CN109341687A - 一种基于手机任意水平朝向角度的单led可见光通信室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法，本方法采用的定位系统包括单个LED灯，手机方向传感器，手机摄像头及手机定位系统app。本发明只需要单个LED灯和手机摄像头，装置结构简单；本发明在单LED单手机摄像头的情况下，手机在水平方向朝向任意角度，均可实现手机端实时精确定位，克服了即使保持手机摄像头位置不变，因手机水平朝向角度不同使得LED灯成像位置不同从而导致定位结果不准的问题；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，可实现厘米级高精度三维室内定位，拓展了室内定位系统的应用领域。

Description

一种基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定 位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法。

背景技术

随着各种综合体类建筑如大型购物中心、大型交通中转站等的出现，人们活动空间越来越庞大和复杂，对室内定位和导航需求日趋强烈；同时，精准营销、智能仓储、机器人、疗养护理等行业也需要利用定位技术获取特定对象的室内位置信息；而GPS卫星信号在室内是很微弱甚至没有的，不能够满足室内定位的精度需求，这些需求为室内定位技术带来巨大机会。现有的室内定位技术研究方法有超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术、计算机视觉定位技术等。

半导体LED照明技术，与传统照明光源相比不仅功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，更具有调制性能好，响应灵敏度高等优点。因此它能用做照明的同时，还可以把信号调制到LED可见光束上进行数据传输，将信息从灯具发送至客户端，实现一种新型的光无线通信技术，即可见光通信技术。

可见光通信技术(Visible Light Communications，VLC)，其原理是将需要传输的信息编码成一段特殊信号，用某种调制方法将这个信号附加到LED灯具的驱动电流上，使LED灯具以极高的频率闪烁，虽然人眼看不到这种闪烁，但是通过光敏设备或者成像元件可以检测到这种高频闪烁并将其还原成要传输的信息，从而通过灯具实现信息传输的目的。

与其他室内定位技术相比，基于可见光通信的室内定位技术有如下优点：VLC技术带宽资源丰富，不需获得管理机构的授权；基于VLC的定位系统不会产生任何电磁干扰，也不易受外部电磁干扰影响；使用LED做光源，兼顾照明与定位。

目前国内外LED VLC的室内定位技术研究主要是基于专用的光电探测器来实现对LED灯的检测，包括基于接收信号强度(RSS)、到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)，这些技术相对而言较复杂且容易受外界干扰，从而影响测量精度，且无法做到实时定位。

如今智能手机更加贴近人们生活，手机功能越来越强大，手机APP的开发也是越来越受欢迎，而以往基于LED可见光通信的室内定位技术并没有结合手机进行开发，利用手机及其自带摄像头来实现实时室内定位是一个有意义的研究方向。

当利用手机进行室内定位研究时，即使保持手机摄像头位置不变，因手机摄像头水平朝向角度不同也会导致定位结果不同，从而无法精确定位，而客户端手机不可能随时都保持固定朝向，因此将手机实时水平朝向角度考虑进定位系统也是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法，该方法在单LED单手机摄像头的情况下，手机在水平方向朝向任意角度，均可实现手机端实时精确定位，克服了即使保持手机摄像头位置不变，因手机水平朝向角度不同使得LED灯成像位置不同从而导致定位结果不准的问题。

为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于手机任意水平朝向角度的单LED灯可见光通信室内定位方法，采用的定位系统包括单个LED灯，手机方向传感器，手机摄像头及手机定位软件app，其特征在于，包括如下操作步骤：

1)、单个LED灯在照明的同时，通过驱动电路的控制发出按照特定方式编码的高频闪烁光，其编码对应该灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

2)手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，通过图像处理、解码得到LED灯发送的编码，查表获取LED灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

3)手机定位软件app自动获取由手机方向传感器测出的手机在水平面内的朝向角度rotationangle，并根据基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，计算出手机端的实时位置坐标(X,Y,Z)，实现定位。

所述步骤2)中手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，指手机可以在水平面内任意朝向角度下由app控制摄像头拍摄LED灯的图像，并由app自动获取手机自带的方向传感器测量出此时的朝向角度。

所述步骤3)中基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，为一组基于任意朝向单摄像头光学成像的定位公式：

设LED灯具几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，LED灯具轮廓在X轴方向的两个端点为A、B，AB距离为D，手机摄像头焦距为f，摄像头像素平面中心点在像素平面坐标系(xoy)下的坐标为(x₀,y₀)，LED灯A、B端点在手机摄像头像素平面坐标系下的成像点的x方向坐标分别为x₁、x₂，手机在水平面内的朝向角度为rotationangle，手机朝向角度为rotationangle时LED灯图像中心在像素平面坐标系下的坐标为(imagex,imagey)；手机的基准朝向角度为rotationangle0＝90度，此时LED灯图像中心在像素平面坐标系下的坐标为(imagex₀,imagey₀)。则手机摄像头距LED灯的垂直距离h及手机摄像头在室内坐标系下的坐标(X,Y,Z)分别为：

