CN106441271A - 一种基于旋转光图案的室内三维空间定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转光图案的室内三维空间定位装置，该装置包括周期性闪烁光源和匀速旋转特定形状扇叶，扇叶所在平面与地面平行，光源中心和扇叶中心的连线垂直于地面，将多个装置部署在与地面平行的同一平面上，每个装置的扇叶旋转周期和光源闪烁周期均不同。本发明还提出了基于上述装置的三维空间定位方法，待定位目标通过光敏传感器检测不同光图案的变化规律来判断偏离扇叶旋转轴心竖直线的夹角和相对于各个扇叶中心线的方向夹角，再由光源的位置从而确定待定位目位置。本发明具有定位精度高、定位结果稳定、部署成本低、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。

Description

一种基于旋转光图案的室内三维空间定位方法和装置

技术领域

本发明属于光电信息技术领域，更具体地，涉及一种基于旋转光图案的室内三维空间定位方法和装置。

背景技术

提起定位导航，现在最普及的技术就是GPS卫星定位系统，中国也推出了自己的卫星定位系统北斗卫星定位系统。但是，卫星定位只能用在室外环境，一到室内，由于卫星信号衰减太快，卫星定位就无法使用。

室内三维定位通常对定位精度有着较高的要求。现有的室内三维定位方法主要基于图像识别方法，但是这种方法不仅需要很高的计算复杂度和相应的能量消耗，而且需要事先对环境的场景进行大量图片采集，以识别当前自身所处的位置。

此外，一些传统的室内平面定位方法，如利用无线电信号进行定位的方法，虽然也可以通过在三维空间部署锚节点的方式，实现对目标的三维坐标计算，然而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，从而造成这类方法的定位精度较低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于旋转光图案的室内三维空间定位方法和装置，其目的在于通过部署多个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，由此解决现有三维定位技术精度低、成本高、实现复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于旋转光图案的室内三维空间定位装置，该装置包括以下单元：

多个旋转光图案发射单元，位于所述室内顶部，用于在所处的位置下方形成特定的旋转光图案；每个旋转光图案发射单元都包含一个光源和一个特型扇叶：

所述特型扇叶由一片扇形叶片和一片三角形叶片组合而成，扇形叶片半径为R，三角形叶片为等腰三角形，其顶点到底边中点的距离为R，三角形底边宽度为D,扇形叶片的中线和三角形叶片的中线相连构成特型扇叶的中线，扇形叶片的顶点和三角形叶片底边的中点都位于特型扇叶的旋转轴心上；特型扇叶旋转速度恒定，旋转周期不变，不同旋转光图案发射单元的特型扇叶旋转周期均不相同；

所述光源位于特型扇叶单元的上方持续发光，光源中心与特型扇叶单元旋转轴心的连线垂直于地面；光源发出的光被特型扇叶遮挡形成投影空间，投影空间上任意一个平行于地面的平面上存在因特型扇叶遮挡而形成的阴影，该阴影随所述特型扇叶作周期性旋转形成周期性光图案；

待定位单元，待定位单元安装有光敏传感器，位于旋转光图案发射单元下方，用于通过光敏传感器检测接收到的光信号强度，在特型扇叶旋转一个周时间内，检测到的光信号强度随光源的周期性闪烁及特型扇叶对光源的遮挡而变化。

进一步地，所述光源在特型扇叶每次旋转到特定方向时有规律的闪烁数次，光源闪烁时刻记为参考时刻，参考时刻特性扇叶三角形顶点指向的方向为参考方向，通过提前部署使每个旋转光图案发射单元的参考方向一致。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于旋转光图案的室内三维空间定位方法，该方法包括以下步骤：

(1)在n个旋转光图案发射单元下，提取待定位单元检测到的光强度变化规律，由光强度变化规律确定参考时刻和特型扇叶遮挡待定位单元时刻，由此计算每个周期内，遮挡待定位单元的时刻相对于参考时刻滞后的时间T`<sub>i</sub>,i＝1,2,3,.n.；.,根据该时间与该发射装置特型扇叶的旋转周期T<sub>i</sub>,i＝1,2,3,...,n的比值，计算待定位单元相对于旋转轴心投影点的方向与参考方向的夹角θ<sub>i</sub>＝2πT`_i/T_i,i＝1,2,3,...,n；

