一种基于可见光的室内定位方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于可见光的室内定位方法及系统，其通过使用手机内置的光照传感器和惯性传感单元采集室内的光照强度信息和手机的相对运动信息，通过利用用户移动过程中捕捉到光照强度趋势的变化特性，再结合场景的地图来计算用户在场景中的相对位置。该方案可在以零布置成本和较少的人力，以较高的精度定位用户，其适用性强，可以广泛应用在各种场景中。
【专利说明】-种基于可见光的室内定位方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及定位【技术领域】，尤其涉及一种基于可见光的室内定位方法及系统。
【背景技术】
[0002] 现如今，主流商用室内定位技术是通过在室内环境中提前布置一些无线网络设 备，利用其发送的信号强度特征来进行定位。亦或是使用一些特殊设备例如FM(频率调制） 信号接收器，RFID(射频识别技术）信号接收器，利用这些特殊设备独有的特性来进行定 位。
[0003] 然而，基于无线网络信号的定位技术精度较低，在超市、图书馆这样的大场景中易 出现较大定位误差，且提前布置这些设备的要求也一定程度上影响了方案的易用性。与此 同时，基于特殊设备的室内定位方案由于特殊设备的布置成本等限制，应用性不够广泛，存 在成本和易用性等问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于可见光的室内定位方法及系统，提高了定位精度， 且无需增加其它设置。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种基于可见光的室内定位方法，该方法包括：
[0007] 实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息；
[0008] 当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并 初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；再根据当前相对运动信息及光照强度模型计 算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的 权值；
[0009] 以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r_R的圆环，在其中 生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于 所述权值门限的粒子；根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子， 从而实现室内定位。
[0010] -种基于可见光的室内定位系统，该系统包括：
[0011] 信息探测模块，用于实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息；
[0012] 粒子初始化分布及权值计算模块，用于当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值 时，结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；根据 当前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相 比较，根据比较结果确定每一粒子的权值；
[0013] 粒子删除模块，用于以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长 r_R的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值 门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；
[0014] 定位模块，用于根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒 子，从而实现室内定位。
[0015] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过使用手机内置的光照传感器和惯性 传感单元采集室内的光照强度信息和手机的相对运动信息，通过利用用户移动过程中捕捉 到光照强度趋势的变化特性，再结合场景的地图来计算用户在场景中的相对位置；该方案 可在以零布置成本和较少的人力，以较高的精度定位用户，其适用性强，可以广泛应用在各 种场景中。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 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。
[0017] 图1为本发明实施例一提供的一种基于可见光的室内定位方法的流程图；
[0018] 图2为本发明实施例二提供的一种光照强度影响因素的示意图；
[0019] 图3为本发明实施例二提供的光照传感器受到多光源影响的示意图；
[0020] 图4为本发明实施例二提供的一种室内位置定位四个阶段的流程图；
[0021] 图5为本发明实施例三提供的一种基于可见光的室内定位系统的示意图。
【具体实施方式】
[0022] 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。
[0023] 实施例一
[0024] 图1为本发明实施例一提供的一种基于可见光的室内定位方法的流程图。如图1 所示，该方法主要包括：
[0025] 步骤11、实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息。
