CN107395279A - 一种基于可见光通信的单目定位方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可见光通信的单目定位方法及其系统，所述系统包括发射端、信道和接收端，发射端由信源、FDMA调制模块、LED驱动电路和LED灯具依次连接构成；信道传输LED灯具发射的不同频率的方波作为不同LED的ID信息由接收端的摄像头接收；接收端由摄像头和智能移动设备连接构成；信源产生不同频率的方波作为不同LED灯具的ID信息；FDMA调制模块通过LED驱动电路控制LED以不同的频率亮灭；摄像头在图像传感器上对LED进行成像；智能移动设备得到LED的条纹信息并通过距离的几何关系得到LED与接收端的距离，最终计算得到接收端的定位坐标。本发明相较于传统的非成像接收降低了算法的复杂性，并消除了量化误差的影响，具有更高的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于可见光通信的单目定位方法及其系统。
背景技术
现有的基于VLC的室内定位作品大多数是基于PD的定位，PD依赖于对角度的测量，不同强度的光、PD以及发射器和接收器之间的距离的不同会导致效果相差很大，因此存在高复杂性，这种问题最终会增加定位误差，并降低系统的精度，因为系统相关参数中少量的误差会导致整个系统的误差百分比增大。为了提高系统的精度和降低复杂度，通过改变接收端的结构来减少系统相关参数的误差是十分必要的。在视觉定位中，双目定位法由于LED的实际图像中心并不是总在像素的中心，因此，出现了量化误差。此外，定位精度依赖于图像传感器之间的分离，同时也存在系统误差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于可见光通信的单目定位方法，所述方法基于FDMA调制技术分配LED不同的频率，在接收端采用成像接收，即单目定位法，相较于传统的非成像接收，降低了算法的复杂性和量化误差的影响，因此系统不受制于两个图像传感器之间的距离，无需附加模块就能够实现高精度的定位。
本发明的另一目的在于提供一种基于可见光通信的单目定位系统。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于可见光通信的单目定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、在三盏LED中，每盏LED发射端的信源发出不同频率的方波作为不同LED的ID信息，经过FDMA调制模块后输入LED驱动电路使能端，控制LED以不同频率亮灭；
步骤2、接收端经过摄像头捕捉三盏LED发出的光信号，在图像传感器上得到三盏LED带有条纹的图像；
步骤3、智能移动设备在图像传感器得到三盏LED带有条纹的图像后，由卷帘效应得到对应的LED的ID信息，在检测到三盏LED后，再通过距离的几何关系分别计算三盏LED与接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
进一步地，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤11、每盏LED发射端的信源产生不同频率的方波作为不同LED的ID信息；
步骤12、在FDMA调制模块中，DFT模块、子载波映射模块和IDFT模块实现对原信号的插值，将原信号调制到不同的频段上；调制后的信号通过加循环前缀模块对信号进行加循环前缀，再经过数-模转换模块将数字信号转换为模拟信号后输入LED驱动电路来控制LED以不同的频率亮灭。
所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21、三盏LED发射的光信号到达接收端的摄像头处；
步骤22、三盏LED的光信号经过摄像头的透镜，聚焦于图像传感器上，获得三个带有条纹信息的LED图像。
进一步地，所述步骤2与步骤3中的图像传感器为CMOS图像传感器，其通过逐行扫描的方式来处理LED图像中每一行的像素，整合一帧图像的时间从图像传感器的第一行像素复位曝光开始，到最后一行像素读出结束，在这个阶段里，LED快速亮灭在图像上产生亮暗的条纹，形成LED带有条纹的像。
