[发明专利]一种可见光通信辅助的透视圆形和弧线的室内定位方法

说明书

本发明提出了一种可见光通信辅助的透视圆形和弧线的室内定位方法，属于可见光通信与室内定位技术领域，具体为：首先，在室内搭建收发端通信场景，接收端作为待定位对象，捕捉发射端的光线信息并成像，找到目标灯具；然后，通过目标灯具的完整圆形图像与同时存在的相邻局部灯具图像，计算法向量；接着，利用搭建的VLC空时编码模型，结合几何投影原理，计算目标灯具的圆心G以及虚拟标记点M。根据目标灯具的法向量以及水平向量在CCS坐标系和WCS坐标系的对应关系，计算目标灯具从CCS到WCS的旋转矩阵和平移向量，即分别为WCS坐标系下相机的姿势矩阵和位置坐标。本发明室内系统实现更加简单，可实现更高的定位精度和更准确的相机姿态解算。

技术领域

本发明属于可见光通信与室内定位技术领域，具体是一种可见光通信辅助的透视圆形和弧线的室内定位方法。

背景技术

近年来，包括定位与导航等在内的基于位置的服务需求激增，这使得室内精确定位愈发重要。然而，现有技术中，如WiFi、射频(RFID)、超宽带(UWB)和蓝牙等定位方法均面临着精度较低或铺设成本高昂的缺点。相比之下，随着发光二极管(LED)的普及，可见光定位(VLP)逐渐成为一种极具发展潜力的定位技术，具备成本低、易实现、定位精度高的特点。

VLP定位法可分类如下：近邻法、指纹法、接收信号强度法(RSS)、到达时间(TOA)与到达角(AOA)法以及图像传感器法。其中近邻法和指纹法可以使用单个LED来估计接收器的位置；然而近邻法的准确性不够，指纹法也容易受到环境变化的影响；RSS算法根据接收信号的功率来确定接收器的位置，需要依赖于精确的信道模型；此外，TOA和AOA算法需要复杂的硬件实现，以确保定位精度。与使用光电二极管(PD)作为接收器的算法不同，图像传感算法使用相机接收信号，通过分析LED与其在图像平面投影之间的几何关系来确定接收器的位置。

现有的VLP算法大多基于点光源实现定位；然而，除了点状灯具外，圆形灯具也是一种常见的光源类型。聚焦于圆形灯具的可见光定位，大多基于图像传感器完成。如文献:1：R.Zhang,W.-D.Zhong,Q.Kemao,and S.Zhang,“Asingle LED positioning systembased on circle projection,”IEEE Photon.J.,vol.9,no.4,pp.1–9,Aug.2017.通过建立一个弱投影模型，在圆形灯具边缘标记了一个点来辅助估计相机的位姿。然而，较大的倾斜角度导致圆心投影到图像平面上的椭圆中心的近似不够准确，这限制了定位方法的应用。

文献2：H.Cheng,C.Xiao,Y.Ji,J.Ni,and T.Wang,“Asingle LED visible lightpositioning system based on geometric features and CMOS camera,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.32,no.17,pp.1097–1100,Sep.2020.中提出了一种简单的基于智能手机IMU部件的定位模型，通过plane-intersection-line机制，对照明器投影的半径做了近似来估计接收器的位置。然而，这种定位方法依赖于额外器件IMU，可能会因磁场影响而导致测量角度的误差。

文献3：J.Hao,J.Chen,and R.Wang,“Visible light positioning using asingle LED luminaire,”IEEE Photon.J.,vol.11,no.5,pp.1–13,Oct.2019.利用IMU和弱投影模型来估计相机的姿态，通过校准减少IMU测量的方位角误差，提高了定位精度。

总体而言，现有的基于圆形灯具的室内定位研究需要额外设备或理想的投影模型，这些要求可能会影响定位技术的实际应用。