一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及室內(nèi)照明集成的室內(nèi)可見光定位技術(shù)，尤其涉及一種基于光源成像的 室內(nèi)可見光定位方法，屬于可見光通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們對基于位置服務(wù)需求的不斷增長，室內(nèi)定位技術(shù) 的重要性和潛在市場不斷增加。由于受到傳輸損耗和多徑效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù) 并不能在室內(nèi)有效地使用。因此，逐漸出現(xiàn)了一系列基于Wi-Fi、藍(lán)牙、超聲、紅外和超寬帶 原理的室內(nèi)定位系統(tǒng)。但是由于定位精度和成本的限制，這些定位方法并未得到廣泛應(yīng)用。 隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，以LED為代表的照明光源以其高發(fā)光效率、低能耗、低成本、高顯色性 和環(huán)境友好等優(yōu)勢逐漸得到普及。與此同時，相對于傳統(tǒng)照明光源，LED光源具有較高的調(diào) 制帶寬，為基于可見光的通信和定位技術(shù)提供了器件支持。
[0003] 與廣為使用的GPS定位相比，可見光定位技術(shù)能在室內(nèi)環(huán)境下使用，彌補了GPS定 位的盲區(qū)。與基于Wi-Fi和藍(lán)牙的定位技術(shù)相比，可見光定位技術(shù)具有受多徑效應(yīng)和其他設(shè) 備干擾的影響遠(yuǎn)小于射頻信號。因此其定位精度遠(yuǎn)大于基于Wi-Fi和藍(lán)牙定位技術(shù)的定位 精度。而與基于超聲、紅外和超寬帶(UWB)的室內(nèi)定位技術(shù)相比，可見光定位技術(shù)可直接利 用室內(nèi)用于照明的燈具，在不影響正常室內(nèi)照明的前提下同時實現(xiàn)精確的定位。因此其架 設(shè)成本更低，更易于推廣和實用。
[0004] 近年來，隨著室內(nèi)可見光定位技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種原理的可見光定位系統(tǒng) 和專利。在這些室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)中，接收端的探測器可分為兩類，即高速光電探測器 (如專利"基于室內(nèi)照明的定位導(dǎo)航系統(tǒng)"、"一種室內(nèi)可見光定位方法"和發(fā)表于2015年第3 期的《電子與信息學(xué)報》的文章"基于多LED的高精度室內(nèi)可見光定位方法"）和成像探測器。 對于大多數(shù)個人智能移動設(shè)備來說，并不配置高速光電探測器，在定位時需要加裝額外的 附件；因此基于成像探測器的定位方法更易實用。當(dāng)前，基于成像探測器的定位方法(如專 利"基于可見光的室內(nèi)定位方法、裝置和系統(tǒng)以及光源"）均將每個光源視為一個整體，并未 充分利用單個光源包含的豐富的定位信息，因此精度受到一定限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決目前室內(nèi)定位接收設(shè)備成本和定位精度之間存在的矛盾， 提供一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位方法。
[0006] 其技術(shù)解決方案是:一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位方法所依托的一種基于 光源成像的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)，包含發(fā)射端和接收端兩個部分，其中發(fā)射端在滿足照明 要求的同時，為成像定位系統(tǒng)提供參考點;接收端包括成像探測器、角度識別模塊和成像定 位算法處理模塊，根據(jù)其采集到的光源圖像和接收端自身的角度信息進(jìn)行解算，并最終對 其自身進(jìn)行定位。
[0007] 對于每個定位小區(qū)，上述發(fā)射端僅具有一個。在實際使用時通過不同小區(qū)的組合 對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行覆蓋。每個發(fā)射端均由電源模塊、光源驅(qū)動模塊、光源三部分組成。
[0008] 所述的電源模塊使用的是交流轉(zhuǎn)直流電路，其主要功能是將市電轉(zhuǎn)化為光源驅(qū)動 模塊所需要的直流電壓;為光源驅(qū)動模塊提供電源。
[0009] 所述的光源驅(qū)動模塊為其對應(yīng)的光源提供恰當(dāng)?shù)尿?qū)動電流，使其發(fā)出滿足室內(nèi)照 明要求的可見光。
[0010] 所述的成像探測器主要用來采集圖像，為基于光源成像的成像定位算法提供原始 圖像數(shù)據(jù)；
[0011] 所述的角度識別模塊集成在接收端內(nèi)部，結(jié)合加速度計、地磁探測器和陀螺儀對 探測器自身的角度進(jìn)行探測，并獲取接收端在三維空間直角坐標(biāo)系中的方位角、俯仰角和 滾轉(zhuǎn)角。
[0012] 所述的成像定位算法處理模塊中的成像定位算法，主要是利用光源實際大小和像 面上光源投影大小的比例計算移動端高度；同時將光源抽象為多個定位參考點，并在像面 的光源投影上獲取對應(yīng)的投影點;再利用基于相似三角形和幾何光學(xué)的原理列出定位方程 組，最后用數(shù)值方法解出最小二乘解，完成對接收端的定位。具體步驟如下：
[0013] 步驟一、根據(jù)光源的特征對將光源抽象成N個定位參考點(N為大于等于3的整數(shù)）， 假設(shè)每個參考點的空間坐標(biāo)為(11，7 1，2)1￡[1，2，...少]。由于在同一光源中，各參考點的2 坐標(biāo)相等；
