一种基于双图像传感器和可见光通信技术的高精度室内定位方法技术

一种基于双图像传感器和可见光通信技术的高精度室内定位方法，包括如下步骤：步骤1：在室内天花板上安装一个LED阵列；步骤2：利用可见光通信技术，3个LED灯源在照明的同时发送各自的三维坐标信息，同时使用两个图像传感器接收并解调三维坐标信息；步骤3：确定LED光源在图像传感器上生成的LED图像的中心位置；步骤4：利用已知参数h、f、L，并通过三角几何关系分别计算出3个LED灯源与未知点P之间的距离d1、d2、d3；步骤5：利用已接收到的3个LED灯的三维坐标信息以及d1、d2、d3，使用两点之间的距离公式建立3条距离方程，联立方程组求解得到未知点的三维坐标。本发明专利技术有效提高定位精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于室内定位领域，尤其涉及一种利用双图像传感器和可见光通信通信技术的高精度室内定位方法。
技术介绍
VLC是英文VisibleLightCommunication(可见光通信)的缩写形式。VLC是指利用可见光波段的光波作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。VLC技术具有绿色低碳、可实现近乎零耗能通信等优点，还可有效避免无线通信电磁信号泄露等弱点。利用VLC技术，人们可以快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。相比于GPS和无线电定位技术，VLC在室内定位领域有许多优点，例如功率损耗低、电磁隔离和定位精度高等。近年来，研究人员提出了许多基于VLC技术的室内定位方法，如基于到达时间(TOA)定位方法、基于到达时间差(TDOA)定位方法、基于到达角度(AOA)定位方法、基于接收信号强度(RSS)定位方法以及基于图像传感器定位方法。在TOA和TDOA定位方法中，所有的参考点以及定位目标的通信过程要完全同步，任何不准确的同步将直接造成定位误差。基于AOA的定位方法需要测量信号相对于一些参考点的角度。由于这种方法需要对角度精确测量，因此需要增加一个角度探测阵列，这也就加大了系统定位成本。基于RSS的定位方法需要测量接收信号的强度，然后通过测量信号强度和信号衰减公式计算定位目标与光源之间的距离。然而，在实际的环境中，信号衰减还受许多其他因素影响r>而不只依赖于距离的影响，所以经验的衰减公式就会造成一定误差。与TOA、TDOA、AOA、RSS定位技术相比，基于图像传感器的VLC室内定位技术定位精度更高。刘让龙等人在论文《可见光通信中的室内定位技术研究》中，在充分研究IEEE802.15.7标准的基础上提出了一种利用超帧的通信时隙进行室内定位的方法。江运力等人在论文《基于RSSI及图像传感器室内可见光定位系统研究》中，提出了基于图像成像和基于RSSI信号接收强度的室内可见光通信定位设计方案。作者根据可见光信号在室内的传播特性，建立室内可见光通信信道传输模型，对室内接收端光接收功率、光强度分布、信噪比分布进行模拟仿真，探讨了信标节点网格布局对室内定位性能的影响。王语琪等人在论文《基于可见光通信的几种室内定位方法》中，对基于光通信的五种定位技术进行分析和比较，提出了一种可见光通信与摄影测量结合的方法。王旭东等人在论文《高精度室内可见光定位算法》中，利用TDOA方法得到定位终端到达两个LED的传输距离之差，以此构造距离估计目标函数，然后采用有约束非线性规划算法得到定位终端的位置坐标。杨爱英等人在专利《一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法》中利用频分复用技术调制LED信号，再结合RSS技术实现可见光高精度室内定位。黄涌等人在专利《一种基于可见光精确定位系统及其精确定位方法》中，利用光的方向性与强度分布信息，仅用一个上级照明节点与下级光接收传感器阵列实现距离厘米级精确定位。冯立辉等人在专利《一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统》中，提出了一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统，用以解决基于可见光RSS室内定位误差波动的问题。李立华等人在专利《基于可见光通信的室内定位方法及系统》中，提出了一种基于可见光通信的室内定位方法和系统，解决了室内定位技术中发送端多光源干扰问题。总结基于VLC技术的室内定位方法方面的工作，目前研究人员对采用双图像传感器的VLC定位系统的研究工作刚刚起步，所提出的用于双图像传感器的VLC定位系统的定位方法较少，并且定位精度有待提高。
