CN108495251A - 一种基于蓝牙和led光定位的组合定位方法 - Google Patents

一种基于蓝牙和led光定位的组合定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，它包括：在LED定位灯具内部嵌入蓝牙定位模块，LED定位灯具之间均匀分布普通灯具；当用户行走在普通灯具区域时，通过蓝牙定位模块做初始定位；当用户行走到LED定位灯具下，通过智能终端设备接收LED定位灯具发出的定位信号并解析出ID，并通过无线基站传送到后台服务器，并利用预装在定位设备中的地图数据库，根据ID在地图数据库中查找LED定位灯具的坐标；当用户偏离LED定位灯具向普通灯具区域行走时，采用图像处理视觉定位方法，后台服务器根据LED定位灯具的坐标和普通灯具在摄像头中的位置做定位推算，完成定位。本发明可以减少LED定位灯具改造数量，节省成本。

Description

一种基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法
技术领域
本发明涉及一种定位方法，尤其是一种基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法。
背景技术
随着社会的发展，定位技术的不断提高，可见光通信定位也越来成熟，但是目前可见光定位设备比较昂贵，无法普遍实现，且必须在有定位灯具灯亮的情况下，才能实现定位，所以需要定位灯具的安装间距很近，实现光通信定位的成本也很高。
随着社会的发展，室内建造面积越来越大，例如大型购物超市，机场等区域，人们在室内容易迷失方向，急迫需要具有定位导航功能的产品。
发明内容
为解决目前可见光定位设备比较昂贵，无法普遍实现，且需要定位灯具的安装间距小，实现光通信定位的成本高的缺陷，本发明提供一种基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，它包括以下步骤：
步骤一，在LED定位灯具内部嵌入蓝牙定位模块，LED定位灯具之间均匀分布普通灯具；
步骤二，当用户行走在普通灯具区域时，通过蓝牙定位模块做初始定位；
步骤三，当用户行走到LED定位灯具下，通过智能终端设备接收LED定位灯具发出的定位信号并解析出LED定位灯具的ID，通过无线基站将解析出的ID传送到后台服务器；
步骤四，当用户偏离LED定位灯具向普通灯具区域行走时，采用图像处理视觉定位方法，后台服务器根据LED定位灯具的坐标信息和普通灯具在智能终端设备的摄像头中的位置信息做定位推算，完成定位。
进一步地，智能终端设备带有镜头角度为90°的摄像头，该摄像头为无畸变的大角度摄像头。
进一步地，LED定位灯具内部集成LED定位信号发射模块，通过MCU控制LED灯珠发出明暗变化的条纹，将LED灯珠上的定位信号发送出去，智能终端设备接收LED灯珠发送出来的明暗信号，通过处理器解析出对应的ID信息。
进一步地，LED灯珠上的定位信号是经编译而成的LED灯珠能够发射的脉宽信号。
进一步地，步骤二中当用户行走在普通灯具区域时，该区域由蓝牙信号覆盖，通过所述智能终端设备上的应用软件搜索附近的蓝牙信标节点的ID，同时采集并保存蓝牙信标节点的RSSI值，搜索匹配的信标节点ID，通过无线局域网上传到后台服务器预先安装在定位设备中的地图数据库，根据地图数据库的匹配信息确定蓝牙信标节点的坐标，根据三边测量基本原理初略计算出智能终端设备的当前位置坐标。
进一步地，步骤四中当用户偏离LED定位灯具向普通灯具区域行走时，后台服务器利用预先安装在定位设备中的地图数据库，根据ID在地图数据库中查找LED定位灯具的坐标信息，以LED定位灯具的坐标为初始参考坐标，做视觉定位推算，估算两灯之间的位置，从而推算出用户当前的相对位置坐标。
进一步地，LED定位灯具的ID编码按通过蓝牙信号进行更改。
进一步地，LED定位灯具采用6-8寸筒灯或LED T8管灯或面板灯。
进一步地，LED定位灯具之间间距为8m-15m。
有益效果：
1.LED定位灯具较少，现场录入LED灯具ID，工作量减轻。
2.LED定位灯具中嵌入了蓝牙定位模块，可通过蓝牙通信修改LED灯具ID，方便LED定位灯具的统一化生产，灯具安装完后可以随时修改ID。
3.LED灯具给蓝牙定位模块提供电源，蓝牙模块不用额外增加电池供电,减少了成本。
4.智能终端设备没有定位灯具做初始定位参考时，将采用LED定位灯具集成的蓝牙定位模块做初始定位，智能终端设备搜索蓝牙信号强度，提高定位精度。
5.在LED灯光定位的基础上增加图像处理视觉定位方法，以LED定位灯具为参考坐标，通过图像处理视觉做位移推算，实现LED定位灯具和普通灯具融合定位，降低LED定位灯具安装密度，节省定位灯具安装成本，快速安装。
