CN107219517A - 基于led可见光通信的手机安卓相机定位***及其方法 - Google Patents

基于led可见光通信的手机安卓相机定位***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***及其定位方法，该定位***包括LED可见光通信模块、信号接收模块和手机定位软件模块，LED可见光通信模块包括LED灯，手机可见光通信信号接收模块包括开发得到的可见光通信相机，可见光通信相机包括手机上的单个摄像头及相机***，手机定位软件模块包括在手机安卓***下运行的包含定位算法的手机客户端APP软件。本发明在手机客户端下载得到室内定位App，之后可以直接使用相机***进行拍摄，通过扫描LED灯的闪烁获取LED灯上对应的调制信息，解码确定灯的位置，进而通过定位算法和计算得到手机客户端的具体精确位置并将结果显示在手机App上，从而实现室内定位。

Description

基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***及其方法
技术领域
本发明属于定位***技术领域，具体的说是涉及一种基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***及其定位方法。
背景技术
近年来，被誉为“绿色照明”的半导体LED照明技术发展迅猛，与传统照明光源相比，白光LED不仅功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保，更具有调制性能好和响应灵敏度高等优点。利用LED的这种特性，它能用作照明的同时，还可以把信号调制到LED可见光束上进行数据传输，将信息从灯具发送至客户端，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信技术。由于可见光与日常生活息息相关，办公室、家庭以及公共场合中的许多设备均含可见光光源，可为室内用户提供随时随地的便捷数据服务。
随着各种综合体类建筑如大型购物中心、大型交通中转站等的出现，人们的活动空间越来越庞大和复杂，进而对室内定位和导航的需求也日趋强烈；同时，精准营销、智能仓储、机器人、疗养护理等行业也需要利用定位技术获取特定对象的室内位置信息；而GPS卫星信号在室内是很微弱甚至没有的，不能够满足室内定位的精度需求，这些需求为室内定位技术带来巨大机会。
目前现有技术中的室内定位技术方案包括A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即GNSS技术，如伪卫星等；无线定位技术，包括无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等；其它定位技术如计算机视觉、航位推算等；以及GNSS和无线定位组合的定位技术如A-GPS或A-GNSS。
目前，国内外对基于LED可见光的定位技术的研究分为非成像定位技术和成像定位技术两种。非成像定位技术使用传统的定位方法，利用多点对多点的通信，基于距离和角度进行定位；成像定位技术采用闪光灯、显示器、光学传感器等作为收发器件，以实现可变速率通信、定位导航和消息广播等功能。非成像定位技术是基于专用的光电探测器来实现对LED灯的检测，主要有4种实现方法：三角测量法、情景分析法、接近法及VLC和Ad Hoc混合法；基于可见光的成像定位***，从LED发射的三维坐标通过图像传感器解调信息，并使用图像传感器中接收到的LED图像的距离几何关系计算出目标的位置。基于可见光的成像定位***可分为单灯单摄像头、双灯单摄像头和单灯双摄像头等形式，利用不同的定位方式中图像传感器接收到LED图像的不同距离几何关系来计算出目标的位置。
随着科技的高速发展和进步，智能手机的发展越来越快，更加贴近人们的生活，手机功能也越来越强大，这一系列的现象表明智能手机大时代的到来，而且正在持续高速发展，手机APP的开发也是越来越受欢迎。而以往基于LED可见光通信的室内定位技术并没有结合手机上的单摄像头和手机安卓***进行开发。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种利用开发得到的可见光通信相机进行安卓App开发的基于LED可见光通信的定位***及其定位方法，其通过调用手机摄像头相机***的拍摄来确定手机客户端相对于LED灯的位置，对拍摄得到的LED光信号进行解码，再通过定位算法和计算进行精确的定位。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***，该定位***包括依次连接的LED可见光通信模块、手机可见光通信信号接收模块和手机定位软件模块，LED可见光通信模块包括LED灯，LED灯是安装在已知坐标位置的照明设备，手机可见光通信信号接收模块包括开发得到的可见光通信相机，可见光通信相机包括手机上的单个摄像头及相机***；手机定位软件模块包括在手机安卓***下运行的包含定位算法的手机客户端APP软件。
