[发明专利]一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统

说明书

技术领域

本发明涉及室内定位导航技术领域，尤其涉及一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统。

背景技术

目前定位技术的应用范围越来越广泛，例如在普通的商业活动、地质勘探、科学研究和抢险搜救等领域都有重要的应用。据调查，人们平均80％～90％的时间是在室内环境中活动的，这就使得提供可靠的室内定位服务显得更为重要了。但是传统的基于无线通信的室内定位技术由于其精度低和抗干扰性能比较差，无法满足一些特定的需求。

相比于基于无线电波的室内定位技术，基于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的室内定位技术有如下的优点：(1)LED既可以提供照明，又可以提供基于VLC的通信及定位等服务动能，实现照明通信服务一体化。(2)基于VLC的室内定位系统不会产生射频干扰，因此那些无线通信被限制使用的场合可以得到使用。(3)基于VLC的定位系统受到多径效应的影响和来自其他无线设备的干扰较小，所以相比于基于无线电波的定位系统能提供更高的定位精度。

目前可见光定位系统主要是采用PD和摄像头作为光接收器，基于摄像头的可见光定位系统可以实现更高的定位精度。目前基于摄像头的定位导航系统主要受到两方面的挑战，一是利用CMOS摄像头卷帘效应识别LED标签的方法受到摄像头分辨率的限制，因为分辨率的大小限制了识别频率的范围和收发端之间的距离，同时高分辨率的摄像头势必带来高成本和高功耗，这对经济效益是不利的；二是基于摄像头的特征码字识别LED标签的方法受到摄像头帧率的限制，根据研究得知当信号的频率大于200Hz的情况下，人眼不会察觉到LED的闪烁，但是商用摄像头的帧率普遍为30～60帧，这就导致了在商用摄像头上使用这种定位方法势必会带来LED闪烁的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统，突破了现有定位系统中采用高分辨率和高帧率的摄像头来解决LED闪烁问题方法的限制，可降低制造成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统，包括：发射端模块与接收端模块；其中：

发射端模块包括：控制单元与若干LED灯；所述控制单元产生特征码字信号，并经过LED灯的驱动电路来控制LED灯的光功率变化，从而控制光强变化；

接收端模块包括：摄像头、可见光衰减片、FPGA和上位机；所述可见光衰减片设置在摄像头的前端，通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区；所述FPGA用于控制摄像头的工作方式，并对摄像头采集到的图像预处理后发送给上位机，由上位机实现定位与导航。

所述发射端模块发射信号的频率根据摄像头的帧率来设定，设摄像头帧率为f_r，特征码字信号的每个比特时间为t_s，则f_r＝n/t_s，从而确保特征码字信号的每个比特信息至少被摄像头采样一次，其中的n为大于等于1的整数。

所述通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区包括：

设可见光衰减片的衰减系数为α，则将光功率衰减到原来的1/α，从而通过可见光衰减片来放大摄像头感知光功率变化的线性区，使得在不借助可见光衰减片时的饱和区变成在借助可见光衰减片情况下的线性区；从而在满足照明约束条件的线性区范围内采用浅调制的方法来避免LED灯闪烁的问题，且摄像头能根据捕获图像的灰度变化正确解码。

所述浅调制的方法包括：降低特征码字信号的调制深度。

定位方式包括单灯定位与多灯定位；其中：

单灯定位时，所述接收端模块根据采集的某一LED灯的图像解码相应的特征码字，从而获得相应LED灯的位置，单灯定位的精度为LED灯照明区域的半径；

多灯定位时，LED灯的数量需大于等于三，且三个LED灯不在一条直线上；所述接收端模块根据参与多灯定位的每一LED灯的图像解码相应的特征码字，再根据获得的特征码字并结合基于摄像头AOA的定位方法实现对当前地理位置信息的估计，定位精度为厘米级。

接收端模块根据采集的LED灯的图像解码相应的特征码字包括：

接收端将连续捕获的图像作差分处理，再进行霍夫变换后确定LED灯的图像，并确定感兴趣区域ROI，再计算ROI的平均灰度值，通过将平均灰度值与预设的灰度阈值进行比较从而解出相应的特征码字。