CN106568420A - 一种基于室内可见光的定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于室内可见光的定位方法及系统，通过在观测点水平放置的成像探测器拍摄室内天花板上至少3个LED光源，获得各LED光源的成像以及各成像点在成像探测器上的相对坐标；识别各LED光源获得相应LED光源的实际空间坐标；在成像探测器上获得各LED光源的光晕直线的交点的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过第一垂足的垂线与LED光源所在平面的交点定义为第二垂足；根据投影几何关系，获得第二垂足的实际空间坐标，进而获得第一垂足的实际空间坐标，第一垂足的实际空间坐标即为成像探测器所在的观测点的空间坐标。本发明可获得较高定位精度，可使用手机等便携设备进行成像探测，硬件成本极低且便于携带，具有较高实用价值。

Description

一种基于室内可见光的定位方法及系统
技术领域
本发明涉及LED光通信和室内定位应用领域，具体涉及一种基于室内可见光的定位方法及系统。
背景技术
LED(Lighting Emitting Diode)被称为第四代照明光源或绿色光源，因为具有节能、安全和可用频谱宽等优点，在提供室内照明的同时还可应用于无线光通信系统中，同时满足室内上网以及一系列扩展应用。基于LED的室内定位就是其中一个潜力巨大的应用方向，由于LED在室内布放位置固定，覆盖范围较广，以各LED为参照可准确获知位置和距离，在室内实现类似GPS的定位和导航。
基于LED的室内可见光定位方式通常需要测量接收信号的强度(RSS,ReceivedSignal Strength)、延时(TOA，Time of Arrive)或到信号源的接收角度(AOA，Angle ofArrive)，通过估算得到多个信号源的距离或角度，进而基于三角几何方法进行定位。接收端的探测器通常采用光强探测器或成像探测器，由于光强探测器同时适用于高速通信，所以基于RSS的测量定位方法是研究和使用较多的定位方案。
在基于RSS的测量定位方法中，接收光功率随通信距离的增加而非线性减小，确定这种对应关系后，测得接收光功率即可确定发射端和接收端之间的距离。但由于接收光功率通常会受到光源的亮度波动、信号光的散射和反射、发光角和接收角等因素影响，使得接收光功率的波动难以克服，由此换算得出的估算距离波动明显，直接影响最后的定位精度。另一方面，基于RSS的测量定位方法需要专用高速电路发送和接收数据信号，而发送和接收数据信号所需的硬件昂贵且复杂，成本较高，并不适用于消费级别的定位。
发明内容
本发明提供一种基于室内可见光的定位方法及系统，其硬件容易获取，成本较低，并且定位精度高。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于室内可见光的定位方法，包括以下步骤：通过在观测点水平放置的成像探测器拍摄布置在室内天花板上的至少3个LED光源，获得各LED光源在所述成像探测器上的成像点，以及各成像点在成像探测器上的相对坐标；通过识别各LED光源，获得相应LED光源的实际空间坐标；在所述成像探测器上，获得各LED光源的光晕直线的交点的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过所述第一垂足的垂线与所述LED光源所在平面的交点定义为第二垂足；根据投影几何关系，获得所述第二垂足的实际空间坐标，进而获得所述第一垂足的实际空间坐标，所述第一垂足的实际空间坐标为所述成像探测器所在的观测点的空间坐标。
在上述技术方案的基础上，所述LED光源采用LED反射灯具，包括LED灯、反射灯罩和半反射半透射镜，LED灯安装在反射灯罩底部的中心，半反射半透射镜位于所述反射灯罩开口处且覆盖反射灯罩，LED反射灯具在所述成像探测器上形成通过LED成像的直线型光晕。
在上述技术方案的基础上，各LED光源的空间坐标预先测定并保存在所述成像探测器中。
在上述技术方案的基础上，根据所述LED光源的成像的颜色、形状、闪烁或者三种特征的组合，识别出不同的LED光源。
本发明还提供一种基于室内可见光的定位系统，包括布置在室内天花板上的至少3个LED光源和布置在观测点上的探测器，还包括定位模块，所述探测器为水平放置的成像探测器，用于拍摄多个所述LED光源，获得各LED光源的成像，以及各成像点在成像探测器上的相对坐标；所述定位模块通过识别各LED光源获得相应LED光源的实际空间坐标；并获得各LED光源的光晕直线的交点在成像探测器上的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过所述第一垂足的垂线与所述LED光源所在平面的交点定义为第二垂足；并根据投影几何关系，获得所述第二垂足的实际空间坐标，进而获得所述第一垂足的实际空间坐标，所述第一垂足的实际空间坐标为所述成像探测器所在的观测点的空间坐标。
