一種基于雙圖像傳感器和可見光通信技術的高精度室內定位方法技術

一種基于雙圖像傳感器和可見光通信技術的高精度室內定位方法，包括如下步驟：步驟1：在室內天花板上安裝一個LED陣列；步驟2：利用可見光通信技術，3個LED燈源在照明的同時發送各自的三維坐標信息，同時使用兩個圖像傳感器接收并解調三維坐標信息；步驟3：確定LED光源在圖像傳感器上生成的LED圖像的中心位置；步驟4：利用已知參數h、f、L，并通過三角幾何關系分別計算出3個LED燈源與未知點P之間的距離d1、d2、d3；步驟5：利用已接收到的3個LED燈的三維坐標信息以及d1、d2、d3，使用兩點之間的距離公式建立3條距離方程，聯立方程組求解得到未知點的三維坐標。本發明專利技術有效提高定位精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于室內定位領域，尤其涉及一種利用雙圖像傳感器和可見光通信通信技術的高精度室內定位方法。
技術介紹
VLC是英文VisibleLightCommunication(可見光通信)的縮寫形式。VLC是指利用可見光波段的光波作為信息載體，無需光纖等有線信道的傳輸介質，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。VLC技術具有綠色低碳、可實現近乎零耗能通信等優點，還可有效避免無線通信電磁信號泄露等弱點。利用VLC技術，人們可以快速構建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。相比于GPS和無線電定位技術，VLC在室內定位領域有許多優點，例如功率損耗低、電磁隔離和定位精度高等。近年來，研究人員提出了許多基于VLC技術的室內定位方法，如基于到達時間(TOA)定位方法、基于到達時間差(TDOA)定位方法、基于到達角度(AOA)定位方法、基于接收信號強度(RSS)定位方法以及基于圖像傳感器定位方法。在TOA和TDOA定位方法中，所有的參考點以及定位目標的通信過程要完全同步，任何不準確的同步將直接造成定位誤差。基于AOA的定位方法需要測量信號相對于一些參考點的角度。由于這種方法需要對角度精確測量，因此需要增加一個角度探測陣列，這也就加大了系統定位成本?；赗SS的定位方法需要測量接收信號的強度，然后通過測量信號強度和信號衰減公式計算定位目標與光源之間的距離。然而，在實際的環境中，信號衰減還受許多其他因素影響r>而不只依賴于距離的影響，所以經驗的衰減公式就會造成一定誤差。與TOA、TDOA、AOA、RSS定位技術相比，基于圖像傳感器的VLC室內定位技術定位精度更高。劉讓龍等人在論文《可見光通信中的室內定位技術研究》中，在充分研究IEEE802.15.7標準的基礎上提出了一種利用超幀的通信時隙進行室內定位的方法。江運力等人在論文《基于RSSI及圖像傳感器室內可見光定位系統研究》中，提出了基于圖像成像和基于RSSI信號接收強度的室內可見光通信定位設計方案。作者根據可見光信號在室內的傳播特性，建立室內可見光通信信道傳輸模型，對室內接收端光接收功率、光強度分布、信噪比分布進行模擬仿真，探討了信標節點網格布局對室內定位性能的影響。王語琪等人在論文《基于可見光通信的幾種室內定位方法》中，對基于光通信的五種定位技術進行分析和比較，提出了一種可見光通信與攝影測量結合的方法。王旭東等人在論文《高精度室內可見光定位算法》中，利用TDOA方法得到定位終端到達兩個LED的傳輸距離之差，以此構造距離估計目標函數，然后采用有約束非線性規劃算法得到定位終端的位置坐標。楊愛英等人在專利《一種基于頻分復用的可見光高精度室內定位方法》中利用頻分復用技術調制LED信號，再結合RSS技術實現可見光高精度室內定位。黃涌等人在專利《一種基于可見光精確定位系統及其精確定位方法》中，利用光的方向性與強度分布信息，僅用一個上級照明節點與下級光接收傳感器陣列實現距離厘米級精確定位。馮立輝等人在專利《一種包含誤差校正的室內可見光強度定位系統》中，提出了一種包含誤差校正的室內可見光強度定位系統，用以解決基于可見光RSS室內定位誤差波動的問題。李立華等人在專利《基于可見光通信的室內定位方法及系統》中，提出了一種基于可見光通信的室內定位方法和系統，解決了室內定位技術中發送端多光源干擾問題?？偨Y基于VLC技術的室內定位方法方面的工作，目前研究人員對采用雙圖像傳感器的VLC定位系統的研究工作剛剛起步，所提出的用于雙圖像傳感器的VLC定位系統的定位方法較少，并且定位精度有待提高。
技術實現思路
