一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统 |
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| 申请号 | CN201410662709.8 | 申请日 | 2014-11-20 | 公开(公告)号 | CN104391274A | 公开(公告)日 | 2015-03-04 |
| 申请人 | 武汉邮电科学研究院; | 发明人 | 刘武; 杨超; 杨奇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉室内 定位 应用领域，具体来讲是一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统。本发明通过测量圆形发光平面可见光的发射 角 进而对接收端进行定位，本方法基于测量 信号 接收角可稳定的获得较高的定位 精度 ，而且由于在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和 算法 处理， 硬件 成本极低且便于携带，具有较大的实用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统技术领域背景技术[0002] LED（Lighting Emitting Diode）被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域，势将成为下一代照明技术。LED因为具有节能、安全、可用频谱宽等优点，在提供室内照明的同时还可应用于无线光通信系统中，同时满足室内上网以及一系列扩展应用。基于LED的室内定位就是其中一个潜力巨大的应用方向，由于LED在室内布放位置固定，覆盖范围较广，以各LED为参照可准确获知位置和距离，在室内实现类似GPS的定位和导航。 [0003] 使用LED的室内可见光定位通常测量接收信号的强度(RSS, Received Signal Strength) 或延时(TOA，Time of Arrive) 或到信号源的接收角度(AOA，Angle of Arrive)，基于估算的到多个信号源的距离或角度，进而基于三角几何方法进行定位。定位使用的接收端探测器采用光强探测器或成像探测器，由于光强探测器同时适用于高速通信，所以基于光强探测器以及RSS测量方法的定位方法是研究和使用较多的定位方案。 [0004] 在基于RSS的测量定位方法中，接收光功率随通信距离的增加而非线性减小，确定这种对应关系后，测得接收信号功率即可确定发射和接收间的距离。但由于接收光功率通常会受到光源的亮度波动、信号光的散射和反射、以及光发送接收角等因素影响，接收光功率的波动难以克服，由此换算得出的估算距离波动明显，直接影响最后的定位精度。目前基于RSS的LED定位方法精度约为5-10cm，并不能满足更高精度的定位要求。另一方面，基于RSS的测量定位方法中需要专用高速电路发送和接收数据信号，发送和接收信号所需的硬件昂贵而复杂，并不适于消费级别的应用。所以需要采用一种硬件易获取且定位精度高的测量定位方案。 发明内容[0005] 针对上述定位技术中存在的缺陷，本发明提出一种根据圆形发光平面的投影成像测得光源到接收端的发射角进而进行定位的方法。基于测量信号接收角可稳定的获得较高的定位精度，而且由于在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有较大的实用价值。 [0006] 本发明的的技术方案是：一种基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：步骤1、在发射端至少有3个圆形发光平面，且信息处理端已知每个圆形发光平面的中心位置信息和圆形发光平面与水平面的夹角信息； 步骤2、接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，一副成像图中同时获得至少3个圆形发光平面的成像图案； 步骤3、分别测得成像图案中椭圆的长短轴长度，并计算出圆形发光平面到接收端的发射角； 步骤4、信息处理端根据圆形发光平面的位置坐标以及其分别与接收端发射角，定位接收端的坐标。 [0007] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面水平放置，即圆形发光平面与水平面的夹角为0°。 [0009] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面呈蜂窝状排布。 [0010] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面至少为3个，当基于多于3个LED确定接收端的坐标时，取多组三角定位的测量平均值作为最终结果。 [0011] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤2中成像装置为广角镜头。 [0012] 本发明还公开了一种基于圆形投影的可见光定位系统，包括至少3个圆形发光平面、接收端和信息处理端，接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，其特征在于：信息处理端通过通信或输入方式确定圆形发光平面的位置信息，信息处理端分别识别所拍摄圆形发光平面的椭圆形面，测得成像中椭圆的长短轴长度，并分别计算出圆形发光平面到接收端的发射角，再根据三角定位原理联立方程求得接收端坐标信息。 [0013] 本发明的有益效果在于：通过对圆形发光平面的投影成像，可测得圆形发光平面的发射角进而进行定位。该方法基于光信号的发射角可获得较高的定位精度，而且由于在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有较大的实用价值。附图说明 具体实施方式[0015] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。 [0016] 本发明的原理是：对于具有圆形发光面的LED灯具，在其下方不同角度下有不同的投影。直径为 M的圆形发光面投影为不同的椭圆，椭圆的长轴是圆的平行于这个投影面的直径的投影；短轴是圆的与上述直径相垂直的直径的投影，如图1所示。假设投影面到发光面圆心的距离一定，且暂忽略成像的镜头失真的影响，则投影成像的短轴的长度与长轴的长度 比是发射角度θ的函数，满足 。因此根据发光面的椭圆成像的长短两轴的长度比可以很容易求得发射角θ。 [0017] 在使用广角镜头进行成像时，镜头到发光面圆心的距离远近影响了投影的长短轴在成像中的长短，但忽略成像的镜头失真的情况下，可认为长短轴等比例变化，因此不改变，不影响求发射角θ。 [0018] 根据三角几何的成像条件，需要至少3个光源作为定位参考点。如图2，当选取3个LED光源时，选取各灯具圆形发光面的圆心作为参考点，坐标为(xi，yi，zi) (i=1、 2、3)，接收端的坐标为(xe，ye，ze)，各光源到接收端的发射角为 (i=1、2、3)，对于第i个LED圆形发光面的成像，在成像中测算出长轴长度 和短轴长度 ， ，则根据几何关系，满足： 公式(1)： (i=1、 2、3)， 联立上述3个方程，可求解确定接收端坐标(xe，ye，ze)。 [0019] 如附图3所示，本发明的基于圆形投影的可见光定位方法，包括以下步骤：步骤1、在发射端至少有3个圆形发光平面，如圆形的LED灯发光面。且每个圆形发光平面的位置信息和圆形发光平面与水平面的夹角信息已确定，该位置信息可以是实现测定输入数据库的，也可以通过通信将圆形发光平面的发送给信息处理端。一般来说，为了便于算，本发明的圆形发光平面都水平放置，如将LED灯具都水平放置。 [0020] 步骤2、接收端通过成像装置拍摄至少3个圆形发光平面，一副成像图中同时获得至少3个圆形发光平面的成像图案。 [0021] 步骤3、当发射端的圆形发光平面大于3个时，可以抽取其中的3个进行后续计算处理，分别测得成像图案中椭圆的长短轴长度，根据公式求得各圆形发光平面到接收端的发射角 。 [0022] 步骤4、信息处理端根据3个圆形发光平面的位置坐标以及其分别与接收端发射角，准确定位接收端的坐标。即根据公式（1）联立方程组，求得接收端坐标(xe，ye，ze)。 [0023] 作为本发明的方案的进一步改进方案，参照的圆形发光平面数量N大于3时，可以采用多次计算接收端的坐标，取平均值作为最终结果，这样可以提高定位精度。 [0024] 作为本发明的方案的一种实施方案，所述圆形发光平面还可以为环状或圆弧状发光面，也可是多个分离光源组成的圆形、圆环或圆弧形灯带，都适用基于成像椭圆的长短轴确立发射角的方法。 [0025] 作为本发明的方案的进一步改进方案，所述步骤2中成像装置为广角镜头，可认为在视角范围内和接收距离内成像无失真，在已知镜头相关参数条件下，还可以通过相关算法对图像进行修正处理。 [0026] 一种基于圆形投影的可见光定位系统，包括至少3个圆形发光平面、接收端和信息处理端，接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，信息处理端可通过通信或输入等方式确定圆形发光平面的位置信息。信息处理端分别识别所拍摄圆形发光平面的椭圆形面，测得成像中椭圆的长短轴长度，并分别计算出圆形发光平面与接收端的发射角，并根据公式（1）求得接收端坐标。 |
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