CN108507561A - 一种基于移动终端的vlc与imu融合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，该融合定位方法包括：通过可见光通信定位技术，利用LED发送携带位置信息的可见光信号至移动终端，获取可见光通信定位信息，其中，可见光通信定位过程包括LED编码、调制、驱动、解调、定位求解；利用装载于移动终端的惯性传感单元，采集目标行进的速度位移数据，获取惯性定位信息；将两者进行双重扩展卡尔曼融合滤波，获取最终的定位信息，其中，融合过程包括状态预测、实际观测、观测预测、数据关联匹配和状态更新5个步骤。本方法简单易行，硬件成本低，且定位精度高，系统稳定，不易受干扰影响，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法

技术领域

本发明涉及可见光通信和惯性测量技术领域，具体涉及一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法。

背景技术

近年来，被誉为“绿色照明”的半导体照明技术迅速发展。与传统的白炽灯等照明光源相比，LED具有低功耗、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点。与此同时，LED更具有调制性能好、响应灵敏度高等优势。将信号以人眼无法识别的高频加载到LED上进行传输，进而催生出一门能够实现照明与通信一体化的技术——可见光通信技术。

VLC(可见光通信)定位技术，是一种通过LED灯明暗闪烁的信号来传递发射端编码信息的室内定位技术，该技术通过微控制单元将编码信息存入LED灯具，并通过接收端接收光信号并进行图像处理和解调，获取LED的位置信息，最终通过几何关系、航迹推算等，获取目标的位置信息，从而实现目标定位。

IMU(惯性传感单元)定位，即通过步态分析估算人体的步长及行进方向，得到行进的位移矢量，进而在已知起始点的前提下进行动态定位。惯性定位主要测量仪器为：加速计、陀螺仪或磁力计，可分别测量设备各方向加速度、角速度及设备方位。从已知的位置出发，对加速计和陀螺仪或磁力计的信息进行融合，利用行进的加速度、角速度及方向等数据，从已知的位置出发，估测下一个位置，进而连续估测目标的速度、姿态和位置，得到惯性定位信息。运用惯性定位原理，能预测目标的动作及状态，同时能在其他定位技术干扰时对定位精度进行补偿，提高系统抗干扰性。

随着社会发展，大型建筑逐年增加，室内定位需求强烈，但传统的定位技术(卫星定位、基站定位)却因技术限制，无法满足室内定位的要求。目前，室内定位技术主要有红外定位技术、蓝牙定位技术、射频识别技术、无线局域网技术、超声波定位技术、超宽带技术、VLC定位技术等，大多数室内定位技术工作原理为：借助辅助节进行定位，通过不同的测距方式，计算待测节点相对于辅助节点的位置，与数据库中事先收集的数据进行比对，从而确定室内位置。但这些定位技术都有一定的缺陷，如：蓝牙定位技术设备稳定性差，无线局域网技术易受电磁干扰，超宽带技术成本昂贵。其中，在可实现规模推广的前提下，VLC定位的定位精度最高，可达亚米级，但其易受光遮挡干扰等影响，稳定性有待提高。

如今，几乎所有室内人员都人手一台智能移动终端，且大部分智能移动终端都自带摄像头和惯性测量单元，故智能移动终端成为了室内定位的最佳辅助工具。因此，极有必要开发一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，一方面，以智能移动终端为工具，成本较低，无需进行附加的硬件安装；另一方面，VLC定信息融合IMU的定位信息，大大提高了系统的鲁棒性，从而最大限度地发挥定位精度高、抗干扰性强的优势。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，旨在提高现有定位技术的鲁棒性和定位精度，进而在环境干扰等情况下，实现高精度的室内定位。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，所述的融合定位方法包括下列步骤：

