CN115691208A - 一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统及方法，涉及光通信定位技术，包括发射端、移动接收设备及显示端，本系统：处理器，数据编码器，LED放大驱动电路和白光LED依次连接，处于不同位置的LED光源发射的光信号携带不同的位置信息；移动接收设备为安装在车辆上的图像传感器(CMOS)，接收光信号，经过图像处理技术获取三维坐标，通过可见光定位算法获得车辆的精准位置并上传服务器，显示端从服务器获取位置信息，据用户的需求规划最优导航路径。本发明依据可见光定位技术，利用停车场内原有的照明系统实现位置确定和路径导航功能，通过小程序与用户手机实现互通，满足用户的导航需求，具有很好的实际应用价值。

Description

一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统及方法

(一)技术领域

本发明属于可见光通信领域的可见光定位技术，具体涉及一种基于可见光定位技术的室内停车场车辆导航系统及方法。

(二)背景技术

随着我国经济实力的不断提高，交通工具在人们的日常生活中占有举足轻重的地位，私家车的快速发展，导致了停车场的车位越来越紧缺。为解决停车难的问题，很多住宅区及商场都设有大型的室内停车场(包括地下停车场)。

在停车引导方面，对于户外停车场，可以通过全球定位系统(Global PositioningSystem,GPS)和北斗系统来实现，但在室内，特别是在地下停车场，卫星信号减弱，定位功能就会受到很大的限制。现有的大多数地下停车场仅仅设置了一个场内平面图，仅仅为使用者提供基本的信息，这不仅增加了找车位过程中的时间损耗，而且容易导致交通堵塞。同时，由于停车场管理者不能准确了解车辆的状况，不能及时为车主提供停车服务，从而导致车位利用率和中转率下降。

针对以上的问题，本发明提出一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统，将室内可见光定位技术与地下停车场相结合，以实现车辆定位、寻找车位、导航以及停车场管理等问题。

可见光通信(Visible light communication,VLC)技术，是利用发光二极管(Light-emitting diode,LED)器件作为通信基站，利用可见光作为信息载体，在空气中通过光信号来进行信息传输。可见光通信技术能够在提供照明的同时，实现高速率的数据传输。基于VLC的可见光定位技术作为VLC应用的一个重要分支，继承了VLC的众多优点，也是最早形成VLC商业化应用的领域。可见光光谱位于人眼能够感知的频率范围(430-790THz)，无电磁污染，不会产生任何射频干扰，环保安全，可应用于对射频辐射存在限制的定位环境中，更加容易应用和推广。

对于现有的大多数可见光定位导航方法的研究：王丽婕.基于图像传感器的可见光室内定位方法研究[D]，提出了一种IMU惯性传感器和成像型估计图像传感器结合的空间定位方法来弥补图像传感器角度倾斜来带的误差，杨晶.智能交通中可见光车辆定位技术研究[D]，建立了城市道路交通系统的机动车辆定位模型，采用Chan-TDOA定位算法可以对行驶车辆进行定位，刘晓伟.基于可见光通信的室内高精度三维定位算法研究[D]，设计了一种搭建基于改进透视n点投影算法的VLC静态三维定位算法，并搭建实验平台验证了算法的有效性，刘翔宇.成像型可见光定位系统优化研究[J]，提出基于旋转角优化的联合定位算法，利用方向传感器辅助确认旋转角并联合定位，并设计了简易的导航功能。

(三)发明内容

本发明的目的是提供的基于可见光定位技术的室内车辆导航系统级硬件方法，将室内可见光定位技术与地下停车场相结合，并以小程序为用户的应用平台，以方便、规范、高效的停车管理为重点，将可见光照明与通讯、定位技术有机结合，旨在促进我国智慧停车技术的发展，进一步加快我国智慧交通、智慧城市的建设。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统，包括发射端，移动接收设备和显示端；

