一種基于圓形投影的可見光定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及室內(nèi)定位應(yīng)用領(lǐng)域，具體來講是一種基于圓形投影的可見光定位方法及系統(tǒng)。本發(fā)明通過測量圓形發(fā)光平面在接收端的橢圓形投影的指向進(jìn)而對接收端水平的水平位置進(jìn)行定位，本方法通過測量投影的指向可穩(wěn)定的獲得較高的平面定位精度，而且由于在接收端可使用手機(jī)等便攜設(shè)備進(jìn)行成像探測和算法處理，硬件成本極低且便于攜帶，具有較大的實用價值。
【專利說明】-種基于圓形投影的可見光定位方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉室內(nèi)定位應(yīng)用領(lǐng)域，具體來講是一種基于圓形投影的可見光定位方法及 系統(tǒng)，通過圖像處理測得圓形發(fā)光平面在接收端的橢圓形投影的指向，進(jìn)而對接收端進(jìn)行 水平定位的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] LED (Lighting Emitting Diode)被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、 環(huán)保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城 市夜景等領(lǐng)域，勢將成為下一代照明技術(shù)。LED因為具有節(jié)能、安全、可用頻譜寬等優(yōu)點，在 提供室內(nèi)照明的同時還可應(yīng)用于無線光通信系統(tǒng)中，同時滿足室內(nèi)上網(wǎng)以及一系列擴(kuò)展應(yīng) 用?；贚ED的室內(nèi)定位就是其中一個潛力巨大的應(yīng)用方向，由于LED在室內(nèi)布放位置固 定，覆蓋范圍較廣，以各LED為參照可準(zhǔn)確獲知位置和距離，在室內(nèi)實現(xiàn)類似GPS的定位和 導(dǎo)航。
[0003] 使用LED的室內(nèi)可見光定位通常測量接收信號的強(qiáng)度（RSS，Received Signal Strength)或延時（TOA，Time of Arrive)或到信號源的接收角度（AOA，Angle of Arrive)，基于估算的到多個信號源的距離或角度，進(jìn)而基于三角幾何方法進(jìn)行定位。定位 使用的接收端探測器采用光強(qiáng)探測器或成像探測器，由于光強(qiáng)探測器同時適用于高速通 信，所以基于光強(qiáng)探測器以及RSS測量方法的定位方法是研究和使用較多的定位方案。
[0004] 在基于RSS的測量定位方法中，接收光功率隨通信距離的增加而非線性減小，確 定這種對應(yīng)關(guān)系后，測得接收信號功率即可確定發(fā)射和接收間的距離。但由于接收光功率 通常會受到光源的亮度波動、信號光的散射和反射、以及光發(fā)送接收角等因素影響，接收光 功率的波動難以克服，由此換算得出的估算距離波動明顯，直接影響最后的定位精度。目前 基于RSS的LED定位方法精度約為5-lOcm，并不能滿足更高精度的定位要求。另一方面，基 于RSS的測量定位方法中需要專用高速電路發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號，發(fā)送和接收信號所需的 硬件昂貴而復(fù)雜，并不適于消費(fèi)級別的應(yīng)用。
[0005] 對于采用角度到達(dá)（Arrival Of Angle,簡稱A0A)技術(shù)的可見光定位系統(tǒng)，該技 術(shù)根據(jù)光信號到達(dá)的角度，確定目標(biāo)相對于信號發(fā)射器的角度關(guān)系進(jìn)行定位。具體地，是利 用探測器陣列計算LED燈（信號發(fā)射器）與目標(biāo)（信號接收器）的角度，并根據(jù)計算的 LED燈（信號發(fā)射器）與目標(biāo)（信號接收器）的角度計算目標(biāo)的位置?；贏OA方法相 對于RSS方法可獲得更穩(wěn)定精確的測量結(jié)果，尤其在消費(fèi)級的CMOS成像器件以及DSP處 理技術(shù)成熟的條件下，基于AOA方案日漸成為一種硬件易獲取且定位精度高的測量定位方 案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對【背景技術(shù)】的不足，本發(fā)明通過對圓形發(fā)光平面的投影成像，可測得在接收端 的橢圓形投影的指向，并確定接收端的二維坐標(biāo)。本發(fā)明可以在接收端可使用手機(jī)等便攜 設(shè)備進(jìn)行成像探測和算法處理，硬件成本極低且便于攜帶，具有較大的實用價值。
