[发明专利]一种基于多光源和光传感器阵列的三维定位方法

说明书

本发明公开了一种基于多光源和光传感器阵列的三维定位方法。该方法针对室内定位、导航、游戏设备需求，从光传感器阵列采集到的数据中能够得到光源与光传感器阵列轴线的夹角；基于该夹角，能够获取任意两个光源关于感光阵列的夹角信息，即光源1‑传感阵列‑光源2的夹角，记为“到达角差”。基于多个光源的到达角差，能够唯一地确定接收机位置。其优点是：由于到达角差不随接收机倾斜角变化，因此采样角度是任意的，厘米级定位精度，算法低运算，与无线电定位相比成本更低。

技术领域

本发明涉及是一种室内定位、导航系统的基于多光源和光传感器阵列的三维定位方法，属于信息定位技术领域。

背景技术

现有的室内定位技术大多基于低频电磁波，例如WiFi、蓝牙等。这些定位技术精度较低，只能达到几米的精度。基于超宽带信号的定位系统虽然精度有所提高，但是造价昂贵。

已有的可见光定位系统能达到厘米级精度，但是其中绝大多数要求接收机朝向一个已知的角度，该假设对于手持设备、运动设备来说并不现实。

基于接收信号强度(received signal strength，RSS)的可见光定位系统要求已知光源的各个方向的光强分布，通常采用Lambertian模型；而该模型对于大角度方位上的光强和非标准圆头光源的光强估计是不准确的。这直接导致了RSS可见光定位系统的不可靠。

部分系统利用陀螺仪等辅助设备配合光传感器阵列或光电二极管(Photodiode,PD)阵列完成可见光定位，这样不仅提高了成本，引入了更多功耗，也增加了测量噪声，降低了定位精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于多个光源和未知角度光传感器阵列的三维定位系统。旨在解决光传感器阵列角度未知时的可见光定位问题，且不依赖陀螺仪等辅助装置。

本发明所采用的技术方案是：

1、利用传感器阵列的采样值，估计各个光源的入射光关于光传感器阵列轴线的夹角，例如第m个光源和光传感器阵列中心垂线的夹角θ_m'，第m个光源和光传感器阵列水平中轴线的夹角具体来说，不同方向的入射光能够在传感器阵列的不同位置形成亮点，因此通过测量亮点的位置就能够反推出入射光线的角度。可能的方法包括几何关系分析法和查表法等。

2、根据夹角测量值和估计出第m个和第n个光源的到达角度差γ_m,n，该角度差不随光传感器阵列朝向变化而变化。具体来说，到达角度差可以通过如下公式估计

设光源总数量K＞2，通过角度差估计值组成的向量

3、根据测量的角度差组成的向量估计光传感器阵列的三维坐标(x_U,y_U,z_U)。即求解如下最优化问题：

其中γ_m,n(x_U,y_U,z_U)是在传感器阵列坐标(x_U,y_U,z_U)处时，到达角度差γ_m,n的标准值。求解该最优化问题的可能方式包括穷举法、梯度下降法、人工神经网络或其他最优化方法。

有益效果

本发明的光传感器阵列角度可以是未知且任意的，只要光传感器阵列能够同时采集到两个或更多个光源的信息，且不依赖陀螺仪等光传感器阵列以外的装置。

附图说明

图1为基于像素位置获取光源相对角度的示意图；

图2为参数f/δ_p的测量平台；