CN107356229B - 一种室内定位方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内定位方法与装置。该方法包括：采集发射端的图像和接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，判断图像是否包含发射端完整图像；当包含发射端完整图像时，根据完整图像、空间角度信息和接收端特征参数，得出接收端在预设空间直角坐标系中的绝对位置，作为接收端的初始位置；根据空间角度信息和运动状态信息，确定接收端在预定时刻相对于初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；根据初始位置、相对空间坐标和相对运动轨迹，确定接收端的实际坐标和实际运动轨迹。本发明方案结合成像型可见光定位和基于惯性导航的定位计算方式，在利用现有智能设备所集成传感器的同时，提高了现有技术的环境适应性和定位精度。

Description

一种室内定位方法与装置
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，特别是涉及一种室内定位方法与装置。
背景技术
随着智慧城市、物联网和基于位置服务技术的不断发展，室内定位的需求不断增加，也具有广阔的应用前景和潜在市场。对于基于卫星的定位系统(GPS、北斗导航等)来说，由于其信号穿墙效果较差，且易受到多径传输效应的影响，因此逐渐出现了一系列基于Wi-Fi、蓝牙、超声、红外和超宽带原理的室内定位方法。但由于定位精度、成本和硬件布设等多方面的限制，这些方法并未得到广泛应用，因此针对目前的室内定位领域，没有一种实现简单且定位准确度高的室内定位方法。
发明内容
本发明提供一种室内定位方法与装置，用以解决现有室外定位技术不适用于室内定位，基于Wi-Fi、蓝牙、超声、红外和超宽带原理的室内定位方法因定位精度或成本问题无法推广使用的问题。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种室内定位方法，包括：
采集发射端的图像和接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并判断所述图像是否包含所述发射端的完整图像；
当所述图像包含所述发射端的完整图像时，根据所述完整图像、所述空间角度信息和接收端的特征参数，利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将所述绝对位置作为所述接收端的初始位置；
根据所述空间角度信息和所述运动状态信息，确定所述接收端在预定时刻相对于所述接收端的初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；
根据所述接收端的初始位置、所述相对空间坐标和相对运动轨迹，确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹。
进一步，根据所述完整图像、所述空间角度信息和接收端特征参数，利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置，包括：
按照预定图像通信算法分析所述完整图像，以得到所述发射端的位置信息和形状信息；
根据所述形状信息、所述完整图像、所述空间角度信息和所述接收端特征参数确定所述接收端相对于所述发射端的坐标偏移量；
根据所述位置信息和所述坐标偏移量确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的所述绝对位置。
进一步，所述接收端的特征参数包括：焦距和像元大小。
进一步，所述空间角度信息包括：偏转角、俯仰角和滚转角。
进一步，根据所述接收端的初始位置、所述相对空间坐标和相对运动轨迹，确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹之后，还包括：
按照预设时间间隔周期性地采集所述发射端的图像、所述空间角度信息和运动状态信息；
检测采集到的图像是否包含所述发射端的完整图像；
在所述采集到的图像包含所述发射端的完整图像时，重新利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置。
进一步，所述方法还包括：
将所述实际运动轨迹进行显示。
另一方面，本发明还提供一种室内定位装置，包括：
获取模块，用于采集发射端的图像和接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并判断所述图像是否包含所述发射端的完整图像；
成像定位模块，用于当所述图像包含所述发射端的完整图像时，根据所述完整图像和所述空间角度信息，利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将所述绝对位置作为所述接收端的初始位置；
航迹推算模块，用于根据所述空间角度信息和所述运动状态信息，确定所述接收端在预定时刻相对于所述接收端的初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；
综合定位模块，根据所述接收端的初始位置、所述相对空间坐标和相对运动轨迹，确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹。
进一步，所述成像定位模块，具体用于：
按照预定图像通信算法分析所述完整图像，以得到所述发射端的位置信息和形状信息；
根据所述形状信息、所述完整图像、所述空间角度信息和所述接收端特征参数确定所述接收端相对于所述发射端的坐标偏移量；
