一种基于颜色空间强度分布的室内可见光定位方法与流程

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本发明属于室内可见光定位领域，具体是一种基于颜色空间强度分布的室内可见光定位方法。

背景技术：

随着无线技术和移动互联的发展，为了满足室内环境下的定位导览、公共安全及应急响应、社交和市场推广等诸多需求，室内定位的重要性日益突显。除应用范围较广的卫星定位技术和蜂窝定位技术外，wifi、蓝牙、红外、超宽带和rfid等定位技术在室内定位方面具有相当多的应用。

室内可见光定位技术，作为可见光通信技术在室内定位领域的应用，在利用现有室内照明设备的基础上进行拓展实现定位功能，对系统和环境负担较轻，具备非常良好的发展前景。

现有技术中室内定位算法方面，大致分为基于测距和测距无关两大类。基于测距的基本方法有使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法，利用到达时间(toa)、到达时间差(tdoa)、到达角(aoa)和接收信号强度(rssi)等信息实现定位。测距无关的算法则根据网络对通性等信息加以实现，有质心算法和近似三角形内点测试法等。

基于测距的室内定位算法利用的是待测点与多个观测点在不同距离下的参数计算出距离，从而得出待测点的具体定位结果。如利用接收信号强度的方法需要建立庞大的数据库或根据环境得出的稳定复杂的衰减建模公式来进行定位，利用到达时间或到达时间差的方法需要待测点准确接收到至少三个已知观测点发送的带有时间信息的信号来实现定位，利用到达角的方法则需要极高的发射接收精度用以角度测量从而实现定位。这些方法的测距特性导致系统对观测精度的要求较高，受环境影响较大，且在定位平面上位置与距离的映射关系比较复杂。

对于测距无关的室内定位算法，如质心算法和近似三角形内点测试法，是通过几何理论来定位的方法，算法依赖于众多理论基础。若是网络中节点数目不足或节点既有情况不好，如存在节点分布不规律等问题，则会使定位方法在定位精度上存在很大的误差，定位精度下降，甚至于无法完成定位，不利于推广和使用。

技术实现要素：

本发明针对上述提出的测量过程中待测点和观测点之间对测量数据的精度需求很高的问题，以及由实测值进行算法映射算出具体定位结果的过程太过复杂，提出了一种基于颜色空间强度分布的室内可见光定位方法，简单易部署，定位速度快且精度高；通过协同控制多路可见光光源的发射码型，在整个空间区域内构造颜色空间强度分布以实现室内可见光环境下快速便捷定位。

所述的基于颜色空间强度分布的室内可见光定位方法，具体步骤如下：

步骤一、针对某室，根据室内环境和用途将led所在平面分为大小相等的方形区域，每个区域均匀排布相同数量的灯组；

首先，根据用户所需的光照亮度以及led的规格划分区域的数量以及区域内的灯组数量；

每个区域包含m×n个led灯组，第m行第n列灯组表示为lm,n，每个led灯组均包含红绿蓝三个色路；每个色路上串联若干个形状规律均匀排布的rgb-led灯珠；每个区域的m行n列结构相同，组成区域灯组阵列，每个色路分别视为点光源，行列相邻灯组间距离为d，阵列边缘的灯组离此区域边界距离为d/2；

步骤二、对每个区域按顺序进行编号，并二进制转换成区域码ci，每个区域对应唯一的区域码，构成区域排布图；

区域码ci采用明码转换，对区域编号进行二进制转换，同时加以填充码使每个区域码型占空比达到定值。

步骤三、分析区域排布图，对每个区域各定义一个区域特征值si，并对各区域的行列进行命名；

区域特征值si范围为1、2、3和4；

特征值si为1的区域为基准区域，行列命名为：从上至下依次是第1行，第2行，…，第m行；从左至右依次是第1列，第2列，…，第n列。

特征值si为2的区域行列命名规律与特征值si为1的区域横向对称，即从上至下依次是第1行，第2行，…，第m行；从左至右依次是第n列，第n-1列，…，第1列。

特征值si为3的区域行列命名规律与特征值si为1的区域纵向对称，即从上至下依次是第m行，第m-1行，…，第1行；从左至右依次是第1列，第2列，…，第n列。

特征值si为4的区域行列命名规律与特征值si为1的区域横纵两个方向均对称，即从上至下依次是第m行，第m-1行，…，第1行；从左至右依次是第n列，第n-1列，…，第1列。

si＝1的区域和si＝2的区域横向相邻，si＝3的区域和si＝4的区域横向相邻，且在邻接边两侧列名同为n或1，纵向行名变化一致。si＝1的区域和si＝3的区域纵向相邻，si＝2的区域和si＝4的区域纵向相邻，且在邻接边两侧行名同为m或1，横向列名变化一致。