进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤31、利用卷帘效应对LED带有条纹的图像的明暗条纹进行解码，得到对应的LED的ID信息：对图像中每一行的像素采用二阶多项式拟合，所获得的每一幅图像先进行0-255阶的灰度值转换，然后将每一行像素单元表示为(pi,bi)，其中，pi为该行第i个像素，bi为第i个像素的灰度值，通过设置阈值获取二阶多项式拟合曲线与灰度值曲线间的截取区域，获得一组灰度值yi，将这些灰度值按升序排列好，选择20％时的值；当检测的为暗条纹时，所选取的灰度值将会接近于0；当检测的为亮条纹时，所选取的灰度值将会远大于0；进而获得一个列矩阵的灰度值来进行解码；对于所获得的一个列矩阵的灰度值其明暗条纹的消光比不会太高，从而大大限制了传输的距离以及抗背景光的干扰能力，因此，通过直方图均衡将图像的像素变换为均匀分布在256阶灰度级来增强明暗条纹间的消光比，再利用索贝尔滤波器来进一步增强消光比，最后，使用三阶多项式拟合来设置一个合适的灰度阈值检测来还原编码的ID信息，从而获得LED的ID信息；
步骤32、在获得LED的ID信息后，需要通过距离的几何关系计算三盏LED与接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位：
用A、B、C分别代表三盏LED，三盏LED的位置分别为：LEDA(x1,y1,z1)，LEDB(x2,y2,z2)，LEDC(x3,y3,z3)，其中z1＝z2＝z3；接收端的位置为(x,y,z)，LEDA到地面的垂直距离z1＝H+z，H为LEDA到接收端位置的垂直高度，因此有z1＝z2＝z3＝H+z，z-zk＝-H，其中k＝1,2,3；
摄像头的透镜的中心用P点表示，P点与三盏LED的距离分别为d1、d2和d3，透镜焦距为f，在图像传感器的平面上，三盏LED图像的中心和图像传感器中心的距离为ik,k＝1,2,3；ik的大小通过像素坐标系和图像坐标系的转换求得；通过相似三角形原理即可计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于可见光通信的单目定位系统，所述系统包括发射端、信道和接收端，所述发射端包括信源、FDMA调制模块、LED驱动电路和LED灯具；所述信道传输LED灯具发射的不同频率的方波作为不同LED的ID信息由接收端的摄像头接收；所述接收端包括摄像头和智能移动设备；所述信源、FDMA调制模块、LED驱动电路和LED灯具依次相连；所述摄像头和智能移动设备相连；所述信源产生不同频率的方波作为不同LED灯具的ID信息；所述FDMA调制模块通过LED驱动电路控制LED以不同的频率亮灭；所述摄像头在图像传感器上对LED进行成像；所述智能移动设备得到LED的条纹信息并通过距离的几何关系得到LED与接收端的距离，最终计算得到接收端的定位坐标。
进一步地，所述FDMA调制模块包括DFT模块、子载波映射模块、IDFT模块、加循环前缀模块和数-模转换模块；所述DFT模块、子载波映射模块、IDFT模块、加循环前缀模块和数-模转换模块依次相连。
进一步地，所述每盏LED灯具由相应的LED驱动电路来控制；所述LED驱动电路由偏置电源、LED电源、电阻和LED恒流驱动器组成；所述LED恒流驱动器的输入级与电阻相连，电阻和偏置电源相连接；LED恒流驱动器的输出级与LED负极相连，LED正极和LED电源相连接；所述LED恒流驱动器的使能端发出使能信号，控制LED的亮灭。
进一步地，所述摄像头包括透镜和图像传感器；LED发出的光信号到达透镜后聚焦于图像传感器上的一点，得到带有条纹信息的LED图像。
进一步地，所述智能移动设备在图像传感器上得到LED图像后，由卷帘效应得到对应的LED的ID信息，再通过距离的几何关系计算LED的到接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用基于可见光通信的单目定位技术方案，接收端采用单目成像定位法，无需复杂调制，从而达到了降低算法复杂性和量化误差影响的效果，且该方案结构简单，只需一个摄像头，并拥有更高的定位精度。
2、本发明利用CMOS卷帘效应，通过LED的ID信息的条纹密度解码，从而达到了简化解码难度的效果。
附图说明
图1为本发明实施例1一种基于可见光通信的单目定位系统的结构示意图。
图2为本发明实施例2的三盏LED的几何关系示意图。
图3为本发明实施例2的图像坐标系和像素坐标系的变换关系图。
图4为本发明实施例2列举的LEDA和LEDB的几何关系示意图。