根据所述位置信息和所述坐标偏移量确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的所述绝对位置。
进一步，所述接收端的特征参数包括：焦距和像元大小。
进一步，所述空间角度信息包括：偏转角、俯仰角和滚转角。
进一步，所述获取模块，还用于：
按照预设时间间隔周期性地采集所述发射端的图像、所述空间角度信息和运动状态信息；
检测采集到的图像是否包含所述发射端的完整图像；
在所述采集到的图像包含所述发射端的完整图像时，重新利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置。
进一步，所述室内定位装置还包括：
显示模块，用于显示所述实际运动轨迹。
本发明的方案通过结合成像型可见光定位和基于惯性导航原理的定位计算方式，在充分利用现有智能设备所集成传感器的同时，提高了现有技术的环境适应性和总体定位精度。
附图说明
图1是本发明第一实施例中室内定位方法的流程图；
图2是本发明第二实施例中室内定位装置的结构示意图；
图3是本发明第三实施例中室内定位系统的结构示意图；
图4是本发明第三实施例中驱动/调制电路的组成示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术无法进行低成本准确室内定位的问题，本发明提供了一种室内定位方法和装置，以下结合附图以及实施例，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用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明的第一实施例提供了一种室内定位方法，其方法流程图如图1所示，包括步骤S101至S104：
S101，采集发射端的图像和接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并判断图像是否包含发射端的完整图像；
本实施例在实现时，场景中可以存在多个发射端，在存在多个发射端的情况下，只需要判断采集到的图像是否至少包含了一个完整发射端的图像。
S102，当图像包含发射端的完整图像时，根据完整图像、空间角度信息和接收端的特征参数，利用成像定位算法得出接收端在预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将绝对位置作为接收端的初始位置；
其中，接收端的特征参数可以包括焦距和像元大小。
S103，根据空间角度信息和运动状态信息，确定接收端在预定时刻相对于接收端的初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；
S104，根据接收端的初始位置、相对空间坐标和相对运动轨迹，确定接收端在预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹。
应当了解的是，预设空间直角坐标系为已固定且不会变更的空间直角坐标系，所以预设空间直角坐标系中每个发射端的位置均固定但对发射端的密度和分布没有要求；接收端的空间角度信息包括偏转角、俯仰角和滚转角，运动状态信息为接收端在上述三个角度方向上的角加速度信息；预定时刻为接收端移动至预设空间直角坐标系中某一位置时进行定位操作的时刻。
本实施例的方案通过结合成像型可见光定位和基于惯性导航原理的航迹推算算法，在充分利用现有智能设备所集成传感器的同时，提高了现有技术的环境适应性和总体定位精度。
本实施例可以实现的室内定位过程中，对一定数量的照明光源进行改造作为发射端，使其能发射与其自身位置和形状相关的、调制后的可见光信号。
为了以接收端在预设空间直角坐标系中的绝对位置作为定位方法的初始位置，首先按照预定的图像通信算法处理发射端的图像，以得到发射端的位置信息和形状信息；其中，预定的图像通信算法可以从现有的图像通信方法中根据实际进行选择，例如：发射端发送某个特定的频率信息，接收端通过所采集图像上发射端投影内明暗条纹的空间频率可以识别出光源，然后查表得到该发射端的位置信息和形状信息；其次根据发射端形状信息、所采集完整图像、空间角度信息和接收端的焦距和像元大小确定接收端相对于发射端的坐标偏移量；最后根据位置信息和坐标偏移量确定接收端在预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将该绝对位置作为接收端的初始位置，并为后续定位过程提供参考点。
由于进行实际定位的过程中，接收端不断获取着其在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并通过计算不断获得其在预设空间直角坐标系中的实际坐标，因此，将这些不断获得的实际坐标相连接，就能得到接收端相对于初始位置的实际运动轨迹，并可以进行呈现，达到更好的定位效果。同时，由于只使用空间角度信息和运动状态信息对接收端进行实际坐标的计算时，定位准确性会随着时间的推移而下降，所以进行周期性地采集发射端的图像，当采集到的图像包含完整的发射端图像时，重新进行初始位置的计算，以达到动态校准，提高准确性的目的。
本发明的第二实施例提供了一种室内定位装置，其装置结构示意图如图2所示。
图2中示出的室内定位装置主要包括彼此耦合的获取模块201、成像定位模块202、航迹推算模块203以及综合定位模块204。其中，获取模块201用于采集发射端的图像和接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并判断图像是否包含发射端的完整图像；优选地，接收端的空间角度信息包括偏转角、俯仰角和滚转角，运动状态信息为接收端在上述三个角度方向上的角加速度信息；成像定位模块202用于当图像包含发射端的完整图像时，根据完整图像和空间角度信息，利用成像定位算法得出接收端在预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将绝对位置作为接收端的初始位置；航迹推算模块203用于根据空间角度信息和运动状态信息，确定接收端在预定时刻相对于接收端的初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；综合定位模块204根据接收端的初始位置、相对空间坐标和相对运动轨迹，确定接收端在预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹。
