CN111780769A - 单灯可见光定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单灯可见光定位方法，其包括：调制LED灯光；步骤S2：捕获调制后的LED灯光,得到LED灯体ID以及LED灯体位置信息；步骤S3：利用传感器测得捕获装置在三轴坐标系中各轴的角速度、加速度、磁感应强度；对所述角速度、加速度以及磁感应强度进行运算，得到姿态角度信息，并根据姿态角度信息计算出捕获装置的终端航向角α^*；步骤S4：对t时刻的终端航向角α^*以及捕获装置捕获的LED灯光图片，结合所述LED灯体位置信息进行定位算法计算和分析，求得捕获装置在t时刻的位置信息。本发明的单灯可见光定位方法在信源短缺情况下无法正常工作的问题，推动了可见光通信室内定位技术的实际应用，具有广阔的市场价值。

Description

单灯可见光定位方法

技术领域

本发明涉及智能设备技术领域，具体涉及一种。

背景技术

可见光通信技术(简称VLC)以其精度高、成本低、易于实现的优点极大填补了商业化室内定位的刚需。同时，由于可见光通信技术不会产生任何的射频干扰，可见光定位算法在射频辐射被严格限制的环境中(如医院、核电站等)同样有良好的表现。可见光定位技术(简称VLP)是通过对LED进行调制，使各个LED以不同频率明暗闪烁并通过空气传播其位置信息。移动终端的接收装置对VLP信息进行捕获，通过图像处理技术对捕获的图片进行处理，解调出LED的位置信息，再利用几何学等原理，计算出移动终端的位置信息。

相比于基于射频通信的室内定位技术，可见光定位算法利用可见光通信技术在传输速率、节能环保、无电磁干扰、安全保密等方面的显著优势，在大型购物中心、地下停车场、办公室等各种公共场合都有巨大的应用潜力，而在射频信号覆盖盲区如地铁、隧道等也尤为适用，通过对需要照明的位置改造成定位灯塔，快速搭建无线网络，降低网络使用与维护成本。而且，由于光源是室内一个必要的基础设施，该可见光定位算法无需额外的部署，兼顾照明与定位，通过在公共基础照明设施上增加数据传输功能，就可动态地构建室内可见光无线通信网络，为室内用户提供随时随地的便捷数据服务。

虽然可见光定位技术有着多种其他定位技术无法比拟的优点，但仍然存在一些技术难题一直牵绊着可见光定位技术的发展，LED短缺下的可见光定位技术就是其中之一。目前大多数可见光定位算法以信源充足的前提下研究，很少讨论在LED短缺的情况下实现稳健的可见光定位，这就导致可见光定位技术的应用方向受到了很大的制约。在诸如大型购物中心、地下停车场等室内日常场所中，不可避免会出现某些LED故障、楼道昏暗等信源短缺的情景，若可见光定位技术只在信源充足下有效，移动终端的定位性能将大打折扣，甚至无法实现定位。

发明内容

针对现有技术可见光定位在信源短缺情况下无法正常工作的问题，提出单灯可见光定位方法。该方法推动了可见光通信室内定位技术的实际应用，具有广阔的市场价值。

本发明的目的在于提供一种单灯可见光定位方法，其特征在于，包括：

步骤S1：调制LED灯光，用于传递LED灯体ID以及获得与所述灯体ID相对应的LED灯体位置信息；

步骤S2：捕获调制后的LED灯光，确保捕获的LED灯光至少来自于一个LED灯体，得到LED灯体ID以及LED灯体位置信息；

步骤S3：利用传感器测得捕获装置在时刻t时，三轴坐标系中各轴的角速度、加速度、磁感应强度；对所述角速度、加速度以及磁感应强度进行运算，得到姿态角度信息，并根据姿态角度信息计算出捕获装置的终端航向角α^*；

步骤S4：对t时刻的终端航向角α^*以及捕获装置捕获的LED灯光图片，结合所述LED灯体位置信息进行定位算法计算和分析，求得捕获装置在t时刻的位置信息。

采用上述方案，本发明具有如下有益效果：

1、适用于LED短缺情况下的可见光定位，在同等信源数量的条件下可以进一步扩大定位覆盖范围并保持厘米量级的定位精度，增强算法的鲁棒性，有更加广阔的应用场景。

2、本发明可以较好地适用于室内移动终端的定位系统，算法的鲁棒性使捕获终端不仅适用于照明设施完善的场合，在信源短缺的情况下也能提供高精度的定位服务，为路径规划和自主导航打下坚实的基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明单灯可见光定位方法的流程示意图；

