本发明涉及室内定位技术领域，具体为一种基于图标成像的室内定位系统及方法。
背景技术：
室内定位技术是卫星定位技术的必要补充,具有非常广泛的应用前景,目前采用的室内定位方法主要有基于可见光信号强度的室内定位方法、基于指纹标记的室内定位方法、基于频分多址的室内定位方法、可见光多接收点几何中心定位方法、基于光源成像的室内定位法，除此之外，还有不同室内可见光定位方法结合在一起的定位方法。
这些定位方法的共同之处是必须在定位基站与定位接收端之间建立单向或双向通信连接关系,这样的定位系统结构相对复杂,且容易受到室内环境因素的影响和其它信号的干扰。另外，基于光源成像的室内定位法通常需要图像传感器测量信号接收端在三维空间中的方位角、俯仰角和光源到成像点的距离，由于测量精度制约，系统的定位精度不高，特别是光源成像存在严重的光晕现象，成像模糊造成测量精度误差大。
技术实现要素：
针对以上，本发明针对现有的室内定位方法存在的这些问题，提出一种基于图标成像的定位方法，由单个图像传感器对分布于室内的图标成像，通过对图标所成图像的识别和成像位置的标定,在此基础上根据相应算法进行精确定位，此方法不需要在基站与定位接收端之间建立通信连接关系，也不需要测量光线角度和测距，同时能避免光源成像模糊的问题，大大简化了定位系统的结构，可大幅度提高定位的精度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于图标成像的室内定位系统，包括图标和成像定位处理系统，至少设有三个非共线所述图标，所述图标分别布置于室内顶部平面上，所述成像定位处理系统包括透镜组、图像传感器、成像信号处理及定位计算模块；所述透镜组用于对所述图标的成像，所述图像传感器用于对图标成像并完成光电转换的功能，所述透镜组与所述图像传感器构成成像系统，所述成像信号处理及定位计算模块通过对信号放大、滤波、图标成像点位置确定、图标识别、图标在图像传感器成像平面的成像点到成像平面中心的距离si值计算后计算出定位点坐标。
进一步的，所述成像信号处理及定位计算模块还具有图标成像质量优选的功能，可以选择3个最佳成像的图标作为定位图标，优选成像图标的依据主要有：图标的成像质量、成像非共线和成像面积最小化。
进一步的，所述成像定位处理系统还包括光滤波薄膜，所述光滤波薄膜用于改善成像质量，提高系统可靠性。
进一步的，所述成像定位处理系统还包括调节组件，所述调节组件用于调节所述透镜组和所述图像传感器使所述图标分布平面、所述透镜平面和所述图像传感器成像平面相互平行。
进一步的，所述调节组件还用于自动调整成像平面与焦平面距离，使得在成像最清晰的位置完成图标的识别。
一种基于图标成像的室内定位方法，基于上述基于图标成像的室内定位系统，包括以下步骤：
s1：成像定位处理系统对图标坐标赋值；
s2：通过透镜组、图像传感器对布置于室内顶部平面上的图标成像；
s3：成像定位处理系统对成像的图标进行识别，并优选出三个成像效果最佳的图标；
s4：利用任意三个非共线的图标及其在成像系统传感器平面成像点的连线所构成的几何关系，结合图像传感器信号接收平面面积及像素密度大小，成像信号处理及定位计算模块计算确定待定位点l的坐标值。
进一步的，所述步骤s4中计算确定待定位点l的坐标值包括：图标在图像传感器屏幕的成像点到成像平面中心的距离si计算、待定位点坐标、结果评估及优化和待定位坐标输出。
进一步的，待定位点坐标(x,y,z)计算方法为：
(x-xi)2+(y-yi)2＝di2-h2,i＝1,2,3
z＝zi-h
上述公式中：设定3个非共线的图标坐标分别为l1(x1，y1,z1)、l2(x2，y2,z2)、l3(x3，y3,z3),它们到待定位点l的距离分别为d1、d2、d3,l为待定位点即透镜中心，通过l的透镜平面与传感平面平行，透镜平面中心l到传感平面中心n的垂直距离为v，v＝f+α，f为透镜焦距,α为大于0的正数，m为图标l1通过透镜在成像平面的成像，h为图标l1到透镜平面的垂直距离,也即为待定位点到图标分布平面的垂直距离；d1＝h(v2+s12)1/2/v,s1为n到m的距离,同理可得其它图标到定位点l的距离相同表达式di＝h(v2+si2)1/2/v；根据成像公式：f-1＝h-1+v-1。缩小的图标像利于提高si的计算精度，为得到缩小的图标像，要求h大于2f，有f<v<2f，h越大像平面越靠近焦平面，成像越小，越利于提高定位精度，故本发明在图标识别成功的基础上，通过调整成像平面与焦平面的距离使得选定的图标像最小化，以提高si值的计算精度。
进一步的，所述si的计算方法为:
si＝[(a2+b2)w2/t]1/2
上述公式中：传感器平面有效面积为w2,像素为t,则单位像素的面积为w2/t,n在成像平面的像素点坐标为(x0′,y0′)，m的坐标为(xm′,ym′)，x方向像素点数a,y方向像素点数b,a、b由成像信号处理及定位计算模块测定。
