[发明专利]一种基于图像传感器的移动车辆高精度可见光定位方法

说明书

本发明公开了一种基于图像传感器倾斜角度补偿和粒子滤波器的移动车辆高精度可见光定位方法。发送端为道路两旁的发光二极管(LED)路灯光源，通过自由空间向周围广播携带位置信息的信号。移动车辆上安装互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，可接收LED路灯光源发送的信号。为了确保移动车辆和LED路灯光源之间连续可靠的可见光通信，接收端采用一种LED路灯光源追踪方法，实现对LED路灯光源的连续检测。针对路面不平整造成的CMOS图像传感器倾斜的问题，提出一种CMOS图像传感器倾斜角度补偿算法，结合摄影测量学方法，可计算得到CMOS图像传感器与LED路灯光源的几何距离，以估计移动车辆的位置。并采用粒子滤波器算法进一步提高移动车辆的定位精度。本发明提出的方法，充分利用可见光通信可进行照明和通信的特点，成本低，考虑了道路不平整带来的影响，实现了移动车辆厘米级的定位精度，可用于车联网和智能交通系统，以及白天和夜晚移动车辆的高精度定位，具有实用价值。

(一)技术领域

本发明属于可见光通信(Visible-Light-Communication，缩写为VLC)系统中基于图像传感器接收的移动车辆可见光定位方法。

(二)背景技术

作为物联网技术在交通领域的应用，车联网(Internet of Vehicles，缩写为IOV)通过整合先进的电子传感、数据传输、智能控制和交通工程技术，实现对车辆状况和交通状态的实时访问，在增强道路安全性和提高出行效率方面有着重要的意义，是智能交通系统的一个重要组成部分。近年来随着发光二极管(Light Emitting Diode，缩写为LED)交通信号灯、路灯和车灯技术的发展，基于LED的VLC技术由于其具有抗电磁干扰，不易受多径效应影响等特点，能为IOV中车对基础设施和车对车通信提供有效的物理链接。VLC不仅能同时提供照明与通信服务，还能提供定位服务。基于VLC的可见光定位技术(Visible LightPositioning，缩写为VLP)为IOV的车辆定位提供了新的解决方案。

传统的全球定位系统(Global Positioning System，缩写为GPS)由于多径效应和高层建筑物的阻挡影响信号传播，可靠性不足，定位精度通常在10米左右。而基于激光雷达(Light Detection and Ranging，缩写为LiDAR)，雷达(Radio Detection and Ranging，缩写为Radar)，无线保真(Wireless Fidelity，缩写为WiFi)，蓝牙Bluetooth，无线射频识别(Radio Frequency Identification，缩写为RFID)，超宽带(Ultra-Wide Bandwidth，缩写为UWB)的车辆定位技术可以提供较好的定位性能，但实施成本高。基于VLC的VLP作为一种新兴的车辆定位技术，可充分利用现有的城市照明设施和车辆照明系统，减少系统的投入成本和市场渗透成本。此外VLP通过VLC链路融合车外交通信息和车内传感信息，可以有效地提高不同驾驶环境下车辆定位精度和可靠性。

基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，缩写为CMOS)图像传感器的VLP技术，采用CMOS图像传感器具有空间可分性，可以有效地分离干扰噪声(如太阳光和其他环境光)和LED信源(如室外路灯，交通灯，车辆前灯和尾灯)，不仅适用于室内定位，也适用于室外定位。此外，CMOS图像传感器的视场(FOV)更广，可实现的通信距离更远、定位服务范围更广。同时，基于CMOS图像传感器的VLP技术可与信号处理方法相结合，用于行人避让，无人驾驶，辅助驾驶、变道协助和自动泊车等应用。因此，基于CMOS图像传感器的VLP技术在车辆定位领域引起了关注。

采用CMOS图像传感器作为VLC接收端，当CMOS图像传感器工作在卷帘快门模式时，接收到的数据为包含黑白条纹的连续图像，其中黑白条纹中携带了LED发送的可见光信号。但是当移动车辆通过图像传感器接收LED路灯发送信号时，绽放效应会造成黑白条纹失真，导致接收端不能正确恢复LED发送的信号。此外，考虑当路面不平整时，车辆颠簸会导致图像传感器出现倾斜角度，影响到基于图像传感器的VLP的定位准确性。