[0007] 本發(fā)明的的技術(shù)方案是：一種基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：包 括以下步驟， 步驟1、在發(fā)射端至少有2個圓形發(fā)光平面，且在信息處理端能區(qū)分各圓形發(fā)光平面， 并已知每個圓形發(fā)光平面的位置信息；所述的圓形發(fā)光平面水平放置，即圓形發(fā)光平面與 水平面的夾角為〇° ; 步驟2、接收端通過水平放置的成像裝置在同一位置拍攝至少2個圓形發(fā)光平面，獲得 包括多個圓形發(fā)光平面成像圖案； 步驟3、通過圖像處理方法，分別確定成像中各橢圓圖案的短軸，并計算出短軸延長線 在成像中的交點； 步驟4、信息處理端根據(jù)圓形發(fā)光平面的中心坐標(biāo)將成像中的交點映射到實際坐標(biāo)，從 而確定接收端的二維坐標(biāo)。
[0008] 如上所述的基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所述的圓形發(fā)光平面 為圓形的LED燈發(fā)光面。
[0009] 如上所述的基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所述的圓形發(fā)光平面 大于或等于3個時，步驟3中可獲得多個短軸延長線的交點，可采用多次計算取平均值作為 交點坐標(biāo)的最終結(jié)果。
[0010] 如上所述的基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所述步驟2中成像裝 直為廣角鏡頭。
[0011] 如上所述的基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所示的圓形發(fā)光平面 為環(huán)狀、圓弧狀發(fā)光面或由多個分離光源組成的圓形、圓環(huán)或圓弧形燈帶。
[0012] 本發(fā)明還公開了一種基于圓形投影的可見光定位系統(tǒng)，包括至少2個圓形發(fā)光平 面、接收端和信息處理端，接收端通過成像裝置拍攝圓形發(fā)光平面，其特征在于：所述的信 息處理端通過通信或輸入方式確定圓形發(fā)光平面的位置信息，信息處理端識別所拍攝各圓 形發(fā)光平面的橢圓成像，確定多個橢圓的短軸及其延長線，計算出短軸延長線在成像中的 交點，并根據(jù)圓形發(fā)光平面的中心坐標(biāo)將成像中的交點映射到實際坐標(biāo)，從而確定接收端 的二維坐標(biāo)。
[0013] 如上所述的基于圓形投影的可見光定位系統(tǒng)，其特征在于：所述的圓形發(fā)光平面 為3個。
[0014] 本發(fā)明的有益效果在于：通過對圓形發(fā)光平面的投影成像，可測得在接收端的橢 圓形投影的指向，進(jìn)而確定接收端的二維坐標(biāo)。該方法基于光信號的發(fā)射角可獲得較高的 定位精度，而且由于在接收端可使用手機(jī)等便攜設(shè)備進(jìn)行成像探測和算法處理，硬件成本 極低且便于攜帶，具有較大的實用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明實施例根據(jù)三個圓形發(fā)光面的橢圓投影確定接收端坐標(biāo)的原理圖； 圖2為本發(fā)明實施例處理流程圖。