在上述技术方案的基础上，所述LED光源采用LED反射灯具，包括LED灯、反射灯罩和半反射半透射镜，LED灯安装在反射灯罩底部的中心，半反射半透射镜位于所述反射灯罩开口处且覆盖反射灯罩，LED反射灯具在所述成像探测器上形成通过LED成像的直线型光晕。
在上述技术方案的基础上，各LED光源的空间坐标预先测定并保存在所述成像探测器中。
在上述技术方案的基础上，所述定位模块根据所述LED光源的成像的颜色、形状、闪烁或者三种特征的各种组合，识别出不同的LED光源。
本发明通过在观测点水平放置的成像探测器，拍摄布置在室内天花板上的至少3个LED光源，识别出各LED光源，并获得相应LED光源的实际空间坐标，获得各LED光源的光晕直线的交点在成像探测器上的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过第一垂足的垂线与LED光源所在平面的交点定义为第二垂足，根据投影几何关系，获得第二垂足的实际空间坐标，进而获得第一垂足的实际空间坐标，第一垂足的实际空间坐标即为成像探测器所在的观测点的空间坐标，进而实现定位。本发明基于投影几何关系，可获得较高的定位精度，而且用户可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于室内可见光的定位方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种LED反射灯具示意图；
图3为本发明实施例一种基于室内可见光的定位方法实现的原理图。
附图标记：1-LED灯，2-反射灯罩，3-半反射半透射镜。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于室内可见光的定位方法，具体包括以下步骤：
S1、通过在观测点水平放置的成像探测器拍摄布置在室内天花板上的至少3个LED光源，获得各LED光源在成像探测器上的成像，以及各成像点在成像探测器上的相对坐标。为了提高定位精度，本实施例中，LED光源的数量大于或等于3个，且各LED光源均不共线；各LED光源的空间坐标预先测定并保存在所述成像探测器中。
S2、通过识别各LED光源，获得相应LED光源的实际空间坐标。具体的，可以根据所述LED光源的成像的颜色、形状、闪烁或者三种特征的组合，来识别出不同的LED光源。
S3、在成像探测器上，获得各LED光源的光晕直线的交点在成像探测器上的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过第一垂足的垂线与LED光源所在平面的交点定义为第二垂足。
S4、根据投影几何关系，获得第二垂足的实际空间坐标，进而获得第一垂足的实际空间坐标，第一垂足的实际空间坐标即为成像探测器所在的观测点的空间坐标。
如图2所示，优选的，所述LED光源采用LED反射灯具，包括一个LED灯1、反射灯罩2和半反射半透射镜3，LED灯1安装在反射灯罩2底部的中心，反射灯罩2的轴线垂直水平面，半反射半透射镜3位于所述反射灯罩2的开口处，并且覆盖反射灯罩2；LED反射灯具在所述成像探测器上形成通过LED成像的直线型光晕。
如图3所示，为本发明实施例基于室内可见光的定位方法的原理示意图。为保证定位精度，选取布置在室内天花板上的三个不共线的LED光源L、M和N作为定位参考点。
三个LED光源L、M和N在LED平面的坐标位置分别为(XL,YL)、(XM,YM)和(XN,YN)，光源L、M和N在成像探测器上的成像分别为L'、M'和N'，在成像平面的相对坐标分别为(XL',YL')、(XM',YM')和(XN',YN')。成像平面上，经过LED光源的成像L'、M'和N'的直线型光晕的交点为O'，为第一垂足；过O'点的垂线在LED光源L、M和N所在平面上的垂直投影为O点，为第二垂足。其中，LED光源L、M和N，LED光源的成像L'、M'和N'；观测点O'在成像平面的坐标位置为(XO',YO')，O点在LED平面的坐标位置为(XO,YO)。
设成像探测器的透镜的焦距为f，成像探测器的透镜的中心到LED光源L、M和N所在平面的距离为h，当成像探测器与LED所在平面平行时，根据投影几何关系，可知：
由于各LED光源的空间坐标预先测定，并保存在所述成像探测器中；
在公式(1)中，f、(XL'-XO')、(YL'-YO')、XL和YL已知；
在公式(2)中，f、(XM'-XO')、(YM'-YO')、XM和YM已知；
在公式(3)中，f、(XN'-XO')、(YN'-YO')、XN和YN已知；
由公式(1)、(2)和(3)，可求解得出XO和YO的坐标，由于O'点与O点具有相同的水平坐标，所以XO'＝XO。根据f/h＝O'M'/OM，可求解得出h，由此可得成像探测器所在的观测点O'的空间坐标。
