时间T’，根据T’/T计算待定位目标相对于投影轴心的方向与参考方向的夹角θ，如图1所示。待定位目标的位置由以投影轴心为原点的极坐标(ρ，θ)＝(R(1-2πτ/T/D)*h/H，2πT’/T)确定。
为确保精度，本发明中的光源为点光源，一般采用单个LED灯，光源的功率不低于1W。点光源离地面高度决定地面检测光图案的圆形范围。该范围的半径，即ρmax＝R*h/H，这里的R相当于扇叶的等效最长半径，其中，R/h一般小于2。菱形扇叶的短对角线长度决定点光源正下方地面不可检测范围，须小于扇叶下小型电机的直径。光周期性变化的周期T不高于40ms，即电机转速不低于25转/秒。电机转速的取值优选为50的非整数倍值(如果该装置在其它地区使用，由于当地交流电频率可能存在差异，电机的转速(r/s)应避免为当地交流电频率(Hz)的整数倍值)。待测目标光强为弱光强的持续时间τ不低于待定位目标上光敏传感器采样间隔的2倍。
本发明中的扇叶，还可以是三角形、椭圆形等形状，本发明中的光源闪烁也可以是光强由正常强度变得光强更强的情形。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光图案的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置光图案发射装置：
该光图案发射装置包括光源、扇叶和电机，其中，
所述扇叶与所述电机相连，该电机驱动所述扇叶使该扇叶绕扇叶的旋转轴匀速旋转；所述扇叶的旋转轴所在直线经过该光源的中心，并且该旋转轴垂直于地面；该光源发出的光被所述扇叶遮挡在地面上形成阴影，该阴影随所述扇叶作周期性旋转形成周期性光图案；在被所述阴影周期性覆盖的地面区域上，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，距所述扇叶旋转轴距离不同的所述地面区域上的点因所述周期性光图案而保持被所述阴影覆盖的持续时间不同；待定位目标位于地面上，并被所述阴影周期性覆盖；
该光源周期性闪烁，所述周期性闪烁的周期与所述扇叶旋转的周期相同；
(2)对所述待定位目标的光信号进行检测：
通过光敏传感器对该待定位目标接收到的光信号强度进行检测；在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，当所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述光源的周期性闪烁发生变化时，记该时刻为基准时刻，并记在该基准时刻下经过所述扇叶上任意两点的直线在所述地面上的投影为基准线，经过所述扇叶上任意两点的所述直线与所述旋转轴所在的直线两者相交且不重合；
(3)定位所述待定位目标的位置：
根据所述光敏传感器检测到的光信号强度随所述周期性光图案发生的变化，判断该待定位目标距所述扇叶旋转轴的距离ρ，以及该待定位目标相对所述基准线的偏转角度θ。
2.如权利要求1所述基于光图案的室内定位方法，其特征在于，记所述扇叶旋转的周期为T，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，记所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述周期性光图案而由强变弱的时刻为变化时刻，记该变化时刻滞后所述基准时刻的时间为T’，则该待定位目标相对所述基准线的角度θ满足：θ＝2πT’/T。
3.一种基于光图案的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置光图案发射装置：
该光图案发射装置包括光源、扇叶和电机，其中，
所述扇叶优选为菱形，该菱形所在平面与地面平行，记该菱形的长对角线的长度为2×R，该菱形的短对角线的长度为D；
所述电机驱动所述扇叶使该扇叶匀速旋转，该光源的中心与所述扇叶的中心的连线垂直于地面，该光源发出的光被所述扇叶遮挡在地面上形成阴影，该阴影随所述扇叶作周期性旋转形成周期性光图案；待定位目标位于地面上，被所述阴影周期性覆盖；
该光源周期性闪烁，所述周期性闪烁的周期与所述扇叶旋转的周期相同；
(2)对所述待定位目标的光信号进行检测：
通过光敏传感器对该待定位目标接收到的光信号强度进行检测；在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，当所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述光源的周期性闪烁发生变化时，记该时刻为基准时刻，并记在该基准时刻下的所述扇叶的菱形长对角线在所述地面上的投影所在直线为基准线；
(3)定位所述待定位目标的位置：
根据所述光敏传感器检测到的光信号强度随所述周期性光图案发生的变化，判断该待定位目标距所述光源中心与所述扇叶中心两者连线的距离ρ，以及该待定位目标相对所述基准线的偏转角度θ。
4.如权利要求3所述基于光图案的室内定位方法，其特征在于，记所述扇叶旋转的周期为T，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述周期性光图案而保持弱光强的持续时间为τ，则该待定位目标距所述光源中心与所述扇叶中心两者连线的距离ρ满足：ρ＝R(1-2πτ/T/D)×h/H，其中，h为所述光源的中心到所述扇叶中心的距离，H为所述光源的中心到所述地面的距离。
5.如权利要求3-4任意一项所述基于光图案的室内定位方法，其特征在于，记所述扇叶旋转的周期为T，在所述扇叶旋转的一个周期的时间内，记所述光敏传感器检测到光信号强度由于所述周期性光图案而由强变弱的时刻为变化时刻，记该变化时刻滞后所述基准时刻的时间为T’，则该待定位目标相对所述基准线的角度θ满足：θ＝2πT’/T。
6.如权利要求3-5任意一项所述基于光图案的室内定位方法，其特征在于，所述光源为LED点光源。
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