一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统的制作方法

本发明涉及室内定位导航技术领域，尤其涉及一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统。

背景技术：

目前定位技术的应用范围越来越广泛，例如在普通的商业活动、地质勘探、科学研究和抢险搜救等领域都有重要的应用。据调查，人们平均80％～90％的时间是在室内环境中活动的，这就使得提供可靠的室内定位服务显得更为重要了。但是传统的基于无线通信的室内定位技术由于其精度低和抗干扰性能比较差，无法满足一些特定的需求。

相比于基于无线电波的室内定位技术，基于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的室内定位技术有如下的优点：(1)LED既可以提供照明，又可以提供基于VLC的通信及定位等服务动能，实现照明通信服务一体化。(2)基于VLC的室内定位系统不会产生射频干扰，因此那些无线通信被限制使用的场合可以得到使用。(3)基于VLC的定位系统受到多径效应的影响和来自其他无线设备的干扰较小，所以相比于基于无线电波的定位系统能提供更高的定位精度。

目前可见光定位系统主要是采用PD和摄像头作为光接收器，基于摄像头的可见光定位系统可以实现更高的定位精度。目前基于摄像头的定位导航系统主要受到两方面的挑战，一是利用CMOS摄像头卷帘效应识别LED标签的方法受到摄像头分辨率的限制，因为分辨率的大小限制了识别频率的范围和收发端之间的距离，同时高分辨率的摄像头势必带来高成本和高功耗，这对经济效益是不利的；二是基于摄像头的特征码字识别LED标签的方法受到摄像头帧率的限制，根据研究得知当信号的频率大于200Hz的情况下，人眼不会察觉到LED的闪烁，但是商用摄像头的帧率普遍为30～60帧，这就导致了在商用摄像头上使用这种定位方法势必会带来LED闪烁的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统，突破了现有定位系统中采用高分辨率和高帧率的摄像头来解决LED闪烁问题方法的限制，可降低制造成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统，包括：发射端模块与接收端模块；其中：

发射端模块包括：控制单元与若干LED灯；所述控制单元产生特征码字信号，并经过LED灯的驱动电路来控制LED灯的光功率变化，从而控制光强变化；

接收端模块包括：摄像头、可见光衰减片、FPGA和上位机；所述可见光衰减片设置在摄像头的前端，通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区；所述FPGA用于控制摄像头的工作方式，并对摄像头采集到的图像预处理后发送给上位机，由上位机实现定位与导航。

所述发射端模块发射信号的频率根据摄像头的帧率来设定，设摄像头帧率为f_r，特征码字信号的每个比特时间为t_s，则f_r＝n/t_s，从而确保特征码字信号的每个比特信息至少被摄像头采样一次，其中的n为大于等于1的整数。

所述通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区包括：

设可见光衰减片的衰减系数为α，则将光功率衰减到原来的1/α，从而通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区，使得在不借助可见光衰减片时的饱和区变成在借助可见光衰减片情况下的线性区；从而在满足照明约束条件的线性区范围内采用浅调制的方法来避免LED灯闪烁的问题，且摄像头能根据捕获图像的灰度变化正确解码。

所述浅调制的方法包括：降低特征码字信号的调制深度。

定位方式包括单灯定位与多灯定位；其中：

单灯定位时，所述接收端模块根据采集的某一LED灯的图像解码相应的特征码字，从而获得相应LED灯的位置，单灯定位的精度为LED灯照明区域的半径；

多灯定位时，LED灯的数量需大于等于三，且三个LED灯不在一条直线上；所述接收端模块根据参与多灯定位的每一LED灯的图像解码相应的特征码字，再根据获得的特征码字并结合基于摄像头AOA的定位方法实现对当前地理位置信息的估计，定位精度为厘米级。

接收端模块根据采集的LED灯的图像解码相应的特征码字包括：

接收端将连续捕获的图像作差分处理，再进行霍夫变换后确定LED灯的图像，并确定感兴趣区域ROI，再计算ROI的平均灰度值，通过将平均灰度值与预设的灰度阈值进行比较从而解出相应的特征码字。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，无需使用高分辨率和高帧率的摄像头，而是通过采用降低调制深度和借助可见光衰减片作为辅助设备的方式，来实现商用摄像头的无闪烁定位，可以降低系统的制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的浅调制方法的示意图；

图3为本发明实施例提供的特征码字设计和差分解码的过程示意图；

图4为本发明实施例提供的实验测试LED的伏安特性曲线图；

图5为本发明实施例提供的实验测试的不加可见光衰减片和加可见光衰减片的发射端模块电压和图像灰度的关系示意图；

图6为本发明实施例提供的可见光衰减片NE20A的衰减特性示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统，如图1所示，其主要包括：发射端模块(Transmitter components)与接收端模块(Receiver components)；其中：

发射端模块包括：控制单元(Control Unit)与若干LED灯(记为LED A～LED N)；其中LED灯的具体数量可以根据实际情况来确定。

发射端模块中，控制单元产生特征码字信号，并经过LED灯的驱动电路来控制LED灯的光功率变化，从而控制光强变化。

接收端模块包括：摄像头(Camera)、可见光衰减片(ONDF)、FPGA和上位机(PC)；所述可见光衰减片设置在摄像头的前端，通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区；所述FPGA用于控制摄像头的工作方式，并对摄像头采集到的图像预处理后发送给上位机，由上位机实现定位与导航。