S1、通过LED灯具发送携带LED灯具位置坐标信息的可见光信号至移动终端，通过移动终端的前置摄像头获取可见光通信定位信息；

S2、通过装载在移动终端上的惯性传感单元，获取惯性定位信息；

S3、对所述的可见光通信定位信息和所述的惯性定位信息，进行双重扩展卡尔曼融合滤波，获取最终定位信息。

进一步地，所述的步骤S1包括：

S101、发送端通过驱动模块驱动LED灯具，使LED灯具发送经调制的可见光信号；

S102、以装载于移动终端的摄像头作为接收端，进行可见光信号接收并成像，其中，所述的接收图像为亮暗条纹相间的LED图像；

S103、对所述的可见光信号进行解调，获取所述的LED灯具载有的位置信息；

S104、通过所述的LED灯具与定位目标的几何位置关系，求解出目标位置，获取可见光通信定位信息。

进一步地，所述的步骤S101中发送端通过驱动模块驱动LED灯具的过程如下：

S1011、DPR调制通过控制脉冲频率来控制双向可动硅开关调光器；

S1012、双向可动硅开关调光器通过控制交流线路输送到光源的功率量，将调光信号发送到LED驱动器；

S1013、LED驱动器将调光信号转换成用于驱动光源的PWM脉宽调制信号，根据编码对LED灯具进行亮暗控制，然后LED灯具发送经过调制的可见光信号。

进一步地，所述的步骤S103的过程如下：

S1031、对所述的LED图像进行去除背景噪声的处理；

S1032、对处理后图像进行快速傅里叶变换得到频率信号，使用滤波器对该信号进行过滤；

S1033、提取过滤后信号的直流分量，创建一个新信号，所述的新信号的峰值频率即为所述的LED灯具的标识符。

进一步地，所述的步骤S1031、对所述的LED图像进行去除背景噪声的处理的具体算法如下：

以整个视频序列作为处理对象，对视频序列场景取平均值，使图像表现LED未调制时的特性，作为底层图像；

对视频序列中每一帧图像减去所述的底层图像，即得滤除背景噪声后的图像。

进一步地，所述的步骤S2包括：

S201、通过所述的惯性传感单元，包括加速计和磁力计，采集目标运动数据，其中，运动数据包括目标的行进加速度和目标的行进方向；

S202、通过加速计采集的行进加速度数据，获取目标行进位移大小，即运动步长；

S203、通过磁力计采集的行进方向数据，根据频率大小，判断出步态周期内的行进方向；

S204、将运动步长与行进方向结合，得到运动位移，实现惯性定位。

进一步地，所述的步骤S202、通过加速计采集的行进加速度数据，获取目标行进位移大小，即运动步长的过程如下：

S2021、运用旋转矩阵，将加速计测得的加速度矢量从设备方向投影到全局方向；

S2022、将采集的行进加速度数据做滤波处理，用于零速修正检测；

S2023、通过零速修正检测，分割步态周期，对行进加速度数据进行二次积分，得出腰部竖直位移，即身体重心的运动，其中，所述的步态周期分为支撑期、摆动期、双脚支撑期；

S2024、通过腰部运动的正弦模型的幅值变化与步长的关系，得出运动步长。

进一步地，所述的步骤中采用极值法进行零速修正检测。

进一步地，所述的步骤S3包括：

S301、将加速计和磁力计获得的行进加速度和行进方向信息，应用到运动模型，进行定位系统的状态预测，得出目标下一步的理论行进动作，即作为定位系统的状态预测值；

S302、将所述的可见光通信定位信息，即目标当前时刻的位置信息，作为定位系统的实际观测值；

S303、根据状态预测值和实际观测值，产生特征值，进行观测预测；

S304、在状态预测值和实际观测值的期望特征之间辨识最佳匹配对，进行数据关联匹配；

S305、对上一步骤产生的所有匹配对进行扩展卡尔曼滤波融合，获取最终定位信息，并进行状态更新。

进一步地，所述的融合定位方法在步骤S1之前还包括：

T1、对LED灯具采用0-1标识符进行编码，其中，所述的编码与该LED灯具所处位置的坐标对应，多个LED灯具集合与室内地图坐标构成标识符-坐标映射表；

T2、对LED灯具的编码进行数字脉冲识别调制，并根据LED灯具的0-1标识符定义对应光源开启和关闭事件的占空比参数，同时，定义LED灯具发射机的调制频率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明提出了一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，与现有的其他室内定位技术相比，提高了定位结果的精确度和可信度，增强定位系统的容错能力，进而有效地提升整个定位系统的性能。