[0026] 本步骤可以基于智能手机内置的光照传感器和惯性传感器来实现。
[0027] 步骤12、当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三 维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；再根据当前相对运动信息及光照强 度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每 一粒子的权值。
[0028] 本发明实施例中，探测到的光照强度S大于阈值之前所探测到的光照强度信息都 将被抛弃，该阈值可以根据实际情况或者经验来设置。
[0029] 本发明实施例中，每一粒子对应的光照强度可以将该粒子的三维坐标及当前相对 运动信息带入光照强度模型中进行计算；其中，所述相对运动信息包括：移动终端的旋转 状态。
[0030] 本步骤中，将计算每到的粒子对应的光照强度与所述光照强度S相比较，可以实 现初步定位；即两个光照强度大小越接近用户处理该粒子所在位置的可能性越大，此时，赋 予的权值则越大；反之，赋予较小的权值。
[0031] 步骤13、以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆 环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删 除权值小于所述权值门限的粒子。
[0032] 本发明实施例中，随着用户的行走，在初始化分布粒子之后还将产生许多新的粒 子。
[0033] 用户在室内行走的步长一般为r_R(可根据实际情况设置），可以以初始化分布粒 子为圆心构建半径为r-R的圆环，则新产生的粒子则落在该圆环中。
[0034] 再计算每一新粒子的权值：根据新粒子的三维坐标、当前相对运动信息及光照强 度模型计算每一新粒子对应的光照强度，并与光照强度S相比较来确定理论权值；将该新 粒子对应的理论权值与其父粒子的权值相乘，将相乘结果作为该新粒子的权值。
[0035] 最后，设置一权值门限，删除权值小于所述权值门限的粒子；权值越小则表示用户 出现在该粒子所在位置的可能性较低，这样，则可减少的计算量。
[0036] 步骤14、根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而 实现室内定位。
[0037] 本发明实施例中，根据预设的判断机制来实现室内定位，主要有如下三种方式：
[0038] 1)当剩余粒子所处的空间区域小于设定的最小区域阈值（例如， 0. 5X0. 5X0. lm3)，则将该空间区域作为用户当前所处位置。
[0039] 2)当剩余粒子中某一粒子的权值大于预设值（例如，若最大权值为1，该预设值可 设为〇. 5)时，将该粒子的位置作为用户当前所处位置；
[0040] 3)当用户行走的距离超过最大行走距离时（例如，行走了 20步），将权重最高的 粒子的位置作为用户当前所处位置。
[0041] 本发明实施例通过使用手机内置的光照传感器和惯性传感单元采集室内的光照 强度信息和手机的相对运动信息，通过利用用户移动过程中捕捉到光照强度趋势的变化特 性，再结合场景的地图来计算用户在场景中的相对位置；该方案可在以零布置成本和较少 的人力，以较高的精度定位用户，其适用性强，可以广泛应用在各种场景中。
[0042] 实施例二
[0043] 为了便于理解本发明，下面结合附图2-4对本发明做进一步说明。
[0044] 首先，预先建立光照强度模型。
[0045] 本发明实施例提供一种基于可见光的室内定位方法。场景现有的照明设备（日光 灯，LED等）可以视为点光源，并持续发送可见光信号。由于场景中照明设备的光源特性未 知，在进行定位之前，首先需要若干采集人员手持移动终端（例如，手机），在场景的每个灯 下采集一定量的数据，来获得每一个灯的光照强度特征。采集的数据格式为（X，y，z，r，L s)。 其中，（x，y，z)，为手机的三维坐标，可以由采集者预先制定；r为手机的旋转矩阵，可由惯 性传感器采集；L S为手机传感器采集到的光照强度，单位为勒克斯。Ls用于和后续计算得到 的每一个粒子的光照强度作比较，来赋予不同粒子不同的权值。
[0046] 当采集完上述基础数据后，则可实现室内定位。在实际应用中，用户在移动时，手 机光照传感器接收到的光照强度和三个因素有关：光源相对于手机的辐射角Φ，相对于手 机平面光线的入射角Θ以及光源到手机的距离d，具体可参见图2。在获得手机的相对坐 标后和对应光源的位置之后，则可以计算出以上三个变量。
[0047] 光源相对于手机的福射角Φ满足物理学原理朗伯定律（Lambert Cosine Law)，公 式如下：
[0048] Ls' = L〇cos ( Φ) (1)；
[0049] 其中，Ls'为光照传感器接收到的光照强度。固定光源和接收端位置后，接收端能 够接收到的最大光强U是每个灯独有的光照强度系数。最大光强U在手机的正面朝向和 入射光线平行（夹角为0度）时得到。当手机的正面朝向和入射光线垂直的时候夹角为90 度。当夹角大于等于90度的时候，接收到的光照强度为0。（受环境光的影响，接收到的数 值可能会稍有变动，可以忽略不计）。
[0050] 由于使用普通手机的光照传感器作为光照强度的接收端，不能满足相对于手机平 面光线的入射角Θ的理想光照模型。经过对实际数据的观察和拟合，采用高斯方程来表达 入射角Θ和光照强度L s的关系：
[0051]
【权利要求】