图5为本发明实施例2利用相似三角形原理计算接收端坐标的几何关系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例提供了一种基于可见光通信的单目定位系统，结构示意图如图1所示，包括发射端、信道和接收端，所述发射端包括信源、FDMA调制模块、LED驱动电路和LED灯具；所述信道传输LED灯具发射的不同频率的方波作为不同LED的ID信息由接收端的摄像头接收；所述接收端包括摄像头和智能移动设备；所述信源、FDMA调制模块、LED驱动电路和LED灯具依次相连；所述摄像头和智能移动设备相连；所述信源产生不同频率的方波作为不同LED灯具的ID信息；所述FDMA调制模块通过LED驱动电路控制LED以不同的频率亮灭；所述摄像头在图像传感器上对LED进行成像；所述智能移动设备得到LED的条纹信息并通过距离的几何关系得到LED与接收端的距离，最终计算得到接收端的定位坐标。
其中，所述FDMA调制模块包括DFT模块、子载波映射模块、IDFT模块、加循环前缀模块和数-模转换模块；所述DFT模块、子载波映射模块、IDFT模块、加循环前缀模块和数-模转换模块依次相连。所述每盏LED灯具由相应的LED驱动电路来控制；所述LED驱动电路由偏置电源、LED电源、电阻和LED恒流驱动器组成；所述LED恒流驱动器的输入级与电阻相连，电阻和偏置电源相连接；LED恒流驱动器的输出级与LED负极相连，LED正极和LED电源相连接；所述LED恒流驱动器的使能端发出使能信号，控制LED的亮灭。所述摄像头包括透镜和图像传感器；LED发出的光信号到达透镜后聚焦于图像传感器上的一点，得到带有条纹信息的LED图像。所述智能移动设备在图像传感器上得到LED图像后，由卷帘效应得到对应的LED的ID信息，再通过距离的几何关系计算LED的到接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
实施例2：
本实施例提供了一种基于可见光通信的单目定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、在三盏LED中，每盏LED发射端的信源发出不同频率的方波作为不同LED的ID信息，经过FDMA调制模块后输入LED驱动电路使能端，控制LED以不同频率亮灭；
步骤2、接收端经过摄像头捕捉三盏LED发出的光信号，在图像传感器上得到三盏LED带有条纹的图像；
步骤3、智能移动设备在图像传感器得到三盏LED带有条纹的图像后，由卷帘效应得到对应的LED的ID信息，在检测到三盏LED后，再通过距离的几何关系分别计算三盏LED与接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
所述图像传感器为CMOS图像传感器，其通过逐行扫描的方式来处理LED图像中每一行的像素，整合一帧图像的时间从图像传感器的第一行像素复位曝光开始，到最后一行像素读出结束，在这个阶段里，LED快速亮灭在图像上产生亮暗的条纹，形成LED带有条纹的像。
利用卷帘效应对LED带有条纹的图像的明暗条纹进行解码，得到对应的LED的ID信息：通过卷帘效应可以实现在一帧图片上检测多位的数据，进而大大提升了通信的速率。在利用卷帘效应通过对图像中所捕获到的明暗条纹解码的同时，由于图像中LED中心点光强较高，从而导致所在位置像素的电子饱和溢出，会严重影响了每帧图像中明暗条纹的对比度。若直接选取LED中心点对应的列像素，由于中心点过亮而导致一些暗条纹也变成亮条纹，从而导致不能解码或者出现严重失真。故此，本实施例通过对图像中的每一行的像素采用二阶多项式拟合，所获得的每一幅图像先进行0～255阶的灰度值转换，然后假设每一行像素单元为(pi,bi)，其中，pi为该行第i个像素，bi为对应像素的灰度值。通过设置阈值获取二阶多项式拟合曲线与灰度值曲线间的截取区域，可以获得一组灰度值yi，然后这些灰度值按升序排列好，选择20％时的值。当检测的为暗条纹时，所选取的灰度值将会接近于0；当检测的为亮条纹时，所选取的灰度值会远大于0。进而获得一个列矩阵的灰度值来进行解码。对于所获得一个列矩阵的灰度值其明暗条纹的消光比一般不会太高，从而大大限制了传输的距离以及抗背景光的干扰能力。因此，通过直方图均衡将图像的像素变换为均匀分布在256阶灰度级来增强明暗条纹间的消光比。再利用索贝尔滤波器来进一步增强消光比。最后，使用三阶多项式拟合来设置一个合适的灰度阈值检测来还原编码的ID信息，从而获得LED的ID信息。
在获得LED的ID信息后，需要通过距离的几何关系计算三盏LED与接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位，三盏LED的几何关系图如图2所示：具体地，用A、B、C分别代表三盏LED，三盏LED的位置分别为：LEDA(x1,y1,z1)，LEDB(x2,y2,z2)，LEDC(x3,y3,z3)，其中z1＝z2＝z3；接收端的位置为(x,y,z)，LEDA到地面的垂直距离z1＝H+z，H为LEDA到接收端位置的垂直高度，因此有z1＝z2＝z3＝H+z，z-zk＝-H，其中k＝1,2,3；
