一種基于圓形投影的可見光定位方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及室內定位應用領域，具體來講是一種基于圓形投影的可見光定位方法及系統。本發明通過測量圓形發光平面在接收端的橢圓形投影的指向進而對接收端水平的水平位置進行定位，本方法通過測量投影的指向可穩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等便攜設備進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
【技術領域】
[0001] 本發明涉室內定位應用領域，具體來講是一種基于圓形投影的可見光定位方法及 系統，通過圖像處理測得圓形發光平面在接收端的橢圓形投影的指向，進而對接收端進行 水平定位的方法。
【背景技術】
[0002] LED (Lighting Emitting Diode)被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、 環保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城 市夜景等領域，勢將成為下一代照明技術。LED因為具有節能、安全、可用頻譜寬等優點，在 提供室內照明的同時還可應用于無線光通信系統中，同時滿足室內上網以及一系列擴展應 用。基于LED的室內定位就是其中一個潛力巨大的應用方向，由于LED在室內布放位置固 定，覆蓋范圍較廣，以各LED為參照可準確獲知位置和距離，在室內實現類似GPS的定位和 導航。
[0003] 使用LED的室內可見光定位通常測量接收信號的強度（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，進而基于三角幾何方法進行定位。定位 使用的接收端探測器采用光強探測器或成像探測器，由于光強探測器同時適用于高速通 信，所以基于光強探測器以及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 定這種對應關系后，測得接收信號功率即可確定發射和接收間的距離。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送和接收數據信號，發送和接收信號所需的 硬件昂貴而復雜，并不適于消費級別的應用。
[0005] 對于采用角度到達（Arrival Of Angle,簡稱A0A)技術的可見光定位系統，該技 術根據光信號到達的角度，確定目標相對于信號發射器的角度關系進行定位。具體地，是利 用探測器陣列計算LED燈（信號發射器）與目標（信號接收器）的角度，并根據計算的 LED燈（信號發射器）與目標（信號接收器）的角度計算目標的位置。基于AOA方法相 對于RSS方法可獲得更穩定精確的測量結果，尤其在消費級的CMOS成像器件以及DSP處 理技術成熟的條件下，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。
【發明內容】
[0006] 針對【背景技術】的不足，本發明通過對圓形發光平面的投影成像，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。本發明可以在接收端可使用手機等便攜 設備進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] 本發明的的技術方案是：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、在發射端至少有2個圓形發光平面，且在信息處理端能區分各圓形發光平面， 并已知每個圓形發光平面的位置信息；所述的圓形發光平面水平放置，即圓形發光平面與 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個圓形發光平面，獲得 包括多個圓形發光平面成像圖案； 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、信息處理端根據圓形發光平面的中心坐標將成像中的交點映射到實際坐標，從 而確定接收端的二維坐標。
[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：所述的圓形發光平面 為圓形的LED燈發光面。
[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 交點坐標的最終結果。
[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：所示的圓形發光平面 為環狀、圓弧狀發光面或由多個分離光源組成的圓形、圓環或圓弧形燈帶。
[0012] 本發明還公開了一種基于圓形投影的可見光定位系統，包括至少2個圓形發光平 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光平面的位置信息，信息處理端識別所拍攝各圓 形發光平面的橢圓成像，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，并根據圓形發光平面的中心坐標將成像中的交點映射到實際坐標，從而確定接收端 的二維坐標。
[0013] 如上所述的基于圓形投影的可見光定位系統，其特征在于：所述的圓形發光平面 為3個。
[0014] 本發明的有益效果在于：通過對圓形發光平面的投影成像，可測得在接收端的橢 圓形投影的指向，進而確定接收端的二維坐標。該方法基于光信號的發射角可獲得較高的 定位精度，而且由于在接收端可使用手機等便攜設備進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為本發明實施例根據三個圓形發光面的橢圓投影確定接收端坐標的原理圖； 圖2為本發明實施例處理流程圖。
【具體實施方式】
[0016] 以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0017] 本發明的原理是：對于具有圓形發光面的LED燈具，在其下方不同方位投影為不 同的橢圓。如圖1所示，當圓形發光面與成像透鏡的法線都垂直時，圓形發光面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，確定該點在圓形發光面所在平面上的投影的坐標即得到 接收端的二維坐標。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。
[0018] 在使用廣角鏡頭進行成像時，多個圓形發光面的尺寸相對于圓形發光面之間的距 離以及鏡頭到圓形發光面的距離較小，可認為成像無變形。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，可認為圓形發光面的 成像為橢圓，不影響原理的有效性。
[0019] 如圖1，當選取3個LED光源時，發送端圓形發光面的中心坐標為（ Ji-，J%-，A- ) (i=l、2、3)，在接收端各燈具橢圓成像的中心坐標分別為（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為 (<,￡ )。本發明中只需要知曉圓形發光面的Uf，馬）信息即可，其高度信息&可以 不知曉，根據幾何投影的等比關系，坐標滿足：
【權利要求】
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、在發射端至少有2個圓形發光平面，且在信息處理端能區分各圓形發光平面， 并已知每個圓形發光平面的位置信息；所述的圓形發光平面水平放置，即圓形發光平面與 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個圓形發光平面，獲得 包括多個圓形發光平面成像圖案； 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、信息處理端根據圓形發光平面的中心坐標將成像中的交點映射到實際坐標，從 而確定接收端的二維坐標。
2. 如權利要求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 光平面為圓形的LED燈發光面。
3. 如權利要求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 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 值作為交點坐標的最終結果。
4. 如權利要求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 示的圓形發光平面為環狀、圓弧狀發光面或由多個分離光源組成的圓形、圓環或圓弧形燈 帶。
6. -種基于圓形投影的可見光定位系統，包括至少2個圓形發光平面、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光平面的位置信息，信息處理端識別所拍攝各圓形發光平面的橢圓 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，并根據圓形發 光平面的中心坐標將成像中的交點映射到實際坐標，從而確定接收端的二維坐標。
7. 如權利要求6所述的基于圓形投影的可見光定位系統，其特征在于：所述的圓形發 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 優先權日:2014年11月20日
【發明者】王元祥, 劉武, 楊奇 申請人:武漢郵電科學研究院