[发明专利]一种基于LED和图像传感器的光定位方法、系统和装置

说明书

技术领域

本发明涉及可见光定位技术，更具体地涉及一种基于发光二极管(LED)和图像传感器的光定位方法、系统和装置。

背景技术

随着机场、车站、购物中心等大型室内场馆的建设以及机器人技术的高速发展，室内定位的需求也持续增长。现有Wi-Fi、蓝牙等室内定位技术大多采用无线射频技术，在室内复杂的环境中，受多径效应干扰，定位误差较大。LED相比于传统光源具有更高的发光效率，是新一代的绿色节能照明设备，目前正逐步成为主要的照明光源。可见光定位利用新的白光频谱资源，将定位信号加载至室内照明白光LED上，通过光照强度的变化来进行数据传输；在接收端，通过光电转换后获取定位信号，经过解算之后可解得接收机的位置。可见光定位无需新的电磁频谱许可，也不会引入对其他设备的电磁干扰，室内多径反射信号较弱，可以达到很高的定位精度。目前存在几种可见光定位方法：采用图像传感器的可见光定位方法和利用接收信号强度的定位方法等。

采用图像传感器的可见光定位方法利用图像传感器(CMOS或CCD)的卷帘快门效应，根据图像的不同条纹，来识别不同LED的编号与身份，当可以同时拍摄到多个LED时，利用镜头的投影模型和LED在图像传感器上光斑的位置，测量出各个LED到达接收机的角度，利用三角定位方法，可以解得接收机的位置。该方法当LED与接收机距离较远时，LED所成光斑较小，难以区别不同的条纹图案，因此定位空间区域大小受到限制。

采用接收信号强度的定位方法，接收机一般为光电二极管，当接收机的光电二极管可以测量出接收到的各个LED的信号强度，在已知各个LED的发射信号强度下，通过LED的信号空间衰减模型，可以求得接收机到各LED的距离，当测量获取接收机到三个以上已知位置的LED之间的距离后，利用三边定位原理，可以解得接收机的位置。

现有的大多数采用LED的室内可见光定位方法都是基于三边定位或三角定位，需要多个LED共同发射信号，供接收机进行定位，然而当发生遮挡，接收机位于角落或者接收机处于特殊姿态时，其仅能接收到一盏LED时，则无法定位。

现有的单个LED定位系统的定位精度较低或者结构较为复杂。例如在有的系统中，LED发射其特定身份编号或者唯一的光闪烁频率，接收机接收到该信号后可以定位于该LED的附近，此类单LED定位系统仅能提供LED覆盖范围级别的定位精度，大多为米级。再例如有的系统将多个光电探测器分别固定在一个立方体相互垂直的面上，利用不同光电探测器接收到的信号强度之间的差求解接收机的位置。还有方案的将光电探测器以一定的角度固定于一个能够旋转的平台上，定位时，光电探测器以不同的角度测量接收信号强度，利用多组测量量，求解接收机的位置。现有的定位方案中接收机的结构较为复杂或者定位精度较低。

因此，如何基于单个LED进行精确地可见光定位，是本发明要解决的技术问题。

发明内容

为使能够基于单个LED进行精确地可见光定位，本发明提供了一种基于LED和图像传感器的光定位方法、系统和装置。该方法同时利用发射机与接收机之间的角度和距离两个维度的信息，可以克服现有技术中难以基于单个LED进行精确地可见光定位的缺陷。

为了达到上述目的，根据本发明的一方面，提供一种基于LED和图像传感器的光定位方法，该方法包括以下步骤：

发光步骤：由发射机的LED发出光信号；

距离确定步骤：由接收机中的图像传感器感测接收到的光信号强度，根据LED的发光强度、LED发光光束分布特性以及接收到的光信号强度，获得接收机与发射机的LED之间的距离，其中所述图像传感器前方设置有光学镜头；

角度确定步骤：确定LED成像光斑中心在图像传感器平面的位置坐标，根据光学镜头的光投影模型，获得发射机与接收机之间的空间相对角度；

定位步骤：基于LED的空间位置坐标、接收机与发射机之间的距离以及相对角度,计算接收机的空间位置。

优选地，所述LED的发光强度、LED发光光束分布特性以及LED的空间位置信息预先存储在所述接收机中。

优选地，所述LED的发光强度、LED发光光束分布特性以及LED的空间位置包含在LED发出的光信号中；

所述方法还包括：

定位信号产生步骤：由发射机的定位信号发生器产生定位信号，以用该定位信号调制LED的发光强度，以使得LED在发光步骤中发射携带定位信号的光信号，其中，所述定位信号包含LED的空间位置信息、LED的发光强度信息以及LED发光光束分布特性；以及