本實用新型涉及一種可見光定位方法及系統(tǒng)，屬于可見光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非角度測量的單圖像傳感器室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于LED綠色照明光源的可見光通信定位技術(shù)具有室內(nèi)覆蓋廣、節(jié)能、安全、布設(shè)簡單、成本低、電磁兼容性好等突出優(yōu)點。目前采用的定位方法主要有基于可見光信號強(qiáng)度的室內(nèi)定位方法、基于碼分多址的室內(nèi)定位方法、基于頻分多址的室內(nèi)定位方法、可見光多接收點幾何中心定位方法、基于圖像傳感器成像的室內(nèi)定位法，除此之外，還有不同室內(nèi)可見光定位方法結(jié)合在一起的定位方法。

基于圖像傳感器成像的室內(nèi)定位法通常需要兩個圖像傳感器，由三個以上的LED通過圖像傳感器成像，得到的光源和成像點或面的連線間的幾何關(guān)系及角度關(guān)系，通過一定的算法確定待測位置的空間坐標(biāo)。圖像傳感器成像定位方法必須測量信號接收端在三維空間中的方位角、俯仰角和光源到成像點的距離，才能根據(jù)相應(yīng)算法確定待測點的位置坐標(biāo)。所以，此方法的信號接收端通常包括圖像傳感器、角度識別模塊及成像定位算法處理模塊。

由于基于圖像傳感器成像的室內(nèi)定位法需要精確的測定角度，相對于常見的可見光信號強(qiáng)度的室內(nèi)定位方法要復(fù)雜很多，且角度的精確測量比較困難，而且采用兩個以上的圖像傳感器會增大硬件成本，也會帶來定位系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性等問題。

本實用新型針對現(xiàn)有的圖像傳感器成像定位方法存在的問題，提出了一種基于LED照明光源的非角度測量的單圖像傳感器室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)，通過單個圖像傳感器進(jìn)行室內(nèi)定位，且不需要測量角度值和測距，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述的問題，提供了一種基于非角度測量的單圖像傳感器室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)從產(chǎn)生反射光的主要因素入手，通過LED照明光源分布及光源發(fā)射角優(yōu)化設(shè)計以及接收器接收視場角度優(yōu)化設(shè)計，來抑制反射光的干擾，能大幅降低反射光對定位系統(tǒng)的影響，提高定位系統(tǒng)的定位精度。

本實用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：

一種基于非角度測量的單圖像傳感器室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)，包括：

發(fā)送端，包括若干個設(shè)置于同一平面上的具有唯一信標(biāo)和位置坐標(biāo)的光源；

接收端，包括同軸心設(shè)置的透鏡組、圖像傳感器，所述透鏡組所在平面和圖像傳感器的傳感平面平行且距離為透鏡的焦距，所述透鏡組位于圖像傳感器和發(fā)送端之間。

其中，所述透鏡組和圖像傳感器之間設(shè)置濾波膜。

其中，所述光源采用正六邊型蜂窩結(jié)構(gòu)布置于同一矩形平面中，其中，相鄰光源間距為a，靠墻光源與墻面距離為a/2，矩形平面的一邊長為m×a，另一邊長為m,n為自然數(shù)。

其中，與墻體相鄰光源的光發(fā)射角為ψ＝2arctan(a/h)，其余光源的光發(fā)射角為ψ＝2arctan(1.5a/h)。

其中，所述接收端的接收視場角度為Ω＝90°。

因此，本實用新型具有如下優(yōu)點：本實用新型只需要通過單個圖像傳感器接收信號，接收裝置結(jié)構(gòu)簡單；不需要測量光束的角度值，避免角度測量的精度不高所帶來的定位誤差，同時也減少額外的角度測量器件使用所帶來的系統(tǒng)復(fù)雜性問題；本實用新型不需要測距，避免了測距過程中各種因素影響造成的測距精度比較低的問題，這也是目前提高室內(nèi)定位精度所遇到的主要困難之一；本實用新型大大簡化了定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時大幅提高系統(tǒng)定位精度，可實現(xiàn)厘米以內(nèi)精度量級的高精度3維定位，大大拓展了定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

