用于隧道应急情况下的可见光定位及图像传输装置

1.本实用新型涉及一种定位和图像传输装置，尤其是涉及一种用于隧道应急情况下的可见光定位及图像传输装置。


背景技术：

2.目前，随着道路交通和物流行业的快速发展以及私家车的全面普及化，出行的安全性与便捷性受到了越来越多的关注。其中定位和导航仪器已成为绝大多数人出行必备品，是安全高效出行的保障。
3.当下全球定位系统（gps）在开阔的室外环境中已经得到了广泛应用，但是在占中国国土总面积的69.1%的山区，隧道是大多数人出行难以避免的行驶途径。在隧道环境中，由于无线信号的衰减和多径效应的影响，gps定位精度十分有限，无法提供可靠的位置服务。
4.当前主流的隧道环境定位系统为uwb定位系统。该系统由传感器、有源定位标签和定位平台三个组成部分组成，结构示意图如附图1所示。定位标签以ubw脉冲信号作为载体，将位置信息发射到传感器,传感器接受到信号后采用tdoa和aoa定位算法对标签位置进行分析，最终通过有线以太网传输到ilocate服务器。通过定位平台软件分析，将定位目标真实地以虚拟动态三维效果显示出来。uwb定位系统存在以下缺陷。首先，uwb系统复杂度和成本较高。其次，uwb系统占用了很高的带宽，存在干扰其他无线通信系统的可能。最后，工作频段较高频宽较大，遇到实体阻挡，会使得uwb信号衰减60
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70%，定位精度严重下降。
5.而目前常见的用于图像传输的近距离无线通信技术有许多种，其中应用较为广泛的是蓝牙（bluetooth）。它能够在10米的半径范围内实现点对点或一点对多点的无线数据和声音传输，其数据传输带宽可达1mbps、通讯介质为频率在2.402ghz到2.480ghz之间的电磁波。蓝牙技术可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如pc、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，实现各类设备之间随时随地进行通信。但它目前存在的主要问题是芯片大小和价格较高以及抗干扰能力较弱。
6.传统的通信方式应用范围很广，但因其信号不易穿透建筑物，因而覆盖例如地下室，地下停车场，特别是隧道等封闭区域。但随着我国公路建设步伐的进一步加快，特别是山区高速公路的发展，其催生的隧道数量急剧增长。由于隧道具有内部空间狭小、结构复杂、封闭性强等特点，导致gps系统在隧道内部失去定位功能，给汽车的安全、平稳行驶航带来了一定的阻碍。因此需要一种新技术来实现隧道车辆定位以及信息传输。
7.现有的其他短距离无线定位及图像传输技术有着精度较低、无线频谱资源消耗严重、工程实施成本高、系统布局复杂的缺点，而可见光定位及图像传输技术作为可见光通信技术主要应用之一，其充分利用现有照明设施的同时，不占用传统射频，提高了频谱资源的利用率，且可见光定位及图像传输装置所用到的led灯，具有绿色环保，成本较低等优点，还可以获取较高的定位精度。同时在隧道这样的黑暗条件下，可见光通信技术有了相较于在室外有光线的地点更精确的定位精度以及更远的图像传输距离。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中的不足，本实用新型设计一种用于隧道应急情况下的可见光定位及图像传输装置，其技术方案如下：用于隧道应急情况下的可见光定位及图像传输装置，包括隧道、车辆、基于图像传感器的可见光定位部分的发射模块及其接收模块、可见光图像传输部分的发送模块和接收模块以及输出模块；其特征为：所述基于图像传感器的可见光定位部分的发射模块包括隧道中已知位置坐标的三盏led灯，所述三盏led灯位于同一平面构成三角形；所述车辆的顶部安装基于图像传感器的可见光定位部分的接收模块；所述车辆的侧边安装可见光图像传输部分的发送模块；所述隧道内壁安装可见光图像传输部分的接收模块和输出模块。
9.优选为：所述隧道为单向行驶隧道，且以隧道入口路面最左端为坐标原点建立空间直角坐标系。
10.优选为：所述led灯为隧道内壁上现有的照明用途的led灯。
11.优选为：基于图像传感器的可见光定位部分的发射模块还包括控制电路，所述控制电路包括单片机、开关电源；所述单片机输出pwm控制信号控制开关电源中三极管的导通关断，进而实现所述三盏led灯按照相应频率闪烁。
12.优选为：所述隧道内壁是指隧道内台阶侧。
13.优选为：所述基于图像传感器的可见光定位部分的接收模块包括单目usb相机、pc计算机、stm32单片机和tft显示屏；所述单目usb相机将捕捉到三盏led灯图像传输给pc计算机，所述pc计算机对图像进行处理得到车辆的位置信号并通过stm32单片机驱动tft显示位置信息。
