一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及室內(nèi)照明集成的室內(nèi)可見光定位技術(shù)，尤其涉及一種用于室內(nèi)定位的 多光譜可見光定位系統(tǒng)，屬于可見光通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和個人智能移動設(shè)備的普及，人們對定位和基于位置服 務(wù)的需求和依賴不斷增加。由于受到傳輸損耗和多徑效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)并 不能在室內(nèi)有效地使用。隨著固體光源技術(shù)的進步，以LED為代表的固體光源以其在發(fā)光 效率、顯色性、制造成本以及環(huán)境保護方面的優(yōu)勢逐漸取代白熾燈和熒光燈，成為未來照明 市場的重要組成部分。近年來，基于固體照明器件的室內(nèi)可見光定位技術(shù)被提出，并出現(xiàn)了 與強度、成像和編碼相關(guān)的多種可見光定位方法，也出現(xiàn)了基于不同原理的多種可見光定 位系統(tǒng)和專利。
[0003] 與傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)相比，可見光定位技術(shù)能在室內(nèi)環(huán)境下使用，彌補了GPS定 位的盲區(qū)。在室內(nèi)環(huán)境下，與基于Wi-Fi和藍牙的定位技術(shù)相比，可見光定位技術(shù)具有不需 要譜段授權(quán)和沒有電磁干擾的優(yōu)點。與此同時，由于室內(nèi)環(huán)境下燈具的密度遠大于Wi-Fi 和藍牙熱點的密度，且可見光信號受多徑效應(yīng)的影響遠小于射頻信號。因此室內(nèi)可見光定 位技術(shù)的定位精度遠大于基于Wi-Fi和藍牙定位技術(shù)的定位精度。而與基于超聲、紅外和 超寬帶（UWB)的室內(nèi)定位技術(shù)相比，可見光定位技術(shù)可直接利用室內(nèi)用于照明的燈具，在 不影響正常室內(nèi)照明的前提下同時實現(xiàn)精確的定位。因此其架設(shè)成本更低，更易于推廣和 實用。
[0004] 當前的室內(nèi)可見光定位技術(shù)中，光信號強度、光信號頻率、光信號偏振態(tài)和光信號 條紋都被用于基于各種原理的可見光定位。目前提出的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)中，接收端大 部分采用的是光電探測器，需要對光信號進行調(diào)制編碼，對光電探測器的響應(yīng)速度存在一 定要求（如專利"基于室內(nèi)照明的定位導(dǎo)航系統(tǒng)"、"一種室內(nèi)可見光定位方法"和發(fā)表于 2015年第3期的《電子與信息學報》的文章"基于多LED的高精度室內(nèi)可見光定位方法"）。 而目前的商用移動設(shè)備（手機、平板電腦等）并未集成高速光電探測器，因此需要額外加裝 附件，并不實用。
[0005] 除此之外，在專利（【申請?zhí)枴緾N103383446A，名稱為"基于可見光的室內(nèi)定位方法、 裝置和系統(tǒng)以及光源"）中，利用調(diào)制后可見光圖像的明暗條紋進行定位。采用這種方法的 定位系統(tǒng)，其在接收端與發(fā)射端之間的距離和角度方面存在一些限制；而且在對運動目標 進行識別時，會出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象，因此在實際使用的過程中存在一些問題。
[0006] 在眾多的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)中，光源獨特的光譜特性未被使用，具有利用的價 值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于改進現(xiàn)有室內(nèi)光定位系統(tǒng)對光源光譜特性利用不足且接收設(shè) 備復(fù)雜、昂貴的問題，提供一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明提出的一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)，包括多光譜發(fā)射端和 接收端兩部分；其中，多光譜發(fā)射端的多個多光譜固體光源在滿足照明要求的同時，為定位 系統(tǒng)提供多個參考點；接收端則根據(jù)其拍攝到的多個多光譜固體光源的圖像進行解算，最 終得出接收端自身的位置，以實現(xiàn)定位；
