CN105044659B - 基于环境光谱指纹的室内定位装置及方法 - Google Patents

基于环境光谱指纹的室内定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于环境光谱指纹的室内定位装置，包括：光谱测量模块、中央控制模块及无线模块，所述中央控制模块接收所述光谱测量模块测量的光谱数据，并控制所述光谱测量模块的测量状态；所述无线模块受控于所述中央控制模块对外部无线发送所述光谱数据或空间点坐标；所述光谱测量模块具有第一测量状态及第二测量状态；所述中央控制模块在所述光谱测量模块处于第一测量状态时，将接收的所有空间点的光谱数据根据空间位置及各空间点的光强构筑成光谱指纹；在处于第二测量状态时将测得的数据与所述光谱指纹进行对比，从而获得终端的位置信息。本发明的定位装置可以应用在无对外信号通信的环境中，整体结果比较简单，成本较低，测量精度高。

Description

基于环境光谱指纹的室内定位装置及方法
技术领域
本发明涉及定位领域，尤其涉及一种基于环境光谱指纹的室内定位装置及方法。
背景技术
随着信息和通信技术的普及，人们对室内定位服务的需求与日俱增，在一些公共场所，如商场、机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场等，精确的室内定位信息，能够方便用户购物、出行、查找室内目标等；能够对可用空间和库存物资实现高效管理；能够为警察、消防员、士兵、医务工作人员完成特定的室内导航任务。另外智能空间、普适计算等都离不开室内位置服务，因此室内定位具有广阔的应用前景。
国内外关于室内定位技术的研究比较丰富，根据定位原理有邻近检测、指纹匹配和多边/角度方法等。对于邻近检测方法将检测到的信号源位置作为定位位置，精度较低。基于WiFi指纹的匹配方法利用室内环境中的信号特征匹配能够得到较好的定位精度，但定位结果易受室内多径效应和环境变化等影响。多边/角度方法需要先通过到达时间算法(TOA)、到达时间差算法(TDOA)、到达角度测距算法(AOA)等算法精确测量定位点到参考点的距离/角度等信息，再利用三边测量法等对目标进行定位，但在实际测量中，参考节点位置坐标、测量距离等数据值会存在误差，从而影响定位结果。
申请号为CN201410539385.9的专利提出了基于LED可见光室内定位***的自适应动态指纹库构建方法，局限之处在于由于LED光源的传输距离较短，因此对于室内的测量位置点，其测量得到的不同LED光源的数量比较少，即很可能在一个位置点只能测到两个甚至一个LED光源的信息，对于这种情况，接收端仅根据光源及其光强信息不能确定接收端的位置，如果需要对于所有定位点(如走廊等)都能有效定位，则需要密集布置LED光源，但会增加方案成本。
申请号为CN201110054768.3的专利提出了基于RSSI的加权三边定位方法，局限之处在于该方法不能精确测得节点间的距离，从而使定位误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种利用环境光光谱指纹在室内定位的装置及定位方法。
为实现上述目的，本发明提供一种基于环境光谱指纹的室内定位装置。所述定位装置包括：
光谱测量模块，用于测量各空间点的环境光的光谱；
中央控制模块，接收所述光谱测量模块测量的光谱数据，并控制所述光谱测量模块的测量状态；
无线模块，受控于所述中央控制模块对外部无线发送所述光谱数据或空间点坐标；
所述光谱数据包括空间点坐标、空间点光强及空间点处的光波长；所述光谱测量模块具有第一测量状态及第二测量状态；所述中央控制模块在所述光谱测量模块处于第一测量状态时，将接收的所有空间点的光谱数据根据空间位置及各空间点的光强构筑成光谱指纹；所述中央控制模块在所述光谱测量模块处于第二测量状态时，将接收的所有空间点的光谱数据与所述光谱指纹对比，从而确定光谱数据不同的空间点坐标。
进一步的，所述光谱指纹储存于所述中央控制模块。
为实现上述目的，本发明提供一种基于环境光谱指纹的室内定位方法。所述定位方以下步骤：