相同特征值区域的灯组阵列行列排布规律相同且不相邻。不同特征值区域的灯组阵列行列排布规律不同但邻接区域间行列排布之一相同，保证其半单调性。

步骤四、存储各个区域的区域特征值si，每个区域码ci对应唯一的区域特征值，形成区域码与特征值的映射表ci→si；

步骤五、每个区域内的所有灯组连接到各自的区域控制器上，所有区域控制器连接到总控制器上。

每个区域内配有一个区域总控制器cco和三个区域色路控制器：区域红光色路控制器ccr，区域绿光色绿控制器ccg和区域蓝光色路控制器ccb；

区域红光色路控制器ccr与区域内所有灯组的红光色路相连；区域绿光色路控制器ccg与区域内所有灯组的绿光色路相连；区域蓝光色路控制器ccb与区域内所有灯组的蓝光色路相连；

所有区域控制器连接到空间总控制器c。

步骤六、总控器分别下发控制信号以及各区域的特征值si，控制各区域的颜色空间具备强度变化特性规律。

具体为：

i)、总控器下发控制信号，每个区域的蓝光色路控制器ccb控制该区域内所有灯组的蓝光色路，以广播的形式发送本区域的区域码ci；

ii)、总控制器给每个区域控制器下发各自的区域特征值si，各区域控制器根据各自的行列命名，控制本区域内绿光色路在行增大的方向上强度沿梯度变化，红光色路在列增大的方向上强度沿梯度变化；

针对某区域，控制该区域内绿光色路在行增大方向上强度沿梯度变化的过程具体为：

首先，绿光色路控制器ccg设置该区域的第1行作为基准占空比，设为ag％，行梯度占空比为tg％；则第m行灯组的绿色路信号占空比为[ag+tg(m-1)]％；

然后，第1行灯组的正下方该单色光光强定为行基准光强ag，相邻行灯组正下方该单色光光强差为行梯度光强为tg，即第m行灯组的正下方该单色光光强为[ag+tg(m-1)]；

最后，达成区域颜色空间内绿色光强特征符合单调函数关系：绿色光强大小随着该区域命名的行数单调递增。

控制该区域内红光色路在列增大方向上强度沿梯度变化的过程具体为：

首先，红光色路控制器ccr设置该区域的第1列作为基准占空比，设为ar％，列梯度占空比为tr％，则第n列灯组的红光色路信号占空比为[ar+tr(n-1)]％；

然后，第1列灯组的正下方该单色光光强定为列基准光强ar，相邻列灯组正下方该单色光光强差为列梯度光强为tr，即第n列灯组的正下方该单色光光强为[ar+tr(n-1)]。

最后，达成区域颜色空间内红色光强特征符合单调函数关系：红色光强大小随着该区域命名的列数单调递增。

iii)、各区域的颜色空间在列变化方向上红光强度周期性单调增或单调减，行变化方向上绿光强度周期性单调增或单调减，周期均为两个区域长度。

iv)、针对某区域的颜色空间中，同行的绿光色路和同列的红光色路码型占空比一致，且区域间排布规律一致，故各区域颜色空间强度变化一致；

针对该区域命名的第1行第1列灯组l1,1下的绿光光强值ag1和红光光强值ar1，第m行第n列灯组lm,n下的绿光光强值agm和红光光强值arn；在行列增大方向上绿红色路码型占空比增大，得到ag1<agm，ar1<arn。

v)、分别测量区域边界线处存在各自颜色的光强极大值和极小值。

特征值为1和2的区域：绿光光强变化相同，红光光强周期性变化，边界线处的红光光强极大值为armax和极小值为armin，特征值为1和3的区域：红光光强变化相同，绿光光强周期性变化，边界线处的绿光光强极大值为agmax和极小值为agmin；

光强值之间大小关系为agmax>agm>ag1>agmin，armax>arn>ar1>armin。

步骤七、用户在待测位置接收到区域内蓝光色路发送的通信码，提取出区域码ci得到所属的具体区域；

分为三种情况：

i)、若用户接收到单个区域码ci，则说明用户位于某区域灯组阵列正下方，用户直接获取ci对应的具体区域；

ii)、若用户接收到两个区域码ci；首先判断，该用户待测位置是否在两区域的边界线正下方，如果是，则该用户选择任一区域为具体区域；否则，用户待测位置位于两区域边界线的内部，通过待测点的移动测量获得其某一方向上的光强强度变化趋势来确定所在区域；