本实施例的方案通过包含有完整发射端的图像信息、接收端的空间角度信息和运动状态信息，对接收端在室内的具体位置进行准确定位，弥补了现有技术无法进行准确定位的缺陷。
本实施例在实现时，场景中可以存在多个发射端，在存在多个发射端的情况下，只需要判断采集到的图像是否至少包含了一个完整发射端的图像。
为了以接收端在预设空间直角坐标系中的绝对位置作为定位方法的初始位置，所以成像定位模块202具体用于：按照预定的图像处理算法处理采集到的包含完整发射端的图像，以得到发射端的位置信息和形状信息；其中，预定的图像通信算法可以从现有的图像通信方法中实际进行选择，例如：发射端发送某个特定的频率信息，接收端通过所采集图像上发射端投影内明暗条纹的空间频率可以识别出发射端，然后查表得到该发射端的位置信息和形状信息；根据发射端的形状信息、所采集的包含完整发射端的图像、空间角度信息和接收端焦距和像元大小确定接收端相对于发射端的坐标偏移量；根据位置信息和坐标偏移量确定接收端在预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将该绝对位置作为接收端的初始位置，并为后续定位过程提供参考点。
由于进行实际定位的过程中，获取模块不断获取着在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并通过计算不断获得接收端在预设空间直角坐标系中的实际坐标，因此，将这些不断获得的实际坐标相连接，就能得到接收端相对于初始位置的实际运动轨迹，并可以通过显示模块进行呈现，达到更好的定位效果。同时，由于只使用空间角度信息和运动状态信息对接收端进行实际坐标的计算时，定位准确性会随着时间的推移而下降，所以进行周期性地采集发射端的图像，当采集到的图像包含有完整的发射端图像时，重新进行初始位置的计算，以达到动态校准，提高准确性的目的。
本发明的第三实施例提供了一种结合照明光源和惯性导航的室内定位系统，下面结合图3对第三实施例的室内定位系统进行详细的说明。
由图3可知，本实施例中的室内定位系统主要包括发射端(相当于第一或第二实施例中的发射端)和接收端(相当于第一或第二实施例中的接收端)。本实施例在实现时，场景中可以存在多个发射端，在存在多个发射端的情况下，只需要判断采集到的图像是否至少包含了一个完整发射端的图像。且场景中存在的多个发射端的安装位置和密度均没有具体要求，可由工作人员根据场景实际光照/定位需求情况而定。
发射端包括电源、驱动/调制电路和照明光源，在满足照明要求的同时，作为接收端的参考点。其中，驱动/调制电路又包括交/直流变换电路、单片机以及照明驱动芯片，如图4所示。发射端的电源可直接使用室内场景中的220V交流电，该交/直流变换电路将220V交流电转换为单片机和照明驱动芯片所需的直流电压；单片机将与发射端的位置和形状相关的信息转换为调制信号并输出；照明驱动芯片以直流电压和单片机输出的调制信号作为输出基准，输出的信号为调制后可用于驱动照明电源的电流信号。在照明电源接收到电流信号后，将接收到的电流信号转化为可见光信号。具体实现时，照明电源通常可以选择照明效果较为显著的LED灯。
接收端包括图像探测器、惯性传感器(本实施例中图像探测和惯性传感器相当于第二实施例中的获取模块)、成像定位模块、航迹推算模块和综合定位模块。成像定位模块根据图像探测器所采集的发射端图像、接收端的空间角度信息和接收端图像探测器的焦距和像元大小获得接收端的绝对位置，并将其作为接收端的初始位置；航迹推算模块根据惯性传感器所采集的空间角度信息和运动状态信息等相关信息获得接收端相对于初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；最后综合定位模块结合成像定位模块和航迹推算模块获得的结果进行联合解算，得到接收端在室内场景中的实际位置信息和运动轨迹。其中，图像探测器可以为手机、平板电脑等终端上自带的摄像头，惯性传感器可以为手机、平板电脑等终端上自带的陀螺仪、加速度计和地磁探测器，利用终端自带的探测器和传感器，可以在达到定位效果的基础上节省硬件成本。
在本实施例中，在图像探测器采集到LED灯的图像信息之后，利用成像定位模块中的成像定位算法获取某一时刻接收端在空间直角坐标系(相当于预设空间直角坐标系)中的绝对位置。其主要原理是首先利用图像通信的方式获得图像中LED灯的位置和形状信息，结合单个LED灯在图像探测器上的投影、惯性传感器输出的接收端的空间角度信息以及接收端图像探测器的焦距和像元大小，通过图像处理(即预设图像处理算法)获取多个定位参考点，利用几何光学原理列出定位方程组，并求解出接收端相对于该LED灯的坐标偏移量，最后结合之前获取的LED灯的空间坐标和这一坐标偏移量，进一步得到该时刻接收端在空间直角坐标系中的绝对位置，即初始位置。
在惯性传感器采集到接收端的空间角度信息和运动状态信息后，航迹推算模块利用惯性传感器输出的空间角度信息和运动状态信息，通过航迹推算算法求解运动学方程获得接收端的运动状态，并进行卡尔曼滤波或粒子滤波以削弱噪声对定位结果的影响，进而得出接收端在某一时刻相对于其自身初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹。