附图说明
图1为本发明一实施例在普通超市购物车把手处增加光定位平板电脑的示意图；
图2为本发明一实施例蓝牙定位模块在LED定位灯具内部安装的示意图；
图3为本发明一实施例LED定位灯具的安装分布图；
图4为本发明一实施例蓝牙定位模块连接场景示意图；
图5为本发明一实施例采样点(RSSI)和距离的关系图；
图6为本发明一实施例三边测量基本原理图；
图7为本发明一实施例定位ID的OOK编码示意图；
图8为本发明一实施例定位ID的曼彻斯特编码示意图；
图9为本发明一实施例LED恒流驱动电路增加定位信号发射模块的示意图；
图10为本发明一实施例智能终端设备接收LED定位灯具发射的定位信号的示意图；
图11为本发明一实施例可见光室内定位技术编码规则的实例示意图；
图12为本发明一实施例LED定位灯具与摄像头中心的距离所采用的三角函数关系示意图；
图13为本发明一实施例摄像头在距离LED定位灯具D的圆上的示意图；
图14为本发明一实施例智能终端设备地方向θ的示意图；
图15为本发明一实施例摄像头变更前和变更后的可视范围示意图；
图16为本发明一实施例摄像头采集LED定位灯具图像信息的示意图；
图17为本发明一实施例普通灯具位移的图像信息示意图；
图18为本发明一实施例普通灯具与摄像头中心的距离所采用的三角函数关系的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以超市为例，提出一种基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其他机场，仓库等具有相同的功能。
如图1所示，将具有定位功能的智能终端设备4安装在超市购物车上，使超市购物车具有定位导航功能。智能终端设备4采用一个广角镜头为90度的平板电脑，利用摄像头采集LED定位灯具1的位置信息和普通灯具3在摄像头中的位置信息做定位推算。
如图2所示，LED定位灯具1内安装蓝牙定位模块2，所用的LED定位灯具1采用6-8寸筒灯，蓝牙定位模块2直接安装在LED定位灯具1内部。
将安装有蓝牙定位模块2的LED定位灯具1安装在超市必要的地方，每个LED定位灯具1之间间距为8m-15m，中间采用普通灯具3，如图3所示。
用户在超市行走时，用户的出发起点都是不一样的，一开始可能一直在普通灯具3区域行走，而智能终端设备4必须以LED定位灯具1的坐标为参考坐标做定位位移运算，该情况下，智能终端设备4会接收LED定位灯具1内部的蓝牙定位模块2发出的信号强度，判断所在位置。
蓝牙定位原理：蓝牙定位模块2连接场景如图4所示，购物车上的智能终端设备4是作为蓝牙信号查询过程中的主设备，蓝牙定位模块2作为从设备处于查询状态。当用户推动购物车在普通灯具3下行走，就进入了蓝牙信号的覆盖区域，通过智能终端设备4上的应用软件就可以搜索到附近的蓝牙信标节点的ID，同时采集并保存蓝牙信标节点的RSSI值，搜索匹配的信标节点ID，通过无线局域网上传到后台服务器预先安装在定位设备中的地图数据库，根据地图数据库的匹配信息可以确定蓝牙信标的坐标。根据三边测量的基本原理可以计算出智能终端设备4大概位置坐标。
智能终端设备4将采集好的数据统计分析，得到的采样RSSI的数据如下表1所示：
表1采样点RSSI和距离的关系表
Distance(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RSSI(dBm) -47 -59 -73 -80 -80 -79 -85 -88 -86 -87
Loss(P) 0 0 9 11 27 2 50 32 22 49
从图5可以看出，RSSI与距离的关系是比较符合指数函数，光定位平板电脑对数据进行分析，可以得到指数函数公式为：y＝y＝-17.7ln(x)-49.53，再把自然对数换成10常用对数，则有RSSI与距离之间的计算公式为：y＝-40.71lg(x)–49.53。光定位平板电脑接收到蓝牙定位信标的信号，通过RSSI与距离之间的计算公式计算出距离，然后根据三边测量基本原理，计算出当前初略位置。
三边测量基本原理，如图6所示：
1.已知三点位置(X1，Y1)，(X2，Y2)，(X3，Y3)；
2.已知未知点(X0，Y0)到三点距离d1，d2，d3；
以d1，d2，d3为半径作三个圆，得出交点，即未知点的位置计算公式：
(X1-X0)2+(Y1-Y0)2＝d1
(X2-X0)2+(Y2-Y0)2＝d2
(X3-X0)2+(Y3-Y0)2＝d3