附圖1為LED光源蜂窩分布結(jié)構(gòu)圖。

附圖2-a為光源數(shù)目減少時的第一種LED光源蜂窩分布圖。

附圖2-b為光源數(shù)目減少時的第二種LED光源蜂窩分布圖。

附圖3-a為光源數(shù)目最少時的第一種LED光源分布圖。

附圖3-b為光源數(shù)目最少時的第二種LED光源分布圖。

附圖4為根據(jù)附圖2-b的第一行光源分布情況所確定的光發(fā)射角示意圖。

附圖5為根據(jù)附圖2-b的第一列光源分布情況所確定的光發(fā)射角示意圖。

附圖6為根據(jù)附圖2-b的第二行光源分布情況所確定的光發(fā)射角示意圖。

附圖7為具體實施例的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖8是定位原理示意圖。

附圖9是圖像傳感平面及Si長度與單位像素面積關(guān)系示意圖。

附圖10-a為本實用新型的發(fā)送端工作流程圖。

附圖10-b為本實用新型的接收端工作流程圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

實施例：

一、光源規(guī)劃

幾何測量法和成像法需要測距和測發(fā)射光線的角度，在室內(nèi)環(huán)境由于信號多徑反射、發(fā)光強(qiáng)度波動、對信號光的遮擋都會影響定位的精度和穩(wěn)定性，而其中反射光的影響最大。特別是采用信號強(qiáng)度(RSS)測距法的定位系統(tǒng)，受到反射光的干擾更顯著。

本實用新型從產(chǎn)生反射光的主要因素入手，采用兩個方法抑制反射光的干擾：LED照明光源分布及光源發(fā)射角優(yōu)化設(shè)計；接收器接收視場角度優(yōu)化設(shè)計。

室內(nèi)LED照明光源按附圖1的方式分布在天花板平面，光源分布為正六邊型的蜂窩結(jié)構(gòu)，相鄰LED光源的間距為a,靠墻的兩行和兩列光源與墻面距離為a/2，室內(nèi)面積為室內(nèi)面積一般表達(dá)式可寫為m、n任取自然數(shù)，均大于等于2，經(jīng)計算這種光源分布設(shè)計能最大限度保證光照強(qiáng)度的均勻分布。LED照明光源分布設(shè)計可以適合任何室內(nèi)面積和靈活增減光源數(shù)目，方法是調(diào)整a和m、n的大小。

如附圖2-a、附圖2-b所示，當(dāng)a不變，而室內(nèi)面積表示為時，光源的分布情況，附圖2-a和附圖2-b均為蜂窩結(jié)構(gòu)，不同之處在于附圖2-b能更好地對四個墻角進(jìn)行信號覆蓋。

附圖3-a、附圖3-b室內(nèi)面積表示為時，光源的分布情況，亦為蜂窩的局部結(jié)構(gòu)。由于光源少，光源分布僅為單個蜂窩的局部，故信號覆蓋不均勻，特別墻角信號質(zhì)量差，定位誤差大。改進(jìn)方法是按面積公式通過減小a，增加光源數(shù)，能有效改善墻角和沿墻附件的定位精度。顯然a越小，單位面積照明光源數(shù)越多，信號覆蓋越均勻，但不利之處是接收器接收到的信號越多，產(chǎn)生相鄰信號的干擾越嚴(yán)重，故也需要恰當(dāng)?shù)倪x擇a的大小。

為抑制反射光的干擾，有必要選擇恰當(dāng)?shù)腖ED光源光發(fā)射角的大小，光發(fā)射角越大光源發(fā)射的信號光覆蓋范圍越大，但相應(yīng)的墻面反射也越大，光發(fā)射角小，可減小墻面反射的強(qiáng)度，但信號覆蓋范圍減小，造成接收器接收到的光源數(shù)較少，接收光源數(shù)為3個以上可進(jìn)行三維定位，接收光源數(shù)為2個可進(jìn)行二維定位，接收光源數(shù)少于2個將不能進(jìn)行定位。故LED光源光發(fā)射角的大小也需要優(yōu)化設(shè)置。