所述发射端包括处理器，数据编码器，放大驱动电路和白光LED灯，LED灯安装在停车场天花板，所述处理器与数据编码器相连接，用于发送控制LED光源的二进制信息编码信号，所述LED驱动电路用于驱动LED灯传输光信号，发送至光接收端；

所述移动接收设备包括图像传感器、图像识别和处理模块，所述图像传感器用于捕捉LED图像，解码传递信息获得LED灯位置信息；

所述显示端包括服务器和小程序，所述服务器用于储存停车场车位信息和车辆位置信息；所述小程序用于获取位置信息，显示规划路径，导航方向；

一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统的方法，包括以下步骤：

S1通过LED灯发出带有调制信息的光信号，自由空间作为传输路径；

S2使用安装在移动车辆上的CMOS传感器摄像头捕获光信号；

S3对捕获的光信号进行解码处理，获得车辆的位置信息；

S4对位置信息通过无线模块发送至显示端进行显示。

所述的S2中，CMOS传感器摄像头采用图像识别和处理技术，获得LED光源的位置信息，具体步骤为：

S2.1通过调节图像传感器曝光时间和感光度，降低LED识别的复杂度，用图像滤波方式对调节参数后的图像进行去除噪声和锐化处理；

S2.2对处理过的图像进行识别，框出LED灯的位置，去除其它光源影响；

S2.3将多帧连续图像中RGB彩色图片转换为255级灰度图像进行阈值分割，转换为二值图片进行提取，通过解码得到LED的位置信息。

所述的S3中，LED光信号解码过程包括以下步骤：

3.1将接收到光信号的图像进行处理，获取LED灯在图像平面的二维坐标；

S3.2根据LED灯的图像二维坐标以及三维世界坐标，获取摄像头的三维坐标，即移动车辆的位置坐标；

S3.3通过处理器将车辆具体位置由无线模块ESP8266上传到服务器上。

所述的S4中，显示端从服务器处获取信息，通过手机与用户形成互联，具体步骤为：

S4.1服务器整合处理器上传的各个车辆位置信息，与车场内的位置相对应；

S4.2显示端从服务器上获取车辆和车场信息，并通过用户手机的小程序显示出来；

S4.3当用户使用手机选择空闲车位，服务器根据车辆位置和车场信息，规划最优路径，展示给用户；

S4.4通过手机展示给用户车场内车位的使用情况及空闲车位的位置。

一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统的方法，整体技术方案如下：

在发射端LED光源安装在停车场的天花板上，将当前LED光源的位置信息送至调制电路进行OOK(On-ffKeying，二进制振幅键控)调制，转换为控制LED光源的二进制信息，所述驱动电路根据二进制信息驱动LED灯发出光信号，经过自由空间进行传递；