Z＝Z₀-h

用此公式计算可得到手机端摄像头在室内空间的实时精确坐标(X,Y,Z)。

具体步骤是：

手机端摄像头距离LED灯的垂直距离为

当手机水平朝向角度为基准角度rotationangle0＝90度时，室内精确定位方法为：

Z＝Z₀-h

当手机摄像头朝向为任意水平朝向角度rotationangle时，其相对于基准朝向角度旋转了(rotationangle-90)，(imagex,imagey)为手机朝向角度为rotationangle情况下LED灯图像中心在像素平面的坐标，此时LED灯图像中心与摄像头像素面中心连线相对于基准朝向角度时也同样旋转了(rotationangle-90)，且旋转方向与手机旋转方向相反；

此时的LED灯图像中心(imagex,imagey)可折算到rotationangle＝90度基准位置时的LED灯图像中心(imagex₀,imagey₀)：

当手机摄像头朝向为任意水平朝向角度rotationangle时，室内精确定位方法为：

Z＝Z₀-h

用此公式计算，可得到手机端摄像头在室内空间的实时精确坐标(X,Y,Z)。

和现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

只需要单个LED灯，单个摄像头，装置简单，直接用手机作为接收装置，操作方便，可行性较高，拓展了室内定位系统的应用领域，此技术一旦成型便可很快应用到日常生活中。

与传统的室内定位系统相比，仅用单灯单摄像头，算法简单的同时也可实现高精度实时定位。

创新地在定位算法中加入手机水平朝向角度，克服了即使保持手机摄像头位置不变，因手机水平朝向角度不同使得LED灯成像位置不同从而导致定位结果不准的问题，无论手机在水平方向朝向任意角度，均可实现手机端实时精确定位。

附图说明

图1为本发明基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法的工作流程图。

图2为本发明中手机朝向角度改变时成像位置变化示意图。

图3为本发明中实现手机端与LED垂直距离几何关系示意图。

图4为本发明中手机朝向为90度时室内定位计算空间示意图。

图5为本发明中手机任意朝向角度时定位转换计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明做详细描述。

实施例一：参见图1～图5，

本基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法，采用的定位系统包括单个LED灯、手机方向传感器、手机摄像头及手机定位系统app，其特征在于，包括如下操作步骤：

1)、单个LED灯在照明的同时，通过驱动电路的控制发出按照特定方式编码的高频闪烁光，其编码对应该灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)；

2)、手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，通过图像处理、解码得到LED灯发送的编码，查表获取LED灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)；

3)、手机定位软件app自动获取由手机方向传感器测出的手机在水平面内的朝向角度rotationangle，并根据基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，计算出手机端的实时位置坐标(X,Y,Z)，实现定位。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述步骤2)中手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，指手机可在水平面内任意朝向角度下由app控制摄像头拍摄LED灯的图像，并由app自动获取手机自带的方向传感器测量出此时手机的朝向角度。

所述步骤3)中基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，为一组基于任意朝向单摄像头光学成像的定位公式：

设LED灯具几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，LED灯具轮廓在X轴方向的两个端点为A、B，AB距离为D，手机摄像头焦距为f，摄像头像素平面中心点在像素平面坐标系(xoy)下的坐标为(x₀,y₀)，LED灯A、B端点在手机摄像头像素平面坐标系下的成像点的x方向坐标分别为x₁、x₂，手机在水平面内的朝向角度为rotationangle，手机朝向角度为rotationangle时LED灯图像中心在像素平面坐标系下的坐标为(imagex,imagey)。则手机摄像头距LED灯的垂直距离h及手机摄像头在室内坐标系下的坐标(X,Y,Z)分别为：

Z＝Z₀-h

用此公式计算可得到手机端摄像头在室内空间的实时精确坐标(X,Y,Z)。

实施例三：本发明一种基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法，该系统包括单个LED灯，手机方向传感器，手机摄像头及手机定位系统app，其工作流程图如图1所示，包括如下步骤：

单个LED灯在照明的同时，通过驱动电路的控制发出按照特定方式编码的高频闪烁光，其编码对应该灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)；

手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，通过图像处理、解码得到LED灯发送的编码，查表获取LED灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)；

手机定位软件app自动获取由手机方向传感器测出的手机在水平面内的朝向角度rotationangle，如图2所示，该角度以手机摄像头朝向正北方向时为0度，沿顺时针方向增大，即正东方向为90度，正南方向为180度，正西方向为270度。并根据基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，计算出手机端的实时位置坐标(X,Y,Z)，实现定位。

