CN106338712A - 一种基于相机通信的可见光室内定位方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相机通信的可见光高精度室内定位方法及***。该***包括：信号发射端，将位置信息经过调制加载于LED灯上，以可见光的形式传送入空气信道；接收端相机，用于拍摄获取光信息图片；图像处理装置，解调接收到的光信息，得到LED灯的位置坐标，同时根据接收端相机上创建的图像和接收端相机与天花板上LED灯之间的几何关系估算接收端相机的位置信息，达到定位的目的。本发明可有效增强室内定位的可靠性，提高定位精度。

Description

一种基于相机通信的可见光室内定位方法及***

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种基于相机通信的可见光室内定位的***。

背景技术

随着传感器网络和物联网等新兴领域的不断发展，室内定位***水平要求逐渐提高。全球定位***(Global Positioning System，简称GPS)是目前应用最为广泛的定位技术，但是，由于信号受建筑物的影响，GPS定位信号到达地面时非常微弱，定位精度较低，无法实现室内定位的要求，并且利用GPS***终端的成本非常高。基于红外辐射和超声的室内定位***需要额外的基础设施。基于射频(RF)的室内定位***由于多径衰落大大降低了定位精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相机通信的可见光室内定位方法和***，以解决相关技术中定位精度低，定位***配置不够灵活等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于相机通信的可见光室内定位方法，通过如下步骤实现：

步骤1：将位于天花板的三盏LED灯A，B，C按照三角形结构布局，信号发射端对每盏LED灯的二进制位置信息进行调制，得到调制位置信息；

步骤2：发射端将步骤1所得的调制位置信息上载入信号发生器，并由信号发生器输出包含位置信息的电信号至加载有直流电源的T型偏置器；

步骤3：T型偏置器接收到信号发生器输出的包含位置信息的电信号后驱动LED灯发出光信号，进入空气信道；

步骤4：接收端相机对经过空气信道的光信号进行图像接收；

步骤5：经由接收端相机接收的光信号送入解调模块进行解调；解调方式通过设置两个阈值，确定三个判决区域，如果RGB值高于或者等于第一个阈值，判定为1，如果高于或者等于第二个阈值，同时低于第一个阈值，就判定为一个帧的第一个比特位，其余情况，判定为0，得到三盏LED灯A，B，C的位置坐标信息；

步骤6：经由接收端相机接收的光信号在进行步骤5解调的同时进行接收端相机拍摄的图像中LED灯位置O’的分析，获得三盏LED灯在拍摄的图像中的相对位置，与步骤5解调的天花板中LED灯A，B，C位置信息联合，计算得到接收端相机的透镜的位置O和天花板上与位置O垂直的位置O₁之间的垂直距离h即位置O的z轴坐标，从而计算位置O₁与LED灯A，B，C之间的距离

步骤7：通过步骤6计算的距离值利用三边测量法进行定位计算，其公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{d_{O_{1}A}}^2={(x_A-x)}^2+{(y_A-y)}^2\\ {d_{O_{1}B}}^2={(x_B-x)}^2+{(y_B-y)}^2\\ {d_{O_{1}C}}^2={(x_C-x)}^2+{(y_C-y)}^2\end{array}\right.$

x、y分别为位置O₁的位置坐标信息，为未知变量，利用最小二乘法求解式中的三个线性方程，此时可计算出位置O₁的x、y位置坐标信息，即得到位置O₁点的x轴y轴坐标；再根据步骤6所得的位置O与位置O₁之间的垂直距离h即位置O的z轴坐标，便得到位置O的具体坐标信息。

一种基于相机通信的可见光室内定位***，包括信号发射端和接收端相机，信号发射端对应于各盏LED灯设置有多个，各个信号发射端与接收端相机之间均通过空气通道传输信息；

每个信号发射端包括依次连接的信号产生模块、调制器、信号发生器、T型偏置器和LED灯，其中：

信号产生模块，产生对应于相应的LED灯的二进制位置信息；

调制器，对所述LED灯的二进制位置信息进行调制，得到调制位置信息；

信号发生器，对所述调制位置信息进行处理，输出包含位置信息的电信号；

T型偏置器，接收所述包含位置信息的电信号，驱动所述LED灯发出光信号；

LED灯，发出光信号，以光照明的形式发送到空气信道；

接收端相机包括图像获取模块和图像处理模块，其中：

图像获取模块，通过拍摄图像接收获取各所述LED灯发出的光信号的光信息；

图像处理模块，解调接收到的光信息，得到各所述LED灯的位置信息，同时根据图像获取模块上创建的图像和接收端相机与各所述LED灯之间的几何关系估算接收端相机的位置信息；