另外，装有蓝牙定位模块2的LED定位灯具1的ID按照需求可以通过蓝牙信号来进行更改，无需拆卸灯具，重新烧录，且超市内安装灯具较多，安装的普通灯具3的数量远远比LED定位灯具1数量多，普通灯具3和LED定位灯具1型号也是统一的，难以区分，工作人员需要对灯具ID修改，还需要先找出LED定位灯具1，工作量较大，直接通过蓝牙信号对ID更改，减少了人力，而且装有蓝牙定位模块2的LED定位灯具1可以在超市内随意安装，最后现场通过蓝牙对LED定位灯具1的ID重新烧录。
要实现光定位技术，首先，将定位信号编译为LED定位灯具1可以发射的脉宽信号：
例如：ID：1382(十进制)→10101100110(二进制)；
1.直接使用二进制OOK编码方式将1/0信号直接加载到LED定位灯具1的驱动电流上：
ID：1382(十进制)→10101100110(二进制)，如图7所示；
2.为了方便LED定位灯具1闪烁，将二进制1/0信号变为曼彻斯特编码，1→10，0→01：
ID：1382(十进制)→10101100110(二进制)→1001100110100101101001，如图8所示。
其次，如图9所示，在LED定位灯具1内部的LED恒流驱动电路15与LED灯珠12之间插入定位信号发射模块11。然后，利用智能终端设备4的摄像头来采集LED定位灯具1发射出来的定位信号。
光定位技术通信原理如图10所示：利用调制器14将采用如图11所示的编码规则形成的编码信号通过LED灯珠12发送出来，利用智能终端设备4的摄像头拍摄出明暗变化的条纹图片，通过处理器13解析出对应的ID信息(二进制)，实现读取ID的目的，并存入存储器16；
智能终端设备4摄像头的工作原理为：景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理，再通过接口电路传输到智能终端设备4中处理。
再利用智能终端设备4的摄像头来采集LED定位灯具1在图像中的位置进行精确定位计算。
如图12所示，LED定位灯具1到摄像头中心的图像距离Dp，(X0，Y0)到图像中心的距离，根据图像信息可以计算出，LED定位灯具1相对于智能终端设备4的摄像头的距离。预先计算摄像头的每个像素与距离之间的对应关系，摄像头图像距离(像素距离)Dp对应距离Dpt，计算LED定位灯具1到摄像头中心的距离D＝Dpt*(f+H)/f，其中f为摄像头焦距，H为摄像头到LED定位灯具1的高度。计算出LED定位灯具1到摄像头中心的距离D，可以判断摄像头在距离LED定位灯具1D的圆上，如图13所示。
其次，利用智能终端设备4上的方向传感器，判读出当前状态下，智能终端设备4地方向θ，如图14所示。在配合LED定位灯具1到摄像头中心的距离D，可以准确的计算出智能终端设备4的位置。
通过LED定位灯具1的坐标(X0，Y0)，以及摄像头在距离LED定位灯具1D的圆上和智能终端设备4地方向θ，可以计算出智能终端设备4坐标(X，Y)：
X＝X0+D*Cosθ
Y＝Y0+D*Sinθ
图像处理视觉定位方法需要使用镜头角度为90°的摄像头才能实现。如图15所示，目前市面上的平板电脑，手机大部分都使用镜头角度为60°的摄像头，超市灯具安装间隔大约2-3m，60°的镜头角度可视范围为4.32m2，60°的镜头角度可视范围比较小，可能会出现拍摄不到灯具的情况，要实现图像处理视觉定位必须要在能够拍摄到灯具的情况下才可以做定位推算，而摄像头拍摄镜头角度越大，可视范围也会变大，改用镜头角度为90°的摄像头，其可视范围为12.0m2，摄像头都可以拍摄到灯具图像。
图像处理视觉定位原理：用户推动购物车行驶到LED定位灯具1下，购物车上的智能终端设备4接收LED定位灯具1发送出的明暗信号，通过处理器13解析出LED定位灯具1发送的ID信号，后台服务器利用预先安装在定位设备中的地图数据库所获取的ID信息在地图数据库中确定对应位置，此时用户的位置是一个绝对位置坐标。以LED定位灯具1的坐标为初始参考，当用户向普通灯具3区域行驶时，做视觉定位推算，估算两灯之间的位置，从而推算出用户此时的相对位置坐标。
具体实现如图16所示：智能终端设备4接收LED定位灯具1坐标为(X0，Y0)，这个坐标位置是一个绝对位置坐标，如图(a)所示，LED定位灯具1和普通灯具3都显示在智能终端设备4的摄像头可视范围下，当用户推动购物车，摄影头已经拍摄不到LED定位灯具1，普通灯具3仍在摄像头的可视范围下，拍摄的面积包含图(a)的区域如图(b)，此时普通灯具3的坐标以LED定位灯具1坐标为参考坐标，后台服务器将会默认此时普通灯具3的初始坐标是(X0，Y0)，当前普通灯具3在摄像头中的位置坐标为(Px,Py)，用户推动购物车继续行走时，位置发生变化，摄像头已经拍摄不到图(a)的区域如图(c)，当前摄像头拍摄的普通灯具3在摄像头中的位置坐标为(Px’,Py’)。
