基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)

摘要：高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)可以極大地拓展定位應(yīng)用的范圍，文章對(duì)基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)定位方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，利用分布在室內(nèi)空間的圖標(biāo)與其所成像的位置關(guān)系，對(duì)待定位點(diǎn)進(jìn)行高精度的室內(nèi)定位。該系統(tǒng)由圖標(biāo)、成像處理模塊、定位計(jì)算3部分組成，成像處理模塊完成圖標(biāo)成像和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，定位計(jì)算完成圖標(biāo)成像點(diǎn)位置確定、圖標(biāo)識(shí)別、定位圖標(biāo)優(yōu)選和待定位點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算等功能。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到厘米量級(jí)。

關(guān)鍵詞：圖標(biāo)；成像；室內(nèi)定位；定位算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.1" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，絕大多數(shù)定位系統(tǒng)的應(yīng)用主要是對(duì)人或車(chē)輛的定位，定位精度通常需要在幾百厘米到幾十米的范圍，在室外環(huán)境，諸如GPS、北斗衛(wèi)星等定位系統(tǒng)已經(jīng)能夠?yàn)橛脩籼峁┻@種精度的穩(wěn)定的定位服務(wù)，基本滿足了用戶在室外場(chǎng)景中的應(yīng)用需求。而大量的定位需求發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景，室內(nèi)由于受到建筑物的遮擋，衛(wèi)星信號(hào)衰減大，無(wú)法進(jìn)行穩(wěn)定可靠的室內(nèi)定位^［1］。除此之外，室內(nèi)定位應(yīng)用不僅用于對(duì)人和車(chē)輛的定位，更多的應(yīng)用需求是對(duì)較小尺寸物體的定位，如機(jī)器人對(duì)小尺寸物體的操控會(huì)涉及更小物體的定位，這些定位應(yīng)用精度通常在厘米量級(jí)，當(dāng)前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是無(wú)法達(dá)到此精度的。為解決室內(nèi)小尺寸物體的定位應(yīng)用，出現(xiàn)了很多不同技術(shù)方案的室內(nèi)高精度定位方法，但這些室內(nèi)定位方法還存在不少須要克服的困難，還須要解決以下問(wèn)題：室內(nèi)環(huán)境布局復(fù)雜多變，障礙物和干擾源多，對(duì)定位精度和定位穩(wěn)定性造成影響；厘米及更高精度的定位還沒(méi)有可靠的技術(shù)方案；部分高精度定位方式須要提前布設(shè)基站，實(shí)施困難；高精度室內(nèi)定位需要比較昂貴的輔助設(shè)備或前期大量的人工處理， 定位精度與成本難以兼顧。這些問(wèn)題大大制約了技術(shù)的推廣普及^［2-4］。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度、低成本、普適性成為室內(nèi)定位技術(shù)的未來(lái)研究方向，快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)視覺(jué)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將為室內(nèi)定位技術(shù)提供更多的技術(shù)途徑。目前采用的室內(nèi)定位方法主要有基于信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位方法、基于指紋標(biāo)記的室內(nèi)定位方法、基于頻分多址的室內(nèi)定位方法、可見(jiàn)光多接收點(diǎn)幾何中心定位方法、基于光源成像的室內(nèi)定位法，除此之外，還有不同室內(nèi)可見(jiàn)光定位方法結(jié)合在一起的定位方法。這些室內(nèi)定位方法還在發(fā)展過(guò)程中，還沒(méi)有一種方法能可靠地實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)的高精度定位^［5-7］。

當(dāng)前普遍采用的室內(nèi)定位技術(shù)必須在定位基站與定位接收端之間建立單向或雙向通信連接關(guān)系，這樣的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且容易受到電磁干擾和室內(nèi)空間可移動(dòng)物體位置變化所帶來(lái)的信號(hào)隨機(jī)衰落的影響。文獻(xiàn)中常見(jiàn)的基于光源成像的室內(nèi)高精度定位可以實(shí)現(xiàn)較高精度的定位，但這種定位方式須要圖像傳感器檢測(cè)信號(hào)接收端在三維空間中的方位角、俯仰角和光源到成像點(diǎn)的距離。由于測(cè)量精度制約，系統(tǒng)的定位精度通常也達(dá)不到厘米量級(jí)，定位過(guò)程也不太穩(wěn)定，特別是光源成像普遍存在的光暈現(xiàn)象，導(dǎo)致成像模糊，使得定位精度無(wú)法進(jìn)一步提高^［8-10］。

