CN106886008B - 基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可见光定位方法及系统，属于可见光通信技术领域，具体涉及一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统。本发明只需要通过单个图像传感器接收信号，接收装置结构简单；本发明不需要测量光束的角度值，避免角度测量的精度不高所带来的定位误差，同时也减少额外的角度测量器件使用所带来的系统复杂性问题；本发明不需要测距，避免了测距过程中各种因素影响造成的测距精度比较低的问题，这也是目前提高室内定位精度所遇到的主要困难之一；本发明大大简化了定位系统的结构，同时大幅提高系统定位精度，可实现厘米以内精度量级的高精度3维定位，大大拓展了定位系统的应用领域。

Description

基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种可见光定位方法及系统，属于可见光通信技术领域，具体涉及一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统。

背景技术

基于LED绿色照明光源的可见光通信定位技术具有室内覆盖广、节能、安全、布设简单、成本低、电磁兼容性好等突出优点。目前采用的定位方法主要有基于可见光信号强度的室内定位方法、基于码分多址的室内定位方法、基于频分多址的室内定位方法、可见光多接收点几何中心定位方法、基于图像传感器成像的室内定位法，除此之外，还有不同室内可见光定位方法结合在一起的定位方法。

基于图像传感器成像的室内定位法通常需要两个图像传感器，由三个以上的LED通过图像传感器成像，得到的光源和成像点或面的连线间的几何关系及角度关系，通过一定的算法确定待测位置的空间坐标。图像传感器成像定位方法必须测量信号接收端在三维空间中的方位角、俯仰角和光源到成像点的距离，才能根据相应算法确定待测点的位置坐标。所以，此方法的信号接收端通常包括图像传感器、角度识别模块及成像定位算法处理模块。

由于基于图像传感器成像的室内定位法需要精确的测定角度，相对于常见的可见光信号强度的室内定位方法要复杂很多，且角度的精确测量比较困难，而且采用两个以上的图像传感器会增大硬件成本，也会带来定位系统稳定性和可靠性等问题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统。该方法及系统不需要测量光线角度值，也不需要测距，大大简化了定位系统的结构，提高了定位精度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，包括：

光源成像步骤,在定位点L将多个位于同一平面上的光源Li成像于和光源Li所在平面相平行的传感器平面上，若定位点的高度已知，则选择2个光源进行成像及定位；若定位点高度未知，则选择3个非共线的光源进行成像及定位；其中，定位点L的坐标为L(x,y,z)，照明灯的坐标为Li(xi,yi,zi)；

坐标求解步骤，基于下式求解定位目标点的平面坐标：

(x-xi)2+(y-yi)2＝Di2-H2；

Di＝H(f2+si2)1/2/f；

z＝zi-H；

式中，i为光源的个数，H为LED照明灯Li与成像系统透镜所在平面的垂直距离；Di为光源Li到定位点L的距离，f为透镜焦距，si为光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离；

光源分布为正六边型的蜂窝结构，相邻LED光源的间距为a,靠墙的两行和两列光源与墙面距离为a/2，室内面积为6a(3.5a+a)，室内面积一般表达式可写为m a([n a]/2+a)，m、n任取自然数，均大于等于2，经计算这种光源分布设计能最大限度保证光照强度的均匀分布，LED照明光源分布设计可以适合任何室内面积和灵活增减光源数目，方法是调整a和m、n的大小；

所述光源成像步骤中，用于成像的接收端透镜组平面和图像传感器传感平面间位置固定且平行，并且通过微调接收器整体角度使之接收平面与光源分布平面平行。

其中，所述坐标求解步骤中，光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离基于下式求解：

Si＝[(a2+b2)w2/T]1/2

传感器平面面积w2,像素T，成像点x方向像素点数a,成像点y方向像素点数b。

其中，所述光源为LED光源，每个LED光源分配唯一的信标，并有与其位置对应的坐标。

一种基于单个图像传感器的室内可见光定位系统，定位点坐标的计算基于上述的定位方法。

其中，上述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位系统，包括：

发送端，包括若干个设置于同一平面上的具有唯一信标和位置坐标的光源，以及用于广播所述光源信息的发送信号调制模块，所述光源信息至少包括信标及位置坐标；

接收端，包括带有透镜组和图像传感器的成像模块、用于接收光源信息的信号处理模块、用于根据成像信息和光源信息计算定位点坐标的定位模块；其中，透镜组所在平面和图像传感器的传感平面平行且距离为透镜的焦距。