(2)本发明所选取的两种定位方法，融合后实现了优势互补:当可见光通信定位受干扰时，如光遮挡、噪声干扰等，惯性定位系统能弥补其误差；当惯性定位受干扰时，如磁力影响、抖动干扰等，则可见光通信定位可弥补其误差。两者互补，大大提高了系统鲁棒性及精准度，使其更适合应用。

(3)本发明提出的方法简单易行，便于实现。相比其他室内定位技术，无需增添附加硬件，成本较低，可行性更高。

附图说明

图1是本发明中一种基于移动终端的VLC与IMU的融合定位方法流程图；

图2是本发明中驱动示意图；

图3是本发明中发送端与接收端位置关系图；

图4是本发明中LED信号解调流程图；

图5是本发明中惯性定位运动步长信息获取流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例采用本发明所述的基于移动终端的VLC及IMU融合定位方法实现室内定位，图1为本发明中公开的一种基于移动终端的VLC与IMU的融合定位方法的流程图。

本发明中所述的移动终端包括手机、笔记本电脑、平板电脑和掌上上网设备、多媒体设备、流媒体设备、移动互联网设备(MID，mobile internet device)、可穿戴设备或其他类型的终端设备。

如图1所示，本发明实施例中融合定位方法包括：对LED灯具的编码，对LED灯具的调制，对LED灯具的驱动，对装载于移动终端的CMOS摄像头所成图像的处理，对LED灯具信号的解调，对可见光通信定位信息的获取，对惯性定位信息的获取，对所述定位信息的融合。

具体地，本发明实施例中一种基于移动终端的VLC与IMU的融合定位方法包括以下步骤：

S1、通过LED灯具发送携带LED灯具位置坐标信息的可见光信号至移动终端，通过移动终端的前置摄像头获取可见光通信定位信息；

其中，所述的融合定位方法在步骤S1之前还包括：

T1、对LED灯具采用0-1标识符进行编码。其中，所述的编码与该LED灯具所处位置的坐标对应，多个LED灯具编码的集合与室内地图坐标构成标识符-坐标映射表；

T2、对LED灯具的编码进行调制。本实施例中，对LED灯具的编码进行DPR(数字脉冲识别)调制，并根据LED灯具的0-1标识符定义对应光源开启和关闭事件的占空比参数，同时，定义LED灯具发射机的调制频率。其中，定义LED灯具发射机的调制频率指修改驱动光源的周期性波形频率，使LED载有频率信号。

下面具体介绍步骤S1包括的子步骤，具体如下：

S101、发送端通过驱动模块驱动LED灯具，使LED灯具发送经调制的可见光信号；

如图2所示，所述的步骤S101中发送端通过驱动模块驱动LED灯具具体步骤如下：

S1011、DPR(数字脉冲识别)调制通过控制脉冲频率来控制双向可动硅开关调光器；

S1012、双向可动硅开关调光器通过控制交流线路输送到光源的功率量，将调光信号发送到LED驱动器；

S1013、LED驱动器将调光信号转换成用于驱动光源的PWM脉宽调制信号，根据编码对LED灯具进行亮暗控制，然后LED灯具发送经过调制的可见光信号。

S102、以装载于移动终端的摄像头作为接收端，进行可见光信号接收并成像，其中，所述的接收图像为亮暗条纹相间的LED图像；

如图3所示，以装载于移动终端的CMOS摄像头作为接收端，摄像头与LED灯具平行相对，进行可见光信号接收并成像。其中，由于卷帘效应，接收图像为亮暗条纹相间的LED图像。