图2至图4是本发明具体分步骤及方法的示意图；

图5是本发明可见光定位方法的工作示意图；

图6是本发明可见光定位方法中坐标系变换示意图。

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。

请参阅图1至图4，结合图5,，本发明公开了一种单灯可见光定位方法，该方法包括：

步骤S1：调制LED灯光，用于传递LED灯体ID以及获得与所述灯体ID相对应的LED灯体位置信息。在本发明中，调制LED灯光是指让LED灯的发光芯片按照一定的频率闪烁，闪烁频率对应于调制信号；在调制的过程中对每个LED灯体调制分配一个ID编码，同时调制入LED灯体的位置信息。

步骤S2：捕获调制后的LED灯光，确保捕获的LED灯光至少来自于一个LED灯体，得到LED灯体ID以及LED灯体位置信息。

在本发明中，对LED灯光的捕获一般采用CMOS镜头，该COMS镜头水平安装在一个捕获装置上，安装好捕获装置后保证捕获装置始终能够捕获到不少于一个LED灯体的LED灯光。

当捕获装置捕获LED灯光后，可以根据LED灯光中调制的内容解析出LED灯体的ID以及LED灯体的位置信息，这里的位置信息是指LED灯体的大致方位以及LED灯体至捕获装置的直线距离。

步骤S3：利用传感器测得捕获装置在时刻t时，三轴坐标系中各轴的角速度、加速度、磁感应强度；对所述角速度、加速度以及磁感应强度进行运算，得到姿态角度信息，并根据姿态角度信息计算出捕获装置的终端航向角α^*。

具体的，利用角度传感器，实时测出移动终端运动时XYZ三轴上的角速度、加速度和磁感应强度。

如图2，所述姿态角度信息以及终端航向角α^*计算方法包括：

步骤S31：为对三坐标轴上的加速度分量计算得到姿态角度信息，所述姿态角度信息包括俯仰角ρ、翻滚角ψ、对旋转角速度积分得到的角度值θ，以及由三轴上磁感应强度解算出来的磁航向角α。

具体的，由加速度得到的俯仰角ρ和翻滚角ψ为：

其中，A_x、A_y、A_z分别是X、Y、Z三轴上的加速度分量。

由陀螺仪得到的旋转角度值θ为：

θ_k＝(ω_k-ω_{bias_k})dt+θ_k-1 3)

其中，θ_k为当前时刻的角度值；θ_k-1为前一时刻的角度值；ω_k为陀螺仪测量当前时刻的角速度；ω_{bias_k}为当前时刻角速度的偏移量；dt为积分时间，即角度计算的采样周期。

由地磁计得到的航向角α为：

其中，H_x和H_y分别是X轴和Y轴输出的磁感应强度数据。

当移动终端遇到颠簸使地磁计不在水平位置时，可通过倾斜补偿方法，减小航向角α检测的误差，倾斜补偿公式为：

H′_y＝M_ycos ψ+M_xsin ψ sinρ-M_zsin ψ cosρ 5)

H′_x＝M_xcosρ+M_zsinρ 6)

其中，M_x、M_y、M_z分别为地磁计输出的X、Y、Z三轴数据；ρ和ψ分别为加速度计检测的俯仰角和翻滚角。利用补偿后的磁感应强度H′_x、H′_y和式(4)可以计算补偿后的航向角。

步骤S32：以传感器测量对应的俯仰角ρ、翻滚角ψ、磁航向角α、角度值θ作为系统的观测反馈值输入滤波器，利用卡尔曼滤波更新估计姿态角度信息，更正陀螺仪零漂误差，获得定位所需的终端航向角α*。

具体的，考虑到移动终端运用环境一般为低动态场景，不会有大幅度的翻滚机动，在利用卡尔曼滤波算法进行姿态估计时，作为滤波器状态模型的非线性姿态微分方程可以近似处理为线性方程，选定状态变量如下：

X＝[ρ ψ α ε_x ε_y ε_z]^T 7)

