一种基于LED灯具光定位和定向轮组合定位的方法与流程

本发明涉及一种定位方法，尤其是一种基于led灯具光定位和定向轮组合定位的方法。

背景技术：

随着社会的发展，定位技术的不断提高，众所周知，gps很强大，定位精度可以达到米级，被各行各业使用。不过它也有一个很明显的缺陷，就是在室内没有gps信号时不能定位。在室内出现各种各样的定位技术，主要有rfid、蓝牙、zigbee、wifi、uwb等，但由于定位精度、硬件布置及成本等问题，一直没有得到很好的应用。在大型商场、机场或其他区域，人们在室内容易迷失方向，急迫需要具有定位导航的产品。

利用室内led定位灯具，将需要定位的信息编译成一段调制信号，用脉宽调制的方法附加到led定位灯具的驱动电流上，利用室内的光源作为发射载体，让每一盏led定位灯具都变成了一个gps小卫星，以不增加任何硬件的智能接收设备接收并解码，解析出led定位灯具发送的身份识别信息，利用所获取的身份识别信息在地图数据库中确定对应id，完成定位。led定位灯具光定位方法的定位精度高，但需要摄像头实时拍摄到led定位灯具，在室内会存在部分区域没有led定位灯具，导致单独使用led定位灯具光定位方法无法达到连续定位，不适宜长时间使用。

技术实现要素：

为解决在室内存在部分区域没有led定位灯具，导致出现光定位盲区的缺陷，本发明提供一种基于led灯具光定位和定向轮组合定位的方法，在利用室内led定位灯具光定位系统的基础上，将导航车的车轮改装成定向轮，并且在导航车上安装位移监测定位装置，在没有led灯光的区域实现连续定位导航，同时可以减少led定位灯具铺设，实现室内无盲区的高精度定位。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于led灯具光定位和定向轮组合定位的方法，它包括以下步骤：

步骤一，将导航车的车轮改装成定向轮，并且在导航车上安装位移监测定位装置；当导航车在led照明区域时，位移监测定位装置采集led定位灯具的发光器件发光时的图像信息和导航车的方向信息，并将采集到的信息通过无线模块传送给后台服务器的光定位系统处理，通过三角函数算法，得到导航车的坐标信息；

步骤二，当导航车不在led照明区域时，位移监测定位装置实时采集导航车行驶时的距离、方向、速度及时间，将采集到的信息通过无线模块送给后台服务器的位移监测系统，位移监测系统以光定位系统提供的导航车定位信息为参考，通过测程法、位移及极坐标算法，得到导航车的坐标信息；

步骤三，当导航车再次进去led照明区域时，采用光定位系统获得的定位信息来校正位移监测系统的导航参数，包括导航车的坐标信息、速度及方向。

进一步地，位移监测定位装置由两个光电码盘和主控制器构成，两个光电码盘分别安装在两个定向轮上；

光电码盘通过光栅板产生明暗相间变化，由光敏元件接收并将光电信号转换成电脉冲信号，用于计算室内存在部分区域没有led定位灯具时导航车的行驶距离、方向、速度和时间；

主控制器包括电池、充电模块、电源管理模块、中央处理模块、图像采集器、方向传感器和无线通信模块，电池、充电模块以及电源管理模块用于给主控制器提供电源，以及对电池充放电进行管理；中央处理模块用于处理光电码盘传输的数据以及led定位灯具的led发光器件和图像采集器之间的距离信息；图像采集器用于采集led定位灯具的led发光器件发光时的图像并进行处理，再传输到中央处理模块；方向传感器用于采集导航车行驶的方向信息；无线通信模块用于将中央处理模块处理的光电码盘传输的数据和采集到的图像信息及方向信息通过无线传送给后台服务器的光定位系统。

进一步地，位移监测定位装置中的光电码盘测得的导航车的行驶距离、方向、速度和时间通过接口传送给导航车上的主控制器。

进一步地，光电码盘中有两个光敏元件，两个光敏元件的输出信号在相位上相差90°，车轮转动一周，光敏元件输出n个脉冲信号；车轮半径为r，若光电码盘在t时间内输出m个脉冲信号，通过测程法计算出导航车的车轮在t时间内两轮行驶的距离l。

进一步地，主控制器采用智能终端设备或其他便携式设备；

智能终端设备为内置android、windows或ios系统的智能手机、平板电脑或笔记本电脑。

进一步地，步骤二中当导航车不在led照明区域时，位移监测系统以光定位系统提供的导航车的坐标(x0，y0)为参考坐标，继续推动导航车行走，在平面直角坐标系下，将平面直角坐标平移，再通过极坐标运算，以及还原平面直角坐标，得到导航车的坐标(x1，y1)。

