CN104048661B - 一种基于可见光的室内定位方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可见光的室内定位方法及***，其通过使用手机内置的光照传感器和惯性传感单元采集室内的光照强度信息和手机的相对运动信息，通过利用用户移动过程中捕捉到光照强度趋势的变化特性，再结合场景的地图来计算用户在场景中的相对位置。该方案可在以零布置成本和较少的人力，以较高的精度定位用户，其适用性强，可以广泛应用在各种场景中。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于可见光的室内定位方法及***。
背景技术
现如今，主流商用室内定位技术是通过在室内环境中提前布置一些无线网络设备，利用其发送的信号强度特征来进行定位。亦或是使用一些特殊设备例如FM(频率调制)信号接收器，RFID(射频识别技术)信号接收器，利用这些特殊设备独有的特性来进行定位。
然而，基于无线网络信号的定位技术精度较低，在超市、图书馆这样的大场景中易出现较大定位误差，且提前布置这些设备的要求也一定程度上影响了方案的易用性。与此同时，基于特殊设备的室内定位方案由于特殊设备的布置成本等限制，应用性不够广泛，存在成本和易用性等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可见光的室内定位方法及***，提高了定位精度，且无需增加其它设置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于可见光的室内定位方法，该方法包括：
实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息；
当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；再根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值；
以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位。
一种基于可见光的室内定位***，该***包括：
信息探测模块，用于实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息；
粒子初始化分布及权值计算模块，用于当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值；
粒子删除模块，用于以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；
定位模块，用于根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过使用手机内置的光照传感器和惯性传感单元采集室内的光照强度信息和手机的相对运动信息，通过利用用户移动过程中捕捉到光照强度趋势的变化特性，再结合场景的地图来计算用户在场景中的相对位置；该方案可在以零布置成本和较少的人力，以较高的精度定位用户，其适用性强，可以广泛应用在各种场景中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例一提供的一种基于可见光的室内定位方法的流程图；
图2为本发明实施例二提供的一种光照强度影响因素的示意图；
图3为本发明实施例二提供的光照传感器受到多光源影响的示意图；
图4为本发明实施例二提供的一种室内位置定位四个阶段的流程图；
图5为本发明实施例三提供的一种基于可见光的室内定位***的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种基于可见光的室内定位方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括：
步骤11、实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息。
本步骤可以基于智能手机内置的光照传感器和惯性传感器来实现。
步骤12、当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；再根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值。
本发明实施例中，探测到的光照强度S大于阈值之前所探测到的光照强度信息都将被抛弃，该阈值可以根据实际情况或者经验来设置。
本发明实施例中，每一粒子对应的光照强度可以将该粒子的三维坐标及当前相对运动信息带入光照强度模型中进行计算；其中，所述相对运动信息包括：移动终端的旋转状态。
本步骤中，将计算每到的粒子对应的光照强度与所述光照强度S相比较，可以实现初步定位；即两个光照强度大小越接近用户处理该粒子所在位置的可能性越大，此时，赋予的权值则越大；反之，赋予较小的权值。
步骤13、以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子。
本发明实施例中，随着用户的行走，在初始化分布粒子之后还将产生许多新的粒子。