用于接收光信号的图像传感器由二维光敏元件阵列组成。因此，每个像素或者元素可以作为一个单独的传感器，通过单图像传感器可以同时检测和解调多个LED信号。图像传感器接收到三个LED的光信号，对坐标信息进行解调。在摄像头内部，安装在图像传感器上方的透镜焦距是已知的。透镜的垂直轴，对应图像传感器的中心。P点是透镜的中心。P点与A、B、C的距离分别为d1、d2、d3。距离d是通过透镜焦距和LED的像在图像传感器上的位置之间的几何关系计算得到的。透镜焦距f是已知的。在图像传感器的平面上，LED的像的中心和图像传感器中心的距离为ik,k＝1,2,3。
像素坐标系和图像坐标系都在图像传感器成像平面上，只是各自的原点和度量单位不一样。图像坐标系和像素坐标系的变换关系图如图3所示，图像坐标系的原点为相机光轴与图像传感器成像平面的交点，通常情况下是图像传感器成像平面的中点。图像坐标系的单位是mm，属于物理单位。像素坐标系的单位是pixel，描述一个像素点都是几行几列。所以这二者之间的转换如下：其中dx和dy表示每一列和每一行分别代表多少mm，即1pixel＝dx mm。图像坐标系和像素坐标系的变换关系如下：
化为矩阵形式：
其中，x、y为图像坐标系下的横纵坐标，u、v为像素坐标系下的横纵坐标，(u0,v0)为像素坐标系下图像传感器成像平面的中点。由此我们得到像素坐标和图像坐标的转换，可以求得LED在图像传感器上的像到传感器中心点的距离ik。
如图4所示，以LEDA和LEDB为例，两盏LED之间的距离d是已知的，LED在图像传感器上的像的距离d′也是已知的，又因为透镜焦距f是已知的，由相似三角形的关系，LED到接收端的高度H是可以直接得到的：
如图5所示，作一与直角三角形ABP相似的直角三角形PQR，其中k＝1,2,3。A、B、C分别代表三个LED，位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)。对未知节点(x,y,z)的定位过程如下：三个LED高度相同且已知的，那么若得到垂直距离H就可以得到未知节点的高度z。由相似三角形公式我们得知dk＝(H×ck)/f。LEDA到接收端位置的距离公式为：
通过代入z-zk＝-H，dk＝(H×ck)/f，得：
由LED和未知节点之间的距离公式，且令由方程(3)-(2)，(3)-(1)得
由上式可以推导得到未知节点未知的x,y值
最终得到未知节点的坐标(x,y,z)，定位完成。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于可见光通信的单目定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、在三盏LED中，每盏LED发射端的信源发出不同频率的方波作为不同LED的ID信息，经过FDMA调制模块后输入LED驱动电路使能端，控制LED以不同频率亮灭；
步骤2、接收端经过摄像头捕捉三盏LED发出的光信号，在图像传感器上得到三盏LED带有条纹的图像；
步骤3、智能移动设备在图像传感器得到三盏LED带有条纹的图像后，由卷帘效应得到对应的LED的ID信息，在检测到三盏LED后，再通过距离的几何关系分别计算三盏LED与接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的单目定位方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤11、每盏LED发射端的信源产生不同频率的方波作为不同LED的ID信息；
步骤12、在FDMA调制模块中，DFT模块、子载波映射模块和IDFT模块实现对原信号的插值，将原信号调制到不同的频段上；调制后的信号通过加循环前缀模块对信号进行加循环前缀，再经过数-模转换模块将数字信号转换为模拟信号后输入LED驱动电路来控制LED以不同的频率亮灭。
所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21、三盏LED发射的光信号到达接收端的摄像头处；
步骤22、三盏LED的光信号经过摄像头的透镜，聚焦于图像传感器上，获得三个带有条纹信息的LED图像。
3.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的单目定位方法，其特征在于：所述步骤2与步骤3中的图像传感器为CMOS图像传感器，其通过逐行扫描的方式来处理LED图像中每一行的像素，整合一帧图像的时间从图像传感器的第一行像素复位曝光开始，到最后一行像素读出结束，在这个阶段里，LED快速亮灭在图像上产生亮暗的条纹，形成LED带有条纹的像。
