基于可見光通信的多視覺信息匹配定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及室內(nèi)導(dǎo)航定位領(lǐng)域，尤其涉及一種基于可見光通信的多視覺信息匹配 定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著可見光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，其高速率、高帶寬、無電磁輻射的特性不僅能夠 為飛機(jī)、醫(yī)院、礦井等電磁受限的環(huán)境提供新型安全的通信服務(wù)，而且在提供室內(nèi)高精度導(dǎo) 航定位服務(wù)方面具有廣闊的發(fā)展前景。目前，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)可分為非成 像定位和成像定位。非成像定位技術(shù)包括基于LED身份識(shí)別定位(LED-ID)、基于到達(dá)時(shí)間差 定位(TD0A)、基于到達(dá)角定位(Α0Α)、基于信號(hào)強(qiáng)度定位(RSS)等。但以上定位系統(tǒng)難以采用 較低成本實(shí)現(xiàn)高精度定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一)要解決的技術(shù)問題
[0004] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于可見光通信的多視覺信息匹配定位系 統(tǒng)。
[0005] (二)技術(shù)方案
[0006] 本發(fā)明基于可見光通信的多視覺信息匹配定位系統(tǒng)包括:系統(tǒng)側(cè)部件和智能終端 設(shè)備。系統(tǒng)側(cè)部件，包括:若干盞光源，其中，每盞光源發(fā)送可見光通信信息，該可見光通信 信息中包含該盞光源的三維坐標(biāo)位置信息。智能終端設(shè)備，包括：圖像傳感器、PD陣列傳感 器、位置匹配模塊和位置解算模塊，其中：圖像傳感器，用于獲得多盞光源的圖像信息，該圖 像信息包括光源的像平面二維坐標(biāo);ro陣列傳感器，用于接收多盞光源的可見光通信信息， 同時(shí)獲取多盞光源在ro陣列上的光斑位置信息；位置匹配模塊，用于進(jìn)行多盞光源的圖像 信息和光斑位置信息的匹配，獲得一最佳匹配光源;位置解算模塊，用于利用該最佳匹配光 源的三維坐標(biāo)位置信息及其像平面二維坐標(biāo)，解算圖像傳感器中成像組件所處位置。
[0007] (三)有益效果
[0008] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于可見光通信的多視覺信息匹配定位系統(tǒng)具 有以下有益效果：
[0009] (1)算法簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確
[0010]改進(jìn)攝影測(cè)量中的共線方程模型，使其適用于基于可見光通信的室內(nèi)定位方案， 算法簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確。
[0011] (2)定位解算響應(yīng)速度快
[0012] 作為改進(jìn)的共線方程模型，由于室內(nèi)環(huán)境LED與終端距離并不遠(yuǎn)，因此迭代的次數(shù) 在4次左右就可收斂，根據(jù)仿真結(jié)果，運(yùn)算時(shí)間大約為0.1s，用戶體驗(yàn)優(yōu)異。
[0013] (3)系統(tǒng)建設(shè)簡(jiǎn)單
[0014] 對(duì)定位系統(tǒng)的建設(shè)要求不高，只需LED發(fā)送可見光通信信息，播發(fā)每盞LED的位置 信息即可，不需要使用時(shí)間同步原理，節(jié)約了大量的原子鐘的成本，可快速的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推 廣并實(shí)現(xiàn)商用。
[0015] (4)終端設(shè)計(jì)難度小
[0016]智能手機(jī)只需配置一個(gè)可見光光電二極管(Photo diode，簡(jiǎn)稱TO)陣列接收裝置， 手機(jī)本身不需要進(jìn)行硬件上的改進(jìn)，解算時(shí)只需啟用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序即可。從未來 發(fā)展的角度看，PD陣列可集成到智能手機(jī)上，既可接收LED的位置信息，也是可見光導(dǎo)航通 信融合的接口，相對(duì)于其它具有兩相同傳感器定位方案，具有良好的發(fā)展前景。
[0017] (5)用戶信息保密