具体为：根据区域分布图和映射表ci-si中比对，得到两区域的特征值si，共分八种情况：(1，2)、(2、1)、(3，4)、(4，3)、(1，3)、(3，1)、(2，4)和(4、2)；同时获取每种情况下的边界处红光或绿光光强的极值情况；

若用户的待测位置位于红光或绿光光强极大值所处的边界线内部，则两个交接区域中红光或绿光光强值具有减小趋势的方向所指即为所在区域；若用户的待测位置位于红光或绿光光强极小值所处的边界线内部，则两个交接区域中红光或绿光光强值具有增大趋势的方向所指即为所在区域。

iii)、若用户接收到四个区域码ci，则说明用户位于四区域交界处；首先判断，该用户待测位置是否在四个区域的交界线正下方，如果是，则选择交界线两侧的任一区域为具体区域；否则，用户待测位置位于四个区域交界线的内部，通过待测点的移动测量获得其某一方向上的光强强度变化趋势来确定所在区域；

具体为：根据区域分布图和映射表ci-si中比对，得到四区域的特征值si，按顺时针顺序分四种情况：(1，2，4，3)、(2，1，3，4)、(3，4，2，1)、(4，3，1，2)；

若用户位于(1，2，4，3)，则选择红光光强值减小、且绿光光强值减小的趋势方向所指即为所在区域；

若用户位于(2，1，3，4)情况下，则选择红光光强值增大、且绿光光强值减小的趋势方向所指即为所在区域；

若用户位于(3，4，2，1)情况下，则选择红光光强值减小、且绿光光强值增大的趋势方向所指即为所在区域；

若用户位于(4，3，1，2)情况下，则选择红光光强值增大、且绿光光强值增大的趋势方向所指即为所在区域。

步骤八、获得用户所属区域的灯组l1,1的正下方坐标(x0(ci)，y0(ci))；

步骤九、用户在待测位置通过光强接收器分别接收绿光和红光，得到绿光光强测量值agx和红光光强测量值arx；

步骤十、根据颜色空间的强度变化特性，得到待测位置与灯组l1,1之间的横向距离δx以及纵向距离δy；

当用户的待测位置在灯组的正下方时，计算如下：

从该区域定位的灯组l1,1开始，根据绿光色路沿行增大的方向上各行0-1码型占空比为梯度增大，红光色路沿列增大的方向上各列0-1码型占空比为梯度增大，故颜色空间中的绿光光强在行方向上线性增大，红光光强在列方向上线性增大，由线性关系计算出横向距离δx和纵向距离δy。

当用户的待测位置在灯组阵列的外侧边缘区域，分情况讨论：

针对绿光色路，灯组l1,1的横向距离δx计算如下：

若ag1<agx<agm，则

若agmin<agx<ag1，则

若agm<agx<agmax，则

针对红光色路，灯组l1,1的纵向距离δy计算如下：

若ar1<arx<arn，则

若armin<arx<ar1，则

若arn<arx<armax，则

步骤十一、查询映射表ci→si得出用户所属的具体区域的特征值si，根据待测位置和灯组l1,1之间的距离，对比匹配定位出用户的具体位置(x,y)；

若位于特征值为1的区域，因l1,1位于区域左上角，则x＝x0(ci)+δx，y＝y0(ci)+δy；

若位于特征值为2的区域，因l1,1位于区域右上角，则x＝x0(ci)-δx，y＝y0(ci)+δy；

若位于特征值为3的区域，因l1,1位于区域左下角，则x＝x0(ci)+δx，y＝y0(ci)-δy；

若位于特征值为4的区域，因l1,1位于区域右下角，则x＝x0(ci)-δx，y＝y0(ci)-δy。

本发明的优点在于：

1)、一种基于颜色空间强度分布的室内可见光定位方法，将通常意义上的一维定位或二维定位空间化立体，在室内可见光的照明基础上，通过控制光源来实现空间内的颜色强度变化，从而使颜色空间的光强信息蕴含位置信息从而实现定位。

2)、一种基于颜色空间强度分布的室内可见光定位方法，针对不同用途和不同精度需求的环境，可以灵活选择颜色强度密度和梯度来进行排布，具有很强的可操作性。

附图说明

图1是本发明一种基于颜色空间强度分布的室内可见光定位方法的流程图；

图2是本发明划分区域并定义特征值后的区域网络行列命名规律图；

图3是本发明单区域内灯组阵列的连接方式和控制结构；

图4是本发明整体区域灯组阵列的区域划分和控制架构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明通过协同控制多路可见光光源的发射码型，在整个空间区域内构造颜色空间强度分布，以实现室内可见光环境下快速便捷定位。假设所有的led灯组都有相同的属性；接收器可接收码型和光强度(照度)，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、针对某室，根据室内环境和用途将led所在平面分为大小相等的方形区域，每个区域均匀排布相同数量的灯组；