普通灯具3在摄像头中的位置坐标是已知的，如图17所示，可以计算出普通灯具3在X轴和Y轴的位移：
ΔPx＝Px’-Px
ΔPy＝Py’-Py
如图18所示，摄像头解析度：1024*960，摄像头到普通灯具3的高度H是已知的(该高度与摄像头到LED定位灯具1的高度相等)，摄像头焦距为f，可以计算出普通灯具3的实际位移距离：
ΔX＝ΔPx*H/f
ΔY＝ΔPy*H/f
普通灯具3的实际坐标为(X0+ΔX，Y0+ΔY)。
利用智能终端设备4上的方向传感器，判读出当前状态下，智能终端设备4地方向θ，如图14所示。再配合普通灯具3到摄像头中心的距离D，可以准确的计算出此时智能终端设备4的位置。
通过普通灯具3的坐标(X0+ΔX，Y0+ΔY)，以及摄像头在距离普通灯具3D的圆上和智能终端设备4地方向θ，得出
智能终端设备4的坐标为：
X＝(X0+D*Cosθ)+△X
Y＝(Y0+D*Cosθ)+△Y
当用户继续向下一个普通灯具3行走时，会以该普通灯具3的坐标位置为参考，计算过程同上。
当用户再次行走到LED定位灯具1下时，后台服务器会以该LED定位灯具1的坐标为参考坐标，做定位校正。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一，在LED定位灯具(1)内部嵌入蓝牙定位模块(2)，LED定位灯具(1)之间均匀分布普通灯具(3)；
步骤二，当用户行走在普通灯具(3)区域时，通过蓝牙定位模块(2)做初始定位；
步骤三，当用户行走到LED定位灯具(1)下，通过智能终端设备(4)接收LED定位灯具(1)发出的定位信号并解析出LED定位灯具(1)的ID，通过无线基站将解析出的ID传送到后台服务器；
步骤四，当用户偏离LED定位灯具(1)向普通灯具(3)区域行走时，采用图像处理视觉定位方法，后台服务器根据LED定位灯具(1)的坐标信息和普通灯具(3)在智能终端设备(4)的摄像头中的位置信息做定位推算，完成定位。
2.根据权利要求1所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述智能终端设备(4)带有镜头角度为90°的摄像头，该摄像头为无畸变的大角度摄像头。
3.根据权利要求1所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述LED定位灯具(1)内部集成LED定位信号发射模块(11)，通过MCU控制LED灯珠(12)发出明暗变化的条纹，将LED灯珠(12)上的定位信号发送出去，智能终端设备(4)接收LED灯珠(12)发送出来的明暗信号，通过处理器(13)解析出对应的ID信息。
4.根据权利要求3所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述LED灯珠(12)上的定位信号是经编译而成的LED灯珠(12)能够发射的脉宽信号。
5.根据权利要求1所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述步骤二中当用户行走在普通灯具(3)区域时，该区域由蓝牙信号覆盖，通过所述智能终端设备(4)上的应用软件搜索附近的蓝牙信标节点的ID，同时采集并保存蓝牙信标节点的RSSI值，搜索匹配的信标节点ID，通过无线局域网上传到后台服务器预先安装在定位设备中的地图数据库，根据地图数据库的匹配信息确定蓝牙信标节点的坐标，根据三边测量基本原理初略计算出智能终端设备(4)的当前位置坐标。
6.根据权利要求1所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述步骤四中当用户偏离LED定位灯具(1)向普通灯具(3)区域行走时，后台服务器利用预先安装在定位设备中的地图数据库，根据ID在地图数据库中查找LED定位灯具(1)的坐标信息，以LED定位灯具(1)的坐标为初始参考坐标，做视觉定位推算，估算两灯之间的位置，从而推算出用户当前的相对位置坐标。
7.根据权利要求1所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述LED定位灯具(1)的ID编码按通过蓝牙信号进行更改。
8.根据权利要求1所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述LED定位灯具(1)采用6-8寸筒灯或LED T8管灯或面板灯。
9.根据权利要求1所述的基于蓝牙和LED光定位的组合定位方法，其特征在于：所述LED定位灯具(1)之间间距为8m-15m。
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