(2)提取待定位单元检测到的光强度变化规律，由光强度变化规律确定三角形扇叶周期性遮挡光源而造成的光强周期性变弱的时长τ_i,i＝1,2,3,...,n，计算待定位单元到光源中心的连线与光源中心到水平面的垂直线之间的夹角α_i＝argtg[RT_iD/(T_iD+2πRτ_i)],i＝1,2,3,...,n；

(3)任取两个旋转光图案发射单元j和k，建立等式

htgα_j cosθ_j+htgα_k cos(π-θ_k)＝L_jk cosβ,j∈(1,2,3,...,n),k∈(1,2,3,...,n)，

其中，L_jk为旋转光图案发射单元j和k光源之间的距离，β为两个旋转光图案发射单元j和k光源中心的连线和参考方向之间的夹角，由此计算待定位单元所处水平面相对于光源所处的水平面之间的垂直高度为

旋转光图案发射单元j的光源在待定位单元所处平面有一个投影点，待定位单元相对于该投影点的极坐标为(htgα_j,θ_j)，由此确定待定位单元相对于旋转光图案发射单元j光源中心的三维空间位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：

本发明通过部署多个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。

附图说明

图1是一种产生旋转光图案的两个发射装置、及其在某水平面投影的光图案实施列；

图2是光敏传感器检测到的因发射装置1的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。

如图1所示，给出了两个旋转光图案发射单元，它们都位于所述室内顶部，用于在所处的位置下方形成特定的旋转光图案；每个旋转光图案发射单元都包含一个光源和一个特型扇叶。

特型扇叶由一片扇形叶片和一片三角形叶片组合而成，扇形叶片半径为R，三角形叶片为等腰三角形，其顶点到底边中点的距离为R，三角形底边宽度为D,扇形叶片的中线和三角形叶片的中线相连构成特型扇叶的中线，扇形叶片的顶点和三角形叶片底边的中点都位于特型扇叶的旋转轴心上；特型扇叶旋转速度恒定，旋转周期不变，不同旋转光图案发射单元的特型扇叶旋转周期均不相同。

光源位于特型扇叶单元的上方持续发光，光源中心与特型扇叶单元旋转轴心的连线垂直于地面；光源在特型扇叶遮挡下，会在某水平面上投影出周期性的光强变化图案，在已知扇叶转速下，由扇形叶片遮挡造成在水平面某处的光强变化的时长为恒定常数；而由三角形叶片遮挡造成在水平面某处的光强变化的时长与某处位置有关。

另外光源在特型扇叶每次旋转到特定方向时有规律的闪烁数次，光源闪烁时刻记为参考时刻，参考时刻特性扇叶三角形顶点指向的方向为参考方向，两个旋转光图案发射单元的参考方向一致。

处于两个旋转光图案发射单元下方某处的待定位单元，通过光敏传感器，检测到因两个发射装置的特型扇叶周期性遮挡光源、以及光源闪烁而造成的光强变化规律，如图2所示，根据光强变化规律按以下步骤定位待定位单元：

(1)在2个旋转光图案发射单元下，提取待定位单元检测到的光强度变化规律，由光强度变化规律确定参考时刻和特型扇叶遮挡待定位单元时刻，由此计算每个周期内，遮挡待定位单元的时刻相对于参考时刻滞后的时间T`<sub>1</sub>和T`₂；根据该时间与该发射装置特型扇叶的旋转周期T₁和T₂的比值，计算待定位单元相对于旋转轴心投影点的方向与参考方向的夹角θ₁＝2πT`<sub>1</sub>/T<sub>1</sub>和θ<sub>2</sub>＝2πT`₂/T₂；

(2)提取待定位单元检测到的光强度变化规律，由光强度变化规律确定三角形扇叶周期性遮挡光源而造成的光强周期性变弱的时长τ₁和τ₂，计算待定位单元到光源中心的连线与光源中心到水平面的垂直线之间的夹角α₁＝argtg[RT₁D/(T₁D+2πRτ₁)]和α₂＝argtg[RT₂D/(T₂D+2πRτ₂)]；

(3)待定位单元根据θ₁,θ₂,α₁,α₂，建立等式

htgα₁cosθ₁+htgα₂cos(π-θ₂)＝L₁₂cosβ,，

其中，L₁₂为两个旋转光图案发射单元光源之间的距离，β为两个旋转光图案发射单元的光源中心的连线和参考方向之间的夹角，此实施例中β＝0，由此计算待定位单元所处水平面相对于光源所处的水平面之间的垂直高度为