技术实现思路
为了解决现有采用双图像传感器的可见光通信定位系统的定位精度较低的不足，本专利技术提出一种有效提高定位精度的基于双图像传感器和可见光通信技术的高精度室内定位方法。为了解决上述技术问题提出如下技术方案：一种基于双图像传感器和可见光通信技术的高精度室内定位方法，所述室内定位方法包括如下步骤：步骤1：在室内的天花板上安装一个LED阵列；所述的LED阵列至少要有3个LED灯源，同时LED分布不能够共线；步骤2：利用可见光通信技术，3个LED灯源在照明的同时发送各自的三维坐标信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，同时使用两个图像传感器接收并解调3个LED发送的三维坐标信息；所述LED灯源与所述图像传感器之间的距离为h；所述两个图像传感器上方各自固定有一个参数完全相同的透镜，所述透镜焦距为f，用于对3个LED光源发出的光线进行空间分离；所述透镜与图像传感器的距离为f，所述透镜中心位于图像传感器中心的正上方；两个图像传感器之间的距离为L，两个图像传感器能够进行定位的未知点P位于两透镜连线的中点；步骤3：确定LED光源在图像传感器上生成的LED图像的中心位置，所述的LED图像为LED光源发出的光经过透镜进行空间分离后被图像传感器接收，在图像传感器上生成的光斑图像，近似为圆。步骤4：利用已知参数h、f、L，并通过三角几何关系分别计算出3个LED灯源与未知点P之间的距离d1、d2、d3，过程如下：步骤4.1：计算LED图像中心到图像传感器中心的距离i；步骤4.2：过LED灯作一条垂直于透镜平面的垂线长度为h，由此LED、垂足以及透镜的中心就构成了一个直角三角形。所述的垂足即为所述垂线与透镜平面的交点；步骤4.3：LED图像中心、图像传感器中心以及透镜中心同样构成一个直角三角形，两条直角边的长度分别为f和i。由于该直角三角形与LED和透镜构成的直角三角形相似，利用两个三角形相似关系，即可求得LED到一个透镜中心的距离；同理，求得LED到另一个透镜中心的距离；步骤4.4：利用步骤4.3中求得的LED分别到两个透镜中心的距离以及未知点P到透镜的距离，通过三角形的余弦定理就可求得LED到未知点P的距离；同理，求得3个LED与未知点P的距离分别为d1、d2、d3，所述未知点P到透镜的距离为L/2。步骤5：利用已接收到的3个LED灯的三维坐标信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)以及3个LED与未知点P的距离d1、d2、d3，使用两点之间的距离公式建立3条距离方程，联立方程组求解得到未知点的三维坐标。进一步，所述步骤3中，确定LED光源在图像传感器上生成的LED图像的中心位置的过程如下：步骤3.1：将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双图像传感器和可见光通信技术的高精度室内定位方法，其特征在于：所述室内定位方法包括如下步骤：步骤1：在室内的天花板上安装一个LED阵列；所述的LED阵列至少要有3个LED灯源，同时LED分布不能够共线；步骤2：利用可见光通信技术，3个LED灯源在照明的同时发送各自的三维坐标信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，同时使用两个图像传感器接收并解调3个LED发送的三维坐标信息；所述LED灯源与所述图像传感器之间的距离为h；所述两个图像传感器上方各自固定有一个参数完全相同的透镜，所述透镜焦距为f，用于对3个LED光源发出的光线进行空间分离；所述透镜与图像传感器的距离为f，所述透镜中心位于图像传感器中心的正上方；两个图像传感器之间的距离为L，两个图像传感器能够进行定位的未知点P位于两透镜连线的中点；步骤3：确定LED光源在图像传感器上生成的LED图像的中心位置，所述的LED图像为LED光源发出的光经过透镜进行空间分离后被图像传感器接收，在图像传感器上生成的光斑图像，近似为圆。