【具體實施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017] 本發(fā)明的原理是：對于具有圓形發(fā)光面的LED燈具，在其下方不同方位投影為不 同的橢圓。如圖1所示，當(dāng)圓形發(fā)光面與成像透鏡的法線都垂直時，圓形發(fā)光面Ci的圓心、 成像Ei的中心、與成像透鏡的法線在一個平面Si上（i=l、2、3)，各平面Si與成像E i相交于 Ei的短軸。由于三個平面Si相交于成像透鏡的法線上，因此在成像平面上，三個短軸延長 線相交于接收端成像透鏡這一點，確定該點在圓形發(fā)光面所在平面上的投影的坐標(biāo)即得到 接收端的二維坐標(biāo)。在成像平面確立該交點相對于各成像Ei中心的位置，則可確定法線垂 直于Ci所在平面上的投影坐標(biāo)。
[0018] 在使用廣角鏡頭進(jìn)行成像時，多個圓形發(fā)光面的尺寸相對于圓形發(fā)光面之間的距 離以及鏡頭到圓形發(fā)光面的距離較小，可認(rèn)為成像無變形。另外，可通過多種手段保證接收 端的成像鏡頭的法線垂直向上。因此，在忽略成像鏡頭失真的情況下，可認(rèn)為圓形發(fā)光面的 成像為橢圓，不影響原理的有效性。
[0019] 如圖1，當(dāng)選取3個LED光源時，發(fā)送端圓形發(fā)光面的中心坐標(biāo)為（ Ji-，J%-，A- ) (i=l、2、3)，在接收端各燈具橢圓成像的中心坐標(biāo)分別為（Jr1- , JF1-, ) (i=l、 2、3)，通過圖像處理方法找出橢圓的短軸，在成像平面上可確立短軸延長線交點的坐標(biāo)為 (<,￡ )。本發(fā)明中只需要知曉圓形發(fā)光面的Uf，馬）信息即可，其高度信息&可以 不知曉，根據(jù)幾何投影的等比關(guān)系，坐標(biāo)滿足：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：包括以下步驟， 步驟1、在發(fā)射端至少有2個圓形發(fā)光平面，且在信息處理端能區(qū)分各圓形發(fā)光平面， 并已知每個圓形發(fā)光平面的位置信息；所述的圓形發(fā)光平面水平放置，即圓形發(fā)光平面與 水平面的夾角為0° ; 步驟2、接收端通過水平放置的成像裝置在同一位置拍攝至少2個圓形發(fā)光平面，獲得 包括多個圓形發(fā)光平面成像圖案； 步驟3、通過圖像處理方法，分別確定成像中各橢圓圖案的短軸，并計算出短軸延長線 在成像中的交點； 步驟4、信息處理端根據(jù)圓形發(fā)光平面的中心坐標(biāo)將成像中的交點映射到實際坐標(biāo)，從 而確定接收端的二維坐標(biāo)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所述的圓形發(fā) 光平面為圓形的LED燈發(fā)光面。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所述的圓形發(fā) 光平面大于或等于3個時，步驟3中可獲得多個短軸延長線的交點，可采用多次計算取平均 值作為交點坐標(biāo)的最終結(jié)果。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所述步驟2中 成像裝置為廣角鏡頭。
5. 如權(quán)利要求1至4所述的任一種基于圓形投影的可見光定位方法，其特征在于：所 示的圓形發(fā)光平面為環(huán)狀、圓弧狀發(fā)光面或由多個分離光源組成的圓形、圓環(huán)或圓弧形燈 帶。
6. -種基于圓形投影的可見光定位系統(tǒng)，包括至少2個圓形發(fā)光平面、接收端和信息 處理端，接收端通過成像裝置拍攝圓形發(fā)光平面，其特征在于：所述的信息處理端通過通信 或輸入方式確定圓形發(fā)光平面的位置信息，信息處理端識別所拍攝各圓形發(fā)光平面的橢圓 成像，確定多個橢圓的短軸及其延長線，計算出短軸延長線在成像中的交點，并根據(jù)圓形發(fā) 光平面的中心坐標(biāo)將成像中的交點映射到實際坐標(biāo)，從而確定接收端的二維坐標(biāo)。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于圓形投影的可見光定位系統(tǒng)，其特征在于：所述的圓形發(fā) 光平面為3個。
【文檔編號】G01S5/16GK104391273SQ201410662635
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】王元祥, 劉武, 楊奇 申請人:武漢郵電科學(xué)研究院