附圖4為根據(jù)附圖2-b的光源分布情況確定優(yōu)化的光發(fā)射角的計算方法，附圖4所示的LED光源分布是附圖2-b的第一行光源分布。本實用新型所確定的第一行光源光發(fā)射角為ψ＝2-arctan(a/h),其中h為接收器所在平面與光源分布平面的距離。

附圖5所示的LED光源分布是附圖2-b的第一列光源分布。本實用新型所確定的第一列光源光發(fā)射角為ψ＝2-arctan(a/h)。

附圖6所示的LED光源分布是附圖2-b的第二行光源分布。本實用新型所確定的第二行光源光發(fā)射角為ψ＝2-arctan(1.5a/h)。

對于附圖2光源分布情況，本實用新型確定的光發(fā)射角分別為:最靠近墻兩行和兩列光源均為ψ＝2-arctan(a/h)，其余的均為ψ＝2-arctan(1.5a/h)。

附圖2光源分布情況下，根據(jù)附圖4、附圖5、附圖6所示，本實用新型所確定的接收器接收視場角度為Ω＝90°。

對于附圖2-a和2-b，相鄰LED光源的間距為a＝1.5米時，對應(yīng)室內(nèi)面積為27.9平方米，a＝2米時，對應(yīng)室內(nèi)面積為47.5平方米。LED光源數(shù)為12或13。如需增加光源數(shù)，參考附圖1，只需增加蜂窩數(shù)即可，即增加m、n，也就是相同室內(nèi)面積可以有不同LED光源數(shù)的分布設(shè)計。相同LED光源數(shù)，也可對應(yīng)不同的室內(nèi)面積，只需調(diào)整相鄰LED光源的間距a的大小即可。所以，根據(jù)不同要求和具體情況，本實用新型均提供了靈活的LED光源分布設(shè)計的具體實施辦法。

從附圖4、5、6可見，本實用新型的光源分布、光發(fā)射角及接收視場角度的優(yōu)化設(shè)計，使得距四墻面大于a/2的位置，墻面反射光很少，定位系統(tǒng)受反射光的干擾很小，故定位精度高，可達(dá)到厘米數(shù)量級以內(nèi)。距四墻面小于a/2的沿墻位置，受反射光的干擾不能忽略，定位精度差于厘米數(shù)量級。

附圖7是本實用新型的一個具體應(yīng)用實例。系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端組成：

發(fā)送端：由發(fā)送信號調(diào)制模塊、LED光源組成。LED照明光源布置于室內(nèi)吊頂平面，至少有3個LED照明光源，如多于三個光源可通過光源優(yōu)選確定3個定位光源，每個LED光源分配唯一的信標(biāo)，并有與其所對應(yīng)的坐標(biāo)。

接收端：由透鏡組、光濾波薄膜、圖像傳感器或光電二極管陣列、信號處理及定位計算模塊組成，其中透鏡組與一個圖像傳感器或光電二極管陣列構(gòu)成成像系統(tǒng)。接收端具備光源成像、濾波、解調(diào)發(fā)送端廣播信號及待定位點位置坐標(biāo)計算等功能。