则状态方程建立为：

其中，ρ、ψ、α分别为俯仰角、翻滚角和航向角；ω_x、ω_y、ω_z为陀螺仪三轴的角速度值，ε_x、ε_y、ε_z为陀螺仪三轴上的零漂。并记为：

其中，F为状态转移矩阵；U为系统噪声。

由于MEMS传感器本身的器件误差以及以上近似化处理所带来的计算误差，需要使用加速度计及磁力计得到的绝对姿态角对通过陀螺仪角速度积分所得的相对姿态角进行校正。因此，将式(1)、(2)、(4)作为量测信息，则量测方程为：

Z＝HX+V 10)

其中，H为量测转移矩阵，

V为量测噪声。

通过对系统模型和量测模型的观察，可以分析出低动态环境下的状态方程和量测方程矩阵都十分稀疏，因此状态估计的误差协方差矩阵中的元素可以直接计算，避免冗余的矩阵计算，提高算法的实时性。根据式(9)对状态量进行预估计后，其误差协方差预估计为：

P_k|k-1＝FP_k-1F^T+Q 11)

展开得：

卡尔曼增益更新得：

K_k＝P_k|k-1H^T[HP_k|k-1H^T+R]^-1 13)

展开得：

现状态估计值更新得：

误差协方差更新：

P_k＝(1-K_kH)P_k|k-1 16)

以上中，

为对现状态真实值X_K的估计；

为基于k-1次对k次的预估计；假设输入噪声和观测噪声均服从正态分布，Q为输入噪声的协方差，R为观测噪声的协方差。

至此，通过状态方程式(8)、量测信息式(1)、式(2)、式(4)及量测方程式(10)可以利用卡尔曼滤波更新估计姿态角和陀螺仪零漂误差。

步骤S4：对t时刻的终端航向角α*以及捕获装置捕获的LED灯光图片，结合所述LED灯体位置信息进行定位算法计算和分析，求得捕获装置在t时刻的位置信息。

如图3，步骤S41：对相同t时刻的终端航向角α*以及捕获装置捕获的LED灯光图片打包发送至定位计算处理组块。

步骤S42：对所述LED灯光图片进行处理并提取LED-ROI区域，获取LED像平面直径和坐标，并根据终端航向角α*及几何原理求出捕获终端与所述LED灯体在相同坐标系下的坐标位置(x，y，z)。

对所述LED灯光图片的处理包括灰度化，边缘检测，之后提取LED-ROI区域，获取LED像平面的直径和中心坐标。由已知的LED在像平面的直径与LED实际的直径，得到物像的比例关系。

如图4，所述捕获终端与所述LED灯体在相同坐标系下的坐标位置(x，y，z)的计算方法包括：

步骤S421：将所述图片进行灰度化，边缘检测，提取LED-ROI区域，获取LED像平面的直径和中心坐标；

步骤S422：根据计算的所述LED像平面的直径和所述LED灯体实际直径的比例关系、三角形性质及成像原理，求得所述捕获装置与所述LED灯体之间在z轴上的高度差，即坐标z；

步骤S423：以所述捕获装置所在的位置为原点设置世界坐标系，以所述LED像平面中心位置为原点设置相机坐标系；根据终端航向角α*将所述相机坐标系变换至世界坐标系中，其中保证所述相机坐标系变换至所述世界坐标系后重合；结合三角形几何原理求得捕获装置在所述世界坐标系下的水平坐标(x，y)。

如图6所示，相机平面平行于灯具平面，根据相似三角形的性质和成像公式，可以求出水平安装在移动终端的CMOS传感器在世界坐标系下Zw轴的坐标即三维空间下的高度z：

μ是物体实际尺寸和图像尺寸的比例，H是CMOS传感器中心与LED信源间的垂直距离,f是相机的焦距。

设定以镜头中心垂直投影点为原点的相机坐标系初始方向平行于世界坐标系，则在移动终端运动过程中，根据获得的航向角α*可将LED的像的中心在uv相机坐标系的坐标转换为平行于世界坐标系的u′v′坐标系中的坐标，此时默认LED在世界坐标系的Z轴上，结合相似三角形的性质，求出水平安装在移动终端的CMOS镜头在该世界坐标系下的水平坐标(x,y)：

(m′,n′)是转换为平行于世界坐标系的相机坐标系中LED的像的中心坐标，(m,n)是由图像处理直接得到的相机坐标系中LED的像的中心坐标，α^*是角度传感器得到的终端航向角，k是1像素的物理长度。