所述图像处理模块采用硬判决的方式来解调所述光信息，所述硬判决的方式具体为：对天花板上的三盏LED灯A，B，C的位置信息进行解调，设定两个阈值，确定三个判决区域，如果RGB值高于或者等于第一个阈值，判定为1；如果高于或者等于第二个阈值，同时低于第一个阈值，那么就判定为一个帧的第一个比特位，其余情况，判定为0，由此解调三盏LED灯的位置信息；

所述接收端相机的位置的计算方式为：设接收端相机的透镜的位置为O，天花板上与位置O垂直的位置为O₁(x,y,0)，首先，根据接收端相机的像素信息和所拍图像的大小来计算LED灯在接收端相机中的相对位置，利用相对位置信息和解调的LED的位置信息以及接收端相机的焦距信息，根据几何关系计算位置O与位置O₁的垂直距离h；然后根据距离h与接收端相机的焦距f的比例关系，得到位置O₁与LED灯A，B，C的距离 和最后利用三边定位法得到接收端相机的位置坐标；

其中，位置O与位置O₁的垂直距离h的计算方式为：假设接收端相机的焦距为f，接收端相机拍摄到的天花板上的各LED灯之间的距离为A’B’(d_A'B'),B’C’(d_B'C')和A’C’(d_A'C')，图像中各LED灯和拍摄的图像中接收端相机的位置O’的距离分别为O’A’(d_O'A'),O’B’(d_O'B'),O’C’(d_O'C')，根据像素坐标和所拍图像的大小计算三盏LED灯在拍摄的图像中的相对位置；天花板中各LED灯之间的距离d_AB，d_BC，d_BC由所拍摄的图像经过解调获得的位置信息计算求得，因此通过等比例关系计算获得位置O与位置O₁的垂直距离h；

其中，位置O₁与LED灯A，B，C的距离 和 的计算方式为：位置O与位置O₁的垂直距离h经过上述计算已获得，相机焦距f信息已知， 和通过计算获得；

其中，三边测量定位法为：利用求得的和构建关于位置O₁的x轴，y轴与LED灯坐标的矩阵，利用最小二乘法求解x轴，y轴的值，得到位置O₁的坐标信息，此时计算出的x、y坐标信息即为位置O₁点的x轴y轴坐标；再根据步骤6所得的位置O与位置O1之间的垂直距离h即位置O点的z轴坐标，便得到位置O的具体坐标信息。

采用上述方案后，本发明通过安装在天花板上的LED灯、接收端相机以及定位算法共同完成室内可见光定位技术，用户通过接收端相机实时定位自身位置。本发明具有如下有益效果：

1、本发明的室内定位***是基于可见光的绿色安全的室内定位方法。

2、本发明的室内可见光定位***不占用频谱资源，对于解决现有的频谱资源紧缺的问题提供了较好的途径和方法。

3、本发明的室内可见光定位***所利用的LED照明灯普遍存在于各大应用场所，具有泛在性，接收端利用手机中摄像设备，无需额外的***设备，节约成本，方便实现。

4、本发明的室内可见光定位***定位精度达0.1m，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明中信号发射端与接收端相机的模型图；

图2为本发明中图像中物体相对位置计算示意图；

图3为本发明的电路原理框图。

具体实施方式

根据附图和实施例来进一步详细说明本发明的实施方式。

本发明的一种基于相机通信的可见光室内定位***，包括信号发射端和接收端相机，信号发射端对应于各盏LED灯设置有多个，各个信号发射端与接收端相机之间均通过空气通道传输信息。

如图3所示，每个信号发射端包括依次连接的信号产生模块、调制器、信号发生器、T型偏置器和LED灯，其中：

信号产生模块，产生对应于相应的LED灯的二进制位置信息；

调制器，对所述LED灯的二进制位置信息进行调制，得到调制位置信息；

信号发生器，对所述调制位置信息进行处理，输出包含位置信息的电信号；

T型偏置器，接收所述包含位置信息的电信号，驱动所述LED灯发出光信号；

LED灯，发出光信号，以光照明的形式发送到空气信道；

接收端相机包括图像获取模块和图像处理模块，其中：

图像获取模块，通过拍摄图像接收获取各所述LED灯发出的光信号的光信息；

图像处理模块，解调接收到的光信息，得到各所述LED灯的位置信息，同时根据图像获取模块上创建的图像和接收端相机与各所述LED灯之间的几何关系估算接收端相机的位置信息。

本实施例中，LED灯有三盏，三盏LED灯在天花板上呈三角形分布，如图1所示，坐标分别为A(x_A,y_A,0),B(x_B,y_B,0),C(x_C,y_C,0)。接收端相机的位置即接收端相机的透镜的坐标中心设为O(x,y,z)，为未知量。