首先，根据用户所需的光照亮度以及led的规格划分区域的数量以及区域内的灯组数量；所有的灯组位于同一物理平面上，用以照明。

每个区域包含结构相同的m行n列，共m×n个红绿蓝三色led灯组，以相同的结构组成区域灯组阵列；第m行第n列灯组表示为lm,n，每个led灯组均发出红绿蓝三种颜色，分为红绿蓝三个色路；每个色路上串联若干个形状规律均匀排布的rgb-led灯珠，同色路串联；三个色路在位置上等同，逻辑上彼此独立互不影响，各个灯组规格一样。每个色路分别视为点光源，同行或同列灯组间距均为d，阵列边缘的灯组离此区域边界距离为d/2；

步骤二、对每个区域按顺序进行编号，并二进制转换成区域码ci，每个区域对应唯一的区域码，构成区域排布图，得到区域间排布和邻接关系。

区域码ci采用明码转换，对区域编号1，2，…，s进行二进制转换，同时加以填充码使每个区域码型占空比达到定值，以满足led驱动照明目的。

步骤三、通过区域排布图进行分析，对所有区域定义区域特征值si，用以区分不同区域的不同控制方式和行列命名方式；

各区域特征值si取值为1、2、3或4；相同特征值区域的灯组阵列行列排布规律相同且不相邻。不同特征值区域的灯组阵列行列排布规律不同但邻接区域间行列排布之一相同，保证其半单调性。

如图2所示，特征值si为1的区域为基准区域，行列命名为：从上至下(y轴反向)依次是第1行，第2行，…，第m行；从左至右(x轴正向)依次是第1列，第2列，…，第n列。

特征值si为2的区域行列命名规律与特征值si为1的区域横向对称，即从上至下(y轴反向)依次是第1行，第2行，…，第m行；从左至右(x轴正向)依次是第n列，第n-1列，…，第1列。

特征值si为3的区域行列命名规律与特征值si为1的区域纵向对称，即从上至下(y轴反向)依次是第m行，第m-1行，…，第1行；从左至右(x轴正向)依次是第1列，第2列，…，第n列。

特征值si为4的区域行列命名规律与特征值si为1的区域横纵两个方向均对称，即从上至下(y轴反向)依次是第m行，第m-1行，…，第1行；从左至右(x轴正向)依次是第n列，第n-1列，…，第1列。

步骤四、存储各个区域的区域特征值si，每个区域码ci对应唯一的区域特征值，形成区域码与特征值的映射表ci→si；

步骤五、每个区域内的所有灯组连接到各自的区域控制器上，所有区域控制器连接到总控制器上。

如图3所示，每个区域内配有一个区域总控制器cco和三个区域色路控制器：区域红光色路控制器ccr，区域绿光色绿控制器ccg和区域蓝光色路控制器ccb；

区域红光色路控制器ccr与区域内所有灯组的红光色路相连；区域绿光色路控制器ccg与区域内所有灯组的绿光色路相连；区域蓝光色路控制器ccb与区域内所有灯组的蓝光色路相连；用以控制三个色路。

如图4所示，所有区域控制器连接到空间总控制器上c，达到总控的目的。

步骤六、总控器分别下发控制信号以及各区域的特征值si，控制各区域的颜色空间具备强度变化特性规律。

具体为：

i)、总控器下发控制信号，每个区域的蓝光色路控制器ccb控制该区域内所有灯组的蓝光色路，以广播的形式发送本区域的区域码ci；

区域控制器根据接收到的区域特征值si控制区域内灯组阵列的码型，以达到区域下空间在行增大方向上绿光强度梯度变化，列增大方向上红光强度梯度变化。

针对某区域，控制该区域内绿光色路在行增大方向上强度沿梯度变化的过程具体为：

绿光色路控制器ccg设置该区域的第1行作为基准占空比，设为ag％，行梯度占空比为tg％；则第m行灯组的绿色路信号占空比为[ag+tg(m-1)]％；同行灯组的绿光色路占空比一致。构成的区域色彩空间中，第1行灯组的正下方该单色光光强定为行基准光强ag，相邻行灯组正下方该单色光光强差为行梯度光强为tg，即第m行灯组的正下方该单色光光强为[ag+tg(m-1)]；达成区域颜色空间内绿色光强特征符合单调函数关系，即区域绿色光强大小随着该区域命名的行数单调递增。