因此，本发明只需要通过单个图像传感器接收信号，接收装置结构简单；本发明不需要测量光束的角度值，避免角度测量的精度不高所带来的定位误差，同时也减少额外的角度测量器件使用所带来的系统复杂性问题；本发明不需要测距，避免了测距过程中各种因素影响造成的测距精度比较低的问题，这也是目前提高室内定位精度所遇到的主要困难之一；本发明大大简化了定位系统的结构，同时大幅提高系统定位精度，可实现厘米以内精度量级的高精度3维定位，大大拓展了定位系统的应用领域。

附图说明

附图1为LED光源蜂窝分布结构图。

附图2-a为光源数目减少时的第一种LED光源蜂窝分布图。

附图2-b为光源数目减少时的第二种LED光源蜂窝分布图。

附图3-a为光源数目最少时的第一种LED光源分布图。

附图3-b为光源数目最少时的第二种LED光源分布图。

附图4为根据附图2-b的第一行光源分布情况所确定的光发射角示意图。

附图5为根据附图2-b的第一列光源分布情况所确定的光发射角示意图。

附图6为根据附图2-b的第二行光源分布情况所确定的光发射角示意图。

附图7为具体实施例的定位系统结构示意图。

附图8是定位原理示意图。

附图9是图像传感平面及Si长度与单位像素面积关系示意图。

附图10-a为本发明的发送端工作流程图。

附图10-b为本发明的接收端工作流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一、光源规划

几何测量法和成像法需要测距和测发射光线的角度，在室内环境由于信号多径反射、发光强度波动、对信号光的遮挡都会影响定位的精度和稳定性，而其中反射光的影响最大。特别是采用信号强度(RSS)测距法的定位系统，受到反射光的干扰更显著。

本发明从产生反射光的主要因素入手，采用两个方法抑制反射光的干扰：LED照明光源分布及光源发射角优化设计；接收器接收视场角度优化设计。

室内LED照明光源按附图1的方式分布在天花板平面，光源分布为正六边型的蜂窝结构，相邻LED光源的间距为a,靠墙的两行和两列光源与墙面距离为a/2，室内面积为

室内面积一般表达式可写为

m、n任取自然数，均大于等于2，经计算这种光源分布设计能最大限度保证光照强度的均匀分布。LED照明光源分布设计可以适合任何室内面积和灵活增减光源数目，方法是调整a和m、n的大小。

如附图2-a、附图2-b所示，当a不变，而室内面积表示为

时，光源的分布情况，附图2-a和附图2-b均为蜂窝结构，不同之处在于附图2-b能更好地对四个墙角进行信号覆盖。

附图3-a、附图3-b室内面积表示为

时，光源的分布情况，亦为蜂窝的局部结构。由于光源少，光源分布仅为单个蜂窝的局部，故信号覆盖不均匀，特别墙角信号质量差，定位误差大。改进方法是按面积公式

通过减小a，增加光源数，能有效改善墙角和沿墙附件的定位精度。显然a越小，单位面积照明光源数越多，信号覆盖越均匀，但不利之处是接收器接收到的信号越多，产生相邻信号的干扰越严重，故也需要恰当的选择a的大小。

为抑制反射光的干扰，有必要选择恰当的LED光源光发射角的大小，光发射角越大光源发射的信号光覆盖范围越大，但相应的墙面反射也越大，光发射角小，可减小墙面反射的强度，但信号覆盖范围减小，造成接收器接收到的光源数较少，接收光源数为3个以上可进行三维定位，接收光源数为2个可进行二维定位，接收光源数少于2个将不能进行定位。故LED光源光发射角的大小也需要优化设置。

附图4为根据附图2-b的光源分布情况确定优化的光发射角的计算方法，附图4所示的LED光源分布是附图2-b的第一行光源分布。本发明所确定的第一行光源光发射角为ψ＝2-arctan(a/h),其中h为接收器所在平面与光源分布平面的距离。

