基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种可见光定位方法及系统，属于可见光通信技术领域，具体涉及一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统。本发明专利技术只需要通过单个图像传感器接收信号，接收装置结构简单；本发明专利技术不需要测量光束的角度值，避免角度测量的精度不高所带来的定位误差，同时也减少额外的角度测量器件使用所带来的系统复杂性问题；本发明专利技术不需要测距，避免了测距过程中各种因素影响造成的测距精度比较低的问题，这也是目前提高室内定位精度所遇到的主要困难之一；本发明专利技术大大简化了定位系统的结构，同时大幅提高系统定位精度，可实现厘米以内精度量级的高精度3维定位，大大拓展了定位系统的应用领域。

【技术实现步骤摘要】
基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统
本专利技术涉及一种可见光定位方法及系统，属于可见光通信
，具体涉及一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统。
技术介绍
基于LED绿色照明光源的可见光通信定位技术具有室内覆盖广、节能、安全、布设简单、成本低、电磁兼容性好等突出优点。目前采用的定位方法主要有基于可见光信号强度的室内定位方法、基于码分多址的室内定位方法、基于频分多址的室内定位方法、可见光多接收点几何中心定位方法、基于图像传感器成像的室内定位法，除此之外，还有不同室内可见光定位方法结合在一起的定位方法。基于图像传感器成像的室内定位法通常需要两个图像传感器，由三个以上的LED通过图像传感器成像，得到的光源和成像点或面的连线间的几何关系及角度关系，通过一定的算法确定待测位置的空间坐标。图像传感器成像定位方法必须测量信号接收端在三维空间中的方位角、俯仰角和光源到成像点的距离，才能根据相应算法确定待测点的位置坐标。所以，此方法的信号接收端通常包括图像传感器、角度识别模块及成像定位算法处理模块。由于基于图像传感器成像的室内定位法需要精确的测定角度，相对于常见的可见光信号强度的室内定位方法要复杂很多，且角度的精确测量比较困难，而且采用两个以上的图像传感器会增大硬件成本，也会带来定位系统稳定性和可靠性等问题。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法及系统。该方法及系统不需要测量光线角度值，也不需要测距，大大简化了定位系统的结构，提高了定位精度。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，包括：光源成像步骤,在定位点L将多个位于同一平面上的光源Li成像于和光源Li所在平面相平行的传感器平面上，其中，定位点L的坐标为L(x,y,z)，照明灯的坐标为Li(xi,yi,zi)；坐标求解步骤，基于下式求解定位目标点的平面坐标：(x-xi)2+(y-yi)2＝Di2-H2；Di＝H(f2+si2)1/2/f；z＝zi-H；式中，i为光源的个数，H为LED照明灯Li与成像系统透镜所在平面的垂直距离；Di为光源Li到定位点L的距离，f为透镜焦距，si为光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离。其中，上述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，所述坐标求解步骤中，光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离基于下式求解：Si＝[(a2+b2)w2/T]1/2传感器平面面积w2,像素T，成像点x方向像素点数a,成像点y方向像素点数b。其中，上述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，所述光源成像步骤中，用于成像的接收端透镜组平面和图像传感器传感平面间位置固定且平行，并且通过微调接收器整体角度使之接收平面与光源分布平面平行。其中，上述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，若定位点的高度已知，则选择2个光源进行成像及定位；若定位点高度未知，则选择3个非共线的光源进行成像及定位。其中，上述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，所述光源为LED光源，每个LED光源分配唯一的信标，并有与其位置对应的坐标。一种基于单个图像传感器的室内可见光定位系统，定位点坐标的计算基于权利要求1-5所述的任一定位方法。其中，上述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位系统，包括：发送端，包括若干个设置于同一平面上的具有唯一信标和位置坐标的光源，以及用于广播所述光源信息的发送信号调制模块，所述光源信息至少包括信标及位置坐标；接收端，包括带有透镜组和图像传感器的成像模块、用于接收光源信息的信号处理模块、用于根据成像信息和光源信息计算定位点坐标的定位模块；其中，透镜组所在平面和图像传感器的传感平面平行且距离为透镜的焦距。