[發(fā)明專(zhuān)利]一種包含可見(jiàn)光衰減片的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611218885.8
• 申請(qǐng)日: 2016-12-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106855407A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李斗鵬;徐正元;李上賓
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01C21/00
• 分類(lèi)號(hào): G01C21/00
• 代理公司: 北京凱特來(lái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,鄭哲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種包含可見(jiàn)光衰減片的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前定位技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，例如在普通的商業(yè)活動(dòng)、地質(zhì)勘探、科學(xué)研究和搶險(xiǎn)搜救等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。據(jù)調(diào)查，人們平均80％～90％的時(shí)間是在室內(nèi)環(huán)境中活動(dòng)的，這就使得提供可靠的室內(nèi)定位服務(wù)顯得更為重要了。但是傳統(tǒng)的基于無(wú)線通信的室內(nèi)定位技術(shù)由于其精度低和抗干擾性能比較差，無(wú)法滿足一些特定的需求。

相比于基于無(wú)線電波的室內(nèi)定位技術(shù)，基于可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication,VLC)的室內(nèi)定位技術(shù)有如下的優(yōu)點(diǎn)：(1)LED既可以提供照明，又可以提供基于VLC的通信及定位等服務(wù)動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)照明通信服務(wù)一體化。(2)基于VLC的室內(nèi)定位系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生射頻干擾，因此那些無(wú)線通信被限制使用的場(chǎng)合可以得到使用。(3)基于VLC的定位系統(tǒng)受到多徑效應(yīng)的影響和來(lái)自其他無(wú)線設(shè)備的干擾較小，所以相比于基于無(wú)線電波的定位系統(tǒng)能提供更高的定位精度。

目前可見(jiàn)光定位系統(tǒng)主要是采用PD和攝像頭作為光接收器，基于攝像頭的可見(jiàn)光定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的定位精度。目前基于攝像頭的定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要受到兩方面的挑戰(zhàn)，一是利用CMOS攝像頭卷簾效應(yīng)識(shí)別LED標(biāo)簽的方法受到攝像頭分辨率的限制，因?yàn)榉直媛实拇笮∠拗屏俗R(shí)別頻率的范圍和收發(fā)端之間的距離，同時(shí)高分辨率的攝像頭勢(shì)必帶來(lái)高成本和高功耗，這對(duì)經(jīng)濟(jì)效益是不利的；二是基于攝像頭的特征碼字識(shí)別LED標(biāo)簽的方法受到攝像頭幀率的限制，根據(jù)研究得知當(dāng)信號(hào)的頻率大于200Hz的情況下，人眼不會(huì)察覺(jué)到LED的閃爍，但是商用攝像頭的幀率普遍為30～60幀，這就導(dǎo)致了在商用攝像頭上使用這種定位方法勢(shì)必會(huì)帶來(lái)LED閃爍的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種包含可見(jiàn)光衰減片的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，突破了現(xiàn)有定位系統(tǒng)中采用高分辨率和高幀率的攝像頭來(lái)解決LED閃爍問(wèn)題方法的限制，可降低制造成本。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種包含可見(jiàn)光衰減片的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：發(fā)射端模塊與接收端模塊；其中：

發(fā)射端模塊包括：控制單元與若干LED燈；所述控制單元產(chǎn)生特征碼字信號(hào)，并經(jīng)過(guò)LED燈的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制LED燈的光功率變化，從而控制光強(qiáng)變化；

接收端模塊包括：攝像頭、可見(jiàn)光衰減片、FPGA和上位機(jī)；所述可見(jiàn)光衰減片設(shè)置在攝像頭的前端，通過(guò)可見(jiàn)光衰減片來(lái)放大攝像頭感知光功率變化的線性區(qū)；所述FPGA用于控制攝像頭的工作方式，并對(duì)攝像頭采集到的圖像預(yù)處理后發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航。

所述發(fā)射端模塊發(fā)射信號(hào)的頻率根據(jù)攝像頭的幀率來(lái)設(shè)定，設(shè)攝像頭幀率為f_r，特征碼字信號(hào)的每個(gè)比特時(shí)間為t_s，則f_r＝n/t_s，從而確保特征碼字信號(hào)的每個(gè)比特信息至少被攝像頭采樣一次，其中的n為大于等于1的整數(shù)。

所述通過(guò)可見(jiàn)光衰減片來(lái)放大攝像頭感知光功率變化的線性區(qū)包括：

設(shè)可見(jiàn)光衰減片的衰減系數(shù)為α，則將光功率衰減到原來(lái)的1/α，從而通過(guò)可見(jiàn)光衰減片來(lái)放大攝像頭感知光功率變化的線性區(qū)，使得在不借助可見(jiàn)光衰減片時(shí)的飽和區(qū)變成在借助可見(jiàn)光衰減片情況下的線性區(qū)；從而在滿足照明約束條件的線性區(qū)范圍內(nèi)采用淺調(diào)制的方法來(lái)避免LED燈閃爍的問(wèn)題，且攝像頭能根據(jù)捕獲圖像的灰度變化正確解碼。

所述淺調(diào)制的方法包括：降低特征碼字信號(hào)的調(diào)制深度。

定位方式包括單燈定位與多燈定位；其中：

單燈定位時(shí)，所述接收端模塊根據(jù)采集的某一LED燈的圖像解碼相應(yīng)的特征碼字，從而獲得相應(yīng)LED燈的位置，單燈定位的精度為L(zhǎng)ED燈照明區(qū)域的半徑；

多燈定位時(shí)，LED燈的數(shù)量需大于等于三，且三個(gè)LED燈不在一條直線上；所述接收端模塊根據(jù)參與多燈定位的每一LED燈的圖像解碼相應(yīng)的特征碼字，再根據(jù)獲得的特征碼字并結(jié)合基于攝像頭AOA的定位方法實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前地理位置信息的估計(jì)，定位精度為厘米級(jí)。

接收端模塊根據(jù)采集的LED燈的圖像解碼相應(yīng)的特征碼字包括：

接收端將連續(xù)捕獲的圖像作差分處理，再進(jìn)行霍夫變換后確定LED燈的圖像，并確定感興趣區(qū)域ROI，再計(jì)算ROI的平均灰度值，通過(guò)將平均灰度值與預(yù)設(shè)的灰度閾值進(jìn)行比較從而解出相應(yīng)的特征碼字。