一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉室内定位应用领域，具体来讲是一种基于圆形投影的可见光定位方法及系统。本发明通过测量圆形发光平面可见光的发射角进而对接收端进行定位，本方法基于测量信号接收角可稳定的获得较高的定位精度，而且由于在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有较大的实用价值。
【专利说明】-种基于圆形投影的可见光定位方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉室内定位应用领域，具体来讲是一种基于圆形投影的可见光定位方法及 系统，通过图像处理后测得圆形发光平面的发射角进而进行定位的方法。
【背景技术】
[0002] LED (Lighting Emitting Diode)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、 环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城 市夜景等领域，势将成为下一代照明技术。LED因为具有节能、安全、可用频谱宽等优点，在 提供室内照明的同时还可应用于无线光通信系统中，同时满足室内上网以及一系列扩展应 用。基于LED的室内定位就是其中一个潜力巨大的应用方向，由于LED在室内布放位置固 定，覆盖范围较广，以各LED为参照可准确获知位置和距离，在室内实现类似GPS的定位和 导航。
[0003] 使用LED的室内可见光定位通常测量接收信号的强度（RSS，Received Signal Strength)或延时（TOA，Time of Arrive)或到信号源的接收角度（AOA，Angle of Arrive)，基于估算的到多个信号源的距离或角度，进而基于三角几何方法进行定位。定位 使用的接收端探测器采用光强探测器或成像探测器，由于光强探测器同时适用于高速通 信，所以基于光强探测器以及RSS测量方法的定位方法是研究和使用较多的定位方案。
[0004] 在基于RSS的测量定位方法中，接收光功率随通信距离的增加而非线性减小，确 定这种对应关系后，测得接收信号功率即可确定发射和接收间的距离。但由于接收光功率 通常会受到光源的亮度波动、信号光的散射和反射、以及光发送接收角等因素影响，接收光 功率的波动难以克服，由此换算得出的估算距离波动明显，直接影响最后的定位精度。目前 基于RSS的LED定位方法精度约为5-lOcm，并不能满足更高精度的定位要求。另一方面，基 于RSS的测量定位方法中需要专用高速电路发送和接收数据信号，发送和接收信号所需的 硬件昂贵而复杂，并不适于消费级别的应用。所以需要采用一种硬件易获取且定位精度高 的测量定位方案。
【发明内容】
[0005] 针对上述定位技术中存在的缺陷，本发明提出一种根据圆形发光平面的投影成像 测得光源到接收端的发射角进而进行定位的方法。基于测量信号接收角可稳定的获得较高 的定位精度，而且由于在接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成 本极低且便于携带，具有较大的实用价值。
[0006] 本发明的的技术方案是：一种基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于： 步骤1、在发射端至少有3个圆形发光平面，且信息处理端已知每个圆形发光平面的中 心位置信息和圆形发光平面与水平面的夹角信息； 步骤2、接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，一副成像图中同时获得至少3个圆形 发光平面的成像图案； 步骤3、分别测得成像图案中椭圆的长短轴长度，并计算出圆形发光平面到接收端的发 射角； 步骤4、信息处理端根据圆形发光平面的位置坐标以及其分别与接收端发射角，定位接 收端的坐标。
[0007] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面 水平放置，即圆形发光平面与水平面的夹角为〇°。
[0008] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面 为圆形的LED灯发光面。且LED灯能通过标记或发送光消息进行标识和区分。
[0009] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面 呈蜂窝状排布。
[0010] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发光平面 至少为3个，当基于多于3个LED确定接收端的坐标时，取多组三角定位的测量平均值作为 最终结果。
[0011] 如上所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤2中成像装 直为广角镜头。
