[发明专利]面向无人驾驶车辆的自适应成像定位导航系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及可见光成像通信技术领域，尤其涉及一种面向无人驾驶车辆的自适应成像定位导航系统及方法。

背景技术

2012年，相关研究人员首次提出基于卷帘门效应的可见光成像通信方法。针对室内可见光的CMOS成像接收，来自台湾的Chow,C.W.团队利用CMOS摄像设备的卷帘门特性，采用多种图像处理算法对接收图片进行优化后解调恢复原信号，最后实现了速率为0.8Kb/s的数据传输，能基本满足室内定位、室内光标签信息接收等简单需求。

2014年，同济大学电子信息工程实验室与台湾大学合作，针对车载可见光成像通信进行了一系列研究。基于Intel公司Richard D.Roberts等人在2013年提出的应用于可见光通信的下采样频移开关键控(UFSOOK)调制方式，结合CMOS摄像头的卷帘门特性，该实验室提出了一种结合卷帘门效应的UFSOOK调制方法，可增强UFSOOK调制方式的鲁棒性。

(1)卷帘门效应原理介绍

CMOS摄像设备具有卷帘门效应，基于此可实现可见光调制信号的接收。“卷帘效应”是CMOS传感器的一个特点，即在接收一帧图片时，有别于全局快门中一次捕捉一整张图片，CMOS传感器的卷帘快门对像素点一行一行进行水平扫描激活，再整合成为一帧图片。这两种快门方式的原理对比如图1(a)和图1(b)所示。

若设置LED的发送开关频率大于CMOS摄像头的帧速率，则可以在同一帧图片中捕捉到明暗光条纹。当发送端LED处于“开”状态时，扫描行呈现亮条纹；反之当LED处于“关”状态时，扫描行呈现暗条纹。通过在同一帧内捕捉明暗条纹，CMOS摄像头可获得高于帧速率的通信速率。完成一帧图片的扫描后，存在一段“读取时间间隔”用于对一帧图片进行合成，在这段时间周期内，CMOS传感器为“盲的”，无法探测光信号。根据此原理，可直接实现可见光的CMOS摄像头接收。

(2)基于卷帘门效应的常规检测技术

当通信传输距离较近时，将CMOS接收到的图像进行灰度转化，可得到如图2所示的灰度图。对该灰度图像的数据进行提取，首先对每行像素灰度值求和，假设原图像分辨率为4032×3024，则每行求和后可得3024个灰度图行和值。

然后对3024个灰度图行和值进行二项式拟合，灰度图行和值及二项式拟合结果如图3(a)所示。根据二项式拟合结果，对灰度数据进行分段归一化，然后采用平滑滤波器对信号进行平滑滤波后判决，可得到判决后的数据如图3(b)所示。

对提取出的数据进行曼彻斯特解码后，采用已知的同步头与数据进行相关运算，得到相关峰值最大的位置即为同步头位置，恢复出同步头数据后，对比同步头是否与已知的数据一致，若收发一致则表明解同步成功。最后根据同步头位置，可完全恢复原始发送数据。

(3)面向全局快门的UFSOOK调制技术

下采样频移开关键控(Under-sampled Frequency Shift ON-OFF Keying,UFSOOK)调制技术是采用直流平衡的差分编码方式来调制逻辑位“0”和“1”。类似于频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)调制，UFSOOK同样采用两个不同的频率来实现ON-OFF开关键控，且这两个频率值的选择与接收设备的帧速率有关。目前，市场上基于CMOS摄像头的帧率一般为30fps，为了使人眼感受不到灯光的闪烁(人眼可识别的灯光闪烁频率为100Hz)，UFSOOK调制技术选择105Hz和120Hz分别作为两种逻辑位的传输频率。

假设每比特数据的传输时长为1/15s，根据图4可以看出，当采用105Hz传输时，接收信号为左边两个框线中的三个半信号周期，因此在图像前后帧中，光的条纹情况将显示出几乎完全相反，此时代表发送端传输数据为比特“1”；当采用120Hz传输时，接收信号为右边两个框线内的四个整信号周期，则在图像前后帧中，光的条纹情况将显示出几乎完全相同，此时代表发送端传输数据为比特“0”。

由于接收端摄像头的帧率较低，光信号到达低速摄像头后被下采样接收。结合卷帘门效应，UFSOOK中对应两个开关键控频率的比特判别方法为：若连续两帧图像表现为光条纹的明暗情况相同，则该比特判别为“0”；若连续两帧图像表现为光条纹的明暗情况相反，则为该比特判别为“1”。当接收端以30fps的帧速率对信号下采样，则数据传输的比特率为15bps。

此种调制方法在UFSOOK调制方式的基础上，适应了手机CMOS的卷帘门特性，能有效判别出存在卷帘门效应时UFSOOK的“0”、“1”比特。