附图5所示的LED光源分布是附图2-b的第一列光源分布。本发明所确定的第一列光源光发射角为ψ＝2-arctan(a/h)。

附图6所示的LED光源分布是附图2-b的第二行光源分布。本发明所确定的第二行光源光发射角为ψ＝2-arctan(1.5a/h)。

对于附图2光源分布情况，本发明确定的光发射角分别为:最靠近墙两行和两列光源均为ψ＝2-arctan(a/h)，其余的均为ψ＝2-arctan(1.5a/h)。

附图2光源分布情况下，根据附图4、附图5、附图6所示，本发明所确定的接收器接收视场角度为Ω＝90°。

对于附图2-a和2-b，相邻LED光源的间距为a＝1.5米时，对应室内面积为27.9平方米，a＝2米时，对应室内面积为47.5平方米。LED光源数为12或13。如需增加光源数，参考附图1，只需增加蜂窝数即可，即增加m、n，也就是相同室内面积可以有不同LED光源数的分布设计。相同LED光源数，也可对应不同的室内面积，只需调整相邻LED光源的间距a的大小即可。所以，根据不同要求和具体情况，本发明均提供了灵活的LED光源分布设计的具体实施办法。

从附图4、5、6可见，本发明的光源分布、光发射角及接收视场角度的优化设计，使得距四墙面大于a/2的位置，墙面反射光很少，定位系统受反射光的干扰很小，故定位精度高，可达到厘米数量级以内。距四墙面小于a/2的沿墙位置，受反射光的干扰不能忽略，定位精度差于厘米数量级。

附图7是本发明的一个具体应用实例。系统由发送端和接收端组成：

发送端：由发送信号调制模块、LED光源组成。LED照明光源布置于室内吊顶平面，至少有3个LED照明光源，如多于三个光源可通过光源优选确定3个定位光源，每个LED光源分配唯一的信标，并有与其所对应的坐标。

接收端：由透镜组、光滤波薄膜、图像传感器或光电二极管阵列、信号处理及定位计算模块组成，其中透镜组与一个图像传感器或光电二极管阵列构成成像系统。接收端具备光源成像、滤波、解调发送端广播信号及待定位点位置坐标计算等功能。

透镜组用于对光源的成像，光滤波薄膜滤除背景光及其它杂散光，图像传感器或光电二极管阵列接收LED光信号，完成光电转换的功能。信号处理及定位计算模块完成信号放大、滤波、信号解调解码、LED成像点位置确定、s_i值计算和定位点坐标计算等功能。此外，如果室内有超过3个LED照明光源，信号处理及定位计算模块还具有光源优选的功能，以选择3个最佳光源作为定位用光源。接收端透镜组平面和图像传感器或光电二极管阵列平面相互平行可采用静态平行的方法，即通过固定接收端透镜组平面和图像传感器或光电二极管阵列平面相互平行，再微调接收器整体使之接收平面与LED照明光源分布平面平行的方法。因定位信号处理不同于图像处理，不仅需要读取成像点位置，还需要对接收的信号进行解调、解码等处理，故需要信号处理及定位计算模块具备这些功能。如使用CCD图像传感器，由于无需图像色彩，为提高入射光的光电转换后电信号强度，可去除CCD的滤色层，另外，定位信号处理同CCD的不同，同样如使用CMOS图像传感器，定位信号处理亦同CMOS图像信号的处理不同。本发明可使用光电二极管阵列代替图像传感器的功能，更能针对实际的定位应用。

本应用实施例中，如附图1至附图3-b所示，对于给定的室内面积大小，根据公式

可灵活的选择光源数量和光源间距。

本应用实施例中，光源光发射角的优化设计，靠近墙两行和两列光源均为ψ＝2-arctan(a/h)，其余的均为ψ＝2-arctan(1.5a/h)。本应用实施例中，所确定的接收器接收视场角度为Ω＝90°。

本实施例中接收器接收视场角度为Ω＝90°，但替代方案中，接收器接收视场角度Ω可以根据具体光源分布密度情况灵活设定。光源分布给定的情况下，在保证能接收足够的光源数条件下，更小的接收视场角度可以更好地抑制反射光的干扰。具体优化的接收视场角度值根据本发明的方法确定。