本领域技术人员可以理解，LED灯的光强与光功率成正比。

为了便于理解，下面针对系统的原理做详细说明。

1)发射端模块信号设计：发射端模块的特征码字信号可采用强度调制，发射信号的频率可根据摄像头的帧率来设定，设摄像头帧率为f_r，特征码字信号的每个比特时间为t_s，则f_r＝n/t_s，从而确保特征码字信号的每个比特信息至少被摄像头采样一次，其中的n为大于等于1的整数。

2)人眼感知LED闪烁特性：经过实验发现，假如发射端模块采用单频的方波信号，那么当信号频率大于50Hz时，人眼就基本上感知不到LED的闪烁了。假如发端信号加载了特征码字信号，那么只有当信号的频率大于200Hz时，人眼才不会感知到LED的闪烁。

3)浅调制的方法解决LED的闪烁：目前商用摄像头的帧率在30～60帧，根据前述发射端模块特征码字信号的频率来看，势必会带来LED的闪烁问题。因此，可以考虑采用降低特征码字信号调制深度的方法(即浅调制方法)来解决LED的闪烁问题，目的是让人眼感知不到LED的闪烁，但是，摄像头仍然可以感知到光功率的变化。

示例性的，浅调制方法的示意图如图2所示，在满足照明约束的条件下，采用不同的高低电平代表逻辑1和0，通过减小高低电平差Δ，确保人眼感知不到闪烁。同时要保证在该高低电压控制下的光功率均在摄像头响应光功率的线性区。该示意图中的特征码字为10010。

4)摄像头感知光功率变化的特性：经过实验发现，摄像头感知光功率变化的线性区很小，当光功率大于一定光功率的条件下，摄像头的感知能力就饱和了。同时通过实验可以发现摄像头感知光功率变化的线性区是在LED处于微亮的状态下的，若在该线性区范围内采用浅调制的方法来解决LED的闪烁问题就不能够满足照明约束的条件。

5)可见光衰减片特性：借助可见光衰减片可以提高摄像头感知光功率变化的线性区。假设可见光衰减片的衰减系数为α，则将光功率衰减到原来的1/α，从而通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区，使得在不借助可见光衰减片时的饱和区变成在借助可见光衰减片情况下的线性区；从而在满足照明约束条件的线性区范围内采用浅调制的方法来避免LED灯闪烁的问题，且摄像头能根据捕获图像的灰度变化正确解码。

从上述原理可以看到，本系统通过采用降低调制深度和借助可见光衰减片作为辅助设备的方式，来实现商用摄像头的无闪烁定位，因而无需使用高分辨率和高帧率的摄像头，可降低系统的制造成本。

另外，本系统还的定位方式可以分为单灯定位与多灯定位，两种分别应对不同的场景和不同的定位精度需求，其中：

单灯定位时，所述接收端模块根据采集的某一LED灯的图像解码相应的特征码字，从而获得相应LED灯的位置，单灯定位的精度为LED灯照明区域的半径；也就是说，该系统只要保证接收端模块可以正确解析发端的特征码字即可；如果接收端模块通过带可见光衰减片与摄像头的智能终端来实现，那么可以在智能终端上直接开发相应的定位导航软件，相应的LED灯位置信息加载到定位导航界面上。

多灯定位时，LED灯的数量需大于等于三，且三个LED灯不在一条直线上；所述接收端模块根据参与多灯定位的每一LED灯的图像解码相应的特征码字，再根据获得的特征码字并结合基于摄像头AOA的定位方法实现对当前地理位置信息的估计，定位精度为厘米级。

在定位过程中，对特征码字采用差分解码的方式。假如特征码字的长度为N，那么将这个N比特长度的特征码字循环周期的发送出去。在接收端模块，对连续捕获的图像作差分处理，这样是为了减小背景噪声，并确定灰度阈值。再对差分图像做霍夫变换，目的是为了找到LED灯的图像区并确定ROI(region of interest)，最后计算差分图像ROI的平均灰度值，通过和灰度阈值比较解出特征码字。因此为了保证能够正确区别发送端模块的特征码字信息，必须确保所有特征码字差分编码后循环移位形成的新的码字不同。图3显示了特征码字设计和差分解码的过程，其中特征码字1101可以被解码成0110、1100、1001和0011这四个码字。

另一方面，还基于本系统进行了实验测试。

如图4所示为本发明实施例提供的实验测试LED的伏安特性曲线图。通过实验发现当电压大于9.9V时，伏安特性饱和了。

如图5所示为本发明实施例提供的实验测试的不加可见光衰减片和加可见光衰减片的发射端模块电压和图像灰度的关系示意图；从左至右4条曲线分别为：不加可见光衰减片、可见光衰减片的衰减系数为α＝10％、可见光衰减片的衰减系数为α＝1％、可见光衰减片的衰减系数为α＝0.1％。该可见衰减片采用是THORLABS公司的产品，通过实验测试发现，通过加可见衰减片可以提高摄像头响应光功率的线性区，而且提高的程度随着衰减系数的减小而增大。在该LED下，当发射端模块电压大于8.5V的情况下，才可以提供正常照明。但是在大于8.5V的情况下，不加衰减片的情况是处于饱和区，加衰减片的情况处于线性区。因此可以说明通过加衰减片可以提高摄像头响应光功率的线性区，在该线性区满足照明约束条件的范围内可以采用浅调制的方法解决LED的闪烁问题。

如图6所示为THORLABS公司生产的可见光衰减片NE20A的衰减特性示意图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。