步骤1：对空间区域建模，并采集获得空间区域的环境光光谱数据；
步骤2：根据采集的光谱数据及空间区域位置关系建立光谱指纹数据库；
步骤3：根据终端请求，对终端所在区域的环境光光谱采集，形成二次光谱数据；
步骤4：将二次光谱数据与所述光谱指纹数据库对比，确定M个候选目标位置点；
步骤5：对M个候选目标位置进行计算，并获得终端的最终位置点；
在对空间区域建模时，对空间区域平均分成若干个区域采样块，并对每个区域采样块连续采样N次，获得N个环境光光谱数据；对所述N个环境光光谱数据根据不同的光波长、光强计算光谱指纹数据库向量。
进一步的，在步骤2中光谱指纹数据库建立方法包括：
对于波长为λw的光波，计算N个光强值的平均值和标准差从而得到光谱指纹数据库向量S；
使用最大似然估计方法(MLE)估计波长为λw的分布参数和
的估计：即均值估计；
的估计：即方差估计；
其中，1≤w≤K，K为在光谱信息中强度高于光强阀值D的波长不同的光波的数量，K≥1；sj,w(i)为第j个位置点测得的光谱信息中波长为λw的光波的第i个光强值；1≤j≤L，L为位置点的总数目；将高于光强阀值D的光波都进行特征提取后，得到指纹向量pj为第j个位置点的坐标。
进一步的，确定M个候选目标位置的方法包括：
将采集的二次光谱数据与所述光谱指纹数据库对比计算相关度，选取相关度最高的M个点作为候选目标位置点APt；其中，利用欧式距离表示二次光谱数据与所述光谱指纹数据的相关度，ca,j＝|sa-sj|，其中，sj为光谱指纹数据库中的第j个位置点的光谱指纹数据，ca,j表示sa与第j个位置点的光谱指纹数据的相关度。
进一步的，获取终端的最终位置点的方法包括：
对M个候选目标位置的相关度转换为权重，根据候选目标位置的权重与M个候选目标位置的坐标计算最终位置点的坐标；
权重值为：其中1≤t≤M；根据权重和M个候选目标位置点坐标计算最终目标位置点坐标：
进一步的，采集环境光光谱数据的设备至少包括光谱仪。
本发明基于环境光谱指纹的室内定位装置利用光谱测量模块对各空间点的环境光的光谱进行采样测量形成光谱指纹，并将后续测量的环境光光谱与所述光谱指纹对比，确定终端所在位置与光谱指纹中最接近的点的位置坐标，从而达到对终端定位的目的；本发明的室内定位装置整体结果比较简单，成本较低，测量精度高。
本发明提供的基于环境光谱指纹的室内定位方法分别针对不同波长在空间点的光强的计算，获得环境光条线下，整个空间区域内环境光分布的光谱指纹数据库向量；并分别利用相关度计算确定候选目标相近点，利用权重计算获得最终目标位置点的坐标，从而达到定位的目的；利用本方法进行室内终端的定位并不再需要借助于外加LED灯光，从而不会带来因为光源照射角度、光强等的问题而无法完成测量的情况；也不受到测定定位坐标基准点偏移带来的误差；本发明的方法过程简单，模型建立合理，算法精确，对硬件要求较低。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
附图中，
图1为本发明基于环境光谱指纹的室内定位装置的模块结构示意图；
图2为本发明基于环境光谱指纹的室内定位方法流程图；
图3为本发明基于环境光谱指纹的室内定位方法中建立光谱指纹数据库流程图；
图4为本发明基于环境光谱指纹的室内定位方法的终端在线定位流程图。
附图标号说明：
1、光谱测量模块；2、中央控制模块；3、无线模块。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
请参阅图1，本发明具体实施方式提供一种基于环境光谱指纹的室内定位装置，该定位装置包括光谱测量模块1、中央控制模块2及无线模块3。
其中，所述光谱测量模块1主要用于测量各空间点的环境光的光谱；该光谱测量模块1具有两种测量状态，受到所述中央控制模块2的控制。
所述光谱测量模块1在第一测量状态时，所述光谱测量模块1测量各空间点的环境光的光谱，并将该光谱数据根据空间位置(坐标)及各空间点的光强关联保存在中央控制单元中，形成光谱指纹；其中所述光谱数据包括空间点的坐标、空间点的光强以及空间点处的光波长。
