一种基于RF射频通信的室内定位导航系统及方法与流程

一种基于rf射频通信的室内定位导航系统及方法
技术领域
1.本发明属于定位技术领域，尤其涉及一种基于rf射频通信的室内定位导航系统及方法。


背景技术：

2.目前，传统的定位技术，主要适用于室外空旷位置，利用同步卫星建立的定位系统进行定位，例如全球定位系统(global positioning system，通常简称gps)、北斗系统等。
3.然而随着城市的发展，建筑的规模越来越大，人们对室内定位的需求越来越大，然而室内接收卫星信号较差，无法使用卫星定位系统。针对这一问题现有技术中出现了一些使用无线信号进行室内定位的方案。在这些方案中，利用无线信号强度随着距离增加，逐渐衰减的原理，在需要定位的室内设置无线信号发射器，由移动目标上的信号接收装置获取无线信号，将获取的无线信号强度作为参数通过信号强度衰减公式计算得出距离无线信号发射器的距离，并进一步实现定位。同时，现有技术中的室内导航系统大多是基于蓝牙通信来实现的，蓝牙通信距离短，同时布设蓝牙基站成本高，且通信效率不佳。因此，亟需一种新的室内定位导航系统及方法。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的室内定位方法定位结果不准确，同时蓝牙通信维护量大，传输距离短，有延迟，且成本高，通信效率不佳。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于rf射频通信的室内定位导航系统及方法。
6.本发明是这样实现的，一种基于rf射频通信的室内定位导航系统，所述基于rf射频通信的室内定位导航系统包括：
7.图像采集模块，与中央控制模块连接，用于利用摄像设备获取当前位置的图像数据；
8.无线节点获取模块，与中央控制模块连接，用于获取室内各个无线连接点的相关数据；
9.无线节点连接模块，与中央控制模块连接，用于获取可连接的无线连接点数据，并与信号最强的无线连接点进行连接；
10.特征提取模块，与中央控制模块连接，用于提取获取的当前位置的图像数据中的特征，包括：
11.(1)获取采集的当前位置的周围环境图像数据；
12.(2)根据预设的摄像设备模型与参数，进行环境图像的畸变校正与左右目图像对齐，对所述环境图像进行预处理，包括：
13.根据摄像设备的内部参数k
l
,k
r
，双目摄像机相对位置关系r,t，以及标定得到的畸变参数(k1,k2,k3,p1,p2)对电力机器人行走过程中采集到的左目图像和右目图像进行畸变
校正和立体校正；
14.将校正后的左目图像和右目图像逆向投影变换，将双目图像重新投影到地平面上；其中，通过双目摄像机参数k
l
,k
r
,r,t,以及参考摄像机坐标系相对于地平面世界坐标下的旋转矩阵和平移矩阵r
w
,t
w
，确定逆向投影变换；
15.设当前左目或右目摄像机内部参数为：
[0016][0017]
其中，f
u
和f
v
是横向、纵向焦距，u0,v0为图像平面主点位置，s为像素纵横比，当前摄像机相对于世界坐标系的旋转矩阵r
w
和平移矩阵t
w
，图像平面空间像素坐标为(u,v)，地平面上世界坐标系下的目标坐标为(x,y,z)，设双目摄像机光心相对于地平面高度为h，双目摄像机的光心相对于地平面的俯仰夹角为θ，设电力机器人的坐标系为o2，p
ground
为机器人坐标系下地平面的方程，根据变电站实际环境，设地平面方程为z＝0，所以有：
[0018][0019]
根据双目摄像机投影关系得到图像平面与地平面间的投影关系使用齐坐标表示为：
[0020]
即
[0021]
(3)对预处理后的环境图像进行特征点提取和直线特征提取，获取所述环境图像中的特征点信息和直线特征信息；
[0022]
通信模块，与中央控制模块连接，用于利用rf视频通信电路进行信号传输与通信；
[0023]
中央控制模块，与图像采集模块、无线节点获取模块、无线节点连接模块、通信模块、特征提取模块、初步定位模块、定位标示模块、环境确定模块、修正模块、导航模块、存储模块以及显示模块连接，用于利用单片机或控制器控制所述基于rf射频通信的室内定位导航系统各个模块正常工作；
