[发明专利]一种基于接收信号强度的可见光室内定位方法

权利要求书

1.一种基于接收信号强度的可见光室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤，

S1、基于针孔成像模型和信道模型构建可见光定位模型：以3D世界坐标系、3D相机坐标系、2D图像坐标系和2D像素坐标系作为坐标系；以四个LED照明设备作为发送机，四个LED照明设备呈矩形排列，以PD设备和图像传感器作为待定位目标的接收机；

S2、基于图像传感器捕获的视觉信息估计可见光的入射角：

S2-1、在成像平面中，利用第i个LED照明设备投影的像素坐标得到相应的2D图像坐标，再利用图像坐标得到第i个LED照明设备投影的相机坐标，i＝1，2，3，4；

S2-2、在所述3D相机坐标系中，构建原点到LED照明设备投影的向量，并结合图像传感器的单位法向量求解可见光的入射角；

S3、基于矩形LED照明设备布局的双平行线来估计可见光的辐射角，具体过程如下：

S3-1、在所述3D相机坐标系中，从第i个LED照明设备到第l个LED照明设备的方向向量和从第l个LED照明设备到第k个LED照明设备的方向向量分别表示为

式中，l＝1，2，3，4；k＝1，2，3，4；在矩形LED照明设备布局中，和为原点到四个LED照明设备投影的向量，和分别表示四棱锥侧面的法向量；

通过如下公式得到LED照明设备平面在相机坐标系中的单位法向量：

S3-2、定义和分别为所述3D世界坐标系相对于所述3D相机坐标系的旋转矩阵，其中，α、β和γ分别是对应的未知旋转角；

从所述3D世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵表示为

；

在所述3D世界坐标系中，LED照明设备平面的单位法向量为n^w＝(0，0，1)^T，其中T表示向量的转置；令则n^w和n^c之间的关系表示为得到

根据上式求解出x^w轴和y^w轴对应的旋转角α和β；在所述3D世界坐标系和所述3D相机坐标系中，从第l个LED照明设备到第i个LED照明设备的单位方向向量分别为和此处表示平面L_lo^cL_i的法向量，即四棱锥侧面的法向量；令和则和之间的关系表示为得到

然后有

根据上式求解出z^w轴对应的旋转角γ；

S3-3、在相机坐标系中，第i个LED照明设备的法向量表示为

其中，是所述3D世界坐标系中第i个LED照明设备的法向量；第i个LED照明设备所发出可见光的辐射角计算为

将所述3D世界坐标系中无法获取的辐射角迁移至所述3D相机坐标系中进行求解，而辐射角不会随着坐标系的变化而改变，得到所述3D世界坐标系中的辐射角；

S4、基于PD设备测量的RSS信息估计收发机之间的距离：在估计出可见光的入射角和辐射角之后，基于PD设备测量的RSS信息估计各个LED照明设备到接收机之间的距离；

S5、基于线性最小二乘法估计接收机的2D位置；

S6、基于立体几何法估计接收机的3D位置。

2.如权利要求1所述的一种基于接收信号强度的可见光室内定位方法，其特征在于，步骤S5具体过程如下，在得到各个LED照明设备到接收机之间的距离之后，基于LED照明设备和接收机的世界坐标构建一个矩阵形式的线性表达式，利用线性最小二乘法进行线性求解，在复杂度的前提下，利用四个LED照明设备获得接收机的2D位置。

3.如权利要求1所述的一种基于接收信号强度的可见光室内定位方法，其特征在于，步骤S6具体过程如下，

令表示第i个LED照明设备的相机坐标，由于和分别为所述3D世界坐标系和所述3D相机坐标系中接收机到第i个LED照明设备的向量，根据和之间的共线关系可以得到两向量的坐标的比值

天花板的法向量为令在所述3D相机坐标系中，第i个LED照明设备且平行于天花板的平面方程表示为A′x+B′y+Cz+D_i′＝0，其中，

该平面和接收机之间的高度差计算为

然后得到接收机的z轴坐标