[0018]由于定位解算位置在終端，LED是不間斷的播發(fā)其位置信息，因此，在用戶需要獲 取定位信息時(shí)，只需調(diào)用手機(jī)上的應(yīng)用程序，獲取實(shí)時(shí)影像即可，不需要向LED返回用戶信 息。因此，對(duì)手機(jī)用戶來說，其終端上的其它信息得以保密，不會(huì)出現(xiàn)隱私信息被竊取的情 況。
【附圖說明】
[0019] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例多視覺信息匹配定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2A和圖2B分別為圖1所示多視覺信息匹配定位終端中智能終端設(shè)備中各部件在 分離狀態(tài)和裝配狀態(tài)的示意圖；
[0021] 圖3為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例中內(nèi)置ro陣列傳感器和圖像傳感器的智能手機(jī)的示 意圖；
[0022] 圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例中由ro陣列傳感器和圖像傳感器獲取的多視覺信息的示 意圖；
[0023] 圖5為共線條件數(shù)學(xué)模型的示意圖；
[0024] 圖6為本發(fā)明采用的改進(jìn)的共線條件數(shù)學(xué)模型的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明基于共線方程理論并加以完善和改進(jìn)，提供了一種基于可見光通信的多視 覺信息匹配定位系統(tǒng)。
[0026] 以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在 附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知 的形式，將不再詳細(xì)說明。
[0027] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種基于可見光通信的多視覺信息匹配定位系 統(tǒng)。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例多視覺信息匹配定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例 多視覺信息匹配定位系統(tǒng)包括:系統(tǒng)側(cè)部件和智能終端設(shè)備。
[0028] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029] 請(qǐng)參照?qǐng)D1，系統(tǒng)側(cè)部件包括:控制中心及安裝于室內(nèi)的屋頂上的若干盞LED?？刂?中心與每盞LED通過電力線載波進(jìn)行通信?？刂浦行膶?duì)每盞LED的三維坐標(biāo)位置信息進(jìn)行分 配，并控制其三維坐標(biāo)位置信息的發(fā)送間隔。每盞LED按照上述發(fā)送間隔，向外界發(fā)送可見 光通信信息，該可見光通信信息中承載了該盞LED的三維坐標(biāo)位置信息。
[0030] 基于LED光通信的多視覺信息匹配定位系統(tǒng)，具有高頻率、高帶寬的特性，可傳輸 更多信息，為高精度定位提供技術(shù)支持。LED具有很強(qiáng)的邊界效應(yīng)，也使得在設(shè)計(jì)算法時(shí)可 將多種算法方案融合，實(shí)現(xiàn)高精度定位。
[0031] 需要說明的是，為實(shí)用性起見，在本實(shí)施例中，定位的場(chǎng)景選擇為室內(nèi)，采用的是 LED和智能手機(jī)。但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，采用其它類型的可以進(jìn)行信息傳輸?shù)目梢姽?光源可以替代該LED，而采用其它具有ro陣列及攝像頭的終端可以替代上述的智能手機(jī)。
[0032] 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可以看出，在系統(tǒng)側(cè)，只需LED發(fā)送可見光通信信息，播發(fā)每 盞LED的三維坐標(biāo)位置信息即可，不需要使用時(shí)間同步原理，節(jié)約了大量的原子鐘的成本， 可快速的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣并實(shí)現(xiàn)商用。
[0033] 智能終端設(shè)備包括:PD陣列傳感器、圖像傳感器、位置匹配模塊和位置解算模塊。 其中，智能終端設(shè)備可以是智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦，在本實(shí)施例中以智能手機(jī)為 例進(jìn)行說明。