[0024]
初步定位模块，与中央控制模块连接，用于基于连接的无线节点的名称或可连接无线节点的信号强度以及与无线节点的距离进行初步定位；
[0025]
定位标示模块，与中央控制模块连接，用于获取当前室内环境的三维或二维地图，并将初步定位结果在地图上标示；
[0026]
环境确定模块，与中央控制模块连接，用于基于定位标示结果提取标示点周围的环境特征数据；并与提取的当前位置的图像特征进行对比，确定定位环境与实际环境是否一致；
[0027]
修正模块，与中央控制模块连接，用于基于环境确定结果与室内环境地图特征进
行定位修正，得到精准定位结果；
[0028]
导航模块，与中央控制模块连接，用于基于精准定位结果以及目标位置进行导航；
[0029]
存储模块，与中央控制模块连接，用于存储室内环境三维、二维地图、室内无线连接点相关数据及其他信息；
[0030]
显示模块，与中央控制模块连接，用于将精准定位结果于三维或二维地图中标识显示。
[0031]
进一步，图像采集模块中，所述摄像设备为双目摄像机、ccd摄像机。
[0032]
进一步，无线节点获取模块中，所述无线连接点的相关数据包括：无线连接点的名称、唯一标识、位置以及覆盖范围。
[0033]
进一步，特征提取模块中，所述对预处理后的环境图像进行特征点提取和直线特征提取，获取所述环境图像中的特征点信息和直线特征信息，包括：
[0034]
1)将预处理后的环境图像按照图像尺寸均分为多个图像子区域；基于fast算法，依次对划分出的每一所述图像子区域进行特征点提取，获取各图像子区域所对应的特征点；
[0035]
2)基于brief算法，计算每一特征点对应的二进制的描述子；在环境图像大小下建立一个根结点，将所述根结点均匀的分割为四个子结点，遍历环境图像上的所有特征点并统计每个结点区域内的特征点数量；
[0036]
3)如果当前节点所对应的结点区域内的特征点数为一，则将当前结点标记为不再分割；如果当前节点所对应的节点区域内的特征点数为零，则删除当前结点；如果当前节点所对应的结点区域内的特征点数大于一，则继续分割当前结点，直至结点总数达到设定阈值或每一结点区域内的特征点的数量均为一。
[0037]
进一步，所述基于fast算法，依次对划分出的每一所述图像子区域进行特征点提取，获取各图像子区域所对应的特征点，包括：
[0038]
从预处理后的环境图像中选取候选点；以所述候选点为圆心，比较设定邻域半径上的所有像素点，将设定邻域半径上的所有像素点的灰度值依次与所述候选点的灰度值进行比较；当有连续预设数量的像素点与所述候选点之间的灰度值差值的绝对值大于预设灰度阈值时，确定所述候选点为特征点。
[0039]
进一步，初步定位模块中，所述基于连接的无线节点的名称或可连接无线节点的信号强度以及与无线节点的距离进行初步定位，包括：
[0040]
(1)获取当前连接以及可连接的无线节点信号特征；所述无线节点信号特征包括：信号的名称、强度、标识码相关数据；
[0041]
(2)将所述信号特征与预先测得的所述定位区域内不同位置的信号特征进行匹配，确定匹配出的信号特征对应的位置。
[0042]
进一步，所述将信号特征与预先测得的定位区域内不同位置的信号特征进行匹配，确定匹配出的信号特征对应的位置，包括：
[0043]
1)基于信号特征中的名称以及标识码数据与数据库中预先存储的对应无线节点数据确定位置数据；
[0044]
2)基于信号特征中的无线信号强度值，采用支持向量机分类器将待测点定位到相应子区域，获取所述子区域的位置指纹图和特征变换矩阵；
[0045]
3)采用相应子区域的特征变换矩阵将待测点无线信号强度值进行维数转换得到d维无线信号强度值并与相应子区域进行匹配，采用权值k最邻近结点算法对待测点位置坐标进行预测；
[0046]
4)基于确定的位置数据以及预测结果确定对应的位置。
[0047]