综合定位模块主要获取成像定位模块和航迹推算模块输出的结果，并进行综合计算，得出接收端在室内场景中的实际位置信息和运动轨迹，完成室内定位。
在定位服务开始时，需要拍摄一幅包含完整发射端的图像，进行一次成像定位，获取接收端的初始位置，但由于进行实际定位的过程中，惯性传感器不断获取着接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并通过航迹推算算法不断获得其在预设空间直角坐标系中的实际坐标，因此，将这些不断获得的实际坐标相连接，就能得到接收端相对于初始位置的运动轨迹，并呈现在移动终端的屏幕上，达到更好的定位效果。同时，由于只使用航迹推算算法对接收端进行相对空间坐标和相对运动轨迹的计算时，定位准确性会随着时间的推移而下降，所以进行周期性地采集发射端的图像，当采集到的发射端图像包含有完整的单个发射端时，重新进行初始位置的计算，以达到动态校准，提高准确性的目的。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (6)

1.一种室内定位方法，其特征在于，包括：
采集发射端的图像和接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并判断所述图像是否包含所述发射端的完整图像；
当所述图像包含所述发射端的完整图像时，根据所述完整图像、所述空间角度信息和接收端的特征参数，利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将所述绝对位置作为所述接收端的初始位置；
根据所述空间角度信息和所述运动状态信息，确定所述接收端在预定时刻相对于所述接收端的初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；
根据所述接收端的初始位置、所述相对空间坐标和相对运动轨迹，确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹；根据所述完整图像、所述空间角度信息和接收端特征参数，利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置，包括：
按照预定图像通信算法分析所述完整图像，以得到所述发射端的位置信息和形状信息；
根据所述形状信息、所述完整图像、所述空间角度信息和所述接收端特征参数确定所述接收端相对于所述发射端的坐标偏移量；
根据所述位置信息和所述坐标偏移量确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的所述绝对位置；
根据所述接收端的初始位置、所述相对空间坐标和相对运动轨迹，确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹之后，还包括：
按照预设时间间隔周期性地采集所述发射端的图像、所述空间角度信息和运动状态信息；
检测采集到的图像是否包含所述发射端的完整图像；
在所述采集到的图像包含所述发射端的完整图像时，重新利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置。
2.如权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述空间角度信息包括：偏转角、俯仰角和滚转角。
3.如权利要求1至2中任一项所述的室内定位方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述实际运动轨迹进行显示。
4.一种室内定位装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于采集发射端的图像和接收端在预设空间直角坐标系中的空间角度信息和运动状态信息，并判断所述图像是否包含所述发射端的完整图像；
成像定位模块，用于当所述图像包含所述发射端的完整图像时，根据所述完整图像和所述空间角度信息，利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置，并将所述绝对位置作为所述接收端的初始位置；
航迹推算模块，用于根据所述空间角度信息和所述运动状态信息，确定所述接收端在预定时刻相对于所述接收端的初始位置的相对空间坐标和相对运动轨迹；
综合定位模块，根据所述接收端的初始位置、所述相对空间坐标和相对运动轨迹，确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中预定时刻的实际坐标和实际运动轨迹；所述成像定位模块，具体用于：
按照预定图像通信算法分析所述完整图像，以得到所述发射端的位置信息和形状信息；
根据所述形状信息、所述完整图像、所述空间角度信息和所述接收端特征参数确定所述接收端相对于所述发射端的坐标偏移量；
根据所述位置信息和所述坐标偏移量确定所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的所述绝对位置；
所述获取模块，还用于：
按照预设时间间隔周期性地采集所述发射端的图像、所述空间角度信息和运动状态信息；
检测采集到的图像是否包含所述发射端的完整图像；
在所述采集到的图像包含所述发射端的完整图像时，重新利用成像定位算法得出所述接收端在所述预设空间直角坐标系中的绝对位置。
5.如权利要求4所述的室内定位装置，其特征在于，所述空间角度信息包括：偏转角、俯仰角和滚转角。
6.如权利要求4至5中任一项所述的室内定位装置，其特征在于，所述室内定位装置还包括：
显示模块，用于显示所述实际运动轨迹。
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