S103、对所述的可见光信号进行解调，获取所述的LED灯具载有的位置信息；

如图4所示，通过所述的LED图像，对所述的可见光信号进行解调，获取所述的LED灯具的标识符信息。所述解调具体过程如下：

S1031、对所述的LED图像进行去除背景噪声的处理，具体算法如下：以整个视频序列作为处理对象，对所述的视频序列场景取平均值，使图像表现LED未调制时的特性，作为底层图像；对所述的视频序列每一帧减去所述的底层图像，即得滤除背景噪声后的图像。其中，处理后图像仅保留照明调制效果，无其他干扰；

S1032、对处理后图像进行快速傅里叶变换得到频率信号，使用滤波器对该信号进行过滤；

S1033、提取过滤后信号的直流分量，创建一个新信号，所述的新信号的峰值频率即为所述的LED灯具的标识符。

S104、通过所述的LED灯具与定位目标的几何位置关系，求解出目标位置，获取可见光通信定位信息。

S2、通过装载在移动终端上的惯性传感单元，获取惯性定位信息；

下面具体介绍步骤S2包括的子步骤，具体如下：

S201、通过所述的惯性传感单元，包括加速计和磁力计，采集运动数据；

其中，运动数据包括目标的行进加速度和目标的行进方向。

S202、通过加速计采集的行进加速度数据，获取目标行进位移大小，即运动步长；

如图5所示，所述的步骤S202中通过加速计采集的行进加速度数据，获取目标行进位移大小，即运动步长；

S2021、运用旋转矩阵，将加速计测得的加速度矢量从设备方向投影到全局方向；

S2022、将采集的行进加速度数据做滤波处理，用于零速修正(ZUPT)检测；其中，零速修正(ZUPT)的作用为减小由于积分漂移而导致的误差累积；本实施例中采用极值法检测零速修正(ZUPT)；

S2023、通过零速修正(ZUPT)检测，分割步态周期，对行进加速度数据进行二次积分，得出腰部竖直位移，即身体重心的运动；其中，所述的步态周期分为支撑期、摆动期、双脚支撑期；需要指出的是，双脚支撑期中，单、双脚所占比例与行进速度有关；

S2024、通过腰部运动的正弦模型的幅值变化与步长的关系，得出运动步长。

S203、通过磁力计采集的行进方向数据，根据频率大小，判断出步态周期内的行进方向；

S204、将运动步长与行进方向结合，得到运动位移，实现惯性定位。

S3、对所述的可见光通信定位信息和所述的惯性定位信息，进行双重扩展卡尔曼融合滤波，获取最终定位信息。

该步骤通过运用双重扩展卡尔曼融合滤波，将所述的可见光通信定位信息和所述的惯性定位信息融合，得到最终的定位信息。该融合具体过程如下：

S301、将加速计和磁力计获得的行进加速度和行进方向信息，应用到运动模型，进行定位系统的状态预测，得出目标下一步的理论行进动作，即作为定位系统的状态预测值；

S302、将所述的可见光通信定位信息，即目标当前时刻的位置信息，作为定位系统的实际观测值；

S303、根据状态预测值和实际观测值，产生特征值，进行观测预测；

S304、在状态预测值和实际观测值的期望特征之间辨识最佳匹配对，进行数据关联匹配；

S305、对上一步骤产生的所有匹配对进行扩展卡尔曼滤波融合，获取最终定位信息，并进行状态更新。

综上所述，本发明提出的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，与现有的其他室内定位技术相比，提高了定位结果的精确度和可信度，增强定位系统的容错能力，进而有效地提升整个定位系统的性能。本发明所选取的两种定位方法，融合后实现了优势互补:当可见光通信定位受干扰时，如光遮挡、噪声干扰等，惯性定位系统能弥补其误差；当惯性定位受干扰时，如磁力影响、抖动干扰等，则可见光通信定位可弥补其误差。两者互补，大大提高了系统鲁棒性及精准度，使其更适合应用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的融合定位方法包括下列步骤：

S1、通过LED灯具发送携带LED灯具位置坐标信息的可见光信号至移动终端，通过移动终端的前置摄像头获取可见光通信定位信息；

S2、通过装载在移动终端上的惯性传感单元，获取惯性定位信息；

S3、对所述的可见光通信定位信息和所述的惯性定位信息，进行双重扩展卡尔曼融合滤波，获取最终定位信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤S1包括：