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以应用所述基于rf射频通信的室内定位导航系统。
[0048]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机应用所述基于rf射频通信的室内定位导航系统。
[0049]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于rf射频通信的室内定位导航系统。
[0050]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基于rf射频通信的室内定位导航系统，通过采用rf射频通信，不仅有效扩展了通信距离，同时降低了维护成本，保证了通信的稳定性以及效率。本发明首先基于无线信号的信号特征进行初步定位，避免了现有的gps定位于室内不准确以及无法识别楼层的缺陷；同时辅助环境数据进行定位的验证，避免了单一定位导致的定位存在延迟或不准确的缺陷，提高了定位的精准度；同时将位置信息在三维或二维地图中标识，能够直观显示当前位置以及与目的地的空间距离关系，导航结果更准确。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0052]
图1是本发明实施例提供的基于rf射频通信的室内定位导航系统结构示意图；
[0053]
图中：1、图像采集模块；2、无线节点获取模块；3、无线节点连接模块；4、通信模块；5、特征提取模块；6、中央控制模块；7、初步定位模块；8、定位标示模块；9、环境确定模块；10、修正模块；11、导航模块；12、存储模块；13、显示模块。
[0054]
图2是本发明实施例提供的基于rf射频通信的室内定位导航方法流程图。
[0055]
图3是本发明实施例提供的通过特征提取模块提取获取的当前位置的图像数据中的特征的方法流程图。
[0056]
图4是本发明实施例提供的基于连接的无线节点的名称或可连接无线节点的信号强度以及与无线节点的距离进行初步定位的方法流程图。
[0057]
图5是本发明实施例提供的将信号特征与预先测得的定位区域内不同位置的信号特征进行匹配，确定匹配出的信号特征对应的位置的方法流程图。
具体实施方式
[0058]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于
限定本发明。
[0059]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于rf射频通信的室内定位导航系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0060]
如图1所示，本发明实施例提供的基于rf射频通信的室内定位导航系统包括：图像采集模块1、无线节点获取模块2、无线节点连接模块3、通信模块4、特征提取模块5、中央控制模块6、初步定位模块7、定位标示模块8、环境确定模块9、修正模块10、导航模块11、存储模块12以及显示模块13。
[0061]
图像采集模块1，与中央控制模块6连接，用于利用摄像设备获取当前位置的图像数据；
[0062]
无线节点获取模块2，与中央控制模块6连接，用于获取室内各个无线连接点的相关数据；
[0063]
无线节点连接模块3，与中央控制模块6连接，用于获取可连接的无线连接点数据，并与信号最强的无线连接点进行连接；
[0064]
特征提取模块4，与中央控制模块6连接，用于提取获取的当前位置的图像数据中的特征；
[0065]
通信模块5，与中央控制模块6连接，用于利用rf视频通信电路进行信号传输与通信；
[0066]
中央控制模块6，与图像采集模块1、无线节点获取模块2、无线节点连接模块3、通信模块4、特征提取模块5、初步定位模块7、定位标示模块8、环境确定模块9、修正模块10、导航模块11、存储模块12以及显示模块13连接，用于利用单片机或控制器控制所述基于rf射频通信的室内定位导航系统各个模块正常工作；
[0067]