步骤S43：根据预存储有所述LED灯体实际坐标(x0，y0，z0)的所述LED等ID数据库中获取LED灯体实际坐标(x0，y0)，求得与LED灯体在相同坐标系中的捕获装置的实际坐标(x1，y1,z1)。

所述捕获装置的实际坐标(x1，y1,z1)的计算方法包括：

所述捕获装置的实际坐标(x1，y1,z1)为所述捕获装置坐标(x，y，z)加上LED灯体实际坐标(x0，y0)，即(x+x0,y+y0,z)。

综上所述，本发明提出一种基于角度传感器的单灯可见光定位算法，可以应用于LED信源短缺下的可见光定位，扩展了可见光定位技术的应用场景，有更广的适用范围。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.单灯可见光定位方法，其特征在于，包括：

步骤S1：调制LED灯光，用于传递LED灯体ID以及获得与所述灯体ID相对应的LED灯体位置信息；

步骤S2：捕获调制后的LED灯光，确保捕获的LED灯光至少来自于一个LED灯体，得到LED灯体ID以及LED灯体位置信息；

步骤S3：利用传感器测得捕获装置在时刻t时，三轴坐标系中各轴的角速度、加速度、磁感应强度；对所述角速度、加速度以及磁感应强度进行运算，得到姿态角度信息，并根据姿态角度信息计算出捕获装置的终端航向角α^*；

步骤S4：对t时刻的终端航向角α^*以及捕获装置捕获的LED灯光图片，结合所述LED灯体位置信息进行定位算法计算和分析，求得捕获装置在t时刻的位置信息。

2.如权利要求1所述的单灯可见光定位方法，其特征在于，所述姿态角度信息以及终端航向角α^*计算方法包括：

步骤S31：为对三坐标轴上的加速度分量计算得到姿态角度信息，所述姿态角度信息包括俯仰角ρ、翻滚角ψ、对旋转角速度积分得到的角度值θ，以及由三轴上磁感应强度解算出来的磁航向角α。

步骤S32：以传感器测量对应的俯仰角ρ、翻滚角ψ、磁航向角α、角度值θ作为系统的观测反馈值输入滤波器，利用卡尔曼滤波更新估计姿态角度信息，更正陀螺仪零漂误差，获得定位所需的终端航向角α*。

3.如权利要求1所述单灯可见光定位方法，其特征在于，步骤S4中定位算法的计算和分析方法包括：

步骤S41：对相同t时刻的终端航向角α*以及捕获装置捕获的LED灯光图片打包发送至定位计算处理组块；

步骤S42：对所述LED灯光图片进行处理并提取LED-ROI区域，获取LED像平面直径和坐标，并根据终端航向角α*及几何原理求出捕获终端与所述LED灯体在相同坐标系下的坐标位置(x，y，z)；

步骤S43：根据预存储有所述LED灯体实际坐标(x0，y0，z0)的所述LED等ID数据库中获取LED灯体实际坐标(x0，y0)，求得与LED灯体在相同坐标系中的捕获装置的实际坐标(x1，y1,z1)。

4.如权利要求3所述的单灯可见光定位方法，其特征在于，所述捕获终端与所述LED灯体在相同坐标系下的坐标位置(x，y，z)的计算方法包括：

步骤S421：将所述图片进行灰度化，边缘检测，提取LED-ROI区域，获取LED像平面的直径和中心坐标；

步骤S422：根据计算的所述LED像平面的直径和所述LED灯体实际直径的比例关系、三角形性质及成像原理，求得所述捕获装置与所述LED灯体之间在z轴上的高度差，即坐标z；

步骤S423：以所述捕获装置所在的位置为原点设置世界坐标系，以所述LED像平面中心位置为原点设置相机坐标系；根据终端航向角α*将所述相机坐标系变换至世界坐标系中，其中保证所述相机坐标系变换至所述世界坐标系后重合；结合三角形几何原理求得捕获装置在所述世界坐标系下的水平坐标(x，y)。

5.如权利要求3所述的单灯可见光定位方法，其特征在于，所述捕获装置的实际坐标(x1，y1,z1)的计算方法包括：

所述捕获装置的实际坐标(x1，y1,z1)为所述捕获装置坐标(x，y，z)加上LED灯体实际坐标(x0，y0)，即(x+x0,y+y0,z)。

Images