在移动接收设备中，安装在车顶的CMOS传感器摄像头捕获由LED光源发出的信息，然后进行图像处理，获得车辆坐标信息；

将获得的车辆坐标信息通过ESP8266通过MQTT协议上传到服务器；

使用小程序在服务器上进行订阅，获取车辆的位置信息显示在用户手机上；

当车主通过小程序自行选择空闲车位后，会根据车主的选择自主生成最优线路；

车主驾驶车辆在停车场不同区域移动过程中，接收设备在运行后会被该区域的照明LED不断扫描，重复上述步骤，实时更新车辆的位置信息，直到车辆驶入指定车位。

综上所述，本发明具有以下如下有益效果：

1.绿色环保：利用LED器件作为通信基站，通过可见光传输信息，可见光光谱位于对人眼无害的可见光波段，容易获取，无射频干扰，环保节能，对人体非常安全；

2.频谱资源丰富：相较于传统的无线频谱资源紧张，很多频段都已经被占用的问题，可见光频谱免费，资源丰富，带宽大，速度快，不存在电磁干扰问题；

3.成本低：LED灯在照明的同时进行定位，可有效降低定位基站的部署成本，节省电气材料，减少管理维护费用；

4.使用方便：使用小程序作为客户端，体积小，操作方便，可提供多样化服务，能获得较好的用户体验。

本发明得到了甘肃省自然科学基金(22JR5RA276)项目的资助。

(四)附图说明

图1是系统结构框图

图2是实验系统模型

图3是码字波形

图4是图像处理过程

图5是坐标计算原理

图6是存在旋转角情况

图7是小程序页面

(五)具体实施方式

下面结合附图，对本发明作具体说明；

图1所示，为本发明一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统流程图，该系统由发射端，移动接收设备和显示端组成；

图2所示，为所建立的系统模型，发射端是停车场内原有LED照明灯组成的阵列，在提供照明的同时向外发射含有数据信息的光信号，光信号经过自由空间传播。当车辆驶入停车场后，由管理人员配备接收端并置于车顶部，协助完成收发设备与小程序的绑定，在运行过程中接收端对LED发出的光信号进行接收，不同的设备识别不同的调制信号，在接收到光信号时存在光电转换过程，将光信号转换成电信号进行处理。处理器对接收到的信号进行解调还原出传输信息，并解算出接收机的位置坐标，实现信息传输与定位导航功能。

图3所示，发送端中的LED使用OOK调制技术将编码信号转换成光信号，光信号的闪烁和持续时间与编码后二进制信号的高低电平状态一致，可见光定位技术中LED使用的OOK调制并不需要经过高频载波处理，使用OOK调制时，可以使LED显示的状态按照设定码字编码信息进行快速切换。

一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统的实施方法：

一、发射端

每个LED的编码信息为原始数据，原始数据经串口模块发送至处理器，处理器对信号进行处理，再经定时器对时钟进行控制，产生一个时钟，再用D/A变换成高、低电平的信号，并将该信号经放大模块进行放大，并装入LED驱动电路，使LED阵列发光，实现信号源的调制；

二、移动接收设备

图4所示，在接收端由CMOS摄像头采集LED图像，进行图像处理等操作；

首先调节图像传感器曝光时间和感光度，降低LED识别的复杂度，用图像滤波方式对调节参数后的图像进行提取、去噪、锐化处理；

对处理过的图像进行解码，解调出每个LED灯所传递的信息，框出LED灯的位置，去除其它光源影响；

将多帧连续图像中RGB彩色图片转换为255级灰度图像进行阈值分割，转换为二值图片进行提取，获取LED灯在图像平面的二维坐标；

根据LED灯的图像二维坐标以及三维世界坐标，采用三边定位算法，获取摄像头的三维坐标，即移动车辆的位置坐标；

图5所示，为所述的三边定位法；

在图像坐标系和世界坐标系平行的情况下，捕获到两个LED灯的情形；

此时，(X_A,Y_A)，(X_B,Y_B)为LED的世界坐标即实际位置，(X_a,Y_a)，(X_b,Y_b)为捕获图像中LED对应的像素坐标，(U₀,V₀)为图像的像素中心点，D为两个LED在世界坐标系中的距离，d为捕获图像中两个LED中心点的像素距离，H为相机镜头距离LED平面的垂直距离，f为相机的焦距，(X,Y)为待求的接收端坐标即定位设备所处的位置；