初步定位模块7，与中央控制模块6连接，用于基于连接的无线节点的名称或可连接无线节点的信号强度以及与无线节点的距离进行初步定位；
[0068]
定位标示模块8，与中央控制模块6连接，用于获取当前室内环境的三维或二维地图，并将初步定位结果在地图上标示；
[0069]
环境确定模块9，与中央控制模块6连接，用于基于定位标示结果提取标示点周围的环境特征数据；并与提取的当前位置的图像特征进行对比，确定定位环境与实际环境是否一致；
[0070]
修正模块10，与中央控制模块6连接，用于基于环境确定结果与室内环境地图特征进行定位修正，得到精准定位结果；
[0071]
导航模块11，与中央控制模块6连接，用于基于精准定位结果以及目标位置进行导航；
[0072]
存储模块12，与中央控制模块6连接，用于存储室内环境三维、二维地图、室内无线连接点相关数据及其他信息；
[0073]
显示模块13，与中央控制模块6连接，用于将精准定位结果于三维或二维地图中标识显示。
[0074]
本发明实施例提供的无线连接点的相关数据包括：无线连接点的名称、唯一标识、位置以及覆盖范围。
[0075]
如图2所示，本发明实施例提供的基于rf射频通信的室内定位导航方法，包括以下
步骤：
[0076]
s101，通过图像采集模块利用摄像设备获取当前位置的图像数据；通过无线节点获取模块获取室内各个无线连接点的相关数据；
[0077]
s102，通过无线节点连接模块获取可连接的无线连接点数据，并与信号最强的无线连接点进行连接；
[0078]
s103，通过特征提取模块提取获取的当前位置的图像数据中的特征；通过通信模块利用rf视频通信电路进行信号传输与通信；
[0079]
s104，通过中央控制模块利用单片机或控制器控制所述基于rf射频通信的室内定位导航系统各个模块正常工作；
[0080]
s105，通过初步定位模块基于连接的无线节点的名称或可连接无线节点的信号强度以及与无线节点的距离进行初步定位；
[0081]
s106，通过定位标示模块获取当前室内环境的三维或二维地图，并将初步定位结果在地图上标示；
[0082]
s107，通过环境确定模块基于定位标示结果提取标示点周围的环境特征数据；与提取的当前位置图像特征对比，确定定位环境与实际环境是否一致；
[0083]
s108，若定位环境与实际环境不一致，则通过修正模块基于环境确定结果与室内环境地图特征进行定位修正，得到精准定位结果；通过导航模块基于精准定位结果以及目标位置进行导航；
[0084]
s109，通过存储模块存储室内环境三维、二维地图、室内无线连接点相关数据及其他信息；通过显示模块将精准定位结果于三维或二维地图中标识显示。
[0085]
步骤s101中，本发明实施例提供的摄像设备为双目摄像机、ccd摄像机。
[0086]
步骤s102中，本发明实施例提供的无线连接点的相关数据包括：无线连接点的名称、唯一标识、位置以及覆盖范围。
[0087]
如图3所示，步骤s103中，本发明实施例提供的通过特征提取模块提取获取的当前位置的图像数据中的特征，包括：
[0088]
s201，获取采集的当前位置的周围环境图像数据；
[0089]
s202，根据预设的摄像设备模型与参数，进行环境图像的畸变校正与左右目图像对齐，对所述环境图像进行预处理；
[0090]
s203，对预处理后的环境图像进行特征点提取和直线特征提取，获取所述环境图像中的特征点信息和直线特征信息。
[0091]
步骤s203中，本发明实施例提供的根据预设的摄像设备模型与参数，进行环境图像的畸变校正与左右目图像对齐，对所述环境图像进行预处理，包括：
[0092]
根据摄像设备的内部参数k
l
,k
r
，双目摄像机相对位置关系r,t，以及标定得到的畸变参数(k1,k2,k3,p1,p2)对电力机器人行走过程中采集到的左目图像和右目图像进行畸变校正和立体校正；
[0093]
将校正后的左目图像和右目图像逆向投影变换，将双目图像重新投影到地平面上；其中，通过双目摄像机参数k
l
,k
r