因此，本专利技术只需要通过单个图像传感器接收信号，接收装置结构简单；本专利技术不需要测量光束的角度值，避免角度测量的精度不高所带来的定位误差，同时也减少额外的角度测量器件使用所带来的系统复杂性问题；本专利技术不需要测距，避免了测距过程中各种因素影响造成的测距精度比较低的问题，这也是目前提高室内定位精度所遇到的主要困难之一；本专利技术大大简化了定位系统的结构，同时大幅提高系统定位精度，可实现厘米以内精度量级的高精度3维定位，大大拓展了定位系统的应用领域。附图说明附图1为LED光源蜂窝分布结构图。附图2-a为光源数目减少时的第一种LED光源蜂窝分布图。附图2-b为光源数目减少时的第二种LED光源蜂窝分布图。附图3-a为光源数目最少时的第一种LED光源分布图。附图3-b为光源数目最少时的第二种LED光源分布图。附图4为根据附图2-b的第一行光源分布情况所确定的光发射角示意图。附图5为根据附图2-b的第一列光源分布情况所确定的光发射角示意图。附图6为根据附图2-b的第二行光源分布情况所确定的光发射角示意图。附图7为具体实施例的定位系统结构示意图。附图8是定位原理示意图。附图9是图像传感平面及Si长度与单位像素面积关系示意图。附图10-a为本专利技术的发送端工作流程图。附图10-b为本专利技术的接收端工作流程图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。实施例：一、光源规划几何测量法和成像法需要测距和测发射光线的角度，在室内环境由于信号多径反射、发光强度波动、对信号光的遮挡都会影响定位的精度和稳定性，而其中反射光的影响最大。特别是采用信号强度(RSS)测距法的定位系统，受到反射光的干扰更显著。本专利技术从产生反射光的主要因素入手，采用两个方法抑制反射光的干扰：LED照明光源分布及光源发射角优化设计；接收器接收视场角度优化设计。室内LED照明光源按附图1的方式分布在天花板平面，光源分布为正六边型的蜂窝结构，相邻LED光源的间距为a,靠墙的两行和两列光源与墙面距离为a/2，室内面积为室内面积一般表达式可写为m、n任取自然数，均大于等于2，经计算这种光源分布设计能最大限度保证光照强度的均匀分布。LED照明光源分布设计可以适合任何室内面积和灵活增减光源数目，方法是调整a和m、n的大小。如附图2-a、附图2-b所示，当a不变，而室内面积表示为时，光源的分布情况，附图2-a和附图2-b均为蜂窝结构，不同之处在于附图2-b能更好地对四个墙角进行信号覆盖。附图3-a、附图3-b室内面积表示为时，光源的分布情况，亦为蜂窝的局部结构。由于光源少，光源分布仅为单个蜂窝的局部，故信号覆盖不均匀，特别墙角信号质量差，定位误差大。改进方法是按面积公式通过减小a，增加光源数，能有效改善墙角和沿墙附件的定位精度。显然a越小，单位面积照明光源数越多，信号覆盖越均匀，但不利之处是接收器接收到的信号越多，产生相邻信号的干扰越严重，故也需要恰当的选择a的大小。为抑制反射光的干扰，有必要选择恰当的LED光源光发射角的大小，光发射角越大光源发射的信号光覆盖范围越大，但相应的墙面反射也越大，光发射角小，可减小墙面反射的强度，但信号覆盖范围减小，造成接收器接收到的光源数较少，接收光源数为3个以上可进行三维定位，接收光源数为2个可进行二维定位，接收光源数少于2个将不能进行定位。故LED光源光发射角的大小也需要优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，其特征在于，包括：光源成像步骤,在定位点L将多个位于同一平面上的光源L

【技术特征摘要】
1.一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，其特征在于，包括：光源成像步骤,在定位点L将多个位于同一平面上的光源Li成像于和光源Li所在平面相平行的传感器平面上，其中，定位点L的坐标为L(x,y,z)，照明灯的坐标为Li(xi,yi,zi)；坐标求解步骤，基于下式求解定位目标点的平面坐标：(x-xi)2+(y-yi)2＝Di2-H2；Di＝H(f2+si2)1/2/f；z＝zi-H；式中，i为光源的个数，H为LED照明灯Li与成像系统透镜所在平面的垂直距离；Di为光源Li到定位点L的距离，f为透镜焦距，si为光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离。2.根据权利要求1所述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，其特征在于，所述坐标求解步骤中，光源在传感器屏幕的成像点M到传感器屏幕中心N的距离基于下式求解：Si＝[(a2+b2)w2/T]1/2传感器平面面积w2,像素T，成像点x方向像素点数a,成像点y方向像素点数b。3.根据权利要求1所述的一种基于单个图像传感器的室内可见光定位方法，其特征在于，所述光源成像步骤中，用于成像的接收端透镜组平面和...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢洪斌，
申请(专利权)人：百色学院，
类型：发明
国别省市：广西,45