本发明的有益效果是：本发明只需要通过单个图像传感器接收信号，接收装置结构简单；本发明不需要测量光束的角度值，避免角度测量的精度不高所带来的定位误差，同时也减少额外的角度测量器件使用所带来的系统复杂性问题；本发明不需要直接测距，避免了测距过程中各种因素影响造成的测距精度低的问题，这也是目前提高室内定位精度所遇到的主要困难之一；本发明不需要在基站与定位接收端之间建立通信连接关系,大幅降低系统复杂度，提升系统可靠性；本发明能避免通过光源成像定位所带来的光晕现象和成像模糊的问题,提高了测量精度；本发明大大简化了定位系统的结构，同时大幅提高系统定位精度，可实现厘米以内的3维空间定位。本发明的图标分布规划方法简单、图标种类及几何结构丰富多样，图标分布规划可与室内装饰结合，并在室内装修装饰时实施,便于节省工程成本。
附图说明
图1为本发明基于图标成像的室内定位系统原理图。
图2为本发明基于图标成像的室内定位系统图像传感平面及si长度与单位像素面积关系示意图。
图3为本发明基于图标成像的室内定位系统结构图。
图4为本发明基于图标成像的室内定位系统图标分布一实施规划平面图。
图5为本发明基于图标成像的室内定位系统图标分布规划另一实施方式平面图。
图6为本发明基于图标成像的室内定位方法流程图。
【具体实施方式】
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种基于图标成像的室内定位系统，包括图标1和成像定位处理系统2，至少设有三个非共线图标1，本实施例中图标1设有若干个分别布置于室内顶部平面上，若干个图标具有不同的标识区分，且每个图标有确定的坐标值，图标分别为规律的几何结构，相邻图标间的距离a，可根据室内空间大小和定位系统的精度要求进行调整，由于图标分布是严格规律的几何结构，可以通过其中一个图标的平面精确坐标推断所有其它图标的平面坐标，这样便于在接收端初始化图标坐标值，不用逐个输入每个图标的坐标，当定位端移动到另一个房间或室内空间后，系统只需切换到相应的图标分布系统并赋图标坐标值即可，这样可提高定位系统运行效率和对不同图标规划的适应性。
成像定位处理系统2包括透镜组21、图像传感器23、成像信号处理及定位计算模块24；透镜组21用于对所述图标的成像，图像传感器23用于对图标成像并完成光电转换的功能，透镜组21与图像传感器23构成成像系统，成像信号处理及定位计算模块24通过对信号放大、滤波、图标成像点位置确定、图标识别、图标在图像传感器成像平面的成像点到成像平面中心的距离si值计算后计算出定位点坐标。成像信号处理及定位计算模块24还具有图标成像质量优选的功能，可以选择3个最佳成像的图标作为定位图标，优选成像图标的依据主要有：图标的成像质量、成像非共线和成像面积最小化程度。成像定位处理系统2还包括光滤波薄膜22，光滤波薄膜22用于改善成像质量，提高系统可靠性。成像定位处理系统2还包括调节组件，调节组件用于调节透镜组21和图像传感器23使图标1分布平面、透镜组中心平面21和图像传感器23成像平面相互平行。所述调节组件还用于自动调整成像平面与焦平面距离，使得在成像最清晰的位置完成图标的识别。
一种基于图标成像的室内定位方法，基于上述基于图标成像的室内定位系统，包括以下步骤：
s1：成像信号处理及定位计算模块初始化，成像定位处理系统对图标赋值；
s2：通过透镜组、图像传感器对布置于室内顶部平面上的图标成像；
s3：成像定位处理系统对成像的图标进行识别，并优选出三个成像效果最佳的图标；
s4：利用任意三个非共线的图标及其在成像系统传感器平面成像点的连线所构成的几何关系，结合图像传感器信号接收平面面积及像素密度大小，成像信号处理及定位计算模块计算确定待定位点l的坐标值。
进一步的，所述步骤s4中计算确定待定位点l的坐标值包括、图标在图像传感器平面的成像点到成像平面中心的距离si计算、待定位点坐标、结果评估及优化和待定位坐标输出。
进一步的，待定位点坐标(x,y,z)计算方法为：
(x-xi)2+(y-yi)2＝di2-h2,i＝1,2,3
z＝zi-h
上述公式中：设定3个非共线的图标坐标分别为l1(x1，y1,z1)、l2(x2，y2,z2)、l3(x3，y3,z3),它们到待定位点l的距离分别为d1、d2、d3,l为待定位点即透镜中心，通过l的透镜平面与传感平面平行，透镜平面中心l到传感平面中心n的垂直距离为v，v＝f+α，f为透镜焦距,α为大于0的正数，m为图标l1通过透镜在成像平面的成像，h为图标l1到透镜平面的垂直距离,也即为待定位点到图标分布平面的垂直距离；d1＝h(v2+s12)1/2/v,s1为n到m的距离,同理可得其它图标到定位点l的距离相同表达式di＝h(v2+si2)1/2/v；根据成像公式：f-1＝h-1+v-1。
进一步的，所述si的计算方法为:
si＝[(a2+b2)w2/t]1/2
上述公式中：传感器平面有效面积为w2,像素为t,则单位像素的面积为w2/t,n在成像平面的像素点坐标为(x0′,y0′)，m的坐标为(xm′,ym′)，x方向像素点数a,y方向像素点数b,a、b由成像信号处理及定位计算模块测定。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。