所述图像处理模块采用硬判决的方式来解调所述光信息，所述硬判决的方式具体为：对天花板上的三盏LED灯A，B，C的位置信息进行解调，设定两个阈值，确定三个判决区域，如果RGB值高于或者等于第一个阈值，判定为1；如果高于或者等于第二个阈值，同时低于第一个阈值，那么就判定为一个帧的第一个比特位，其余情况，判定为0，由此解调三盏LED灯的位置信息。

对于镜头平行于天花板的接收端相机，天花板上对应于位置O的位置(天花板上与位置O垂直的位置)为O₁(x,y,0)，拍摄的图像中接收端相机的位置为O’，设接收端相机拍摄到的天花板上各LED灯与位置O’的距离分别为O’A’(d_O'A'),O’B’(d_O'B'),O’C’(d_O'C')，设接收端相机拍摄到的三盏LED灯之间的距离分别为A’B’(d_A'B'),B’C’(d_B'C')和A’C’(d_A'C')，可以根据拍摄的图像的像素坐标和所拍摄的图像的大小来计算。计算过程如图2所示，以图像边缘为坐标系，根据像素的大小，利用几何关系，可以计算图像中两点MN(M、N两点分别代表举例中的图像中点的位置)的相对位置。

此时，位置O与位置O₁之间的距离h可通过公式(1)计算

$\frac{h}{f}=\frac{d_{AB}}{d_{A^{\′}{B}^{\′}}}=\frac{d_{BC}}{d_{B^{\′}{C}^{\′}}}=\frac{d_{AC}}{d_{A^{\′}{C}^{\′}}}---\left(1\right)$

f是相机焦距，为已知信息，d_AB,d_BC,d_AC分别是LED灯A，B，C中AB，BC和AC之间的距离，通过解调接收端相机拍摄的图像信息可以求得位置O与位置O₁之间的距离h。

此时，位置O₁与三盏LED灯之间的距离和 可以通过式(2)计算

$\frac{h}{f}=\frac{d_{O_{1}A}}{d_{O^{\′}{A}^{\′}}}=\frac{d_{O_{1}B}}{d_{O^{\′}{B}^{\′}}}=\frac{d_{O_{1}C}}{d_{O^{\′}{C}^{\′}}}---\left(2\right)$

根据求得的和利用三边定位法，位置O₁的x,y轴的计算方式为：

$\left\{\begin{array}{c}{d_{O_{1}A}}^2={(x_A-x)}^2+{(y_A-y)}^2\\ {d_{O_{1}B}}^2={(x_B-x)}^2+{(y_B-y)}^2\\ {d_{O_{1}C}}^2={(x_C-x)}^2+{(y_C-y)}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)的矩阵形式可以写为

MX＝D (4)

式(4)中

$M=\left[\begin{array}{cc}{x}_B-x_A& y_B-y_A\\ x_C-x_A& y_C-y_A\end{array}\right],X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right],$

$D=\left[\begin{array}{c}({d_{O_{1}A}}^2-{d_{O_{1}B}}^2+x_B^2+y_B^2-x_A^2-y_A^2)/2\\ ({d_{O_{1}A}}^2-{d_{O_{1}C}}^2+x_C^2+y_C^2-x_A^2-y_A^2)/2\end{array}\right]$

式(4)可以使用线性最小二乘法求解，即

X＝(M^TM)^-1M^TD (5)

上式中T代表转置运算，计算出的x轴，y轴的值即为位置O₁的x轴y轴的坐标信息；再根据步骤6所得的位置O与位置O1之间的垂直距离h即位置O点的z轴坐标，便得到位置O的具体坐标信息。

Claims (2)

1.一种基于相机通信的可见光室内定位方法，其特征在于，通过如下步骤实现：

步骤1：将位于天花板的三盏LED灯A，B，C按照三角形结构布局，信号发射端对每盏LED灯的二进制位置信息进行调制，得到调制位置信息；

步骤2：发射端将步骤1所得的调制位置信息上载入信号发生器，并由信号发生器输出包含位置信息的电信号至加载有直流电源的T型偏置器；

步骤3：T型偏置器接收到信号发生器输出的包含位置信息的电信号后驱动LED灯发出光信号，进入空气信道；

步骤4：接收端相机对经过空气信道的光信号进行图像接收；

步骤5：经由接收端相机接收的光信号送入解调模块进行解调；解调方式通过设置两个阈值，确定三个判决区域，如果RGB值高于或者等于第一个阈值，判定为1，如果高于或者等于第二个阈值，同时低于第一个阈值，就判定为一个帧的第一个比特位，其余情况，判定为0，得到三盏LED灯A，B，C的位置坐标信息；