14.优选为：所述可见光图像传输部分的发送模块包括驱动模块，所述驱动模块包括模拟摄像头、驱动电路和led；所述模拟摄像头将其捕捉到的模拟图像信号传输给驱动电路，驱动电路将信号放大，利用电流调制使驱动电路中的led发出光信号，并传递给可见光图像传输部分的接收模块。
15.优选为：所述可见光图像传输部分的接收模块包括接收电路，所述接收电路由光电二极管和放大电路构成，所述光电二极管将接收的光信号还原为电信号，所述放大电路将电信号放大后输出到可见光图像传输部分的输出模块。
16.优选为：所述输出模块为视频播放器。
17.优选为：所述隧道每隔一定距离安装一个可见光定位部分的发射模块，每个发射模块中led灯闪烁频率各不相同。
18.有益效果
19.本实用新型的定位部分结构简单成本较低，干扰性小，且定位效果更加具体迅速。首先，本装置利用将调制信号加载在隧道中已有的led上，既节约成本绿色环保，也不影响正常的交通运输。其次，以可见光作为载体传输信号，不占用传统信号的频谱，与其他无线通信系统也互不干扰。以图像传感器即单目usb相机作为接收装置，不仅可以得到位置坐标，还能得到物体的方向角进一步得到汽车的位姿，使装置在信息处理方面更加高效。本实用新型的图像传输部分采用模拟信号传输视频，使得装置更为简单易操作。
附图说明
20.图1为隧道uwb定位系统结构示意图；
21.图2为本实用新型装置具体结构示意图；
22.图3为本实用新型基于图像传感器（is）的可见光定位部分发射模块示意图；
23.图4为本实用新型基于图像传感器（is）的可见光定位部分发射模块电路图；
24.图5为本实用新型基于图像传感器（is）的可见光定位部分接收模块pnp算法的示意图；
25.图6为本实用新型基于图像传感器（is）的可见光定位部分接收模块示意图；
26.图7为本实用新型可见光传输部分装置流程图；
27.图8为本实用新型可见光传输部分发送模块的驱动电路电路图；
28.图9为本实用新型可见光传输装置接收模块的接收电路电路图。
29.其中1隧道；2汽车；3led灯；4模拟可见光信道；5基于图像传感器（is）的可见光定位部分的接收模块；6可见光图像传输部分的发送模块；7可见光图像传输部分的接收模块和输出模块。
具体实施方式
30.用于隧道应急情况下的可见光定位及图像传输装置主要由基于图像传感器is的可见光定位部分以及可见光图像传输部分组成，装置的具体结构图如附图2所示。
31.用于隧道应急情况下的可见光定位及图像传输装置，包括隧道、车辆、基于图像传感器（is）的可见光定位部分的发射模块及其接收模块、可见光图像传输部分的发送模块和接收模块以及输出模块；其特征为：所述基于图像传感器（is）的可见光定位部分的发射模块包括隧道中已知位置坐标的三盏led灯，所述三盏led灯位于同一平面构成三角形；所述车辆的顶部安装基于图像传感器（is）的可见光定位部分的接收模块；所述车辆的侧边安装可见光图像传输部分的发送模块；所述隧道内壁安装可见光图像传输部分的接收模块和输出模块。
32.如附图3
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4所示。基于图像传感器（is）的可见光定位部分的发射模块主要由三极管开关电路与三个已知位置坐标的led灯构成，利用stm32f103单片机三个引脚，输出频率分别为100khz、50khz、25khz的三种pwm信号，利用pwm信号控制三极管开关电路的通断，进一步实现三个led灯按照相应频率闪烁。所述隧道每隔一定距离安装一个可见光定位部分的发射模块，每个发射模块除led灯闪烁频率不同外，其余完全相同，以此达到定位信号全面覆盖隧道的效果。
33.如附图5
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6所示。基于图像传感器（is）的可见光定位部分的接收模块由单目usb相机、pc计算机、stm32单片机和tft显示屏构成。接收模块通过单目相机捕捉到3个led图像传输给在pc机，利用公知的open cv图像处理软件将3个不同频率的led的id解码。再利用pnp算法对is的位姿进行计算，该算法为常用的3d
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2d位姿估计方法，属于本领域技术人员常规算法（如中国专利申请：cn2020111067871，cn2017113988037，cn2017112865612，cn202010192036x都采用了该pnp算法实现位姿的计算），下面我们对该算法过程做出针对性的阐述：将2d像素坐标转换为归一化图像坐标系下的坐标，得到led灯在图像平面上的投影两两间夹角的余弦值，再通过单目相机成像的几何公式得到图像传感器到三个led灯的