1. 一种基于可见光的室内定位方法，其特征在于，该方法包括： 实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息； 当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时，结合室内地图构建一个三维空间并初始 化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；再根据当前相对运动信息及光照强度模型计算每 一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权值； 以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R的圆环，在其中生成 新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门限，删除权值小于所述 权值门限的粒子；根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从而 实现室内定位。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前相对运动信息及光照强度 模型计算每一粒子对应的光照强度包括： 将粒子的三维坐标及当前相对运动信息带入光照强度模型中进行计算，获得每一粒子 对应的光照强度； 具体的：每一粒子对应的光照强度受到4个光源的影响，根据每一粒子的三维坐标及 当前相对运动信息计算每一光源相对于该粒子的辐射角Φ，相对于该粒子平面光线的入射 角Θ，每一光源到该粒子的距离d ; 带入下述公式计算每一光源光照强度系数U:
再结合每一光源光照强度系数U来计算每一粒子对应的光照强度La :
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与所述光照强度S相比较，根据比较 结果确定每一粒子的权值包括： 与所述光照强度S的大小越接近，则权值越大；否则，权值越小。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算每一新粒子的权值包括： 根据新粒子的三维坐标、当前相对运动信息及光照强度模型计算每一新粒子对应的光 照强度，并与光照强度S相比较来确定理论权值； 将该新粒子对应的理论权值与其父粒子的权值相乘，将相乘结果作为该新粒子的权 值。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的判断机制从剩余的粒子 中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位包括： 当剩余粒子所处的空间区域小于设定的最小区域阈值，则将该空间区域作为用户当前 所处位置； 当剩余粒子中某一粒子的权值大于预设值时，将该粒子的位置作为用户当前所处位 置； 当用户行走的距离超过最大行走距离时，将权重最高的粒子的位置作为用户当前所处 位置。
6. -种基于可见光的室内定位系统，其特征在于，该系统包括： 信息探测模块，用于实时探测在室内行走时的光照强度及相对运动信息； 粒子初始化分布及权值计算模块，用于当某一时刻探测到的光照强度S大于阈值时， 结合室内地图构建一个三维空间并初始化分布若干粒子来模拟用户的当前位置；根据当 前相对运动信息及光照强度模型计算每一粒子对应的光照强度，并与所述光照强度S相比 较，根据比较结果确定每一粒子的权值； 粒子删除模块，用于以所述初始化分布的若干粒子为圆心构建半径为行走过步长r-R 的圆环，在其中生成新的粒子来表示行走轨迹，并计算每一新粒子的权值；设置一权值门 限，删除权值小于所述权值门限的粒子； 定位模块，用于根据预设的判断机制从剩余的粒子中找出与当前位置对应的粒子，从 而实现室内定位。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粒子初始化分布及权值计算模块包 括： 光照强度计算模块，用于将粒子的三维坐标及当前相对运动信息带入光照强度模型中 进行计算，获得每一粒子对应的光照强度； 具体的：每一粒子对应的光照强度受到4个光源的影响，根据每一粒子的三维坐标及 当前相对运动信息计算每一光源相对于该粒子的辐射角Φ，相对于该粒子平面光线的入射 角Θ，每一光源到该粒子的距离d ; 带入下述公式计算每一光源光照强度系数U:
再结合所述每一光源光照强度系数U来计算每一粒子对应的光照强度La :
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粒子初始化分布及权值计算模块包 括： 权值确定模块，用于所述与所述光照强度S相比较，根据比较结果确定每一粒子的权 值，包括：与所述光照强度S的大小越接近，则权值越大；否则，权值越小。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粒子删除模块包括： 新粒子权值计算模块，用于计算每一新粒子的权值，包括：根据新粒子的三维坐标、当 前相对运动信息及光照强度模型计算每一新粒子对应的光照强度，并与光照强度S相比较 来确定理论权值；将该新粒子对应的理论权值与其父粒子的权值相乘，将相乘结果作为该 新粒子的权值。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据预设的判断机制从剩余的粒子 中找出与当前位置对应的粒子，从而实现室内定位包括： 当剩余粒子所处的空间区域小于设定的最小区域阈值，则将该空间区域作为用户当前 所处位置； 当剩余粒子中某一粒子的权值大于预设值时，将该粒子的位置作为用户当前所处位 置； 当用户行走的距离超过最大行走距离时，将权重最高的粒子的位置作为用户当前所处 位置。
【文档编号】G01C21/16GK104048661SQ201410299901
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】胡益清, 熊焰, 黄文超, 王行甫 申请人:中国科学技术大学