基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及定位領(lǐng)域，尤其涉及一種基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息和通信技術(shù)的普及，人們對室內(nèi)定位服務(wù)的需求與日倶增，在一些公共 場所，如商場、機場、展廳、寫字樓、倉庫、地下停車場等，精確的室內(nèi)定位信息，能夠方便用 戶購物、出行、查找室內(nèi)目標等；能夠?qū)捎每臻g和庫存物資實現(xiàn)高效管理；能夠為警察、 消防員、士兵、醫(yī)務(wù)工作人員完成特定的室內(nèi)導(dǎo)航任務(wù)。另外智能空間、普適計算等都離不 開室內(nèi)位置服務(wù)，因此室內(nèi)定位具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 國內(nèi)外關(guān)于室內(nèi)定位技術(shù)的研究比較豐富，根據(jù)定位原理有鄰近檢測、指紋匹配 和多邊/角度方法等。對于鄰近檢測方法將檢測到的信號源位置作為定位位置，精度較低。 基于WiFi指紋的匹配方法利用室內(nèi)環(huán)境中的信號特征匹配能夠得到較好的定位精度，但 定位結(jié)果易受室內(nèi)多徑效應(yīng)和環(huán)境變化等影響。多邊/角度方法需要先通過到達時間算法 (TOA)、到達時間差算法（TDOA)、到達角度測距算法（AOA)等算法精確測量定位點到參考點 的距離/角度等信息，再利用三邊測量法等對目標進行定位，但在實際測量中，參考節(jié)點位 置坐標、測量距離等數(shù)據(jù)值會存在誤差，從而影響定位結(jié)果。
[0004] 申請?zhí)枮镃N201410539385. 9的專利提出了基于LED可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)的自適 應(yīng)動態(tài)指紋庫構(gòu)建方法，局限之處在于由于LED光源的傳輸距離較短，因此對于室內(nèi)的測 量位置點，其測量得到的不同LED光源的數(shù)量比較少，即很可能在一個位置點只能測到兩 個甚至一個LED光源的信息，對于這種情況，接收端僅根據(jù)光源及其光強信息不能確定接 收端的位置，如果需要對于所有定位點（如走廊等）都能有效定位，則需要密集布置LED光 源，但會增加方案成本。
[0005] 申請?zhí)枮镃N201110054768. 3的專利提出了基于RSSI的加權(quán)三邊定位方法，局限 之處在于該方法不能精確測得節(jié)點間的距離，從而使定位誤差較大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種利用環(huán)境光光譜指紋在室內(nèi)定位的裝置 及定位方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位裝置。所述定位 裝置包括：
[0008] 光譜測量模塊，用于測量各空間點的環(huán)境光的光譜；
[0009] 中央控制模塊，接收所述光譜測量模塊測量的光譜數(shù)據(jù)，并控制所述光譜測量模 塊的測量狀態(tài)；
[0010] 無線模塊，受控于所述中央控制模塊對外部無線發(fā)送所述光譜數(shù)據(jù)或空間點坐 標；
[0011] 所述光譜數(shù)據(jù)包括空間點坐標、空間點光強及空間點處的光波長；所述光譜測量 模塊具有第一測量狀態(tài)及第二測量狀態(tài)；所述中央控制模塊在所述光譜測量模塊處于第一 測量狀態(tài)時，將接收的所有空間點的光譜數(shù)據(jù)根據(jù)空間位置及各空間點的光強構(gòu)筑成光譜 指紋；所述中央控制模塊在所述光譜測量模塊處于第二測量狀態(tài)時，將接收的所有空間點 的光譜數(shù)據(jù)與所述光譜指紋對比，從而確定光譜數(shù)據(jù)不同的空間點坐標。
[0012] 進一步的，所述光譜指紋儲存于所述中央控制模塊。
[0013] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位方法。所述定位 方以下步驟：
[0014] 步驟1 :對空間區(qū)域建模，并采集獲得空間區(qū)域的環(huán)境光光譜數(shù)據(jù)；
[0015] 步驟2 :根據(jù)采集的光譜數(shù)據(jù)及空間區(qū)域位置關(guān)系建立光譜指紋數(shù)據(jù)庫；
[0016] 步驟3 :根據(jù)終端請求，對終端所在區(qū)域的環(huán)境光光譜采集，形成二次光譜數(shù)據(jù)；
[0017] 步驟4 :將二次光譜數(shù)據(jù)與所述光譜指紋數(shù)據(jù)庫對比，確定M個候選目標位置點；
[0018] 步驟5 :對M個候選目標位置進行計算，并獲得終端的最終位置點；
[0019] 在對空間區(qū)域建模時，對空間區(qū)域平均分成若干個區(qū)域采樣塊，并對每個區(qū)域采 樣塊連續(xù)采樣N次，獲得N個環(huán)境光光譜數(shù)據(jù)；對所述N個環(huán)境光光譜數(shù)據(jù)根據(jù)不同的光波 長、光強計算光譜指紋數(shù)據(jù)庫向量。
[0020] 進一步的，在步驟2中光譜指紋數(shù)據(jù)庫建立方法包括：
[0021] 對于波長為Aw的光波，計算N個光強值的平均值瓦和標準差<，從而得到光譜 指紋數(shù)據(jù)庫向量S ;
[0022] 使用最大似然估計方法（MLE)估計波長為Aw的分布參數(shù)/7"和之。
[0023] 氣的估計：
即均值估計；
[0024] 的估計：
即方差估計；