本应用实施例中，室内面积约为36平方米，接收器距LED光源平面h＝3米，接收器接收视场角度为Ω＝90°，相邻LED光源的间距可选a＝1米，靠近墙两行和两列光源光发射角均为ψ＝2-arctan(1/3)＝36.9°，其余光源光发射角均为ψ＝2-arctan(1/2)＝53.1°。选择a＝2米，同样36平方米的室内面积，光源数将减少一半以上。

本发明的所述的图像传感器图像不限于一般意义上的图像传感器，也可使用光电二极管阵列及其它类似光电转换器件构成的阵列来代替图像传感器。无需对成品图像传感器或光电二极管阵列进行针对定位功能的专门设计，只需将传感器获取的信号通过信号处理及定位计算模块进行处理以实现定位功能。

本实施例的LED照明光源分布平面、接收端透镜组平面和图像传感器或光电二极管阵列平面相互平行的方案除了静态平行的方法外，还可以采用动态调整平行的方法完成。

二、定位方法

下面对本实施例的定位算法原理介绍如下。

如附图8所示，利用任意3个非共线的LED照明灯及其在成像系统传感器平面成像点的连线所构成的几何关系，结合图像传感器或光电二极管阵列信号接收平面面积及像素密度大小，计算确定待定位点L的坐标值。

如附图8所示，3个非共线的LED照明灯的坐标分别为L₁(x₁，y₁,z₁)、L₂(x₂，y₂,z₂)、L₃(x₃，y₃,z₃),它们到定位点L的距离分别为D1、D2、D3,L为待定位点即透镜中心，通过L的透镜平面与传感器平面平行，透镜平面中心L到传感平面中心N的垂直距离为透镜焦距f，M为LED照明灯L₁通过透镜在图像传感器或光电二极管阵列平面的成像，H为LED照明灯L₁到透镜平面的垂直距离,A点在透镜平面上。显然直角三角形ΔL₁AL与直角三角形ΔLNM为相似三角形，所以D₁＝H(f²+s₁ ²)^1/2/f,s₁为N到M的距离,同理可得其它LED照明灯到定位点L的距离相同表达式D_i＝H(f²+s_i ²)^1/2/f。通常情况下三个定位LED光源均在平行于图像传感器或光电二极管阵列平面上，故z₁＝z₂＝z₃,则得到三个方程：

(x-x_i)²+(y-y_i)²＝D_i ²-H²,i＝1,2,3

从上面三个方程可确定三个未知量x、y、H，只需测出各LED光源在传感器屏幕的成像点到中心N的距离s_i,即可解得待定位点的位置坐标(x,y,z),其中z＝z_i-H。

s_i的计算方法:附图9为图像传感器或光电二极管阵列平面及Si长度与单位像素面积关系示意图，假设传感器平面面积为w²,像素为T,则单位像素的面积为w²/T,N在图像传感器或光电二极管阵列平面的像素坐标为(x₀′,y₀′)，M的坐标为(x_m′,y_m′)，x方向像素点数a,y方向像素点数b,故S_i＝[(a²+b²)w²/T]^1/2。

以上算法通过接收端的信号处理及定位计算模块完成。

此外，接收端的光滤波薄膜的用于过滤杂散光对接收信号的干扰，提高系统可靠性。发送端的信号调制模块可采用通信系统常见的技术方法，如频分、波分、码分、时分或其它技术。室内有超过3个LED照明光源，信号处理及定位计算模块还具有光源优选的功能，以选择3个最佳光源作为定位用光源。优选光源的依据主要有：成像质量、接收信号信噪比、成像非共线。

发送端工作流程如图10-a所示：信号调制模块上电初始化、后台配置LED光源发光强度及设置各个LED光源信标与坐标，如后台原先已配置相关参数，不需重新修改时，一定时延后自动进入下一步，驱动LED发光，广播定位相关信息，状态检测发现配置或设置数据有误，如坐标重配或照明光强度不在正常范围，则返回后台重新配置与设置相关参数，如检测正常则循环重发广播信息，当检测到处于系统设置的工作时间之外，比如晚上12时以后，则结束照明和定位信息广播。