距离和单位向量，从而得到led在相机坐标系中的3d位置；再将led灯的真实世界坐标与相机坐标匹配成对，这三对3d
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3d特征点对便可通过svd算法（即奇异值分解，该svd算法可以将任意矩阵分解成两个单位正交阵以及一个广义对角阵，在最优化问题、统计学、图像处理和自然语言处理等方面都有十分重要的应用，属于图像处理领域技术人员常规算法。）获得相机的平行矩阵和旋转矩阵，最后计算得到摄像机的位置坐标和方向角。计算得到is的位姿后，采用stm32单片机驱动tft显示接收端的位置信息。使得车辆内部人员及时了解其所处的位置坐标，寻找最近的应急求救点，即本新型实用装置可见光图像传输接收模块所在点。当车辆到达应急求救点时，车辆内部人员可以利用可见光图像传输部分将车辆及人员的情况传递至隧道外，以方便隧道外救助人员实施救援。
34.可见光图像传输部分主要由供电模块、发送模块、接收模块、输出模块等组成。发送模块利用模拟摄像头将其捕捉到的模拟图像信号传输给驱动电路，驱动电路将信号放大，利用电流调制使驱动电路中的led发出光信号，并传递给可见光图像传输部分的接收模块。接收模块远距离接收发送模块发出的光信号，将其转化为电信号传入输出模块，输出模块利用视频播放器输出对应的视频信息。每个模块都由供电模块进行供电。本装置的流程图如附图7所示，其中车辆侧边安装的是可见光图像传输部分的发送模块，隧道内壁（隧道内台阶侧）安装的是可见光图像传输部分的接收模块和输出模块，可见光图像传输部分的供电模块分别对可见光图像传输部分的发送模块和接收模块供电。对于可见光图像传输部分的供电模块，本装置采用锂电池和升压模块进行供电。调节升压模块中的变压器，使电池电压达到发送模块和接收模块所要求的电压等级。对于可见光图像传输部分的发送模块，其驱动电路的电路图如附图8所示，其主要由模拟摄像头、驱动电路和led组成，模拟摄像头将其拍摄的图像通过模拟信号的形式传输给驱动电路，驱动电路将信号放大，利用电流调制使led发光，即完成将模拟信号转化为光信号的过程。对于可见光图像传输部分的接收模块，其接收电路的电路图如附图9所示，其由光电二极管和放大电路构成，光电二极管接收可见光图像传输部分发送模块中led所发射出的光信号，并将其还原为电信号，放大电路将电信号放大后输出到输出模块。可见光图像传输部分的输出模块由视频播放器组成，在本装置中，用导线将接收电路输出端连接至视频播放器，即可实现视频传输。
35.利用隧道中现有的照明用途的led灯，选取位于同一平面中构成三角形的三盏led灯，隧道中行驶的车辆顶部安装有基于is的可见光定位部分的接收模块5，用于接收led灯所发射出的可见光信号，用于汽车内部人员对车辆所在具体位置的确定。隧道内壁每间隔一定距离都有应急求救点，当车辆遇到应急情况时，车辆内部人员可以利用基于is的可见光定位部分确定车辆所处于隧道中的位置，并且根据基于is的可见光定位部分寻找距离车辆最近的应急求救点（即可见光图像传输部分的接收模块所在的位置）。当车辆到达应急求救点时，车辆内部人员可以通过可见光图像传输部分发送模块中的模拟摄像头将与车辆及人员情况有关的模拟图片或视频信号输入至可见光图像传输部分发送模块中，模块中的驱动电路将信号放大，利用电流调制使驱动电路中的led发出光信号，并传递给可见光图像传输部分的接收模块，可见光图像传输部分的接收模块将光信号还原为电信号并传输至可见光图像传输部分的输出模块，便于隧道外救护人员根据可见光图像传输部分输出模块中的视频播放器显示的隧道内部人员及车辆情况的图像信息实施救援。
36.本实用新型运用可见光通信技术，可以获取较高的定位精度，克服了gps在隧道环
境内由于无线信号的衰减和多径效应的影响定位精度严重下降的缺点；本实用新型充分利用现有照明设施，节约成本，装置结构简单，克服了uwb隧道定位系统结构复杂和成本较高的缺点；本实用新型不占用传统射频，提高了频谱资源的利用率，克服了uwb隧道定位系统因其工作带宽较大影响其他信号传输的缺点。同时在隧道这样的黑暗条件下，可见光通信技术有了相较于在室外有光线的地点更精确的定位精度以及更远的图像传输距离。
37.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。