[0012] 本发明还公开了一种基于圆形投影的可见光定位系统，包括至少3个圆形发光平 面、接收端和信息处理端，接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，其特征在于：信息处理 端通过通信或输入方式确定圆形发光平面的位置信息，信息处理端分别识别所拍摄圆形发 光平面的椭圆形面，测得成像中椭圆的长短轴长度，并分别计算出圆形发光平面到接收端 的发射角，再根据三角定位原理联立方程求得接收端坐标信息。
[0013] 本发明的有益效果在于：通过对圆形发光平面的投影成像，可测得圆形发光平面 的发射角进而进行定位。该方法基于光信号的发射角可获得较高的定位精度，而且由于在 接收端可使用手机等便携设备进行成像探测和算法处理，硬件成本极低且便于携带，具有 较大的实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例圆形LED发光面的投影，长短轴长度比与发射角关系的原理 图； 图2为本发明实施例根据三个LED发射角确定接收端坐标的原理图； 图3为本发明实施例处理流程图。
【具体实施方式】
[0015] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0016] 本发明的原理是：对于具有圆形发光面的LED灯具，在其下方不同角度下有不同 的投影。直径为M的圆形发光面投影为不同的椭圆，椭圆的长轴是圆的平行于这个投影面 的直径的投影；短轴是圆的与上述直径相垂直的直径的投影，如图1所示。假设投影面到发 光面圆心的距离一定，且暂忽略成像的镜头失真的影响，则投影成像的短轴的长度Zsilfflrf 与长轴的长度Zjanr比是发射角度Q的函数，满足/ = cos (<9)。因 此根据发光面的椭圆成像的长短两轴的长度比可以很容易求得发射角0。
[0017] 在使用广角镜头进行成像时，镜头到发光面圆心的距离远近影响了投影的长短 轴在成像中的长短，但忽略成像的镜头失真的情况下，可认为长短轴等比例变化，因此 Zdorf / T改7变，$景如向求发射角0。
[0018] 根据三角几何的成像条件，需要至少3个光源作为定位参考点。如图2,当选取 3个LED光源时，选取各灯具圆形发光面的圆心作为参考点，坐标为（Xi，yi，Zi) (i=l、 2、3)，接收端的坐标为（xe，ye，ze)，各光源到接收端的发射角为(i=l、2、3)，对于
【权利要求】
1. 一种基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于： 步骤1、在发射端至少有3个圆形发光平面，且信息处理端已知每个圆形发光平面的中 心位置信息和圆形发光平面与水平面的夹角信息； 步骤2、接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，一副成像图中同时获得至少3个圆形 发光平面的成像图案； 步骤3、分别测得成像图案中椭圆的长短轴长度，并计算出圆形发光平面到接收端的发 射角； 步骤4、信息处理端根据圆形发光平面的位置坐标以及其分别与接收端发射角，定位接 收端的坐标。
2. 如权利要求1所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发 光平面水平放置，即圆形发光平面与水平面的夹角为0°。
3. 如权利要求1所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的圆形发 光平面为圆形的LED灯发光面，且LED灯能通过标记或发送光消息进行标识和区分。
4. 如权利要求1、2或3所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的 圆形发光平面呈蜂窝状排布。
5. 如权利要求1、2或3所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述的 圆形发光平面多于3个LED确定接收端的坐标时，取多组三角定位的测量平均值作为最终 结果。
6. 如权利要求1、2或3所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述步 骤2中成像装置为广角镜头。
7. 如权利要求1、2或3所述的基于圆形投影的可见光定位方法，其特征在于：所述圆 形发光平面为整圆、环状或圆弧状发光面，也可是多个分离光源组成的整圆、圆环或圆弧形 灯带。
8. -种基于圆形投影的可见光定位系统，包括至少3个圆形发光平面、接收端和信息 处理端，接收端通过成像装置拍摄圆形发光平面，其特征在于：信息处理端通过通信或输 入方式确定圆形发光平面的位置信息，信息处理端分别识别所拍摄圆形发光平面的椭圆形 面，测得成像中椭圆的长短轴长度，并分别计算出圆形发光平面到接收端的发射角，再根据 三角定位原理联立方程求得接收端坐标信息。
【文档编号】G01S5/16GK104391274SQ201410662709
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】刘武, 杨超, 杨奇 申请人:武汉邮电科学研究院