CN115327479A - 基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信网技术领域，涉及基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法。该方法使用灯具参考点作为灯具上的标记，其参考点位置可以作高速数据流的传输的一部分。传输的信息被新型混合定位接收器中的图像传感器识别，通过将多个灯具参考点与单个灯具相关联，消除了可见光定位接收器的视场角中必须存在三盏LED这一限制，解决了当仅一盏LED位于接收器视场角中时无法定位的问题；本发明将新型混合定位接收器与灯具参考点结合使用，以克服可见光定位方法中要求在接收器的视场角中至少需要三盏LED的问题。本发明另一个优势是对额外基础设施的需求低，无需部署大量单一用途的信标。

Description

基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，尤其涉及基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法。

背景技术

室内LED的广泛使用为一种全新的室内定位技术，即可见光定位的应用创造了便利条件。与传统照明不同，LED可以以兆赫兹频率调制发送端光信号，系统可以达到非常高的速率进行数据传输。在可见光定位系统中，接收器从 LED 灯具接收数据，解码信标并确定其位置。理想情况下，可见光定位系统应该像 GPS一样“独立”。一个独立的可见光定位系统可以实现任何具有该接收器的定位目标，使用来自附近LED灯的信息确定其位置。系统不需要任何其它传感器、不需要先前的指纹识别，也不需要访问任何外部数据库。

可见光定位接收器必须具有两个功能：从每个发射灯具接收数据，其中包含有关该灯具位置的信息；能够确定其与每个发射器灯具的距离或方向。

可见光定位接收器分为两大类：基于光电二极管的接收器和基于图像传感器成像的接收器。由于光电二极管的高带宽，以光电二极管做接收器可以接收非常高的数据速率（信标传输）。例如，可见光通信系统可以达到每秒数兆位的数据速率，远远高于可见光定位所需的速率。然而，以光电二极管做接收器的可见光定位系统的局限性在于无法准确估计发射器的距离或方向。相比之下，基于图像传感器的成像接收器通过图像中可以识别的特征，准确地确定发射器的方向。然而，使用图像传感器成像的接收器很难接收高速数据。目前，针对上述问题，相关学者提出了很多解决方法，例如使用数码相机的滚动快门机制增加信标传输速率，但数据速率每秒最多只有几千比特，不足以使得每个灯具传输有关其位置的详细信息。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法，首先，可见光定位系统使用 LED 灯来发送定位过程中需要传输的信标，并且与其他定位技术一样，需要在接收器视场角中提供足够的信标数量以进行三角测量。由于灯具的位置和尺寸具有不确定性，使得可见光定位系统在这许多环境中很难保持高精度，在室内环境中通常无法满足三个灯具必须在可见光定位中接收器的视场角内这一要求。

本发明中，创新性地引入灯具参考点（Luminaire Reference Points，LRP）来消除在可见光定位中接收器的视场角内必须满足三个灯具这一限制，并使得一个独立的可见光定位方法的创建成为可能。在具有灯具参考点的定位方法中，其接收器视场角内只需要一盏LED灯即可实现定位。

然后，本发明提出新型混合定位接收器。它是由光电二极管和图像传感器耦合作为接收器。新型混合定位接收器中的图像传感器，可以估计每个灯具的精确方向和确定图像中LED的唯一标识，新型混合定位接收器中的光电二极管，用于接收高速数据并提供足够的方向精度。通过组合两部分的信息，新型混合定位接收器既可以接收高速数据，又可以获得与该数据源相关的位置信息。

最后，本发明创新性地使用灯具参考点和新型混合定位接收器来提高可见光定位的可靠性和鲁棒性。灯具参考点是LED上精确定义的点，可以被新型混合定位接收器的图像传感器所识别。本发明通过将多个灯具参考点与单个灯具相关联，当只有一盏LED位于接收器的视场角内时，系统便可以实现定位。本发明使用误差几何稀释度（Geometric DilutionOf Precision，GDOP）使得在灯具几何形状和间距不理想的情况下，方法也可以实现较低的定位误差。

具体地：

灯具参考点只是灯具上的标记，无论是照明还是其他方式，其位置信息可以作为高速数据流的一部分进行传输。本发明的定位方法创新地使用了新型混合定位接收器和灯具参考点。基于新型混合定位接收器中使用到达角 (Angle of Arrival，AOA) 测量的位置估计精度取决于每个灯具参考点的到达角估计精度和误差几何稀释度的影响。位于每盏灯具上的灯具参考点位置相近，因此在接收器中观察到多盏LED角度差异很小，同时，误差几何稀释度的存在将导致单个发射器的可见光定位方法相比于使用不同发射器的方法误差更大。然而，基于高分辨率图像的LED灯具参考点的到达角估计误差相对较小。本发明表明，即使在接收器视场角内只能捕获一盏LED灯的环境中，使用新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法也可以提供非常准确的独立位置估计。本发明为现实灯具安装引起的问题，即在视场角中未能捕获足够的信标来进行三角测量提供了解决方案。此外，本发明测试结果表明，当四个灯具参考点与每个灯具相关联时，本方法可以实现较大区域内较低的平均定位误差。