[0014] 步驟二、在定位小區(qū)內(nèi)部利用成像探測器對進(jìn)行圖像采集，獲取光源在像面上的 投影圖像；
[0015] 步驟三、利用角度識別模塊獲取接收端的方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角；
[0016] 步驟四、利用接收端的方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角對采集到的圖像進(jìn)行重建，使重建 的圖像近似于接收端在方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角均等于〇時所采集的圖像，重建公式如下：
[0018] 其中（X'趣，y'趣)為重建后圖像中光源光斑中各個像素點的坐標(biāo)，（X'雜，y'雜)為 采集的圖像中光源光斑中各個像素點的坐標(biāo)，α，β，γ分別為接收端的方位角、俯仰角和滾 轉(zhuǎn)角。
[0019] 步驟五、根據(jù)重建的圖像，對重建圖像中光源的投影進(jìn)行參考點對應(yīng)投影點的選 取，使得在光源投影上選取的投影點與之前在光源上選取的參考點一一對應(yīng)。假設(shè)各投影 點在以像面中心為原點，像面兩邊為坐標(biāo)軸的二維直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為(x'uy'iH e[l，2,...，N]，其下標(biāo)與參考點坐標(biāo)的下標(biāo)一一對應(yīng)。
[0020] 步驟六、根據(jù)光源大小與重建圖像中其對應(yīng)投影大小的比例以及成像探測器焦 距，計算接收端的高度為:h = fXk;
[0021] 其中，所述的成像探測器焦距f可直接由接收圖像內(nèi)部的集成信息讀出，比例k是 光源的真實直徑與其在成像探測器上投影的直徑之比；
[0022] 步驟七、根據(jù)上述步驟五和步驟六中獲得的坐標(biāo)和高度值，列出如下的定位方程 組：
[0024]步驟八、對步驟七的上述方程組求最小二乘解，可得接收端的空間坐標(biāo)為(x，y，z-h)，定位完成。
[0025]有益效果
[0026] 本發(fā)明一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位方法，同現(xiàn)有技術(shù)"基于室內(nèi)照明的 定位導(dǎo)航系統(tǒng)"和"一種可見光定位系統(tǒng)及方法"相比，具有以下有益效果：
[0027] 1)利用在移動設(shè)備和固定設(shè)備上廣泛使用的成像探測器和角度識別模塊作為接 收器件，不需要對設(shè)備本身進(jìn)行改造或者添加額外的附件；
[0028] 2)在實現(xiàn)高精度室內(nèi)定位的同時，小區(qū)內(nèi)只需要一個發(fā)射端，降低了設(shè)備的密度 和成本。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位方法及其實施例中的流程圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明實施例1中發(fā)射端的原理框圖；
[0031 ]圖3為本發(fā)明實施例1的定位算法流程圖。
【具體實施方式】
[0032]為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施 方式。為了便于描述和突出顯示本發(fā)明，附圖中省略了現(xiàn)有技術(shù)中已有的相關(guān)部件，并將省 略對這些公知部件的描述。
[0033] 實施例1
[0034] 結(jié)合圖1，圖2,圖3,一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位方法，包含發(fā)射端和接收 端兩個部分，其中發(fā)射端在滿足照明要求的同時，為成像定位系統(tǒng)提供參考點;接收端包括 成像探測器角度識別模塊和成像定位算法處理模塊，根據(jù)其采集到的光源圖像和接收端自 身的角度信息進(jìn)行解算，并最終對其自身進(jìn)行定位。
[0035]圖1中所描述的本發(fā)明一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)的原理示意框 圖，其主要特征是包括發(fā)射端和接收端兩部分。
[0036]圖2所描述的是本實施例中的一種基于光源成像的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)的發(fā)射端 原理框圖。其中，每個定位小區(qū)僅具有一個發(fā)射端。對于每個發(fā)射端而言，都可以分為201電 源模塊，202LED驅(qū)動電路，203LED芯片和204勻光燈罩4個部分;其中，所述的201電源模塊直 接連接220V市電，將交流電轉(zhuǎn)換為LED驅(qū)動電路所需要的36V直流電壓;所述的202LED驅(qū)動 電路采用德州儀器的LM3402芯片為核心，將來自電源的驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電流，并以此 來驅(qū)動LED;所述的203LED芯片為經(jīng)過串并聯(lián)的多個白光LED芯片，將LED驅(qū)動電路輸出的驅(qū) 動電流轉(zhuǎn)化為可見光，在提供照明的同時為定位系統(tǒng)提供參考點;所述的204勻光燈罩將多 個LED芯片輸出的可見光混合均勻，以保證照明光在空間的均勻發(fā)射。
[0037] 在本實施例中，接收端采用具有攝像頭、陀螺儀、加速度計和地磁探測器的手機(jī)。 利用其前端或后端的彩色攝像頭進(jìn)行光源圖像的采集，并利用陀螺儀、加速度計和地磁探 測器對手機(jī)的角度進(jìn)行探測。之后，成像定位算法將圖像和角度數(shù)據(jù)上傳至云端。處理完成 之后，將定位結(jié)果傳回手機(jī)，同時通過軟件的形式顯示在手機(jī)屏幕上。
[0038] 圖3所描述的是本發(fā)明及實施例中一種基于光