有益效果：

1.本发明利用光定位系统和位移监测系统组合定位，实现了室内无盲区的高精度定位。

2.本发明利用led定位灯具的定位信息对位移监测定位装置监测的数据进行校正，位移监测定位装置计算误差越小，定位精度越高。

3.本发明减少了led定位灯具安装密度，节省了成本，增强了定位系统的适用性。

附图说明

图1为本发明一实施例定位id的ook编码示意图；

图2为本发明一实施例定位id的曼彻斯特编码示意图；

图3为本发明一实施例led恒流驱动电路增加定位信号发射模块的示意图；

图4为本发明一实施例可见光室内定位技术编码规则的实例示意图；

图5为本发明一实施例超市超市购物导航车车轮的改装示意图；

图6为本发明一实施例位移监测定位装置的整体结构图；

图7为本发明一实施例主控制器的结构示意图；

图8为本发明一实施例位移监测定位装置与智能终端设备的连接示意图；

图9为本发明一实施例光电码盘的工作原理图；

图10为本发明一实施例led定位灯具与摄像头中心的距离所采用的三角函数关系示意图；

图11为本发明一实施例摄像头在距离led定位灯具d的圆上的示意图；

图12为本发明一实施例超市购物导航车的方向α的示意图；

图13为本发明一实施例小车行驶的坐标示意图；

图14为本发明一实施例平面直角坐标系平移后小车行驶的坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以超市购物导航车为例，提出一种基于led灯具光定位和定向轮组合定位的方法，其他机场，仓库等具有相同的功能。

首先将定位信号编译为led定位灯具1可以发射的脉宽信号：

例如：id：1382(十进制)→10101100110(二进制)；

1.直接使用二进制ook编码方式将1/0信号直接加载到led定位灯具1的驱动电流上：

id：1382(十进制)→10101100110(二进制)，如图1所示；

2.为了方便led定位灯具1闪烁，将二进制1/0信号变为曼彻斯特编码，1→10，0→01：

id：1382(十进制)→10101100110(二进制)→1001100110100101101001，如图2所示。

其次，如图3所示，在led定位灯具1内部的led恒流驱动电路15与led灯珠12之间插入定位信号发射模块11。将如图4所示的编码规则形成的编码信号通过led灯珠12发送出来。

再将超市购物导航车5的后两自由轮4改装成定向轮3，如图5所示，定向轮3只可以向前或向后运动，并且在超市购物导航车5上安装位移监测定位装置。

上述位移监测定位装置，如图6所示，由左侧光电码盘33、右侧光电码盘34和主控制器31构成，左侧光电码盘33和右侧光电码盘34分别安装在左定向轮35和右定向轮36上；光电码盘通过光栅板产生明暗相间变化，由光敏元件接收并将光电信号转换成电脉冲信号，用于计算室内存在部分区域没有led定位灯具1时导航车5的行驶距离、方向、速度和时间。

上述主控制器31，如图7所示，包括电池311、充电模块312、电源管理模块313、中央处理模块314、图像采集器315、方向传感器316和无线通信模块317。充电模块312，电池311以及电源管理模块313用于给主控制器31提供电源，以及对电池311充放电进行管理，使电池311的使用寿命更长。中央处理模块314用于处理光电码盘传输的数据以及led灯珠12和图像采集器315之间的距离信息。图像采集器315用来采集led灯珠12发光时的图像，利用图像采集器315拍摄出明暗变化的条纹图片，通过中央处理模块314解析出对应的id信息(二进制)，实现读取id的目的。方向传感器316用于采集超市购物导航车5行驶的方向信息。无线通信模块317用于将中央处理模块314处理的光电码盘传输的数据和采集到的图像信息通过无线传送后台服务器的定位系统，实现定位。

上述主控制器31可以使用智能终端设备2(内置android，windows或ios系统的智能手机、平板电脑或笔记本电脑)，也可以使用其他便携式设备。以智能终端设备2为例，图像采集器315采用智能终端设备2的摄像头，方向传感器316采用智能终端设备2的指南针和陀螺仪，只需要在左定向轮35和右定向轮36上分别安装左侧光电码盘33和右侧光电码盘34就可以实现位移监测功能，将光电码盘测得脉冲信号通过接口32传送给超市购物导航车5上的主控制器31，如图8所示。

上述光电码盘，如图9所示，工作原理如下：

光电码盘中有a、b两个光敏元件，a、b两个光敏元件的输出信号在相位上相差90度。当b光敏元件先检测不到光线时，说明车轮是向前移动的，a、b两组光敏元件都检测不到光线的时候，车轮向前移动了半步，当a光敏元件检测不到光线的时候，车轮转动向前移动了一步，反之，当a光敏元件先检测不到光线时，说明车轮是向后移动的，a、b光敏元件都检测不到光线的时候，车轮向后移动了半步，当b光敏元件检测不到光线的时候，车轮转动向后移动了一步。车轮转动一周，码盘上的光敏元件就会输出n个脉冲信号。