,r,t,以及参考摄像机坐标系相对于地平面世界坐标下的旋转矩阵和平移矩阵r
w
,t
w
，确定逆向投影变换；
[0094]
设当前左目或右目摄像机内部参数为：
[0095][0096]
其中，f
u
和f
v
是横向、纵向焦距，u0,v0为图像平面主点位置，s为像素纵横比，当前摄像机相对于世界坐标系的旋转矩阵r
w
和平移矩阵t
w
，图像平面空间像素坐标为(u,v)，地平面上世界坐标系下的目标坐标为(x,y,z)，设双目摄像机光心相对于地平面高度为h，双目摄像机的光心相对于地平面的俯仰夹角为θ，设电力机器人的坐标系为o2，p
ground
为机器人坐标系下地平面的方程，根据变电站实际环境，设地平面方程为z＝0，所以有：
[0097][0098]
根据双目摄像机投影关系得到图像平面与地平面间的投影关系使用齐坐标表示为：
[0099]
即
[0100]
步骤s203中，本发明实施例提供的对预处理后的环境图像进行特征点提取和直线特征提取，获取所述环境图像中的特征点信息和直线特征信息，包括：
[0101]
(1)将预处理后的环境图像按照图像尺寸均分为多个图像子区域；基于fast算法，依次对划分出的每一所述图像子区域进行特征点提取，获取各图像子区域所对应的特征点；
[0102]
(2)基于brief算法，计算每一特征点对应的二进制的描述子；在环境图像大小下建立一个根结点，将所述根结点均匀的分割为四个子结点，遍历环境图像上的所有特征点并统计每个结点区域内的特征点数量；
[0103]
(3)如果当前节点所对应的结点区域内的特征点数为一，则将当前结点标记为不再分割；如果当前节点所对应的节点区域内的特征点数为零，则删除当前结点；如果当前节点所对应的结点区域内的特征点数大于一，则继续分割当前结点，直至结点总数达到设定阈值或每一结点区域内的特征点的数量均为一。
[0104]
本发明实施例提供的基于fast算法，依次对划分出的每一所述图像子区域进行特征点提取，获取各图像子区域所对应的特征点，包括：
[0105]
(1)从预处理后的环境图像中选取候选点；以所述候选点为圆心，比较设定邻域半径上的所有像素点，将设定邻域半径上的所有像素点的灰度值依次与所述候选点的灰度值进行比较；
[0106]
(2)当有连续预设数量的像素点与所述候选点之间的灰度值差值的绝对值大于预设灰度阈值时，确定所述候选点为特征点。
[0107]
如图4所示，步骤s105中，本发明实施例提供的基于连接的无线节点的名称或可连
接无线节点的信号强度以及与无线节点的距离进行初步定位，包括：
[0108]
s301，获取当前连接以及可连接的无线节点信号特征；所述无线节点信号特征包括：信号的名称、强度、标识码相关数据；
[0109]
s302，将所述信号特征与预先测得的所述定位区域内不同位置的信号特征进行匹配，确定匹配出的信号特征对应的位置。
[0110]
如图5所示，步骤s302中，本发明实施例提供的将信号特征与预先测得的定位区域内不同位置的信号特征进行匹配，确定匹配出的信号特征对应的位置，包括：
[0111]
s401，基于信号特征中的名称以及标识码数据与数据库中预先存储的对应无线节点数据确定位置数据；
[0112]
s402，基于信号特征中的无线信号强度值，采用支持向量机分类器将待测点定位到相应子区域，获取所述子区域的位置指纹图和特征变换矩阵；
[0113]
s403，采用相应子区域的特征变换矩阵将待测点无线信号强度值进行维数转换得到d维无线信号强度值并与相应子区域进行匹配，采用权值k最邻近结点算法对待测点位置坐标进行预测；
[0114]
s404，基于确定的位置数据以及预测结果确定对应的位置。
[0115]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0116]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0117]
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。