接收端工作流程如图10-b所示：信号处理及定位计算模块初始化、成像系统的传感器平面接收光信号并通过光敏器件转换为电信号、对每路接收电信号进行放大、滤波器滤波、使用与发射端对应的技术对信号进行解调与解码、根据接收信号质量的比较选择三个非共线成像点作为定位计算的数据源、三成像点位置信息及光源坐标值的提取、定位参数Si的计算、计算确定待定位点坐标、定位结果输出和对前一输出的更新、重复前述定位流程得到原定位点或新定位点的坐标信息。

本实施例可实现三维定位，如果高度已知，可以仅需2光源就能完成平面点的二维定位，方法同本发明的三维定位原理。本发明的LED照明光源分布平面、接收端透镜组平面和图像传感器或光电二极管阵列平面相互平行的方案除了静态平行的方法外，还可以采用动态调整平行的方法。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，其特征在于，包括：

光源成像步骤,在定位点L将多个位于同一平面上的光源L_i成像于和光源L_i所在平面相平行的传感器平面上，若定位点的高度已知，则选择2个光源进行成像及定位；若定位点高度未知，则选择3个非共线的光源进行成像及定位；其中，定位点L的坐标为L(x,y,z)，照明灯的坐标为L_i(x_i,y_i,z_i)；

坐标求解步骤，基于下式求解定位目标点的平面坐标：

(x-x_i)²+(y-y_i)²＝D_i ²-H²；

D_i＝H(f²+s_i ²)^1/2/f；

z＝z_i-H；

式中，i为光源的个数，H为LED照明灯L_i与成像系统透镜所在平面的垂直距离；D_i为光源L_i到定位点L的距离，f为透镜焦距，s_i为光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离；

s_i的计算方法为:传感器平面面积为w²,像素为T,则单位像素的面积为w²/T,N在图像传感器或光电二极管阵列平面的像素坐标为(x₀′,y₀′)，M的坐标为(x_m′,y_m′)，x方向像素点数a,y方向像素点数b,故S_i＝[(a²+b²)w²/T]^1/2；

光源分布为正六边型的蜂窝结构，相邻LED光源的间距为a,靠墙的两行和两列光源与墙面距离为a/2，室内面积为

室内面积一般表达式可写为

m、n任取自然数，均大于等于2，经计算这种光源分布设计能最大限度保证光照强度的均匀分布，LED照明光源分布设计可以适合任何室内面积和灵活增减光源数目，方法是调整a和m、n的大小；

室内面积表示为

时，光源的分布情况为蜂窝的局部结构，根据公式

选择光源数量和光源间距，靠近墙两行和两列光源均为ψ＝2-arctan(a/h)，其余的均为ψ＝2-arctan(1.5a/h)，接收器接收视场角度为Ω＝90；

所述光源成像步骤中，用于成像的接收端透镜组平面和图像传感器传感平面间位置固定且平行，并且通过微调接收器整体角度使之接收平面与光源分布平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，其特征在于，所述坐标求解步骤中，光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离基于下式求解：

S_i＝[(a²+b²)w²/T]^1/2

传感器平面面积w²,像素T，成像点x方向像素点数a,成像点y方向像素点数b。

3.根据权利要求1所述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，其特征在于，所述光源为LED光源，每个LED光源分配唯一的信标，并有与其位置对应的坐标。

4.一种基于单个图像传感器的室内可见光定位系统，其特征在于，定位点坐标的计算基于权利要求1-3所述的任一定位方法。

5.根据权利要求4所述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位系统，其特征在于，包括：

发送端，包括若干个设置于同一平面上的具有唯一信标和位置坐标的光源，以及用于广播所述光源信息的发送信号调制模块，所述光源信息至少包括信标及位置坐标；

接收端，包括带有透镜组和图像传感器的成像模块、用于接收光源信息的信号处理模块、用于根据成像信息和光源信息计算定位点坐标的定位模块；其中，透镜组所在平面和图像传感器的传感平面平行且距离为透镜的焦距加上焦点到成像平面的垂直距离。

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