透鏡組用于對光源的成像，光濾波薄膜濾除背景光及其它雜散光，圖像傳感器或光電二極管陣列接收LED光信號，完成光電轉(zhuǎn)換的功能。信號處理及定位計算模塊完成信號放大、濾波、信號解調(diào)解碼、LED成像點位置確定、s_i值計算和定位點坐標(biāo)計算等功能。此外，如果室內(nèi)有超過3個LED照明光源，信號處理及定位計算模塊還具有光源優(yōu)選的功能，以選擇3個最佳光源作為定位用光源。接收端透鏡組平面和圖像傳感器或光電二極管陣列平面相互平行可采用靜態(tài)平行的方法，即通過固定接收端透鏡組平面和圖像傳感器或光電二極管陣列平面相互平行，再微調(diào)接收器整體使之接收平面與LED照明光源分布平面平行的方法。因定位信號處理不同于圖像處理，不僅需要讀取成像點位置，還需要對接收的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼等處理，故需要信號處理及定位計算模塊具備這些功能。如使用CCD圖像傳感器，由于無需圖像色彩，為提高入射光的光電轉(zhuǎn)換后電信號強(qiáng)度，可去除CCD的濾色層，另外，定位信號處理同CCD的不同，同樣如使用CMOS圖像傳感器，定位信號處理亦同CMOS圖像信號的處理不同。本實用新型可使用光電二極管陣列代替圖像傳感器的功能，更能針對實際的定位應(yīng)用。

本應(yīng)用實施例中，如附圖1至附圖3-b所示，對于給定的室內(nèi)面積大小，根據(jù)公式可靈活的選擇光源數(shù)量和光源間距。

本應(yīng)用實施例中，光源光發(fā)射角的優(yōu)化設(shè)計，靠近墻兩行和兩列光源均為ψ＝2-arctan(a/h)，其余的均為ψ＝2-arctan(1.5a/h)。本應(yīng)用實施例中，所確定的接收器接收視場角度為Ω＝90°。

本實施例中接收器接收視場角度為Ω＝90°，但替代方案中，接收器接收視場角度Ω可以根據(jù)具體光源分布密度情況靈活設(shè)定。光源分布給定的情況下，在保證能接收足夠的光源數(shù)條件下，更小的接收視場角度可以更好地抑制反射光的干擾。具體優(yōu)化的接收視場角度值根據(jù)本實用新型的方法確定。

本應(yīng)用實施例中，室內(nèi)面積約為36平方米，接收器距LED光源平面h＝3米，接收器接收視場角度為Ω＝90°，相鄰LED光源的間距可選a＝1米，靠近墻兩行和兩列光源光發(fā)射角均為ψ＝2-arctan(1/3)＝36.9°，其余光源光發(fā)射角均為ψ＝2-arctan(1/2)＝53.1°。選擇a＝2米，同樣36平方米的室內(nèi)面積，光源數(shù)將減少一半以上。

本實用新型的所述的圖像傳感器圖像不限于一般意義上的圖像傳感器，也可使用光電二極管陣列及其它類似光電轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成的陣列來代替圖像傳感器。無需對成品圖像傳感器或光電二極管陣列進(jìn)行針對定位功能的專門設(shè)計，只需將傳感器獲取的信號通過信號處理及定位計算模塊進(jìn)行處理以實現(xiàn)定位功能。

本實施例的LED照明光源分布平面、接收端透鏡組平面和圖像傳感器或光電二極管陣列平面相互平行的方案除了靜態(tài)平行的方法外，還可以采用動態(tài)調(diào)整平行的方法完成。

二、定位方法

下面對本實施例的定位算法原理介紹如下。

如附圖8所示，利用任意3個非共線的LED照明燈及其在成像系統(tǒng)傳感器平面成像點的連線所構(gòu)成的幾何關(guān)系，結(jié)合圖像傳感器或光電二極管陣列信號接收平面面積及像素密度大小，計算確定待定位點L的坐標(biāo)值。

如附圖8所示，3個非共線的LED照明燈的坐標(biāo)分別為L₁(x₁，y₁,z₁)、L₂(x₂，y₂,z₂)、L₃(x₃，y₃,z₃),它們到定位點L的距離分別為D1、D2、D3,L為待定位點即透鏡中心，通過L的透鏡平面與傳感器平面平行，透鏡平面中心L到傳感平面中心N的垂直距離為透鏡焦距f，M為LED照明燈L₁通過透鏡在圖像傳感器或光電二極管陣列平面的成像，H為LED照明燈L₁到透鏡平面的垂直距離,A點在透鏡平面上。顯然直角三角形ΔL₁AL與直角三角形ΔLNM為相似三角形，所以D₁＝H(f²+s₁²)^1/2/f,s₁為N到M的距離,同理可得其它LED照明燈到定位點L的距離相同表達(dá)式D_i＝H(f²+s_i²)^1/2/f。通常情況下三個定位LED光源均在平行于圖像傳感器或光電二極管陣列平面上，故z₁＝z₂＝z₃,則得到三個方程：