用户在室内行走的步长一般为r-R(可根据实际情况设置)，可以以初始化分布粒子为圆心构建半径为r-R的圆环，则新产生的粒子则落在该圆环中。
再计算每一新粒子的权值：根据新粒子的三维坐标、当前相对运动信息及光照强度模型计算每一新粒子对应的光照强度，并与光照强度S相比较来确定理论权值；将该新粒子对应的理论权值与其父粒子的权值相乘，将相乘结果作为该新粒子的权值。
最后，设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；权值越小则表示用户出现在该粒子所在位置的可能性较低，这样，则可减少的计算量。
步骤14、根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位。
本发明实施例中，根据预设的判断机制来实现室内定位，主要有如下三种方式：
1)当剩余粒子所处的空间区域小于设定的最小区域阈值(例如，0.5×0.5×0.1m3)，则将该空间区域作为用户当前所处位置。
2)当剩余粒子中某一粒子的权值大于预设值(例如，若最大权值为1，该预设值可设为0.5)时，将该粒子的位置作为用户当前所处位置；
3)当用户行走的距离超过最大行走距离时(例如，行走了20步)，将权重最高的粒子的位置作为用户当前所处位置。
本发明实施例通过使用手机内置的光照传感器和惯性传感单元采集室内的光照强度信息和手机的相对运动信息，通过利用用户移动过程中捕捉到光照强度趋势的变化特性，再结合场景的地图来计算用户在场景中的相对位置；该方案可在以零布置成本和较少的人力，以较高的精度定位用户，其适用性强，可以广泛应用在各种场景中。
实施例二
为了便于理解本发明，下面结合附图2-4对本发明做进一步说明。
首先，预先建立光照强度模型。
本发明实施例提供一种基于可见光的室内定位方法。场景现有的照明设备(日光灯，LED等)可以视为点光源，并持续发送可见光信号。由于场景中照明设备的光源特性未知，在进行定位之前，首先需要若干采集人员手持移动终端(例如，手机)，在场景的每个灯下采集一定量的数据，来获得每一个灯的光照强度特征。采集的数据格式为(x,y,z,r,LS)。其中,(x,y,z),为手机的三维坐标，可以由采集者预先制定；r为手机的旋转矩阵，可由惯性传感器采集；LS为手机传感器采集到的光照强度，单位为勒克斯。LS用于和后续计算得到的每一个粒子的光照强度作比较，来赋予不同粒子不同的权值。
当采集完上述基础数据后，则可实现室内定位。在实际应用中，用户在移动时，手机光照传感器接收到的光照强度和三个因素有关：光源相对于手机的辐射角φ，相对于手机平面光线的入射角θ以及光源到手机的距离d，具体可参见图2。在获得手机的相对坐标后和对应光源的位置之后，则可以计算出以上三个变量。
光源相对于手机的辐射角φ满足物理学原理朗伯定律(Lambert Cosine Law)，公式如下：
LS'＝L0cos(φ) (1)；
其中，LS'为光照传感器接收到的光照强度。固定光源和接收端位置后，接收端能够接收到的最大光强L0是每个灯独有的光照强度系数。最大光强L0在手机的正面朝向和入射光线平行(夹角为0度)时得到。当手机的正面朝向和入射光线垂直的时候夹角为90度。当夹角大于等于90度的时候，接收到的光照强度为0。(受环境光的影响，接收到的数值可能会稍有变动，可以忽略不计)。
由于使用普通手机的光照传感器作为光照强度的接收端，不能满足相对于手机平面光线的入射角θ的理想光照模型。经过对实际数据的观察和拟合，采用高斯方程来表达入射角θ和光照强度LS的关系：
其中，θ0，δ为常量。根据经验知识可以得到θ0，δ的近似值：θ0＝0,δ＝0.3.光源到手机的距离d满足平方衰减定律，公式如下：
其中，C为和场景相关的常数，可以通过变化接收端到光源的距离，获取大量(接收光强，距离)的二元组来计算得到。在本实施例中C约为0.05。
综合考虑以上三种影响光照强度的因素，得到关于单个点光源的光照强度公式如下：
在大场景中，光照传感器会受到多个光源的影响，则将用户周围的临近光源都列入考虑。假设距离用户最近的n个灯都对光照传感器的数值产生了影响，则有：
其中，La为考虑周围光源影响后光照传感器探测到的光照强度；Ls'(i)为第i个灯的光照强度，可以将式(4)、(5)相结合：
其中，式(6)中，只有L0是未知数。
为了便于说明，本发明实施例假设n＝4，其光照传感器受到的影响如图3所示，解下述超定方程组可以获得每个灯的光照强度系数L0：
当计算出光照强度系数L0则可利用公式(6)计算出对应位置的光照强度。
然后，进行用户位置的定位。
如图4所示，室内位置定位主要分为如下四个阶段：随意行走阶段，粒子初始化分布阶段，删除不可能轨迹阶段以及粒子收敛阶段。
1)随意行走阶段用于保障定位模块的健壮性。在随意行走阶段，用户可以以任意方式手持手机，并且收集相应的惯性测量单元信息。在以理想手机旋转状态(手机的正面粗略朝上)探测到一个较强的光照强度之前，所有搜集到的光照强度信息都被抛弃。在遭遇到这个较强的光照强度之后，随意行走阶段结束；所述较强光照强度的大小可以根据实际情况或者经验来确定。