[0034]圖2A和圖2B分別為圖1所示多視覺信息匹配定位終端中智能終端設(shè)備中各部件在 分離狀態(tài)和裝配狀態(tài)的示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2A和圖2B，在本實(shí)施例中，智能終端設(shè)備即為智能 手機(jī)，其前攝像頭作為圖像傳感器，坐標(biāo)變換模塊、匹配模塊和解算模塊以可執(zhí)行程序模塊 的形式內(nèi)置于智能手機(jī)中。
[0035]對(duì)于目前已經(jīng)大范圍普及的智能手機(jī)而言，只需再配置一個(gè)可見光PD陣列傳感 器。智能手機(jī)的主視圖如圖2A中A所示。PD陣列傳感器的上部預(yù)留可見光通信導(dǎo)航接口，如 圖2A中C圖所示。ro陣列傳感器作為外接設(shè)備通過USB轉(zhuǎn)I/O接口插入智能手機(jī)中，并可以進(jìn) 行信息的交互，如圖2A中A圖和B圖所示。外置式的接收裝置對(duì)于目前的手機(jī)硬件來說，能更 快地進(jìn)行應(yīng)用推廣。
[0036]在未來產(chǎn)業(yè)化的過程中，PD陣列傳感器可以集成到智能手機(jī)中，即手機(jī)中存在光 電傳感器及圖像傳感器兩種接收不同信息、不同類型的傳感器，如圖3所示。兩類傳感器獲 取的可見光通信信息和視覺信息進(jìn)行融合，從而達(dá)到高精度定位的目的。
[0037]由于陣列的分辨率較低，故每盞LED獲取的成像信息表現(xiàn)為一個(gè)光斑，可見光通 信傳遞的內(nèi)容為L(zhǎng)ED的三維坐標(biāo)位置信息。圖像傳感器的分辨率較高，視覺信息表示為實(shí)際 的LED影像，如圖4所示。
[0038] 需要特別注意的是，在PD陣列傳感器與智能手機(jī)連接后，PD陣列傳感器與智能手 機(jī)自帶前置攝像頭，即圖像傳感器的相互位置關(guān)系即確定。
[0039] 如上所述，本實(shí)施例中，位置匹配模塊和位置解算模塊以可執(zhí)行程序模塊的形式 內(nèi)置于智能手機(jī)中。智能手機(jī)通過ro陣列傳感器和前置攝像頭獲得的信息通過共線方程模 型，解算出智能手機(jī)的位置，并將結(jié)果反饋給用戶。
[0040] 首先，對(duì)圖像傳感器和PD陣列傳感器所獲得的信息進(jìn)行整理說明。PD陣列傳感器 接收到多路可見光通信信息及多盞LED在陣列的光斑信息；圖像傳感器接收到多盞LED的 成像信息。請(qǐng)參照?qǐng)D4,設(shè)陣列傳感器接收到第i盞LED照射在PD陣列的光斑平面位置(x dl， ydi)及該LED的三維坐標(biāo)位置信息(Xi，Yi，Zi)，其中，? = 1，2···，πι;圖像傳感器接收到第j盞 LED的像平面二維坐標(biāo)(xej，yej)，其中，j = 1，2…，η。其中，在PD陣列傳感器中透鏡1的中心 點(diǎn)為B (Xi，Yi，Zi)，圖像傳感器中透鏡2的中心點(diǎn)為C(Χ2，Υ2，Ζ2)。
[0041] 在上述信息的基礎(chǔ)上，需要統(tǒng)一PD陣列傳感器和圖像傳感器所屬平面坐標(biāo)系，提 高匹配精度。PD陣列傳感器和圖像傳感器的分辨率不同，且有一定的旋轉(zhuǎn)角度，需建立LED 在ro光斑平面坐標(biāo)與像平面坐標(biāo)之間的關(guān)系。
[0042]本實(shí)施例中，位置匹配模塊包括:坐標(biāo)變換子模塊，用于將多盞光源在ro陣列傳感 器的光斑平面位置擴(kuò)展為與圖像傳感器相同分辨率的二維PD光斑坐標(biāo)；匹配計(jì)算子模塊， 以所述圖像傳感器獲取的多盞光源的圖像信息的像平面二維坐標(biāo)為模板，以坐標(biāo)變換后的 所述坐標(biāo)變換模塊獲取的多盞光源對(duì)應(yīng)的光斑平面位置為搜索區(qū)域，尋找最佳匹配光源。
[0043] 其中，坐標(biāo)變換子模塊以高分辨率的圖像傳感器形成的圖像為基準(zhǔn)，將低分辨率 的光斑平面位置變換為與圖像傳感器相同分辨率的二維ro光斑坐標(biāo)：
[0044]
[0045] 其中，（kx，ky)為PD陣列傳感器和圖像傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，X方向和y方向的尺度系 數(shù)，各個(gè)不同的圖像傳感器與ro陣列傳感器間的(k x，ky)值不相同。Θ為兩傳感器之間的旋轉(zhuǎn) 角度，由于Θ較小，在代入公式時(shí)可取C〇S0 = 1，sin0 = 0以簡(jiǎn)化計(jì)算。（Δ X，Δ y)為兩傳感器 之間額二維偏移量，（Xdl，ydl)為經(jīng)數(shù)學(xué)處理后的PD光斑坐標(biāo)，后續(xù)將利用（ Xdl，ydl)及(xeJ， yeJ)之間的關(guān)系進(jìn)行匹配。
[0046] 在使用智能手機(jī)定位時(shí)，匹配計(jì)算子模塊將PD陣列獲取的LED信息與