然后，如图10所示，led定位灯具1到智能终端设备2的摄像头中心的图像距离dp，(xl，yl)到图像中心的距离，根据图像信息可以计算出led定位灯具1相对于智能终端设备2的摄像头的距离。预先计算摄像头的每个像素与距离之间的对应关系，摄像头图像距离(像素距离)dp对应距离dpt，计算led定位灯具1到摄像头中心的距离d＝dpt*(f+h)/f，其中f为摄像头焦距，h为摄像头到led定位灯具1的高度。计算出led定位灯具1到摄像头中心的距离d，并判断出摄像头中心在距离led定位灯具1d的圆上，如图11所示。

再利用智能终端设备2内置的指南针和陀螺仪，判读出当前状态下超市购物导航车5的方向α，如图12所示。

通过解析出的id信息可以得出led定位灯具1的坐标(xl，yl)，摄像头中心在距离led定位灯具1d的圆上和超市购物导航车5的方向α，可以计算出超市购物导航车5的坐标(x0,y0)：

x0＝xl+d*cosα

y0＝yl+d*sinθα

在不考虑异常状态情况下，用户推动超市购物导航车5，小车的移动路径可由光电码盘提供。设车轮转1周输出码盘脉冲信号n个；车轮半径为r，若光电码盘在一段时间内输出m个脉冲信号，则该车轮在这段时间内行进的距离为：

根据两轮光电码盘输出脉冲数量m1，m2的差异，计算得到两轮转过的角度，设两轮间距离为d，转弯时，内侧车轮(右定向轮36)转过的弧长r为l1，外侧车轮(左定向轮35)转过的弧长为l2，内侧轮转弯半径为r外侧轮转弯半径为r+d,内侧车轮的光电码盘输出数量为m1，外侧车轮的光电码盘输出数量为m2。2轮转过的弧度为θ，可得：

内轮l1＝θ×r

外轮l2＝θ×(r+d)

在此转弯过程中l1,l2由光电码盘的输出数据计算而来，则有：

计算出两轮的转弯半径：

转弯角度：

根据内侧和外侧车轮转过的弧长为l1、l2，且行驶过程中的时间t已知，计算出内侧(右定向轮36)和外侧(左定向轮35)车轮的行驶速度v1,v2：

当v1＜v2时，超市购物导航车5右转；

当v1＞v2时，超市购物导航车5左转；

当v1＝v2时，超市购物导航车5向前，或向后行走。

在超市购物导航车5行驶从led照明区域进入与无led照明区域时，通过智能终端设备2内置的指南针和陀螺仪来判断超市购物导航车5的行驶方向，位移监测系统一开始会以光定位系统提供的导航车5坐标(x0,y0)为参考坐标，继续推动超市购物导航车5行驶行走，如图13所示：

将平面直角坐标xoy平移到x'o'y'计算出(x1,y1)的坐标，如图14所示，可以计算出：

δx'＝(r+d/2)*cos(-(π/2-α))＝(r+d/2)*sinα

δy'＝(r+d/2)*sin(-(π/2-α))＝(r+d/2)*-cosα

x'o'y'坐标下：

δx＝x0+δx

δy＝y0+δy

将平面直角坐标xoy平移到x'o'y'则偏移方程为：

x'＝x+δx

y'＝y+δy

在xoy平面直角坐标(x0,y0)，在x'o'y'坐标下的坐标(x'0,y0')带入偏移方程求解，可得坐标(x0+δx,y0+δy)。

由于在平面直角坐标系下只适合求解点的平移变动，点(x'0,y0')到x'轴的角度为θ'，若要求θ'的角度需要在极坐标系下才能求解，(x'0,y0')的极坐标为(r+d/2,θ')。

超市购物导航车5的初始坐标点在平面x'o'y'直角坐标和在平面x'o'y'极坐标分别为(x0+δx,y0+δy)和(r+d/2,θ')，则有

小车行驶到(x1,y1)位置时的转弯角度为θ，在平面x'o'y'直角坐标下的坐标为(x'1,y'1)，对应的极坐标为(r+d/2,θ'-θ)，则可以计算出(x'1,y'1)坐标：

x'1＝(r+d/2)*cos(θ'-θ)

y'1＝(r+d/2)*sin(θ'-θ)

x'o'y'在原直角坐标系xoy的偏移方程为：

x＝x'-δx

y＝y'-δy

(x'1,y'1)在原直角坐标系xoy下(x1,y1)的坐标可计算得出：

x1＝x'1-δx＝(r+d/2)*cos(θ'-θ)-δx

y1＝y'1-δy＝(r+d/2)*sin(θ'-θ)-δy

其中：

δx'＝(r+d/2)*sinα

δy'＝(r+d/2)*-cosα

当小车继续在无led照明区域向前行驶时，位移监测系统此时会以(x1,y1)的坐标为参考坐标，以超市购物导航车5的方向为参考方向，计算过程同上。

超市购物导航车5在无led照明区域行驶过程中通过定向轮3位移计算推车位移过程中，位移监测系统的导航参数存在累积误差，当导航车5再次进去led照明区域时，采用光定位系统获得的定位信息来校正位移监测系统的导航参数，包括导航车5的坐标信息、速度及方向，减少超市购物导航车5行驶的累积误差，使超市购物导航车5定位信息更加准确。

对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。