因此，本发明拟将光电二极管和图像传感器相结合，形成新型混合定位接收器，使得定位方法既能够快速传输信标，又能准确获得发送器灯具与接收器之间的准确距离与方向。进一步地，新型混合定位接收器采用图像传感器捕获图像，本发明在发送信标的LED灯具处设计标记点，用以消除方法定位必须捕获三盏LED的限制，实现单盏LED（稀疏光源）下的定位。

附图说明

图1为本发明提出的由大量白色 LED 灯具和角落里的单个蓝色 LED灯具组成的方形灯示意图；

图2为本发明提出的新型混合定位接收器的框图；（IMR：imaging receivers，成像接收端；PDR：photo-diode based receivers ，基于光电二极管的接收端）

图3为本发明的方法位置误差（图中菱形部分）示意图；图3a和图3b表示当角度估计的不确定性增加时的位置误差，图3c和图3d表示信标之间的角度间隔减小时，位置误差会增加；

图4为本发明提出的到达角与位置的关系；

图5为本发明在不同形状灯具以及灯具在不同位置放置下的定位误差表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本实施例的基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法，具体包括如下：

1. 灯具参考点和新型混合定位接收器；

灯具参考点和新型混合定位接收器组合的效果取决于各自的详细属性。两者的关系是：使用灯具参考点需要新型混合定位接收器，灯具参考点提高了新型混合定位接收器位置估计的准确性和可靠性。

新型混合定位接收器中的图像传感器属性和光电二极管属性结合起来使得灯具参考点的使用成为可能，具体地：

1) 新型混合定位接收器可以接收每个灯具以信标信息包（Beacon InformationPackets，BIP）的形式传输的高速数据。每个灯具传输的信标信息包提供有关该灯具中每个灯具参考点的类型和位置的信息；

2) 新型混合定位接收器通过光电二极管部分可以得到视场角内每个灯具准确的到达角信息，用于在图像中唯一标识LED；

3) 即使每个灯具参考点都非常小，从新型混合定位接收器的图像传感器的高分辨率图像仍可以识别每个灯具参考点。

灯具参考点的使用极大地提高了基于新型混合定位接收器的定位准确性和可靠性，因为：

1)灯具质心的位置由于接收器摆放位置姿态不同，导致质心位置难以估计，但灯具参考点是在图像上精确定义的位置；

2) 每个灯具可能包含多个灯具参考点，因此即使只有一个灯具在接收器视场角内，也可以实现三角测量。

2. 灯具参考点

灯具参考点是与可以在图像中检测到的灯具相关的特征。

图1是本发明提出的由大量白色 LED 阵列和角落里的单个蓝色 LED组成的方形灯示意图，灯具参考点可以有多种形式；灯具参考点包括灯具内的单个不同颜色的 LED，或灯具框架上的小标记。灯具参考点使用的关键是接收器必须能够在图像中检测到灯具参考点。在本发明中由于采用新型混合定位接收器，可以实现准确检测灯具参考点。新型混合定位接收器通过图像处理得到与每个灯具相关联的灯具参考点，由此得到包含在灯具传输的信息中的相关信息。并且新型混合定位接收器通过基于光电二极管的检测可以得到每个灯具的大致位置，这意味着用于检测灯具参考点确切位置的图像处理程序需要首先得到查找的内容以及要搜索的图像的大致区域。灯具参考点的大小和形状设计参考通过新型混合定位接收器的图像传感器部分易于识别灯具参考点的原则。

图2是表示新型混合定位接收器如何与灯具参考点结合使用的框图。 LED 灯具传输信标信息包，这些信标信息包是数据包，其中包含有关其灯具参考点在世界坐标系中的位置信息以及识别灯具参考点所需的附加信息。光电二极管接收器解调和解码这些信息，并估计到达角。到达角估计使解码数据与图像中的相关灯具相匹配。解码的信标信息包和相应的到达角估计值传递给图像处理程序。经过图像处理，灯具参考点的图像坐标将与其各自的世界坐标相匹配。假设在图像中已识别出足够多的灯具参考点，则可以使用三角测量算法计算接收器的位置。定位精度的限制来自于对图像中灯具参考点的检测精度。