[0025] 其中，I <w<K，K為在光譜信息中強度高于光強閥值D的波長不同的光波的數(shù) 量，K彡1 ;\丄）為第j個位置點測得的光譜信息中波長為Aw的光波的第i個光強值； I < j < L，L為位置點的總數(shù)目；將高于光強閥值D的光波都進行特征提取后，得到指紋向 量S :=(.'，凡，a; t p Pj為第j個位置點的坐標。
[0026] 進一步的，確定M個候選目標位置的方法包括：
[0027] 將采集的二次光譜數(shù)據(jù)與所述光譜指紋數(shù)據(jù)庫對比計算相關(guān)度，選取相關(guān)度最高 的M個點作為候選目標位置點APt ;其中，利用歐式距離表示二次光譜數(shù)據(jù)與所述光譜指紋 數(shù)據(jù)的相關(guān)度，Cq= I s a_S] I，其中，S]為光譜指紋數(shù)據(jù)庫中的第j個位置點的光譜指紋數(shù) 據(jù)，Cai,表示s a與第j個位置點的光譜指紋數(shù)據(jù)的相關(guān)度。
[0028] 進一步的，獲取終端的最終位置點的方法包括：
[0029] 對M個候選目標位置的相關(guān)度轉(zhuǎn)換為權(quán)重，根據(jù)候選目標位置的權(quán)重與M個候選 目標位置的坐標計算最終位置點的坐標；
[0030] 權(quán)重值為： 其中1彡t彡M ;根據(jù)權(quán)重和M個候選目標位置點坐
， 標計算最終目標位置點坐標
[0031] 進一步的，采集環(huán)境光光譜數(shù)據(jù)的設(shè)備至少包括光譜儀。
[0032] 本發(fā)明基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位裝置利用光譜測量模塊對各空間點的環(huán)境 光的光譜進行采樣測量形成光譜指紋，并將后續(xù)測量的環(huán)境光光譜與所述光譜指紋對比， 確定終端所在位置與光譜指紋中最接近的點的位置坐標，從而達到對終端定位的目的；本 發(fā)明的室內(nèi)定位裝置整體結(jié)果比較簡單，成本較低，測量精度高。
[0033] 本發(fā)明提供的基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位方法分別針對不同波長在空間點的 光強的計算，獲得環(huán)境光條線下，整個空間區(qū)域內(nèi)環(huán)境光分布的光譜指紋數(shù)據(jù)庫向量；并分 另IJ利用相關(guān)度計算確定候選目標相近點，利用權(quán)重計算獲得最終目標位置點的坐標，從而 達到定位的目的；利用本方法進行室內(nèi)終端的定位并不再需要借助于外加 LED燈光，從而 不會帶來因為光源照射角度、光強等的問題而無法完成測量的情況；也不受到測定定位坐 標基準點偏移帶來的誤差；本發(fā)明的方法過程簡單，模型建立合理，算法精確，對硬件要求 較低。
【附圖說明】
[0034] 下面結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的【具體實施方式】詳細描述，將使本發(fā)明的技術(shù)方案 及其它有益效果顯而易見。
[0035] 附圖中，
[0036] 圖1為本發(fā)明基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位裝置的模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位方法流程圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位方法中建立光譜指紋數(shù)據(jù)庫流程圖；
[0039] 圖4為本發(fā)明基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位方法的終端在線定位流程圖。
[0040] 附圖標號說明：
[0041] 1、光譜測量模塊；2、中央控制模塊；3、無線模塊。
【具體實施方式】
[0042] 為更進一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段及其效果，以下結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施 例及其附圖進行詳細描述。
[0043] 請參閱圖1，本發(fā)明【具體實施方式】提供一種基于環(huán)境光譜指紋的室內(nèi)定位裝置，該 定位裝置包括光譜測量模塊1、中央控制模塊2及無線模塊3。
[0044] 其中，所述光譜測量模塊1主要用于測量各空間點的環(huán)境光的光譜；該光譜測量 模塊1具有兩種測量狀態(tài)，受到所述中央控制模塊2的控制。
[0045] 所述光譜測量模塊1在第一測量狀態(tài)時，所述光譜測量模塊1測量各空間點的環(huán) 境光的光譜，并將該光譜數(shù)據(jù)根據(jù)空間位置（坐標）及各空間點的光強關(guān)聯(lián)保存在中央控 制單元中，形成光譜指紋；其中所述光譜數(shù)據(jù)包括空間點的坐標、空間點的光強以及空間點 處的光波長。
[0046] 當對處于上述空間內(nèi)的終端進行定位測量時，所述光譜測量模塊1處于第二測量 狀態(tài)時，所述光譜測量模塊1測量各空間點的環(huán)境光光譜，并將環(huán)境光光譜數(shù)據(jù)與已經(jīng)儲 存在所述中央控制模塊2中的光譜指紋進行對比，經(jīng)過運算確定光譜數(shù)據(jù)不同的空間點的 坐標，從而確定終端的位置，達到定位的目的。
[0047] 在本實施方式中，所述光譜測量模塊1包括光譜儀或者其他能夠測量自然光光譜 的設(shè)備。
[0048] 在本實施方式中，所述中央處理模塊包括單片機及DSP處理器，其中，所述單片機 主要用于對光譜測量模塊1進行工作狀態(tài)控制；所述DSP處理器主要用于光譜指紋的構(gòu)建 以及光譜數(shù)據(jù)與所述光譜指紋比對運算。
[0049] 本實施方式由于采用了環(huán)境光作為測量光源，并不會受光源強度、光源投射角度 等的影響，從而不需要架設(shè)