其中一个旋转光图案发射单元的光源在待定位单元所处平面有一个投影点，待定位单元相对于该投影点的极坐标为(htgα₁,θ₁)，由此可确定待定位单元相对于这个旋转光图案发射单元光源中心的三维空间位置。

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 (3)

1.一种基于旋转光图案的室内三维空间定位装置，其特征在于，该装置包括以下单元：

多个旋转光图案发射单元，位于所述室内顶部，用于在所处的位置下方形成特定的旋转光图案；每个旋转光图案发射单元都包含一个光源和一个特型扇叶：

所述特型扇叶由一片扇形叶片和一片三角形叶片组合而成，三角形叶片为等腰三角形，其底边长D，其顶点到底边中点的距离等于扇形叶片半径等于R，扇形叶片的中线和三角形叶片的中线相连构成特型扇叶的中线，扇形叶片的顶点和三角形叶片底边的中点都位于特型扇叶的旋转轴心上；

所述光源位于特型扇叶单元的上方持续发光，光源中心与特型扇叶单元旋转轴心的连线垂直于地面；光源发出的光被特型扇叶遮挡形成投影空间，投影空间上任意一个平行于地面的平面上存在因特型扇叶遮挡而形成的阴影，该阴影随所述特型扇叶作周期性旋转形成周期性光图案；

待定位单元，待定位单元安装有光敏传感器，位于旋转光图案发射单元下方，用于通过光敏传感器检测接收到的光信号强度，在特型扇叶旋转一个周时间内，检测到的光信号强度随光源的周期性闪烁及特型扇叶对光源的遮挡而变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转光图案的室内三维空间定位装置，其特征在于，所述光源在特型扇叶每次旋转到特定方向时有规律的闪烁数次，光源闪烁时刻记为参考时刻，参考时刻特性扇叶三角形顶点指向的方向为参考方向，通过提前部署使每个旋转光图案发射单元的参考方向一致。

3.一种基于旋转光光图案的室内三维空间定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在n个旋转光图案发射单元下，提取待定位单元检测到的光强度变化规律，由光强度变化规律确定参考时刻和特型扇叶遮挡待定位单元时刻，由此计算每个周期内，遮挡待定位单元的时刻相对于参考时刻滞后的时间T`<sub>i</sub>,i＝1,2,3,.n.；.,根据该时间与该发射装置特型扇叶的旋转周期T<sub>i</sub>,i＝1,2,3,...,n的比值，计算待定位单元相对于旋转轴心投影点的方向与参考方向的夹角θ<sub>i</sub>＝2πT`_i/T_i,i＝1,2,3,...,n，

(2)提取待定位单元检测到的光强度变化规律，由光强度变化规律确定三角形扇叶周期性遮挡光源而造成的光强周期性变弱的时长τ_i,i＝1,2,3,...,n，计算待定位单元到光源中心的连线与光源中心到水平面的垂直线之间的夹角

α_i＝argtg[RT_iD/(T_iD+2πRτ_i)],i＝1,2,3,...,n，

其中，R为特型扇叶扇形半径，D为特型扇叶三角形底边长度；

(3)任取两个旋转光图案发射单元j和k，建立等式

htgα_jcosθ_j+htgα_kcos(π-θ_k)＝L_jkcosβ,j∈(1,2,3,...,n),k∈(1,2,3,...,n)，

其中，L_jk为旋转光图案发射单元j和k光源之间的距离，β为两个旋转光图案发射单元j和k光源中心的连线和参考方向之间的夹角，由此计算待定位单元所处水平面相对于光源所处的水平面之间的垂直高度为

$h=\frac{L_{jk}\cos \mathrm{\&beta;}}{{\mathrm{tg\&alpha;}}_j{\mathrm{cos\&theta;}}_j-{\mathrm{tg\&alpha;}}_k{\mathrm{cos\&theta;}}_k},j\&Element;(1,2,3,...,n),k\&Element;(1,2,3,...,n),$

旋转光图案发射单元j的光源在待定位单元所处平面有一个投影点，待定位单元相对于该投影点的极坐标为(htgα_j,θ_j)，由此确定待定位单元相对于旋转光图案发射单元j光源中心的三维空间位置。