借助當(dāng)前人工智能中的圖像識(shí)別技術(shù)的廣泛成熟應(yīng)用，本文提出一種基于圖標(biāo)成像的定位方法，由單個(gè)圖像傳感器對(duì)分布于室內(nèi)天花板平面上的圖標(biāo)成像，通過(guò)對(duì)圖標(biāo)所成圖像的識(shí)別和成像位置的標(biāo)定，由圖標(biāo)和成像點(diǎn)的幾何位置關(guān)系確定待定位物體的精確位置。此方法不須要在基站與定位接收端之間建立通信連接關(guān)系，也不須要測(cè)量光線角度和測(cè)距，同時(shí)能避免光源成像模糊和電磁信號(hào)干擾的問(wèn)題，在簡(jiǎn)化定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可大幅度地提高室內(nèi)定位的精度。

1 圖標(biāo)成像室內(nèi)定位仿真模型

本文的仿真模型選擇長(zhǎng)寬高為5 m×5 m×4 m的室內(nèi)空間進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將若干個(gè)不同形狀的圖標(biāo)按一定分布規(guī)律布置在室內(nèi)天花板上，每個(gè)圖標(biāo)的形狀具有唯一性且每個(gè)圖標(biāo)有預(yù)先精確標(biāo)定的坐標(biāo)值。基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)定位系統(tǒng)由圖標(biāo)和成像定位處理模塊組成。圖標(biāo)選擇一些形狀比較規(guī)則的幾何圖形，成像定位處理模塊包含透鏡組、濾波膜、圖像傳感器、成像信號(hào)處理和定位計(jì)算模塊。透鏡組用于對(duì)圖標(biāo)的成像，圖像傳感器把圖標(biāo)光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為成像平面的數(shù)字圖像，成像信號(hào)處理和定位計(jì)算模塊完成圖標(biāo)的識(shí)別、定位圖標(biāo)優(yōu)選、待定位點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算等功能。

基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位原理如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位：成像定位處理系統(tǒng)對(duì)圖標(biāo)坐標(biāo)賦值；通過(guò)透鏡組、圖像傳感器對(duì)布置于室內(nèi)頂部平面上的圖標(biāo)成像；成像信號(hào)處理和定位計(jì)算模塊對(duì)成像的圖標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并優(yōu)選出3個(gè)成像效果最佳的圖標(biāo)；利用任意3個(gè)非共線的圖標(biāo)及其在成像系統(tǒng)傳感器平面成像點(diǎn)的連線所構(gòu)成的幾何位置關(guān)系，根據(jù)所選圖像傳感器的感光面積及像素密度大小等參數(shù)，成像信號(hào)處理及定位計(jì)算模塊計(jì)算確定待定位點(diǎn)L的坐標(biāo)值。圖標(biāo)成像點(diǎn)與成像平面中心點(diǎn)位置關(guān)系如圖2所示。si為圖標(biāo)在圖像傳感器成像平面的成像中心點(diǎn)M到成像平面中心N的距離，結(jié)合圖1可以測(cè)量si的值。

根據(jù)圖1中圖標(biāo)與成像點(diǎn)的幾何位置關(guān)系，可計(jì)算出待定位點(diǎn)L的坐標(biāo)，3個(gè)非共線的圖標(biāo)坐標(biāo)分別為L(zhǎng)1（x1，y1，z1）、L2（x2，y2，z2）、L3（x3，y3，z3），它們到待定位點(diǎn)L的距離分別為D1、D2、D3，L為待定位點(diǎn)即透鏡中心，通過(guò)L的透鏡平面與傳感平面平行，透鏡平面中心L到傳感平面中心N的垂直距離為v，v=f+α，f為透鏡焦距， α為大于0的正數(shù)，M為圖標(biāo)L1通過(guò)透鏡在圖像傳感器平面的成像，H為圖標(biāo)L1到透鏡平面的垂直距離，即為待定位點(diǎn)到圖標(biāo)分布平面的垂直距離，A點(diǎn)在透鏡平面上^［6］。直角三角形ΔL1AL與直角三角形ΔLNM為相似三角形，所以D1=H（v2+s12）^1/2/v，s1為N到M的距離，同理可得其他圖標(biāo)到定位點(diǎn)L的距離相同表達(dá)式Di=H（v2+si2）^1/2/v。根據(jù)成像公式有關(guān)系：f^-1=H^-1+v^-1，如3個(gè)定位圖標(biāo)均分布在平行于圖像傳感器平面的平面上，故z1=z2=z3，則得到方程：