為了解決現有采用雙圖像傳感器的可見光通信定位系統的定位精度較低的不足，本專利技術提出一種有效提高定位精度的基于雙圖像傳感器和可見光通信技術的高精度室內定位方法。為了解決上述技術問題提出如下技術方案：一種基于雙圖像傳感器和可見光通信技術的高精度室內定位方法，所述室內定位方法包括如下步驟：步驟1：在室內的天花板上安裝一個LED陣列；所述的LED陣列至少要有3個LED燈源，同時LED分布不能夠共線；步驟2：利用可見光通信技術，3個LED燈源在照明的同時發送各自的三維坐標信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，同時使用兩個圖像傳感器接收并解調3個LED發送的三維坐標信息；所述LED燈源與所述圖像傳感器之間的距離為h；所述兩個圖像傳感器上方各自固定有一個參數完全相同的透鏡，所述透鏡焦距為f，用于對3個LED光源發出的光線進行空間分離；所述透鏡與圖像傳感器的距離為f，所述透鏡中心位于圖像傳感器中心的正上方；兩個圖像傳感器之間的距離為L，兩個圖像傳感器能夠進行定位的未知點P位于兩透鏡連線的中點；步驟3：確定LED光源在圖像傳感器上生成的LED圖像的中心位置，所述的LED圖像為LED光源發出的光經過透鏡進行空間分離后被圖像傳感器接收，在圖像傳感器上生成的光斑圖像，近似為圓。步驟4：利用已知參數h、f、L，并通過三角幾何關系分別計算出3個LED燈源與未知點P之間的距離d1、d2、d3，過程如下：步驟4.1：計算LED圖像中心到圖像傳感器中心的距離i；步驟4.2：過LED燈作一條垂直于透鏡平面的垂線長度為h，由此LED、垂足以及透鏡的中心就構成了一個直角三角形。所述的垂足即為所述垂線與透鏡平面的交點；步驟4.3：LED圖像中心、圖像傳感器中心以及透鏡中心同樣構成一個直角三角形，兩條直角邊的長度分別為f和i。由于該直角三角形與LED和透鏡構成的直角三角形相似，利用兩個三角形相似關系，即可求得LED到一個透鏡中心的距離；同理，求得LED到另一個透鏡中心的距離；步驟4.4：利用步驟4.3中求得的LED分別到兩個透鏡中心的距離以及未知點P到透鏡的距離，通過三角形的余弦定理就可求得LED到未知點P的距離；同理，求得3個LED與未知點P的距離分別為d1、d2、d3，所述未知點P到透鏡的距離為L/2。步驟5：利用已接收到的3個LED燈的三維坐標信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)以及3個LED與未知點P的距離d1、d2、d3，使用兩點之間的距離公式建立3條距離方程，聯立方程組求解得到未知點的三維坐標。進一步，所述步驟3中，確定LED光源在圖像傳感器上生成的LED圖像的中心位置的過程如下：步驟3.1：將本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于雙圖像傳感器和可見光通信技術的高精度室內定位方法，其特征在于：所述室內定位方法包括如下步驟：步驟1：在室內的天花板上安裝一個LED陣列；所述的LED陣列至少要有3個LED燈源，同時LED分布不能夠共線；步驟2：利用可見光通信技術，3個LED燈源在照明的同時發送各自的三維坐標信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，同時使用兩個圖像傳感器接收并解調3個LED發送的三維坐標信息；所述LED燈源與所述圖像傳感器之間的距離為h；所述兩個圖像傳感器上方各自固定有一個參數完全相同的透鏡，所述透鏡焦距為f，用于對3個LED光源發出的光線進行空間分離；所述透鏡與圖像傳感器的距離為f，所述透鏡中心位于圖像傳感器中心的正上方；兩個圖像傳感器之間的距離為L，兩個圖像傳感器能夠進行定位的未知點P位于兩透鏡連線的中點；步驟3：確定LED光源在圖像傳感器上生成的LED圖像的中心位置，所述的LED圖像為LED光源發出的光經過透鏡進行空間分離后被圖像傳感器接收，在圖像傳感器上生成的光斑圖像，近似為圓。步驟4：利用已知參數h、f、L，并通過三角幾何關系分別計算出3個LED燈源與未知點P之間的距離d1、d2、d3，過程如下：步驟4.1：計算LED圖像中心到圖像傳感器中心的距離i；步驟4.2：過LED燈作一條垂直于透鏡平面的垂線長度為h，由此LED、垂足以及透鏡的中心就構成了一個直角三角形。所述的垂足即為所述垂線與透鏡平面的交點；步驟4.3：LED圖像中心、圖像傳感器中心以及透鏡中心同樣構成一個直角三角形，兩條直角邊的長度分別為f和i。由于該直角三角形與LED和透鏡構成的直角三角形相似，利用兩個三角形相似關系，即可求得LED到一個透鏡中心的距離；同理，求得LED到另一個透鏡中心的距離；步驟4.4：利用步驟4.3中求得的LED分別到兩個透鏡中心的距離以及未知點P到透鏡的距離，通過三角形的余弦定理就可求得LED到未知點P的距離；同理，求得3個LED與未知點P的距離分別為d1、d2、d3，所述未知點P到透鏡的距離為L/2。步驟5：利用已接收到的3個LED燈的三維坐標信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)以及3個LED與未知點P的距離d1、d2、d3，使用兩點之間的距離公式建立3條距離方程，聯立方程組求解得到未知點的三維坐標。...