2)在粒子初始化分布阶段，根据场景的地图在整个三维空间中散布粒子来模拟用户的可能处于的当前位置(更准确的说，用散步粒子来模拟移动终端的位置，此处将终端与用户的位置作为同一位置)。之后，根据每一个粒子的三维坐标和当前手机旋转状态计算图2所示的3个参数，再代入公式7中，再由公式6计算出该粒子对应的光照强度。在本实施例中，我们同样假设光照传感器会受到最近的四个光源的影响，光照强度模型将此光照强度返回，作为定位模块的输入。将每一个粒子的理论光照强度和当前光照传感器捕捉到的光照强度做比较，给每一个粒子赋予一个权值。粒子的理论光照强度和当前光照传感器捕捉到的光照强度越接近，则权值越大；反之亦然。权值代表了用户处于粒子所在位置的可能性。用户继续行走，粒子初始化分布阶段结束。
3)在删除不可能轨迹阶段，随着用户的移动，每一个粒子初始化分布阶段产生的粒子，新的粒子将产生。假定用户的合理步长为r到R，每一个新产生粒子将落在一个半径从r到R的圆环当中。根据新产生粒子的坐标，和当前手机的旋转状态，可以计算出每一个新粒子的理论权值(与步骤2)中的方法类似)。将新粒子的权值乘以其父粒子的权值，作为这个粒子的权值。由于计算开销的考量，通过设定权值门限Ω，权值小于Ω的粒子都被删去。用户持续行走，删除不可能的粒子，直到进入粒子收敛阶段。
4)粒子收敛阶段有几种触发方式。第一，所有粒子都处在一个很小的区间之内(例如，0.5×0.5×0.1m3)，这个收敛的区间，就被当作用户当前所处的位置，定位结束。第二，存在一个权值很高的粒子(例如，权值最大为1，当前权值大于0.5)，这个粒子的坐标，就被当作用户当前所处的位置，定位结束。第三，用户已经前进了较长的一段距离(例如，已行走了20步)，此时，取当前权重最高的粒子的坐标作为用户当前所处的位置，定位结束。
本发明实施例通过使用手机内置的光照传感器和惯性传感单元采集室内的光照强度信息和手机的相对运动信息，通过利用用户移动过程中捕捉到光照强度趋势的变化特性，再结合场景的地图来计算用户在场景中的相对位置；该方案可在以零布置成本和较少的人力，以较高的精度定位用户，其适用性强，可以广泛应用在各种场景中。
实施例三
图5为本发明实施例三提供的一种基于可见光的室内定位***的示意图。如图5所示，该***主要包括：
信息探测模块51，用于实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息；
粒子初始化分布及权值计算模块52，用于当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值；
粒子删除模块53，用于以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；
定位模块54，用于根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位。
进一步的，所述粒子初始化分布及权值计算模块52包括：
光照强度计算模块521，用于将粒子的三维坐标及当前相对运动信息带入光照强度模型中进行计算，获得每一粒子对应的光照强度；
具体的：每一粒子对应的光照强度受到4个光源的影响，根据每一粒子的三维坐标及当前相对运动信息计算每一光源相对于该粒子的辐射角φ，相对于该粒子平面光线的入射角θ，每一光源到该粒子的距离d；
带入下述公式计算每一光源光照强度系数L0：
再结合所述每一光源光照强度系数L0来计算每一粒子对应的光照强度La：
其中，i＝1，2，3，4；θ0为常量。
进一步的，所述粒子初始化分布及权值计算模块52包括：
权值确定模块522，用于所述与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值，包括：与所述光照强度S的大小越接近，则权值越大；否则，权值越小。
进一步的，所述粒子删除模块53包括：
新粒子权值计算模块531，用于计算每一新粒子的权值，包括：根据新粒子的三维坐标、当前相对运动信息及光照强度模型计算每一新粒子对应的光照强度，并与光照强度S相比较来确定理论权值；将该新粒子对应的理论权值与其父粒子的权值相乘，将相乘结果作为该新粒子的权值。
进一步的，所述根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位包括：
当剩余粒子所处的空间区域小于设定的最小区域阈值，则将该空间区域作为用户当前所处位置；
当剩余粒子中某一粒子的权值大于预设值时，将该粒子的位置作为用户当前所处位置；
当用户行走的距离超过最大行走距离时，将权重最高的粒子的位置作为用户当前所处位置。
需要说明的是，上述***中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将***的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于可见光的室内定位方法，其特征在于，该方法包括：
实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息；
当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；再根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值；