当对处于上述空间内的终端进行定位测量时，所述光谱测量模块1处于第二测量状态时，所述光谱测量模块1测量各空间点的环境光光谱，并将环境光光谱数据与已经储存在所述中央控制模块2中的光谱指纹进行对比，经过运算确定光谱数据不同的空间点的坐标，从而确定终端的位置，达到定位的目的。
在本实施方式中，所述光谱测量模块1包括光谱仪或者其他能够测量自然光光谱的设备。
在本实施方式中，所述中央处理模块包括单片机及DSP处理器，其中，所述单片机主要用于对光谱测量模块1进行工作状态控制；所述DSP处理器主要用于光谱指纹的构建以及光谱数据与所述光谱指纹比对运算。
本实施方式由于采用了环境光作为测量光源，并不会受光源强度、光源投射角度等的影响，从而不需要架设额外的光源设备，能够降低成本，提高适用范围。
本实施方式还可以通过无线模块3对外部发送对终端测量的光谱数据或者已经构建的光谱指纹，从而能够通过外部设备对接收的光谱数据或光谱指纹进行校验，间接的达到对本定位装置的校验。
本实施方式还可以通过无线模块3向外部设备发送所要定位的终端的位置或空间点坐标，从而实现对终端位置的远程监控功能。
请参阅图2，本发明提供一种基于环境光光谱指纹的室内定位方法，包括以下步骤：
步骤1：对空间区域建模，并采集获得空间区域的环境光光谱数据。
在对空间区域建模时，首先对空间区域平均分成若干个区域采样块，并对每个区域采样块连续采样N次，获得N个环境光光谱数据。
例如针对一般成年人的身高以及使用***面划分为不同的区域块，其中，区域块的大小可以根据定位精度设定，一般设定的大小要大于手机的尺寸大小，比如1*1m的区域，同时假定该室内面积为300m2，那么该区域采样块的数量为300个。
然后对该每个区域块进行环境光光谱的采样，连续采样N次，将获得一个区域块的N个光谱。
步骤2：根据采集的光谱数据及空间区域位置关系建立光谱指纹数据库。
其中，对所述N个环境光光谱数据根据不同的光波长、光强计算光谱指纹数据库向量，例如我们以环境光中光波长λw＝600nm为例。
由于环境光在一个区域块上不同测量时表现出不同的光强，首先针对N次测量结果需要设定一个光强阈值D，并针对大于光强阈值D的光进行计算，例如选择最大光强的0.4倍的光强强度为光强阈值D，那么我们要做的工作就是对300个区域采样块逐一测量；测量时，首先对λw＝600nm的光强为最大光强的0.4D的光进行光强进行测量，获得若干个测量数值；然后对测量的数值分别进行光强平均值及光强标准差的计算；之后就会得到在该区域块上与光强平均值及标准差、测量的波长及当前区域块位置相关的一个向量。
在完成以上测量后，还可以根据不同的光波长进行进一步的测量，获得若干个与该区域块位置及光强及光波长有关的复合向量。
具体的，在本实施方式中，以最大似然估计方法为计算方法对区域块内的不同波长光分量的光强平均值及标准差进行计算，其中：
波长为λw的光强平均值的估计：
波长为λw的光强标准差的估计：
其中，sj,w(i)为第j个区域块上测得的光谱信息中波长为λw的光波的第i个光强值，1≤j≤L，L为位置点的总数目，此处为300*N个，1≤w≤K，K为在光谱信息中强度高于有效光强阀值D的光波的数量，K≥1；
经过以上，在对整个300个区域采样块逐一测量完成后，就会形成针对该平面的光谱指纹数据库。
步骤3：根据终端请求，对终端所在区域的环境光光谱采集，形成二次光谱数据。
在形成光谱指纹数据库之后，就会进入具体的位置定位阶段。此时在该空间内必然存在一个需要定位的终端设备。
在进行测量时，还同样根据步骤2的方法，含有该终端设备的整个平面进行测量采样，形成二次光谱数据。该二次光谱数据必然与在先形成的光谱指纹数据库不相同。
步骤4：将二次光谱数据与所述光谱指纹数据库对比，确定M个候选目标位置点。
在确定候选目标的时候，将所述二次光谱数据与所述光谱指纹数据库进行比对，根据相应坐标上的光强的相关度，得到终端所在的位置。
具体的，将采集的二次光谱数据与所述光谱指纹数据库对比计算相关度，选取相关度最高的M个点作为候选目标位置点APt；其中，利用欧式距离表示二次光谱数据与所述光谱指纹数据的相关度，ca,j＝|sa-sj|，其中，sj为光谱指纹数据库中的第j个位置点的光谱指纹数据，ca,j表示sa与第j个位置点的光谱指纹数据的相关度。