3、误差几何稀释度；

误差几何稀释度已广泛用于全球导航卫星系统中的最佳卫星位置分析。

图3是一个简单的二维示意图，其中两条光线的重叠区域表示位置误差。本发明使用误差几何稀释度，因为与卫星定位不同，到达角算法定位不依赖于时间。误差几何稀释度将位置误差与测量误差联系起来。在图3a中，到达角估计的不确定性很小，因此重叠很小。然而，在图3b中，当不确定性很大时，重叠区域变得更大。图3c和图3d中显示，如果到达角的不确定性保持不变，但信标靠得更近，角度间隔减小，重叠区域也会增加。测试结果说明了当信标放置不理想或者灯具有不同几何形状限制时会出现位置误差区域不同的问题。误差几何稀释度是三维空间中位置的函数，定义为：

其中H是几何设计矩阵，

是迹算子，

是位置误差的标准差，

是角度估计误差的标准差。要构建几何设计矩阵，首先需要将到达角度与x、y和z中的位置相关联。

图 4 为本发明提出的到达角与位置的关系，可以看出，如果接收器位于

位置，第

个发射器位于

。因此，入射角由下式给出：

本发明中极角为

。这里

，其是发射器和接收器之间在xy平面上的二维欧几里得距离。

几何设计矩阵是使用入射角和极角相对于x、y和z的偏导数来调制的。首先为每个角度定义几何设计矩阵，然后组合成一个增广矩阵。对于式（2），可以确定

是：

类似地，对于极角，得到：

因此，对于接收器视场角中具有n个灯具参考点的位置，根据（3）和（4），几何设计矩阵由下式给出：

在这里

，其是发射器和接收器之间的三维欧几里得距离。

图5展示了本发明在不同灯具、不同灯具放置位置下的定位误差表，具体地：

1.本专利展示了矩形灯具与走廊长度平行的情况下的定位误差范围、平均定位误差以及标准误差。在走廊的中心2m处，位置误差较低的原因是接收器视场角内包含来自两个灯具的灯具参考点。在走廊的其他区域，接收器只能使用单个灯具的灯具参考点。如果没有灯具参考点，则本方法无法实现定位；

2.本专利展示了矩形灯具垂直于走廊长度安装时的定位误差范围、平均定位误差以及标准误差。由于灯具的方向，接收器能够从两个灯具捕获灯具参考点的的区域要小得多，但总体而言，误差分布更加均匀。灯具放置方向的影响反映在标准偏差中，与其他几何形状相比，该几何形状的标准偏差要低得多；

3.本专利展示了方形灯具垂直于走廊长度安装时的定位误差范围、平均定位误差以及标准误差。误差相对较低的中心区域较大，但也存在误差相对较高的区域。总体而言，这种信标布置表现最差，均值和标准偏差最大。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (3)

1.基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法，其特征在于：

步骤1：确定灯具参考点；

步骤2：新型混合定位接收器由光电二极管和图像传感器耦合作为接收器；

步骤3：使用误差几何稀释度增加定位方法鲁棒性。

2.根据权利要求1所述的基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法，其特征在于，步骤2：新型混合定位接收器中的图像传感器，可以估计每个灯具的精确方向和确定图像中LED的唯一标识，新型混合定位接收器中的光电二极管，用于接收高速数据并提供足够的方向精度；通过组合两部分的信息，新型混合定位接收器既可以接收高速数据，又可以获得与该数据源相关的位置信息。

3.根据权利要求1所述的基于新型混合定位接收器和灯具参考点的可见光定位方法，其特征在于，误差几何稀释度是三维空间中位置的函数，定义为：

其中H是几何设计矩阵，

是迹算子，

是位置误差的标准差，

是角度估计误差的标准差；要构建几何设计矩阵，首先需要将到达角度与x、y和z中的位置相关联；

如果接收器位于

位置，第

个发射器位于

；因此，入射角由下式给出：

本发明中极角为

；这里

，其是发射器和接收器之间在

平面上的二维欧几里得距离；

几何设计矩阵是使用入射角和极角相对于x、y和z的偏导数来调制的；首先为每个角度定义几何设计矩阵，然后组合成一个增广矩阵；对于式（2），可以确定

是：

类似地，对于极角，得到：

因此，对于接收器视场角中具有n个灯具参考点的位置，根据（3）和（4），几何设计矩阵由下式给出：

在这里

，其是发射器和接收器之间的三维欧几里得距离。

Images