4.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的单目定位方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤31、利用卷帘效应对LED带有条纹的图像的明暗条纹进行解码，得到对应的LED的ID信息：对图像中每一行的像素采用二阶多项式拟合，所获得的每一幅图像先进行0-255阶的灰度值转换，然后将每一行像素单元表示为(pi,bi)，其中，pi为该行第i个像素，bi为第i个像素的灰度值，通过设置阈值获取二阶多项式拟合曲线与灰度值曲线间的截取区域，获得一组灰度值yi，将这些灰度值按升序排列好，选择20％时的值；当检测的为暗条纹时，所选取的灰度值将会接近于0；当检测的为亮条纹时，所选取的灰度值将会远大于0；进而获得一个列矩阵的灰度值来进行解码；对于所获得的一个列矩阵的灰度值其明暗条纹的消光比不会太高，从而大大限制了传输的距离以及抗背景光的干扰能力，因此，通过直方图均衡将图像的像素变换为均匀分布在256阶灰度级来增强明暗条纹间的消光比，再利用索贝尔滤波器来进一步增强消光比，最后，使用三阶多项式拟合来设置一个合适的灰度阈值检测来还原编码的ID信息，从而获得LED的ID信息；
步骤32、在获得LED的ID信息后，需要通过距离的几何关系计算三盏LED与接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位：用A、B、C分别代表三盏LED，三盏LED的位置分别为：LEDA(x1,y1,z1)，LEDB(x2,y2,z2)，LEDC(x3,y3,z3)，其中z1＝z2＝z3；接收端的位置为(x,y,z)，LEDA到地面的垂直距离z1＝H+z，H为LEDA到接收端位置的垂直高度，因此有z1＝z2＝z3＝H+z，z-zk＝-H，其中k＝1,2,3；
摄像头的透镜的中心用P点表示，P点与三盏LED的距离分别为d1、d2和d3，透镜焦距为f，在图像传感器的平面上，三盏LED图像的中心和图像传感器中心的距离为ik,k＝1,2,3；ik的大小通过像素坐标系和图像坐标系的转换求得；通过相似三角形原理即可计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
5.一种基于可见光通信的单目定位系统，其特征在于：所述系统包括发射端、信道和接收端，所述发射端包括信源、FDMA调制模块、LED驱动电路和LED灯具；所述信道传输LED灯具发射的不同频率的方波作为不同LED的ID信息由接收端的摄像头接收；所述接收端包括摄像头和智能移动设备；所述信源、FDMA调制模块、LED驱动电路和LED灯具依次相连；所述摄像头和智能移动设备相连；所述信源产生不同频率的方波作为不同LED灯具的ID信息；所述FDMA调制模块通过LED驱动电路控制LED以不同的频率亮灭；所述摄像头在图像传感器上对LED进行成像；所述智能移动设备得到LED的条纹信息并通过距离的几何关系得到LED与接收端的距离，最终计算得到接收端的定位坐标。
6.根据权利要求5所述的一种基于可见光通信的单目定位系统，其特征在于：所述FDMA调制模块包括DFT模块、子载波映射模块、IDFT模块、加循环前缀模块和数-模转换模块；所述DFT模块、子载波映射模块、IDFT模块、加循环前缀模块和数-模转换模块依次相连。
7.根据权利要求5所述的一种基于可见光通信的单目定位系统，其特征在于：所述每盏LED灯具由相应的LED驱动电路来控制；所述LED驱动电路由偏置电源、LED电源、电阻和LED恒流驱动器组成；所述LED恒流驱动器的输入级与电阻相连，电阻和偏置电源相连接；LED恒流驱动器的输出级与LED负极相连，LED正极和LED电源相连接；所述LED恒流驱动器的使能端发出使能信号，控制LED的亮灭。
8.根据权利要求5所述的一种基于可见光通信的单目定位系统，其特征在于：所述摄像头包括透镜和图像传感器；LED发出的光信号到达透镜后聚焦于图像传感器上的一点，得到带有条纹信息的LED图像。
9.根据权利要求5所述的一种基于可见光通信的单目定位系统，其特征在于：所述智能移动设备在图像传感器上得到LED图像后，由卷帘效应得到对应的LED的ID信息，再通过距离的几何关系计算LED到接收端的距离，最后计算得到接收端的坐标，实现精确定位。
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