基于双摄像头的高精度室内定位系统及定位方法

摘要

基于双摄像头的高精度室内定位系统及定位方法，该系统包括可见光通信模块和精确定位模块；所述可见光通信模块包括LED灯和两个摄像头；所述精确定位模块包括终端及其上的两个摄像头和电子罗盘；通过双摄像头的拍摄可以来确定终端相对于LED灯的相对远近位置，弥补单摄像头情况下无法确定LED与终端距离的缺陷，然后再通过电子罗盘，以及摄像头的LED光信号获取解码，实现更加精确地定位。

说明书

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于双摄像头的高精度室内定位系统及定位方法。

背景技术

可见光通信技术是利用可见光波段作为光载波来进行通信的一种无线通信技术，能够实现高速数据传输。相比于传统的无线通信技术，可见光通信技术具有效率高，无电磁干扰，绿色环保等特点，越来越受到国内外的广泛关注。可见光通信技术是将信息通过驱动电路，高速调制到LED光信号上进行传输，接收端可以通过摄像头，光电二极管(PD)等光电转换器将光信号转换成电信号，并解调出有效信息，实现通信功能。随着LED作为新一代绿色照明设备的大力推广以及LED器件和接收器件工艺的不断改进，可见光通信技术在近年来得到了快速的发展。

而目前室内定位的需求越来越大，但以GPS为代表的室外定位技术不能够满足室内的精度和控制需求。同时如基于WIFI以及电磁场的许多室内定位技术在室内，地下，以及电磁敏感的区域中使用相当受限，往往会受到比较大的干扰而导致无法正确定位。而随着可见光通信的快速发展，基于可见光的室内定位技术得到了大家的广泛重视。室内可见光定位系统不仅继承了VLC的优点，可以在楼内，地下，矿井等封闭或电磁敏感的区域内得到广泛的应用，而且其有着稳定，不易受干扰，或者说受干扰可辨别等优点，而且基于VLC的定位方法精度基本可以保持在厘米，在异常情况下分米量级，可以满足用户的使用需求。

而以往基于摄像头的可见光通信技术，基本只使用一个摄像头，大多也没有结合姿态传感器，或使用摄像头进行LED信息的接收。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于双摄像头的高精度室内定位系统及定位方法，通过双摄像头的拍摄可以来确定终端相对于LED灯的相对远近位置，弥补单摄像头情况下无法确定LED与终端距离的缺陷，然后再通过电子罗盘，以及摄像头的LED光信号获取解码，实现更加精确地定位。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于双摄像头的高精度室内定位系统，包括可见光通信模块和精确定位模块；所述可见光通信模块包括LED灯和两个摄像头；所述精确定位模块包括终端及其上的两个摄像头和电子罗盘，所述两个摄像头之间的距离不超过10cm。

所述电子罗盘与两个摄像头两两之间相对位置固定、相对姿态固定。

所述电子罗盘与两个摄像头所成角度一致，并保持与双摄像头的同步姿态变化，电子罗盘与两个摄像头的距离为15-30cm。

所述两个摄像头固定在同一平面或两个摄像头底面所成的角度不小于120度。

上述所述基于双摄像头的高精度室内定位系统的定位方法，将LED灯的ID信息调制到LED灯的闪烁上，LED灯为发送端，两个摄像头为接收端，通过可见光通信技术将LED灯的ID信息传送到接收端；接收端通过两个摄像头逐行扫描拍摄得到LED灯上的调制信息，表现为拍摄得到的LED图像上的黑白条纹，据此获取LED灯发射的ID信息，并根据查询数据库确定此LED灯的绝对位置；进一步为了实现精确定位，终端利用两个摄像头拍摄到的两组LED图像，通过对比图像中LED成像位置的差别，确定LED灯相对于两个摄像头的方向和距离，得到终端相对于所拍摄的LED灯的相对位置关系，同时结合电子罗盘得到的终端的姿态信息以及前面得到的LED灯的绝对位置信息，从而得到终端目前的精确位置。

所述终端目前的精确位置的计算方法如下：

为了进行位置计算，预设了三个坐标系，其中两个分别为以两个摄像头为原点，以各自朝向为轴的相对坐标系，随终端上的摄像头移动或转动而变化，其轴表示为v1,w1,u1以及v2,w2,u2；另一个为以LED灯位置为0点，以自然方位为坐标轴的世界坐标系，其坐标轴为n,e,d；

dc,nc,ec为LED灯在世界坐标系中的坐标，ni1,ei1,di1，ni2,ei2,di2分别为两个摄像头在世界坐标系中的坐标；f为两个摄像头的镜头焦距，s为两个摄像头之间距离，dd为LED灯距离终端的距离；而vi1,wi1,ui1，vi2,wi2,ui2分别为LED灯在两个摄像头坐标系中中成像点的坐标；vc1,wc1,uc1，vc2,wc2,uc2为LED灯在两个相对坐标系中的位置；设此时摄像头和电子罗盘在同一平面，由相似比例关系可得：