以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位；
其中，所述根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度包括：
将粒子的三维坐标及当前相对运动信息带入光照强度模型中进行计算，获得每一粒子对应的光照强度；
具体的：每一粒子对应的光照强度受到4个光源的影响，根据每一粒子的三维坐标及当前相对运动信息计算每一光源相对于该粒子的辐射角φ，相对于该粒子平面光线的入射角θ，每一光源到该粒子的距离d；
带入下述公式计算每一光源光照强度系数L0：
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再结合每一光源光照强度系数L0来计算每一粒子对应的光照强度La：
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</mrow>
其中，i＝1，2，3，4；θ0与δ为常量；
所述计算每一新粒子的权值包括：
根据新粒子的三维坐标、当前相对运动信息及光照强度模型计算每一新粒子对应的光照强度，并与光照强度S相比较来确定理论权值；
将该新粒子对应的理论权值与其父粒子的权值相乘，将相乘结果作为该新粒子的权值；
所述根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位包括：
当剩余粒子所处的空间区域小于设定的最小区域阈值，则将该空间区域作为用户当前所处位置；
当剩余粒子中某一粒子的权值大于预设值时，将该粒子的位置作为用户当前所处位置；
当用户行走的距离超过最大行走距离时，将权重最高的粒子的位置作为用户当前所处位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值包括：
与所述光照强度S的大小越接近，则权值越大；否则，权值越小。
3.一种基于可见光的室内定位***，其特征在于，该***包括：
信息探测模块，用于实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息；
粒子初始化分布及权值计算模块，用于当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值；
粒子删除模块，用于以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；
定位模块，用于根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位；
其中，所述粒子初始化分布及权值计算模块包括：
光照强度计算模块，用于将粒子的三维坐标及当前相对运动信息带入光照强度模型中进行计算，获得每一粒子对应的光照强度；
具体的：每一粒子对应的光照强度受到4个光源的影响，根据每一粒子的三维坐标及当前相对运动信息计算每一光源相对于该粒子的辐射角φ，相对于该粒子平面光线的入射角θ，每一光源到该粒子的距离d；
带入下述公式计算每一光源光照强度系数L0：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
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</mrow>
再结合所述每一光源光照强度系数L0来计算每一粒子对应的光照强度La：
<mrow>
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</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，i＝1，2，3，4；θ0与δ为常量；
所述粒子删除模块包括：
新粒子权值计算模块，用于计算每一新粒子的权值，包括：根据新粒子的三维坐标、当前相对运动信息及光照强度模型计算每一新粒子对应的光照强度，并与光照强度S相比较来确定理论权值；将该新粒子对应的理论权值与其父粒子的权值相乘，将相乘结果作为该新粒子的权值；
所述根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位包括：
当剩余粒子所处的空间区域小于设定的最小区域阈值，则将该空间区域作为用户当前所处位置；
当剩余粒子中某一粒子的权值大于预设值时，将该粒子的位置作为用户当前所处位置；
当用户行走的距离超过最大行走距离时，将权重最高的粒子的位置作为用户当前所处位置。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述粒子初始化分布及权值计算模块包括：
权值确定模块，用于与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值，具体为：与所述光照强度S的大小越接近，则权值越大；否则，权值越小。
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