根据相似三角形原理，可得出关系为：

进一步地，求得接收端坐标为：

图6所示，为接收端旋转时情况；

记旋转角度为θ，XOY为水平图像坐标系，X_rOY_r为旋转图像坐标系；

记(X_f,Y_f)为LED在水平图像坐标系下的坐标，

为LED在旋转图像坐标系下的坐标；

满足关系为：

旋转角度θ为：θ＝β-α；

上式中α为两个LED与世界坐标系的轴夹角，β为旋转图像坐标系的轴与捕获图像中两LED连线的夹角；

获取θ后，利用上式可实现接收端水平以及旋转情况下的定位；

三、显示端

移动接收设备处理计算得出位置信息；

在移动接收设备通过ESP826使用MQTT协议将位置信息上传到服务器；

所述服务器为OneNET，OneNET是中国移动打造的高效、稳定、安全的物联网开放平台；

将服务器作为一个中转平台，由自主开发的小程序从服务器上订阅数据，获取由移动接收设备上传的位置信息；

图7所示，为开发的小程序，该小程序可实现以下功能：

车位预定：用户根据自身的停车需求，利用客户端输入车牌号、手机号和预计到达时间提前预定车位；

精确导航：由车主选择的车位位置以及自身所处位置，根据已有的地图信息实现基础导航，引导用户驶入所分配的车位，并且可以反向寻车；

查询订单：该界面中保存了历史订单，可以查询历史出行停车位、停车时长、停车日期、停车花费，同时支持打印停车电子发票；

便捷支付：在车辆驶出停车场时，只需要在客户端上点击付款便能实现计费，自动完成支付功能；

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当指出，任何熟悉本技术领域的普通技术人员能够清楚的理解，本发明系统设计方案所举的方法概念和技术方案。虽然通过具体实施方式能有效说明和描述了本发明，但本发明存在许多变化而不脱离本发明的精神。在不背离本发明方法的精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明方法做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形均属于本发明方法要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于可见光定位技术的室内车辆导航系统，其特征在于，包括发射端、移动接收设备和显示端；所述发射端包括处理器，数据编码器，放大驱动电路和白光LED灯，LED灯安装在停车场天花板，所述处理器与数据编码器相连接，用于发送控制LED光源的二进制信息编码信号，所述LED驱动电路用于驱动LED灯传输光信号，发送至光接收端；所述移动接收设备包括图像传感器、图像识别和处理模块，所述图像传感器用于捕捉LED图像，解码传递信息获得LED灯位置信息；所述显示端包括服务器和小程序，所述服务器用于储存停车场车位信息和车辆位置信息；所述小程序用于获取位置信息，显示规划路径，导航方向。

2.一种实现权利要求1所述的基于可见光定位技术的室内车辆导航系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述的LED灯发出带有调制信息的光信号，自由空间作为传输路径；

S2：安装在移动车辆上的CMOS传感器摄像头捕获光信号；

S3：对捕获的光信号进行解码处理，获得车辆的位置信息；

S4：位置信息通过无线模块发送至显示端进行显示。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的S2中，CMOS传感器摄像头采用图像识别和处理技术，获得LED光源的位置信息，具体步骤为：

S2.1：调节图像传感器曝光时间和感光度，降低LED识别的复杂度，用图像滤波方式对调节参数后的图像进行去除噪声和锐化处理；

S2.2：对处理过的图像进行识别，框出LED灯的位置，去除其它光源影响；

S2.3：将多帧连续图像中RGB彩色图片转换为255级灰度图像进行阈值分割，转换为二值图片进行提取，通过解码得到LED的位置信息。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的S3中，LED光信号解码过程包括以下步骤：

S3.1：将接收到光信号的图像进行处理，获取LED灯在图像平面的二维坐标；

S3.2：根据LED灯的图像二维坐标以及三维世界坐标，获取摄像头的三维坐标，即移动车辆的位置坐标；

S3.3：处理器将车辆具体位置通过无线模块ESP8266上传到服务器上。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的S4中，显示端从服务器获取信息，通过手机与用户形成互联，具体步骤为：

S4.1：服务器整合处理器上传的各个车辆位置信息，与车场内的位置相对应；

S4.2：显示端从服务器上获取车辆和车场信息，并通过用户手机的小程序显示出来；

S4.3：用户使用手机选择空闲车位，服务器根据车辆位置和车场信息，规划最优路径，展示给用户；

S4.4：同时，手机展示给用户车场内车位的使用情况及空闲车位的位置。

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