步骤4：利用已知参数h、f、L，并通过三角几何关系分别计算出3个LED灯源与未知点P之间的距离d1、d2、d3，过程如下：步骤4.1：计算LED图像中心到图像传感器中心的距离i；步骤4.2：过LED灯作一条垂直于透镜平面的垂线长度为h，由此LED、垂足以及透镜的中心就构成了一个直角三角形。所述的垂足即为所述垂线与透镜平面的交点；步骤4.3：LED图像中心、图像传感器中心以及透镜中心同样构成一个直角三角形，两条直角边的长度分别为f和i。由于该直角三角形与LED和透镜构成的直角三角形相似，利用两个三角形相似关系，即可求得LED到一个透镜中心的距离；同理，求得LED到另一个透镜中心的距离；步骤4.4：利用步骤4.3中求得的LED分别到两个透镜中心的距离以及未知点P到透镜的距离，通过三角形的余弦定理就可求得LED到未知点P的距离；同理，求得3个LED与未知点P的距离分别为d1、d2、d3，所述未知点P到透镜的距离为L/2。步骤5：利用已接收到的3个LED灯的三维坐标信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)以及3个LED与未知点P的距离d1、d2、d3，使用两点之间的距离公式建立3条距离方程，联立方程组求解得到未知点的三维坐标。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双图像传感器和可见光通信技术的高精度室内定位方法，
其特征在于：所述室内定位方法包括如下步骤：
步骤1：在室内的天花板上安装一个LED阵列；所述的LED阵
列至少要有3个LED灯源，同时LED分布不能够共线；
步骤2：利用可见光通信技术，3个LED灯源在照明的同时发送
各自的三维坐标信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，同时使用两个图
像传感器接收并解调3个LED发送的三维坐标信息；所述LED灯源
与所述图像传感器之间的距离为h；
所述两个图像传感器上方各自固定有一个参数完全相同的透镜，
所述透镜焦距为f，用于对3个LED光源发出的光线进行空间分离；
所述透镜与图像传感器的距离为f，所述透镜中心位于图像传感器中心
的正上方；两个图像传感器之间的距离为L，两个图像传感器能够进
行定位的未知点P位于两透镜连线的中点；
步骤3：确定LED光源在图像传感器上生成的LED图像的中心
位置，所述的LED图像为LED光源发出的光经过透镜进行空间分离
后被图像传感器接收，在图像传感器上生成的光斑图像，近似为圆。
步骤4：利用已知参数h、f、L，并通过三角几何关系分别计算出
3个LED灯源与未知点P之间的距离d1、d2、d3，过程如下：
步骤4.1：计算LED图像中心到图像传感器中心的距离i；
步骤4.2：过LED灯作一条垂直于透镜平面的垂线长度为h，由
此LED、垂足以及透镜的中心就构成了一个直角三角形。所述的垂足
即为所述垂线与透镜平面的交点；
步骤4.3：LED图像中心、图像传感器中心以及透镜中心同样构

\t成一个直角三角形，两条直角边的长度分别为f和i。由于该直角三角
形与LED和透镜构成的直角三角形相似，利用两个三角形相似关系，
即可求得LED到一个透镜中心的距离；同理，求得LED到另一个透
镜中心的距离；
步骤4.4：利用步骤4.3中求得的LED分别到两个透镜中心的距
离以及未知点P到透镜的距离，通过三角形的余弦定理就可求得LED
到未知点P的距离；同理，求得3个LED与未知点P的距离分别为
d1、d2、d3，所述未知点P到透镜的距离为L/2。
步骤5：利用已接收到的3个LED灯的三维坐标信息(x1,y1,z1),(x2,
y2,z2),(x3,y3,z3)以及3个LED与未知点P的距离d1、d2、d3，使用两
点之间的距离公式建立3条距离方程，联立方程组求解得到未知点的
三维坐标。
2.如权利要求1所述的基于双图像传感器和可见光通信技术的高精度
室内定位方法，其特征在于：所述步骤3中，确定LED光源在图像传
感器上生成的LED图像的中心位置的过程如下：
步骤3.1：将LED光源近似为广义朗伯光源。所述广义朗伯光源
在某一点(x,y,z)的光照强度计算公式如下：
f ( x , y , z ) = ( z - Z ) m f 0 [ ( x - X ...

【专利技术属性】
技术研发人员：付明磊，朱伟俊，乐孜纯，
申请(专利权)人：浙江工业大学义乌科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33