(ni2-ni1)²+(ei2-ei1)²＝s²

对两个摄像头成立，R矩阵为从世界坐标系到摄像头坐标系的转换矩阵，由电子罗盘测得的角度所得；联立以上方程能够解出最终的终端i1,i2的绝对坐标；由此得到终端的精确位置。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、LED灯作为新一代的照明方式，具有无污染，易普及，安全性高等优点，通过LED进行定位一旦成型将能够很快推进到生活中。

2、通过LED灯以及摄像头的可见光室内定位，具有在电磁干扰环境中也能工作的特点，适应性强，而且相比一般利用光电二极管(PD)定位的方法精确度高。

3、使用双摄像头的室内定位方案，可以对LED的位置与距离进行推算，精确地辨别物体的距离，相比单摄像头只能预估距离有了很大的提高与进步。其次双摄像头还可以互相弥补，扩大捕捉灯的范围，增大定位的区域。

4、使用摄像头与电子罗盘构成的室内定位系统，较常规室内定位系统具有更高的精确度。

5、可见光通信使用LED的闪烁发送数据，而在方案中，我们利用逐行扫描的摄像头，对一段时间内LED灯传出的数据进行捕获，解码，得到其码长，可以使可见光通信与定位一体化，使PD不再必要，也使信息传输和定位更加紧密。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为本发明系统坐标系。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于双摄像头的高精度室内定位系统，包括可见光通信模块和精确定位模块；所述可见光通信模块包括LED灯和两个摄像头；所述精确定位模块包括终端及其上的两个摄像头和电子罗盘，所述两个摄像头之间的距离不超过10cm。

作为本发明的优选实施方式，所述电子罗盘与两个摄像头两两之间相对位置固定、相对姿态固定。所述电子罗盘与两个摄像头所成角度一致，并保持与双摄像头的同步姿态变化，电子罗盘与两个摄像头的距离为15-30cm。

作为本发明的优选实施方式，所述两个摄像头固定在同一平面或底面所成的角度不小于120度。

本发明所述基于双摄像头的高精度室内定位系统的定位方法，将LED灯的ID信息调制到LED灯的闪烁上，LED灯为发送端，两个摄像头为接收端，通过可见光通信技术将LED灯的ID信息传送到接收端；接收端通过两个摄像头逐行扫描拍摄得到LED灯上的调制信息，表现为拍摄得到的LED图像上的黑白条纹，据此获取LED灯发射的ID信息，并根据查询数据库确定此LED灯的绝对位置；进一步为了实现精确定位，终端利用两个摄像头拍摄到的两组LED图像，通过对比图像中LED成像位置的差别，确定LED灯相对于两个摄像头的方向和距离，得到终端相对于所拍摄的LED灯的相对位置关系，同时结合电子罗盘得到的终端的姿态信息以及前面得到的LED灯的绝对位置信息，从而得到终端目前的精确位置。

所述终端目前的精确位置的计算方法如下：

为了进行位置计算，预设了三个坐标系，其中两个分别为以两个摄像头为原点，以各自朝向为轴的相对坐标系，随终端上的摄像头移动或转动而变化，其轴表示为v1,w1,u1以及v2,w2,u2；另一个为以LED灯位置为0点，以自然方位为坐标轴的世界坐标系，其坐标轴为n,e,d；

dc,nc,ec为LED灯在世界坐标系中的坐标，ni1,ei1,di1，ni2,ei2,di2分别为两个摄像头在世界坐标系中的坐标；f为两个摄像头的镜头焦距，s为两个摄像头之间距离，dd为LED灯距离终端的距离；而vi1,wi1,ui1，vi2,wi2,ui2分别为LED灯在两个摄像头坐标系中中成像点的坐标；vc1,wc1,uc1，vc2,wc2,uc2为LED灯在两个相对坐标系中的位置；设此时摄像头和电子罗盘在同一平面，由相似比例关系可得：

(ni2-ni1)²+(ei2-ei1)²＝s²

对两个摄像头成立，R矩阵为从世界坐标系到摄像头坐标系的转换矩阵，由电子罗盘测得的角度所得；联立以上方程能够解出最终的终端i1,i2的绝对坐标；由此得到终端的精确位置。

作为本发明的优选实施方式，在精确定位模块中，将两个摄像头，与电子罗盘固定在同一平面上，这样电子罗盘所测得的实际值就会代表摄像头目前的姿态。两个摄像头相距离开已知距离，分别对LED灯进行拍摄，这样通过拍摄的两个灯之间距离差别，以及两个摄像头之间的距离，可以判定LED灯在终端上方高度位置，如同双眼对物体进行三维位置的确定。电子罗盘可以判断终端平面的方位角度位置，结合之前的相对位置，得到终端相对于LED灯的精确位置。

本发明首先使用摄像头逐行扫描的原理,直接捕捉LED灯的闪烁传输的信息,使我们在定位过程中省去了PD的使用，其次使用双摄像头的方法,定出终端与LED灯的3D距离,从而大幅度地提高定位的精度。同时还利用LED灯在摄像头中的图像位置以及电子罗盘的角度信息，最终按上述原理进行运算，得到终端相对于LED的位置信息。