（xxi）2+（yyi）2=Di2-H2 ， i=1，2，3（1）

計(jì)算時(shí)不須直接測(cè)量距離Di，只須測(cè)出各圖標(biāo)在傳感器屏幕的成像點(diǎn)到中心N的距離si，即可求解得到待定位點(diǎn)的位置坐標(biāo)（x，y，z），其中z=zi-H，Ti、si分別是AL和MN的距離。

假設(shè)傳感器平面有效面積為σ，像素為χ，則單位像素的面積為σ/χ，N在圖像傳感器平面的像素點(diǎn)坐標(biāo)為（x0′，y0′），M的坐標(biāo)為（xm′，ym′），x方向像素點(diǎn)數(shù)a，y方向像素點(diǎn)數(shù)b，故si= ［（a2+b2） σ/χ］^1/2。根據(jù)成像規(guī)律，縮小的圖標(biāo)像利于提高si的計(jì)算精度，為得到縮小的圖標(biāo)像，要求H大于2f，有flt;vlt;2f，H越大像平面越靠近焦平面，成像越小，利于提高定位精度。測(cè)量M點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)存在誤差，即si的測(cè)量值有誤差，設(shè)測(cè)量誤差為ΔS，si的測(cè)量值可表示為：

si=TifH-f±Δs（2）

ΔS值見(jiàn)式（3），其近似等于像的半徑，圖標(biāo)長(zhǎng)為l、寬為w，β為成像的縮小倍數(shù)。

Δs=βl2+w22（3）

由上兩式可知，提高圖像傳感器的像素、減小成像的半徑，可提高測(cè)量si長(zhǎng)度的精度，從而提高定位的精度。

2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)采用的圖標(biāo)尺寸分別為2×2 cm2、4×4 cm2、9×9 cm2和10×20 cm2，焦距的取值分別為8 mm、10 mm、12 mm和15 mm，采用有效感應(yīng)面積為37 mm 2、像素為1024×768的圖像傳感器。

模型仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。圖標(biāo)尺寸為2×2cm2、焦距為12mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖標(biāo)尺寸為9×9cm2、焦距為12mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1、表2中，實(shí)際坐標(biāo)為待定位點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值，測(cè)量坐標(biāo)為系統(tǒng)仿真計(jì)算所得待定位點(diǎn)的坐標(biāo)值。表1、表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，相同條件下，圖標(biāo)尺寸大小對(duì)系統(tǒng)的定位誤差大小有明顯的影響。圖標(biāo)" 尺寸為2×2 cm2時(shí)，平均定位誤差為1.28 cm，圖標(biāo)尺寸為9×9 cm2時(shí)，平均定位誤差為5.54 cm。因而在實(shí)際應(yīng)用中須根據(jù)定位精度要求選擇所布設(shè)的圖標(biāo)大小。但圖標(biāo)尺寸大小也不能任意小，還必須考慮圖標(biāo)與定位裝置的距離，兩者距離越遠(yuǎn)，成像裝置對(duì)小尺寸圖標(biāo)的成像清晰度會(huì)變差，將導(dǎo)致所成圖像無(wú)法被系統(tǒng)識(shí)別，這樣就無(wú)法進(jìn)行下一步的定位計(jì)算。不同室內(nèi)空間大小，特別室內(nèi)空間垂直高度的大小，定位系統(tǒng)可以選擇布設(shè)的最小圖標(biāo)尺寸是有限制的，因而定位精度也會(huì)受到限制。

表3、表4為給定圖標(biāo)尺寸下，成像系統(tǒng)透鏡在不同焦距下的定位誤差。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同焦距對(duì)定位誤差基本沒(méi)有影響，這為定位用透鏡組提供了廣闊的選擇空間，說(shuō)明圖標(biāo)尺寸是造成定位誤差大小的主要因素。不同圖標(biāo)尺寸和不同焦距下多次仿真測(cè)量所得到的定位平均誤差如表5所示。