本发明实施例还提供了一种基于室内可见光的定位系统，包括布置在室内天花板上的至少3个LED光源和布置在观测点上的探测器，各LED光源的空间坐标预先测定并保存在所述成像探测器中。其中，所述探测器为水平放置的成像探测器，用于拍摄多个LED光源，获得各LED光源的成像，以及各成像点在成像探测器上的相对坐标，该相对坐标可通过成像点在成像探测器上的像素位置计算得到。本发明实施例基于室内可见光的定位系统，还包括定位模块，定位模块通过识别各LED光源获得相应LED光源的实际空间坐标；并获得各LED光源的光晕直线的交点在成像探测器上的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过第一垂足的垂线与LED光源所在平面的交点定义为第二垂足；根据投影几何关系，获得第二垂足的实际空间坐标，进而获得第一垂足的实际空间坐标，第一垂足的实际空间坐标为成像探测器所在的观测点的空间坐标。具体的，所述定位模块根据所述LED光源的成像的颜色、形状、闪烁或者三种特征的各种组合，识别出不同的LED光源。
上述系统中，优选的，如图2所示，所述LED光源采用LED反射灯具，包括一个LED灯1、反射灯罩2和半反射半透射镜3，LED灯1安装在反射灯罩2底部的中心，反射灯罩2的轴线垂直水平面，半反射半透射镜3位于所述反射灯罩2的开口处，并且覆盖反射灯罩2；LED反射灯具在所述成像探测器上形成通过LED成像的直线型光晕。本发明利用反射灯罩的反射增强入射到成像探测器的光线，并且可根据实际需求对反射灯罩的尺寸和形状进行选择和调整。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于室内可见光的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过在观测点水平放置的成像探测器拍摄布置在室内天花板上的至少3个LED光源，获得各LED光源在所述成像探测器上的成像点，以及各成像点在成像探测器上的相对坐标；
通过识别各LED光源，获得相应LED光源的实际空间坐标；
在所述成像探测器上，获得各LED光源的光晕直线的交点的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过所述第一垂足的垂线与所述LED光源所在平面的交点定义为第二垂足；
根据投影几何关系，获得所述第二垂足的实际空间坐标，进而获得所述第一垂足的实际空间坐标，所述第一垂足的实际空间坐标为所述成像探测器所在的观测点的空间坐标。
2.如权利要求1所述基于室内可见光的定位方法，其特征在于，所述LED光源采用LED反射灯具，包括LED灯、反射灯罩和半反射半透射镜，LED灯安装在反射灯罩底部的中心，半反射半透射镜位于所述反射灯罩开口处且覆盖反射灯罩，LED反射灯具在所述成像探测器上形成通过LED成像的直线型光晕。
3.如权利要求1所述基于室内可见光的定位方法，其特征在于，各LED光源的空间坐标预先测定并保存在所述成像探测器中。
4.如权利要求1所述基于室内可见光的定位方法，其特征在于，根据所述LED光源的成像的颜色、形状、闪烁或者三种特征的组合，识别出不同的LED光源。
5.一种基于室内可见光的定位系统，包括布置在室内天花板上的至少3个LED光源和布置在观测点上的探测器，其特征在于，还包括定位模块，
所述探测器为水平放置的成像探测器，用于拍摄多个所述LED光源，获得各LED光源的成像，以及各成像点在成像探测器上的相对坐标；
所述定位模块通过识别各LED光源获得相应LED光源的实际空间坐标；并获得各LED光源的光晕直线的交点在成像探测器上的相对坐标，该交点定义为第一垂足，通过所述第一垂足的垂线与所述LED光源所在平面的交点定义为第二垂足；并根据投影几何关系，获得所述第二垂足的实际空间坐标，进而获得所述第一垂足的实际空间坐标，所述第一垂足的实际空间坐标为所述成像探测器所在的观测点的空间坐标。
6.如权利要求5所述基于室内可见光的定位系统，其特征在于，所述LED光源采用LED反射灯具，包括LED灯、反射灯罩和半反射半透射镜，LED灯安装在反射灯罩底部的中心，半反射半透射镜位于所述反射灯罩开口处且覆盖反射灯罩，LED反射灯具在所述成像探测器上形成通过LED成像的直线型光晕。
7.如权利要求5所述基于室内可见光的定位系统，其特征在于，各LED光源的空间坐标预先测定并保存在所述成像探测器中。
8.如权利要求5所述基于室内可见光的定位系统，其特征在于，所述定位模块根据所述LED光源的成像的颜色、形状、闪烁或者三种特征的各种组合，识别出不同的LED光源。
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