[0009] 所述的多光譜發(fā)射端具有多個，每個多光譜發(fā)射端都由多光譜固體光源、電源模 塊、LED驅(qū)動與比例控制模塊組成；
[0010] 所述的多光譜固體光源是由多光譜LED芯片組成的同色異譜光源，發(fā)出混合均勻 的、具有不同光譜分布的特定顏色的照明光：具體來說，每一個多光譜固體光源含有多個彩 色LED芯片，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的色光標（即人眼感受到的顏色），確定每一個多光譜固體光源 中各個彩色LED芯片的光強及相應(yīng)的驅(qū)動電流，由此確定LED驅(qū)動與比例控制模塊輸出的 電流，最終得到多個同色異譜的多光譜光源，即每個多光譜光源具有獨一無二的光譜分布， 該獨一無二的光譜分布作為識別各個多光譜光源的光譜標簽；
[0011] 所述的電源模塊使用的是交流轉(zhuǎn)直流電路，其主要功能是將交流電轉(zhuǎn)化為驅(qū)動 LED光源所需要的直流電，并提供給各個多光譜發(fā)射端中的LED驅(qū)動電路；
[0012] 所述的LED驅(qū)動與比例控制模塊為多光譜固體光源提供可控的驅(qū)動電流，控制多 光譜固體光源發(fā)射不同分布的光譜；
[0013] 所述的接收端包括彩色成像探測器、光譜標簽與位置識別模塊和成像定位算法三 個部分；
[0014] 其中，所述的彩色成像探測器，其主要功能是拍攝同時具有多個（至少三個）多光 譜發(fā)射端的彩色圖像，并將拍攝到的各個彩色通道的原始圖像數(shù)據(jù)輸出至光源標簽與位置 識別t吳塊；
[0015] 所述的光譜標簽與位置識別模塊中包含光譜標簽數(shù)據(jù)庫；此數(shù)據(jù)庫中的光譜標簽 和多光譜固體光源的空間坐標一一對應(yīng)；所述的光譜標簽與位置識別模塊，其主要功能是 提取彩色成像探測器拍攝的圖像中每個光斑中每個像素的彩色子像素，根據(jù)彩色子像素的 平均強度比確定多光譜固體光源的空間坐標：
[0016] 由于每個多光譜固體光源具有獨一無二的光譜標簽，即發(fā)射端各個多光譜固體光 源的光譜分布不同，光譜標簽與位置識別模塊計算接收端彩色成像探測器拍攝的圖像中每 個光斑中各種彩色子像素的平均強度比，再與光譜標簽數(shù)據(jù)庫比對，確定探測到的每個光 斑對應(yīng)的多光譜固體光源的標簽，從而確定每個光斑對應(yīng)的多光譜固體光源的空間坐標；
[0017] 所述的成像定位算法，首先根據(jù)多光譜固體光源的大小和其在彩色成像探測器像 面上所成圖像的大小估計接收端高度，然后根據(jù)各個多光譜發(fā)射端在成像探測器像面上所 成圖像的位置和各個多光譜發(fā)射端的空間坐標計算出接收端自身的位置，從而完成定位， 所述成像定位算法的具體步驟為：
[0018] 步驟一、假設(shè)室內(nèi)定位場景內(nèi)具有N(N多3)個多光譜發(fā)射端，每個多光譜發(fā)射端 產(chǎn)生在此室內(nèi)定位場景中與其自身的空間坐標（Xdh)、（x2,y2,h)…（xN,yN,h)--對應(yīng) 的獨一無二的光譜標簽；
[0019] 步驟二、接收端對此N個多光譜發(fā)射端進行彩色成像，計算各自的像在接收端彩 色成像探測器上的位置坐標（V，y/ )、（X' 2,y' 2)…（X'N，y' N);
[0020] 與此同時，接收端光譜標簽與位置識別模塊根據(jù)其中光譜標簽數(shù)據(jù)庫中的標簽和 彩色成像探測器上獲得的每個光斑內(nèi)部各種子像素的平均強度比進行比對，完成各個多光 譜固體光源的識別，確定各個光斑對應(yīng)的多光譜發(fā)射端的空間坐標（1 1，71，]1)、（12,72，11；^·· (xN,yN,h)；
[0021] 步驟三、根據(jù)多光譜固體光源的大小與其在彩色成像探測器像面上所成圖像的大 小的平均比例k以及成像探測器焦距f，估計接收端的高度為：h' =fXk;