(x-x_i)²+(y-y_i)²＝D_i²-H²,i＝1,2,3

從上面三個方程可確定三個未知量x、y、H，只需測出各LED光源在傳感器屏幕的成像點到中心N的距離s_i,即可解得待定位點的位置坐標(biāo)(x,y,z),其中z＝z_i-H。

s_i的計算方法:附圖9為圖像傳感器或光電二極管陣列平面及Si長度與單位像素面積關(guān)系示意圖，假設(shè)傳感器平面面積為w²,像素為T,則單位像素的面積為w²/T,N在圖像傳感器或光電二極管陣列平面的像素坐標(biāo)為(x₀′,y₀′)，M的坐標(biāo)為(x_m′,y_m′)，x方向像素點數(shù)a,y方向像素點數(shù)b,故S_i＝[(a²+b²)w²/T]^1/2。

以上算法通過接收端的信號處理及定位計算模塊完成。

此外，接收端的光濾波薄膜的用于過濾雜散光對接收信號的干擾，提高系統(tǒng)可靠性。發(fā)送端的信號調(diào)制模塊可采用通信系統(tǒng)常見的技術(shù)方法，如頻分、波分、碼分、時分或其它技術(shù)。室內(nèi)有超過3個LED照明光源，信號處理及定位計算模塊還具有光源優(yōu)選的功能，以選擇3個最佳光源作為定位用光源。優(yōu)選光源的依據(jù)主要有：成像質(zhì)量、接收信號信噪比、成像非共線。

發(fā)送端工作流程如圖10-a所示：信號調(diào)制模塊上電初始化、后臺配置LED光源發(fā)光強(qiáng)度及設(shè)置各個LED光源信標(biāo)與坐標(biāo)，如后臺原先已配置相關(guān)參數(shù)，不需重新修改時，一定時延后自動進(jìn)入下一步，驅(qū)動LED發(fā)光，廣播定位相關(guān)信息，狀態(tài)檢測發(fā)現(xiàn)配置或設(shè)置數(shù)據(jù)有誤，如坐標(biāo)重配或照明光強(qiáng)度不在正常范圍，則返回后臺重新配置與設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如檢測正常則循環(huán)重發(fā)廣播信息，當(dāng)檢測到處于系統(tǒng)設(shè)置的工作時間之外，比如晚上12時以后，則結(jié)束照明和定位信息廣播。

接收端工作流程如圖10-b所示：信號處理及定位計算模塊初始化、成像系統(tǒng)的傳感器平面接收光信號并通過光敏器件轉(zhuǎn)換為電信號、對每路接收電信號進(jìn)行放大、濾波器濾波、使用與發(fā)射端對應(yīng)的技術(shù)對信號進(jìn)行解調(diào)與解碼、根據(jù)接收信號質(zhì)量的比較選擇三個非共線成像點作為定位計算的數(shù)據(jù)源、三成像點位置信息及光源坐標(biāo)值的提取、定位參數(shù)Si的計算、計算確定待定位點坐標(biāo)、定位結(jié)果輸出和對前一輸出的更新、重復(fù)前述定位流程得到原定位點或新定位點的坐標(biāo)信息。

本實施例可實現(xiàn)三維定位，如果高度已知，可以僅需2光源就能完成平面點的二維定位，方法同本實用新型的三維定位原理。本實用新型的LED照明光源分布平面、接收端透鏡組平面和圖像傳感器或光電二極管陣列平面相互平行的方案除了靜態(tài)平行的方法外，還可以采用動態(tài)調(diào)整平行的方法。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。