步骤6：经由接收端相机接收的光信号在进行步骤5解调的同时进行接收端相机拍摄的图像中LED灯位置O’的分析，获得三盏LED灯在拍摄的图像中的相对位置，与步骤5解调的天花板中LED灯A，B，C位置信息联合，计算得到接收端相机的透镜的位置O和天花板上与位置O垂直的位置O₁之间的垂直距离h即位置O的z轴坐标，从而计算位置O₁与LED灯A，B，C之间的距离

步骤7：通过步骤6计算的距离值利用三边测量法进行定位计算，其公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{d_{O_{1}A}}^2={(x_A-x)}^2+{(y_A-y)}^2\\ {d_{O_{1}B}}^2={(x_B-x)}^2+{(y_B-y)}^2\\ {d_{O_{1}C}}^2={(x_C-x)}^2+{(y_C-y)}^2\end{array}\right.$

x、y分别为位置O₁的位置坐标信息，为未知变量，利用最小二乘法求解式中的三个线性方程，此时可计算出位置O₁的x、y位置坐标信息，即得到位置O₁点的x轴y轴坐标；再根据步骤6所得的位置O与位置O₁之间的垂直距离h即位置O的z轴坐标，便得到位置O的具体坐标信息。

2.一种基于相机通信的可见光室内定位***，其特征在于：包括信号发射端和接收端相机，信号发射端对应于各盏LED灯设置有多个，各个信号发射端与接收端相机之间均通过空气通道传输信息；

每个信号发射端包括依次连接的信号产生模块、调制器、信号发生器、T型偏置器和LED灯，其中：

信号产生模块，产生对应于相应的LED灯的二进制位置信息；

调制器，对所述LED灯的二进制位置信息进行调制，得到调制位置信息；

信号发生器，对所述调制位置信息进行处理，输出包含位置信息的电信号；

T型偏置器，接收所述包含位置信息的电信号，驱动所述LED灯发出光信号；

LED灯，发出光信号，以光照明的形式发送到空气信道；

接收端相机包括图像获取模块和图像处理模块，其中：

图像获取模块，通过拍摄图像接收获取各所述LED灯发出的光信号的光信息；

图像处理模块，解调接收到的光信息，得到各所述LED灯的位置信息，同时根据图像获取模块上创建的图像和接收端相机与各所述LED灯之间的几何关系估算接收端相机的位置信息；

所述图像处理模块采用硬判决的方式来解调所述光信息，所述硬判决的方式具体为：对天花板上的三盏LED灯A，B，C的位置信息进行解调，设定两个阈值，确定三个判决区域，如果RGB值高于或者等于第一个阈值，判定为1；如果高于或者等于第二个阈值，同时低于第一个阈值，那么就判定为一个帧的第一个比特位，其余情况，判定为0，由此解调三盏LED灯的位置信息；

所述接收端相机的位置的计算方式为：设接收端相机的透镜的位置为O，天花板上与位置O垂直的位置为O₁(x,y,0)，首先，根据接收端相机的像素信息和所拍图像的大小来计算LED灯在接收端相机中的相对位置，利用相对位置信息和解调的LED的位置信息以及接收端相机的焦距信息，根据几何关系计算位置O与位置O₁的垂直距离h；然后根据距离h与接收端相机的焦距f的比例关系，得到位置O₁与LED灯A，B，C的距离和最后利用三边定位法得到接收端相机的位置坐标；

其中，位置O与位置O₁的垂直距离h的计算方式为：假设接收端相机的焦距为f，接收端相机拍摄到的天花板上的各LED灯之间的距离为和A’C’(d_A'C')，图像中各LED灯和拍摄的图像中接收端相机的位置O’的距离分别为O’A’(d_O'A'),O’B’(d_O'B'),O’C’(d_O'C')，根据像素坐标和所拍图像的大小计算三盏LED灯在拍摄的图像中的相对位置；天花板中各LED灯之间的距离d_AB，d_BC，d_BC由所拍摄的图像经过解调获得的位置信息计算求得，因此通过等比例关系计算获得位置O与位置O₁的垂直距离h；

其中，位置O₁与LED灯A，B，C的距离和的计算方式为：位置O与位置O₁的垂直距离h经过上述计算已获得，相机焦距f信息已知，和通过计算获得；

其中，三边测量定位法为：利用求得的和构建关于位置O₁的x轴，y轴与LED灯坐标的矩阵，利用最小二乘法求解x轴，y轴的值，得到位置O₁的坐标信息，此时计算出的x、y坐标信息即为位置O₁点的x轴y轴坐标；再根据步骤6所得的位置O与位置O1之间的垂直距离h即位置O点的z轴坐标，便得到位置O的具体坐标信息。