在该步骤中相关度的定义式测得的二次光谱数据Sa与所述光谱指纹数据库相对应位置的光谱指纹数据Sj的光强数值的差值。
步骤5：对M个候选目标位置进行计算，并获得终端的最终位置点。
在对M个候选目标位置计算时，一般将M个候选目标位置的相关度与所有M个候选目标位置的相关度只和权重最大的作为最终位置。
具体的，根据候选目标位置的权重与M个候选目标位置的坐标计算最终位置点的坐标；
权重值为：其中1≤t≤M；根据权重和M个候选目标位置点坐标计算最终目标位置点坐标：
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于环境光谱指纹的室内定位装置，其特征在于，所述定位装置包括：
光谱测量模块，用于测量各空间点的环境光的光谱；
中央控制模块，接收所述光谱测量模块测量的光谱数据，并控制所述光谱测量模块的测量状态；
无线模块，受控于所述中央控制模块对外部无线发送所述光谱数据或空间点坐标；
所述光谱数据包括空间点坐标、空间点光强及空间点处的光波长；所述光谱测量模块具有第一测量状态及第二测量状态；所述中央控制模块在所述光谱测量模块处于第一测量状态时，将接收的所有空间点的光谱数据根据空间位置及各空间点的光强构筑成光谱指纹；所述中央控制模块在所述光谱测量模块处于第二测量状态时，将接收的所有空间点的光谱数据与所述光谱指纹对比，从而确定光谱数据不同的空间点坐标。
2.根据权利要求1所述的基于环境光谱指纹的室内定位装置，其特征在于，所述光谱指纹储存于所述中央控制模块。
3.基于环境光谱指纹的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对空间区域建模，并采集获得空间区域的环境光光谱数据；
步骤2：根据采集的光谱数据及空间区域位置关系建立光谱指纹数据库；
步骤3：根据终端请求，对终端所在区域的环境光光谱采集，形成二次光谱数据；
步骤4：将二次光谱数据与所述光谱指纹数据库对比，确定M个候选目标位置点；
步骤5：对M个候选目标位置进行计算，并获得终端的最终位置点；
在对空间区域建模时，对空间区域平均分成若干个区域采样块，并对每个区域采样块连续采样N次，获得N个环境光光谱数据；对所述N个环境光光谱数据根据不同的光波长、光强计算光谱指纹数据库向量。
4.根据权利要求3所述的基于环境光谱指纹的室内定位方法，其特征在于，在步骤2中光谱指纹数据库建立方法包括：
对于波长为λw的光波，计算N个光强值的平均值和标准差从而得到光谱指纹数据库向量S；
使用最大似然估计方法(MLE)估计波长为λw的分布参数和
的估计：即均值估计；
的估计：即方差估计；
其中，1≤w≤K，K为在光谱信息中强度高于光强阀值D的波长不同的光波的数量，K≥1；sj,w(i)为第j个位置点测得的光谱信息中波长为λw的光波的第i个光强值；1≤j≤L，L为位置点的总数目；将高于光强阀值D的光波都进行特征提取后，得到指纹向量pj为第j个位置点的坐标。
5.根据权利要求3所述的基于环境光谱指纹的室内定位方法，其特征在于，确定M个候选目标位置的方法包括：
将采集的二次光谱数据与所述光谱指纹数据库对比计算相关度，选取相关度最高的M个点作为候选目标位置点APt；其中，利用欧式距离表示二次光谱数据与所述光谱指纹数据的相关度，ca,j＝|sa-sj|，其中，sj为光谱指纹数据库中的第j个位置点的光谱指纹数据，ca,j表示sa与第j个位置点的光谱指纹数据的相关度。
6.根据权利要求3所述的基于环境光谱指纹的室内定位方法，其特征在于，获取终端的最终位置点的方法包括：
对M个候选目标位置的相关度转换为权重，根据候选目标位置的权重与M个候选目标位置的坐标计算最终位置点的坐标；
权重值为：其中1≤t≤M；根据权重和M个候选目标位置点坐标计算最终目标位置点坐标：
7.根据权利要求3所述的基于环境光谱指纹的室内定位方法，其特征在于，采集环境光光谱数据的设备至少包括光谱仪。
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