控制该区域内红光色路在列增大方向上强度沿梯度变化的过程具体为：

红光色路控制器ccr设置该区域的第1列作为基准占空比，设为ar％，列梯度占空比为tr％，则第n列灯组的红光色路信号占空比为[ar+tr(n-1)]％；同行灯组的绿光色路占空比一致。构成的区域色彩空间中，第1列灯组的正下方该单色光光强定为列基准光强ar，相邻列灯组正下方该单色光光强差为列梯度光强为tr，即第n列灯组的正下方该单色光光强为[ar+tr(n-1)]。达成区域颜色空间内红色光强特征符合单调函数关系：即红色光强大小随着该区域命名的列数单调递增。

iii)、各区域控制实现完成，在整个空间内构成颜色空间，空间内具备强度变化特性规律。

各区域的颜色空间在横向(列变化)方向上红光强度周期性变化，纵向(行变化)方向上绿光强度周期性变化，周期均为两个区域长度；因此在单个区域内横向方向红光强度单调增或单调减，纵向方向绿光强度单调增或单调减。

iv)、针对某区域的颜色空间中，同行的绿光色路和同列的红光色路码型占空比一致，且区域间排布规律一致，故各区域颜色空间强度变化一致；

因此正确测量任一区域数据即可；针对该区域命名的第1行第1列灯组l1,1下的绿光光强值ag1和红光光强值ar1，第m行第n列灯组lm,n下的绿光光强值agm和红光光强值arn；在行列增大方向上绿红色路码型占空比增大，得到ag1<agm，ar1<arn。

v)、分别测量区域边界线处存在各自颜色的光强极大值和极小值。

特征值为1和2的区域其行增大方向一致，故其行增大方向(图中纵向)上绿光光强梯度增大，边界线上亦如此。而两个区域的列增大方向相反，故其列增大方向(图中横向)上红光光强周期性变化；因此区域边界线下的红光光强为极大值armax(即图中左区域si＝1右区域si＝2的边界线下)和极小值armin(即图中左区域si＝2右区域si＝1的边界线下)。同理特征值为1和3区域边界线下的绿光光强极大值agmax和极小值agmin。

具体为：特征值为1和2的区域边界线下的红光光强极大值armax和极小值armin；特征值为1和3区域边界线下的绿光光强极大值agmax和极小值agmin。

颜色空间在区域边界线处存在各自颜色的光强极大值和极小值，光强值之间大小关系为agmax>agm>ag1>agmin，armax>arn>ar1>armin。

步骤七、用户在待测位置接收到区域内蓝光色路发送的通信码，提取出区域码ci得到所属的具体区域；

分为三种情况：

i)、若用户接收到单个区域码ci，则说明用户位于某区域灯组阵列正下方，用户直接获取ci对应的具体区域；

ii)、若用户接收到两个区域码ci；则说明用户位于两区域边界处，首先判断，该用户待测位置是否在两区域的边界线正下方，如果是，则该用户选择任一区域为具体区域；否则，用户待测位置位于两区域边界线的内部，通过待测点的移动测量获得其某一方向上的光强强度变化趋势来确定所在区域；

首先，根据区域分布图和映射表ci-si中比对，得到两区域的特征值si，共分八种情况：(1，2)、(2、1)、(3，4)、(4，3)、(1，3)、(3，1)、(2，4)和(4、2)，其中括号内前者表示该边界左侧或上侧的区域特征值，括号内后者表示该边界右侧或下侧的区域特征值，此时可得出此边界处具有红光(或绿光)光强的极值情况；

iii)、若用户接收到四个区域码ci，则说明用户位于四区域交界处，首先判断，该用户待测位置是否在四个区域的交界线正下方，如果是，则选择交界线两侧的任一区域为具体区域；否则，用户待测位置位于四个区域交界线的内部，通过待测点的移动测量获得其某一方向上的光强强度变化趋势来确定所在区域；

由四个区域码在区域分布图和ci-si映射图中比对得到四区域的特征值si，共有四种情况分别是(1，2，4，3)、(2，1，3，4)、(3，4，2，1)、(4，3，1，2)，其中括号四项分别为该四区域交界处顺时针顺序的四个区域特征值。

此时定位方法与两区域类似，总结为在(1，2，4，3)情况下红光光强值减小、绿光光强值减小的趋势方向所指即为所在区域，在(2，1，3，4)情况下红光光强值增大、绿光光强值减小的趋势方向所指即为所在区域，在(3，4，2，1)情况下红光光强值减小、绿光光强值增大的趋势方向所指即为所在区域，在(4，3，1，2)情况下红光光强值增大、绿光光强值增大的趋势方向所指即为所在区域。