[0022] 其中，所述的成像探測器焦距f可直接由接收圖像內(nèi)部的集成信息讀出，平均比 例k可以是多光譜固體光源的真實直徑與其在成像探測器上投影的直徑之比；
[0023] 步驟四、當多光譜發(fā)射端的數(shù)量大于3時，對每3個多光譜發(fā)射端的組合分別進行 計算，并取所有計算的坐標的平均值作為接收端當前所處的位置；其中每3個多光 譜發(fā)射端的組合確定的接收端位置的解算方法為：
[0024] 利用幾何光學和三角計算的原理列出非線性方程組為：
[0025]
[0026] 由于該非線性方程組是二次方程組，解算得到的坐標值有兩組值。
[0027] 步驟五、根據(jù)步驟三估計的接收端高度對步驟四求得的兩組坐標值進行篩選，其 中解算的一組坐標值中高度h與步驟三估算的h'更接近的坐標確定為接收端的空間位置。
[0028] 有益效果
[0029] 本發(fā)明提出的一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)，同現(xiàn)有技術(shù)中"基于 室內(nèi)照明的定位導(dǎo)航系統(tǒng)"和"一種可見光定位系統(tǒng)及方法"相比，具有以下有益效果：
[0030] 1.本發(fā)明的多光譜發(fā)射端相對獨立，即插即用；
[0031] 2.本發(fā)明利用移動設(shè)備和固定設(shè)備上廣泛配備的彩色成像探測器為接收器件，不 需要對設(shè)備本身進行改造或者添加額外的附件；
[0032] 3.本發(fā)明提出的每一個用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)，僅需一個彩色成 像探測器；
[0033] 4.本發(fā)明提出的一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)任意顏色的 可見光照明，并滿足不同場景的照明需求。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)的原理示意框圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)實施例1的多光譜發(fā)射 端原理框圖；
[0036] 圖3為本發(fā)明一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)實施例1的成像定位算 法流程圖。
[0037] 實施方式
[0038] 下面，下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作更進一步的說明，并詳細描述本 發(fā)明的優(yōu)選實施方式。為了便于描述和突出顯示本發(fā)明，附圖中省略了現(xiàn)有技術(shù)中已有的 相關(guān)部件，并將省略對這些公知部件的描述。
[0039] 實施例1
[0040] 圖1中所描述的本發(fā)明一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)的原理示意 框圖，其主要特征是包括多光譜發(fā)射端和接收端兩部分。結(jié)合圖2所描述的是本實施例中 的一種用于室內(nèi)定位的多光譜可見光定位系統(tǒng)的多光譜發(fā)射端原理框圖。其中，具有3個 多光譜發(fā)射端，每個都可以分為201電源模塊，202單片機，203LED驅(qū)動電路，204LED芯片， 205塑料微透鏡和206燈罩5個部分；
[0041] 其中，所述的201電源模塊直接連接220V交流電，將交流電轉(zhuǎn)換為LED驅(qū)動電路 所需要的64V直流電壓；
[0042] 所述的202單片機采用STM32單片機為核心，并利用輸出周期方波信號的脈沖寬 度來控制各路彩色LED芯片輸出的平均電流；
[0043] 所述的203LED驅(qū)動電路共有四路，分別控制4個彩色LED芯片：204LED芯片；
[0044] 所述的每路203LED驅(qū)動電路均以LM3402HV驅(qū)動芯片為核心，在單片機的控制下 為單個彩色LED芯片提供指定好的驅(qū)動電流；
[0045] 所述的204LED芯片共有4個，分別為紅色