S101、发送端通过驱动模块驱动LED灯具，使LED灯具发送经调制的可见光信号；

S102、以装载于移动终端的摄像头作为接收端，进行可见光信号接收并成像，其中，所述的接收图像为亮暗条纹相间的LED图像；

S103、对所述的可见光信号进行解调，获取所述的LED灯具载有的位置信息；

S104、通过所述的LED灯具与定位目标的几何位置关系，求解出目标位置，获取可见光通信定位信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤S101中发送端通过驱动模块驱动LED灯具的过程如下：

S1011、DPR调制通过控制脉冲频率来控制双向可动硅开关调光器；

S1012、双向可动硅开关调光器通过控制交流线路输送到光源的功率量，将调光信号发送到LED驱动器；

S1013、LED驱动器将调光信号转换成用于驱动光源的PWM脉宽调制信号，根据编码对LED灯具进行亮暗控制，然后LED灯具发送经过调制的可见光信号。

4.根据权利要求2所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤S103的过程如下：

S1031、对所述的LED图像进行去除背景噪声的处理；

S1032、对处理后图像进行快速傅里叶变换得到频率信号，使用滤波器对该信号进行过滤；

S1033、提取过滤后信号的直流分量，创建一个新信号，所述的新信号的峰值频率即为所述的LED灯具的标识符。

5.根据权利要求4所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤S1031、对所述的LED图像进行去除背景噪声的处理的具体算法如下：

以整个视频序列作为处理对象，对视频序列场景取平均值，使图像表现LED未调制时的特性，作为底层图像；

对视频序列中每一帧图像减去所述的底层图像，即得滤除背景噪声后的图像。

6.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤S2包括：

S201、通过所述的惯性传感单元，包括加速计和磁力计，采集目标运动数据，其中，运动数据包括目标的行进加速度和目标的行进方向；

S202、通过加速计采集的行进加速度数据，获取目标行进位移大小，即运动步长；

S203、通过磁力计采集的行进方向数据，根据频率大小，判断出步态周期内的行进方向；

S204、将运动步长与行进方向结合，得到运动位移，实现惯性定位。

7.根据权利要求6所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤S202、通过加速计采集的行进加速度数据，获取目标行进位移大小，即运动步长的过程如下：

S2021、运用旋转矩阵，将加速计测得的加速度矢量从设备方向投影到全局方向；

S2022、将采集的行进加速度数据做滤波处理，用于零速修正检测；

S2023、通过零速修正检测，分割步态周期，对行进加速度数据进行二次积分，得出腰部竖直位移，即身体重心的运动，其中，所述的步态周期分为支撑期、摆动期、双脚支撑期；

S2024、通过腰部运动的正弦模型的幅值变化与步长的关系，得出运动步长。

8.根据权利要求7所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤中采用极值法进行零速修正检测。

9.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的步骤S3包括：

S301、将加速计和磁力计获得的行进加速度和行进方向信息，应用到运动模型，进行定位系统的状态预测，得出目标下一步的理论行进动作，即作为定位系统的状态预测值；

S302、将所述的可见光通信定位信息，即目标当前时刻的位置信息，作为定位系统的实际观测值；

S303、根据状态预测值和实际观测值，产生特征值，进行观测预测；

S304、在状态预测值和实际观测值的期望特征之间辨识最佳匹配对，进行数据关联匹配；

S305、对上一步骤产生的所有匹配对进行扩展卡尔曼滤波融合，获取最终定位信息，并进行状态更新。

10.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的VLC与IMU融合定位方法，其特征在于，所述的融合定位方法在步骤S1之前还包括：

T1、对LED灯具采用0-1标识符进行编码，其中，所述的编码与该LED灯具所处位置的坐标对应，多个LED灯具编码的集合与室内地图坐标构成标识符-坐标映射表；

T2、对LED灯具的编码进行数字脉冲识别调制，并根据LED灯具的0-1标识符定义对应光源开启和关闭事件的占空比参数，同时，定义LED灯具发射机的调制频率。