【技術特征摘要】
1.一種基于雙圖像傳感器和可見光通信技術的高精度室內定位方法，
其特征在于：所述室內定位方法包括如下步驟：
步驟1：在室內的天花板上安裝一個LED陣列；所述的LED陣
列至少要有3個LED燈源，同時LED分布不能夠共線；
步驟2：利用可見光通信技術，3個LED燈源在照明的同時發送
各自的三維坐標信息(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，同時使用兩個圖
像傳感器接收并解調3個LED發送的三維坐標信息；所述LED燈源
與所述圖像傳感器之間的距離為h；
所述兩個圖像傳感器上方各自固定有一個參數完全相同的透鏡，
所述透鏡焦距為f，用于對3個LED光源發出的光線進行空間分離；
所述透鏡與圖像傳感器的距離為f，所述透鏡中心位于圖像傳感器中心
的正上方；兩個圖像傳感器之間的距離為L，兩個圖像傳感器能夠進
行定位的未知點P位于兩透鏡連線的中點；
步驟3：確定LED光源在圖像傳感器上生成的LED圖像的中心
位置，所述的LED圖像為LED光源發出的光經過透鏡進行空間分離
后被圖像傳感器接收，在圖像傳感器上生成的光斑圖像，近似為圓。
步驟4：利用已知參數h、f、L，并通過三角幾何關系分別計算出
3個LED燈源與未知點P之間的距離d1、d2、d3，過程如下：
步驟4.1：計算LED圖像中心到圖像傳感器中心的距離i；
步驟4.2：過LED燈作一條垂直于透鏡平面的垂線長度為h，由
此LED、垂足以及透鏡的中心就構成了一個直角三角形。所述的垂足
即為所述垂線與透鏡平面的交點；
步驟4.3：LED圖像中心、圖像傳感器中心以及透鏡中心同樣構

\t成一個直角三角形，兩條直角邊的長度分別為f和i。由于該直角三角
形與LED和透鏡構成的直角三角形相似，利用兩個三角形相似關系，
即可求得LED到一個透鏡中心的距離；同理，求得LED到另一個透
鏡中心的距離；
步驟4.4：利用步驟4.3中求得的LED分別到兩個透鏡中心的距
離以及未知點P到透鏡的距離，通過三角形的余弦定理就可求得LED
到未知點P的距離；同理，求得3個LED與未知點P的距離分別為
d1、d2、d3，所述未知點P到透鏡的距離為L/2。
步驟5：利用已接收到的3個LED燈的三維坐標信息(x1,y1,z1),(x2,
y2,z2),(x3,y3,z3)以及3個LED與未知點P的距離d1、d2、d3，使用兩
點之間的距離公式建立3條距離方程，聯立方程組求解得到未知點的
三維坐標。
2.如權利要求1所述的基于雙圖像傳感器和可見光通信技術的高精度
室內定位方法，其特征在于：所述步驟3中，確定LED光源在圖像傳
感器上生成的LED圖像的中心位置的過程如下：
步驟3.1：將LED光源近似為廣義朗伯光源。所述廣義朗伯光源
在某一點(x,y,z)的光照強度計算公式如下：
f ( x , y , z ) = ( z - Z ) m f 0 [ ( x - X ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：付明磊，朱偉俊，樂孜純，
申請(專利權)人：浙江工業大學義烏科學技術研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江;33