仿真實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的定位精度與圖標(biāo)的尺寸有直接的關(guān)系，更小的圖標(biāo)尺寸可以實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，但圖標(biāo)的尺寸不能無(wú)限地減小，圖標(biāo)尺寸減小到成像系統(tǒng)無(wú)法分辨的尺度時(shí)，就無(wú)法進(jìn)行圖標(biāo)識(shí)別，從而無(wú)法進(jìn)行下一步的定位計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)3個(gè)經(jīng)識(shí)別后選擇的非共線圖標(biāo)相互之間的間隔越遠(yuǎn)，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。這是因?yàn)檫@3個(gè)圖標(biāo)之間的距離越遠(yuǎn)，它們所成像的間隔也越大，si的測(cè)量值也就越準(zhǔn)確，最后計(jì)算出的誤差也就越小。

上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了圖標(biāo)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)室內(nèi)圖標(biāo)大小選擇的依據(jù)，圖標(biāo)尺寸大于10×20 cm2時(shí)，定位誤差將達(dá)到厘米量級(jí)以上。圖標(biāo)尺寸小于4×4 cm2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)的定位精度，這些尺寸的圖標(biāo)在室內(nèi)空間裝飾中是常見(jiàn)的裝飾圖案尺寸，因而其布置不影響室內(nèi)裝飾的美觀性，對(duì)圖標(biāo)的布置具有現(xiàn)實(shí)可行性。上述所選圖標(biāo)尺寸是大部分成像系統(tǒng)易于分辨和檢測(cè)的，故基于圖標(biāo)成像的定位系統(tǒng)是一種易于實(shí)施的高精度定位技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前人工智能中的計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，這為基于圖標(biāo)成像的定位系統(tǒng)提供了成熟的技術(shù)基礎(chǔ)^［3］ 。本文提出的基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)的高精度室內(nèi)定位，其優(yōu)點(diǎn)是不須要在基站與定位接收端之間建立通信連接關(guān)系，也不需要復(fù)雜的光學(xué)測(cè)量，極大地簡(jiǎn)化了定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是一種低成本的高精度定位方法。

本文所提出的基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：不同成像焦距與定位精度無(wú)關(guān)；圖標(biāo)的尺寸越大，定位誤差越大；圖標(biāo)尺寸越小，定位誤差越小。

本文提出的定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同精度要求的室內(nèi)定位，定位精度可以從厘米量級(jí)到分米量級(jí)，可以靈活應(yīng)用于不同室內(nèi)空間和定位精度要求的實(shí)際場(chǎng)景。

基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)不僅可以用于室內(nèi)高精度定位，還可用于更小空間內(nèi)的超高精度定位，如精密加工和機(jī)器人操控裝置中，在幾立方米或更小空間內(nèi)通過(guò)布設(shè)更小的圖標(biāo)，理論上可以實(shí)現(xiàn)亞毫米量級(jí)的定位，這方面的技術(shù)及應(yīng)用有待今后進(jìn)一步的探究。

總之，基于圖標(biāo)成像的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)是一種新的技術(shù)選擇，可以為當(dāng)前多種不同的室內(nèi)高精度定位技術(shù)提供有益的參考。

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（編輯 王雪芬）

Indoor highprecision positioning system based on icon imaging

LU" Hongbin， TANG" Wenlong， HE" Yingyong， TANG" Xiugan

（Baise University， Baise 533000， China）

Abstract：" A highprecision indoor positioning system can greatly expand the scope of positioning applications. This article systematically studies the indoor positioning method based on icon imaging， using the relationship between icons distributed in indoor space and their imaged positions to achieve highprecision indoor positioning of the target location. The system consists of three parts： icon， imaging processing module， and positioning calculation. The imaging processing module completes the functions of icon imaging and photoelectric signal conversion. The positioning calculation completes the functions of icon imaging point position determination， icon recognition， positioning icon selection， and coordinate calculation of the position of the point to be positioned. The simulation experiment results show that the positioning accuracy of the system can reach the centimeter level.

Key words： icon; imaging; indoor positioning; positioning algorithm