一种基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的定位方法，该定位方法具体包括如下步骤：首先由手机端可见光通信相机拍摄LED灯图片，将LED灯的位置信息调制到LED灯的闪烁上，LED灯为发送端，调用手机单摄像头的开发得到的可见光通信相机为接收端；接收端通过相机***调用手机摄像头进行逐行扫描拍摄得到LED灯上的调制信息，图像处理得到数据区条纹图，表现为相机***拍摄得到的LED图像的明暗条纹图，然后应用程序对数据区条纹图进行解码，而此解码结果获取对应该LED灯的位置信息；之后根据室内基于光学成像的定位方法，以及解码所得LED灯具的位置，由应用程序进行计算最终得到手机接收端的精确定位位置。
每一个LED灯由一个驱动电路控制，LED灯在实现普通照明功能的同时发出按照特定方式编码的高频闪烁光，高频闪烁光对应该灯唯一的位置编码信息；LED灯将其位置信息调制成高频闪烁信号发射出去后，手机可见光通信信号接收模块的接收端通过可调用手机摄像头的可见光通信相机进行逐行扫描拍摄得到LED灯的调制信息，并解码得到该LED灯的位置信息，最后根据定位算法计算得到手机接收端的精确定位位置。
开发得到的可见光通信相机能够拍摄LED灯在连续不同时间点上发射出的变化的光信号，将这些变化的光信号转化成空间上连续变化的明暗条纹，并将其体现在同一张照片上，同时该可见光通信相机能够通过程序设定来根据需要改变相机参数。
手机上自带的任意一个摄像头由相机***控制拍摄LED灯的图像，图像中包含LED灯发射的位置编码信息，或者打开相机***的摄像模式对LED灯进行预览，控制程序对LED灯发射的高频闪烁光进行实时接收处理，获取LED灯发射的位置编码信息。
在手机安卓***下运行的包含定位算法的手机客户端APP软件能够在安卓***下对调用手机单摄像头的相机***拍摄到的LED灯图像进行处理和解码，得到对应的LED灯位置坐标，进一步通过单摄像头模式的定位算法计算出摄像头的三维位置坐标。
本发明与传统射频无线技术相比，可见光通信可利用的带宽范围大，具有更高的安全性和私密性，不产生电磁干扰，也无需相应频段的许可授权，能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入，具有很好的空间复用性，极大地拓展了网络的覆盖面，是对现有射频技术的很好的补充。
本发明通过一系列安卓开发步骤，在手机客户端下载得到本发明这款基于LED可见光通信的室内定位App，之后可以直接使用可调用手机上单摄像头的开发相机***进行拍摄，通过扫描LED灯的闪烁获取LED灯上对应的调制信息，解码从而确定灯的位置，进而通过定位算法和计算得到手机客户端的具体精确位置并且将结果显示在手机App上，从而实现室内定位。
本发明的有益效果是：本发明通过调用手机摄像头相机***的拍摄来确定手机客户端相对于LED灯的位置，对拍摄得到的LED光信号进行解码，再通过定位算法和计算进行精确的定位。本发明基于LED可见光通信的定位***定位精度高，而且带宽资源丰富，不需获得管理机构的授权，而且本发明中的定位***不会产生任何电磁干扰，也不易受外部电磁干扰的影响，定位精度高，可广泛应用于对电磁干扰敏感的特殊场合，如医院和加油站等。本发明中的定位***使用LED做光源，兼顾照明与定位，此技术一旦成型便可很快应用到日常生活中。基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的开发，使得客户端直接使用手机下载App，利用开发的可调用手机摄像头的相机***进行拍照就可进行定位，从而使得定位在生活中的应用更加方便。
附图说明
图1是本发明手机安卓相机定位***的工作流程图；
图2是本发明手机安卓相机定位***的***简图；
图3是本发明手机安卓相机定位***的室内定位计算空间示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
如图1至图2所示，一种基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***，该定位***包括依次连接的LED可见光通信模块、手机可见光通信信号接收模块和手机定位软件模块，LED可见光通信模块包括LED灯，LED灯是安装在已知坐标位置的照明设备，手机可见光通信信号接收模块包括开发得到的可见光通信相机，可见光通信相机包括手机上的单个摄像头及相机***；手机定位软件模块包括在手机安卓***下运行的包含定位算法的手机客户端APP软件。
一种基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的定位方法，该定位方法具体包括如下步骤：首先由手机端可见光通信相机拍摄LED灯图片，将LED灯的位置信息调制到LED灯的闪烁上，LED灯为发送端，调用手机单摄像头的开发得到的可见光通信相机为接收端；接收端通过相机***调用手机摄像头进行逐行扫描拍摄得到LED灯上的调制信息，图像处理得到数据区条纹图，表现为相机***拍摄得到的LED图像的明暗条纹图，然后应用程序对数据区条纹图进行解码，而此解码结果获取对应该LED灯的位置信息；之后根据室内基于光学成像的定位方法，以及解码所得LED灯具的位置，由应用程序进行计算最终得到手机接收端的精确定位位置。