所述手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，指手机可以在水平面内任意朝向角度下由app控制摄像头拍摄LED灯的图像，并由app自动获取手机自带的方向传感器测量出此时手机的朝向角度。如图2所示，保持手机前置摄像头位置不变，水平旋转手机使得手机水平朝向角度发生变化，当手机顺时针旋转一定角度时，如图2中手机从位置①—②—③，LED灯图像在手机像素面成像位置沿逆时针方向旋转相应角度，如图2中图像在手机像素面从位置④—⑤—⑥，反之亦然。

所述基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，为一组基于任意朝向单摄像头光学成像的定位公式：

设LED灯具几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，LED灯具轮廓在X轴方向的两个端点为A、B，AB距离为D，手机摄像头焦距为f，摄像头像素平面中心点在像素平面坐标系(xoy)下的坐标为(x₀,y₀)，LED灯A、B端点在手机摄像头像素平面坐标系下的成像点的x方向坐标分别为x₁、x₂，手机在水平面内的朝向角度为rotationangle，手机朝向角度为rotationangle时LED灯图像中心在像素平面坐标系下的坐标为(imagex,imagey)；手机的基准朝向角度为rotationangle0＝90度，此时LED灯图像中心在像素平面坐标系下的坐标为(imagex₀,imagey₀)。

则手机摄像头距LED灯的垂直距离如图3所示。

当手机水平朝向角度为基准角度rotationangle0＝90度时，如图4所示室内精确定位方法为：

Z＝Z₀-h

当手机摄像头朝向为任意水平朝向角度rotationangle时，如图5所示，其相对于水平朝向基准角度时旋转了角度(rotationangle-90)，(imagex,imagey)为手机朝向角度为rotationangle情况下LED灯图像中心在像素面的坐标，此时LED灯图像中心与摄像头像素面中心连线相对于基准朝向角度在像素空间也同样旋转了(rotationangle-90)，且旋转方向与手机旋转方向相反；

设(imagex,imagey)与像素平面坐标原点连线的长度为line，

angle0＝angle1-(rotationangle-90)；

imagex₀＝x₀-line×sin(angle0)

imagey₀＝y₀-line×cos(angle0)；

此时的LED灯图像中心(imagex,imagey)折算到rotationangle＝90度时的LED灯图像中心(imagex₀,imagey₀)：

当手机摄像头朝向为任意水平朝向角度rotationangle时，室内精确定位方法为：

Z＝Z₀-h

用此公式计算和算法编写，可得到手机端摄像头在室内空间的实时精确坐标(X,Y,Z)。

最后应当说明的是，以上内容仅用于说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员可对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范畴。

Claims (3)

1.一种基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法，采用的定位系统包括单个LED灯、手机方向传感器、手机摄像头及手机定位系统app，其特征在于，包括如下操作步骤：

1)、单个LED灯在照明的同时，通过驱动电路的控制发出按照特定方式编码的高频闪烁光，其编码对应该灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)；

2)、手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，通过图像处理、解码得到LED灯发送的编码，查表获取LED灯几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的位置坐标(X₀，Y₀，Z₀)；

3)、手机定位软件app自动获取由手机方向传感器测出的手机在水平面内的朝向角度rotationangle，并根据基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，计算出手机端的实时位置坐标(X,Y,Z)，实现定位。

2.根据权利要求1所述基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法，其特征在于：所述步骤2)中手机定位软件app控制手机摄像头拍摄LED灯的图像，指手机可在水平面内任意朝向角度下由app控制摄像头拍摄LED灯的图像，并由app自动获取手机自带的方向传感器测量出此时手机的朝向角度。

3.根据权利要求1所述基于手机任意水平朝向角度的单LED可见光通信室内定位方法，其特征在于：所述步骤3)中基于手机任意水平朝向角度的单LED灯室内定位算法，为一组基于任意朝向单摄像头光学成像的定位公式：

设LED灯具几何中心在室内空间坐标系(OXYZ)下的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，LED灯具轮廓在X轴方向的两个端点为A、B，AB距离为D，手机摄像头焦距为f，摄像头像素平面中心点在像素平面坐标系(xoy)下的坐标为(x₀,y₀)，LED灯A、B端点在手机摄像头像素平面坐标系下的成像点的x方向坐标分别为x₁、x₂，手机在水平面内的朝向角度为rotationangle，手机朝向角度为rotationangle时LED灯图像中心在像素平面坐标系下的坐标为(imagex,imagey)；则手机摄像头距LED灯的垂直距离h及手机摄像头在室内坐标系下的坐标(X,Y,Z)分别为：

Z＝Z₀-h

用此公式计算可得到手机端摄像头在室内空间的实时精确坐标(X,Y,Z)。