每一个LED灯由一个驱动电路控制，LED灯在实现普通照明功能的同时发出按照特定方式编码的高频闪烁光，高频闪烁光对应该灯唯一的位置编码信息；LED灯将其位置信息调制成高频闪烁信号发射出去后，手机可见光通信信号接收模块的接收端通过可调用手机摄像头的可见光通信相机进行逐行扫描拍摄得到LED灯的调制信息，并解码得到该LED灯的位置信息，最后根据定位算法计算得到手机接收端的精确定位位置。开发得到的可见光通信相机能够拍摄LED灯在连续不同时间点上发射出的变化的光信号，将这些变化的光信号转化成空间上连续变化的明暗条纹，并将其体现在同一张照片上，同时该可见光通信相机能够通过程序设定来根据需要改变相机参数。
手机上自带的任意一个摄像头由相机***控制拍摄LED灯的图像，图像中包含LED灯发射的位置编码信息，或者打开相机***的摄像模式对LED灯进行预览，控制程序对LED灯发射的高频闪烁光进行实时接收处理，获取LED灯发射的位置编码信息。在手机安卓***下运行的包含定位算法的手机客户端APP软件能够在安卓***下对调用手机单摄像头的相机***拍摄到的LED灯图像进行处理和解码，得到对应的LED灯位置坐标，进一步通过单摄像头模式的定位算法计算出摄像头的三维位置坐标。
如图3所示，图3为本发明手机安卓相机定位***的室内定位计算空间示意图，手机客户端室内定位的计算方法如下：
本发明中使用的定位算法为一组基于单摄像头光学成像的定位公式，设单个LED灯在环境空间坐标系下的位置坐标(X,Y,Z)、手机单摄像头焦距f、单摄像头像素平面中心在像素平面坐标系的坐标(x0,y0)、LED灯两个端点在成像后在摄像头像素平面坐标系的坐标(x1,y1)、(x2,y2)，LED灯中心与像素面中心在Yw方向的距离为Yc，LED灯中心与像素面中心在Xw方向的距离为Xc，计算出摄像头像素平面中心在环境空间坐标系下的坐标(x0,y0,z0)。
由相似三角形特性可得出：
上式中h为LED灯到镜头垂直距离，由上式可求得h，然后，手机摄像头像素面中心在室内空间坐标(x0,y0,z0)可表达为：
Z0＝Z-h-f；
由上式计算公式和算法编写，通过手机单摄像头可以实现手机客户端位置的3D定位。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***，其特征在于：所述定位***包括依次连接的LED可见光通信模块、手机可见光通信信号接收模块和手机定位软件模块，所述LED可见光通信模块包括LED灯，所述LED灯是安装在已知坐标位置的照明设备，所述手机可见光通信信号接收模块包括开发得到的可见光通信相机，所述可见光通信相机包括手机上的单个摄像头及相机***；所述手机定位软件模块包括在手机安卓***下运行的包含定位算法的手机客户端APP软件。
2.根据权利要求1所述的基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的定位方法，其特征在于：所述定位方法具体包括如下步骤：首先由手机端可见光通信相机拍摄LED灯图片，将LED灯的位置信息调制到LED灯的闪烁上，LED灯为发送端，调用手机单摄像头的开发得到的可见光通信相机为接收端；接收端通过相机***调用手机摄像头进行逐行扫描拍摄得到LED灯上的调制信息，图像处理得到数据区条纹图，表现为相机***拍摄得到的LED图像的明暗条纹图，然后应用程序对数据区条纹图进行解码，而此解码结果获取对应该LED灯的位置信息；之后根据室内基于光学成像的定位方法，以及解码所得LED灯具的位置，由应用程序进行计算最终得到手机接收端的精确定位位置。
3.根据权利要求2所述的基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的定位方法，其特征在于：每一个LED灯由一个驱动电路控制，LED灯在实现普通照明功能的同时发出按照特定方式编码的高频闪烁光，高频闪烁光对应该灯唯一的位置编码信息；LED灯将其位置信息调制成高频闪烁信号发射出去后，手机可见光通信信号接收模块的接收端通过可调用手机摄像头的可见光通信相机进行逐行扫描拍摄得到LED灯的调制信息，并解码得到该LED灯的位置信息，最后根据定位算法计算得到手机接收端的精确定位位置。
4.根据权利要求2所述的基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的定位方法，其特征在于：所述开发得到的可见光通信相机能够拍摄LED灯在连续不同时间点上发射出的变化的光信号，将这些变化的光信号转化成空间上连续变化的明暗条纹，并将其体现在同一张照片上，同时该可见光通信相机能够通过程序设定来根据需要改变相机参数。
5.根据权利要求2所述的基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的定位方法，其特征在于：手机上自带的任意一个摄像头由相机***控制拍摄LED灯的图像，所述图像中包含LED灯发射的位置编码信息，或者打开相机***的摄像模式对LED灯进行预览，控制程序对LED灯发射的高频闪烁光进行实时接收处理，获取LED灯发射的位置编码信息。
6.根据权利要求2所述的基于LED可见光通信的手机安卓相机定位***的定位方法，其特征在于：在手机安卓***下运行的包含定位算法的手机客户端APP软件能够在安卓***下对调用手机单摄像头的相机***拍摄到的LED灯图像进行处理和解码，得到对应的LED灯位置坐标，进一步通过单摄像头模式的定位算法计算出摄像头的三维位置坐标。
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