CN109597030A - 一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法及装置，通过高速闪烁的发光装置发送可见光信号，可见光信号打在目标物体上发生漫反射，然后利用监控摄像头拍摄到的漫反射效果分析目标物体的位置。本发明不需要直接使用监控摄像头拍摄灯光，只需要拍摄目标物体，获取目标物体产生漫反射的光线即可以完成定位；本发明提供的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法通过设置长曝光与短曝光周期同时对待定位物体进行拍摄后，将两幅图像相除，获得了准确的亮度增益，从而能够获得准确的定位位置；通过建立亮度增益与位置的模型，能够准确地获得待定位物体与每个发光装置的距离，从而获得准确的定位位置。

Description

一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法及装置

技术领域

本发明涉及仓储室内物体定位方法及装置，具体涉及一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法及装置。

背景技术

随着近年来我国经济的快速发展，物流行业市场需求持续扩大。仓储作为物流系统的重要组成部分，在现代物流发展中起着至关重要的作用。早期的仓储货物定位机制都是通过人工来完成的，在货物本体标好记号，通过人工比对的方式寻找目标货物。但由于物流行业市场需求的扩大，货物数量剧增，早期的仓储货物定位机制不仅需要大量的人力和时间开销，而且容易造成人为失误。目前，通常采用二维码的方式对货物进行标识，需要人工手持摄像头对货物上贴的二维码进行扫描与识别，已完成对货物的定位。但是这种方式不仅加大了二维码的额外开销，还由于人工参与降低了定位系统的准确率。

现有技术还利用射频识别技术(Ratio Frequency Identification，RFID)对货物进行识别，这种方法的好处是解除了标签的粘贴方式和识别方式的限制，能更容易地获取的每件货物的信息，从而实现对货物的定位。但是由于RFID设备较为昂贵，这些装置会提高系统的整体开销，使得基于射频识别技术的货物定位技术成本提高，实施难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法及装置，用以解决现有技术中的仓储室内物体定位方法定位准确率不高，成本大等问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，该方法利用多个发光装置发出的可见光信号对仓储室内待定位物体进行定位，所述的仓储室内设置有N个发光装置，N≥5，所述的N个发光装置发出的光均照射在所述的待定位物体上；

所述的方法按照以下步骤执行：

步骤1、控制每个发光装置的亮灭状态，使在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态；

控制每个发光装置的亮灭状态时，每个发光装置按照各自的亮灭规律进行亮灭状态的切换；

重复执行步骤1直至步骤2结束，同时执行步骤2；

步骤2、以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像：

每曝光第一图像中的一列像素列时，获得所有发光装置在待定位物体上亮度累加值；

步骤3、获得第一图像中所有像素列的亮度累加值的序列，获得图像亮度增益序列；

将所述的图像亮度增益序列转换为图像形式，所述的图像形式的图像亮度增益序列的横坐标为像素，纵坐标为亮度增益；

步骤4、从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益；

步骤5、根据每个发光装置的亮度增益，采用式I获得待定位物体与每个发光装置之间的距离，单位为m：

其中，d₁、d₂、d_n以及d_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置与待定位物体之间的距离，单位为m，RSS₁、RSS₂、RSS_n以及RSS_N为步骤5中获得的第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的亮度增益，G为定位参数，G>0，φ₁、φ₂、φ_n以及φ_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的发射角，单位为°，以及为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置在待定位物体上的入射角，单位为°；

步骤6、根据每个发光装置在仓储室内的位置以及每个发光装置与待定位物体之间的距离，获得待定位物体的位置；

定位结束。

进一步地，所述的步骤1中每个发光装置按照各自的亮灭规律进行亮灭状态的切换，具体包括：

步骤11、获得每个发光装置的4M位的二进制数帧编码，M为正整数；

获得第n个发光装置的二进制数帧编码时，前4m位为前导码，m为正整数，m<M，第4m+n位二进制数与其余除去前导码的所有位的二进制数相反，n＝1,2,…,N；

步骤12、所有发光装置根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，其中0代表发光装置灭，1代表发光装置亮。

进一步地，所述的步骤12中所有发光装置根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，一串二进制帧编码控制所述的发光装置在一帧时长内亮灭，所述的一帧时长包括多个脉冲信号周期，单位为微秒，所述的发光装置的帧编码中每一位二进制数控制一个脉冲信号周期内该发光装置的亮灭状态。

进一步地，在所述的步骤2中以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像的同时，以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像；其中第一图像的曝光时间为一个脉冲信号周期，单位为微秒，第二图像的曝光时间为S个脉冲信号周期，单位为微秒，S>1，其中S为获取第一图像以及第二图像的硬件的最大感光度与最小感光度之间的比值，利用获取硬件的最大感光度获取所述的第一图像，利用获取硬件的最小感光度获取所述的第二图像。

进一步地，所述的待定位物体上贴有二维码，在获取所述的待定位物体的第一图像以及第二图像之前，通过识别仓库中所有物体的二维码信息，找到所述的待定位物体。

进一步地，所述的以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像，按照以下步骤执行：

步骤A、以逐图像像素列曝光的形式及一个脉冲信号周期为曝光时间内获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一原始图像；

步骤B、在所述第一原始图像中采用设定ROI的方式截取仅包括待定位物体的图像，获得第一图像；

所述的以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像，按照以下步骤执行：

步骤a、以逐图像像素列曝光的形式及S个脉冲信号周期为曝光时间内获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二原始图像；

步骤b、在所述第二原始图像中采用设定ROI的方式截取仅包括待定位物体的图像，获得第二图像。

进一步地，所述的步骤3中获得第一图像中所有像素列的亮度累加值的序列时，通过求取所述的第一图像中每一列灰度值之和，获得第一图像所有像素列的亮度累加值序列；通过求取第二图像中每一列灰度值之和，获得第二图像所有像素列的亮度累加值序列；

将所述的第一图像亮度累加值序列除以所述的第二图像亮度累加值序列，获得图像亮度增益序列。

进一步地，所述的步骤4中从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益，按照以下步骤执行：

步骤41、在所述的图像形式的图像亮度增益序列找到所述4m位前导码的亮度增益波形，获得所述4m位前导码亮度增益波形的所占的横坐标长度D，单位为像素，D为正整数；

步骤42、采用式II获得一位前导码亮度增益波形所占的横坐标长度d，单位为像素，d为正整数：

其中，m为正整数；

所述的一位前导码亮度增益波形所占横坐标长度为一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占横坐标长度；

步骤43、在所述的图像形式的图像亮度增益序列中，以所述的第4m位前导码亮度增益波形的最后一个横坐标点为起始点，以所述的一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占横坐标长度为步长，逐次找到第1个至第N个发光装置亮度增益波形的横坐标长度范围，单位为像素，每个发光装置亮度增益波形的横坐标长度范围内对应的亮度增益均值与图像形式的图像亮度增益序列中最高点对应的亮度增益之差的绝对值为每个发光装置的亮度增益。

一种基于可见光信号的仓储室内物体定位装置，用于实现所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，所述的待定位物体上粘贴有二维码信息，所述的仓储室内物体定位装置包括多个无线传感器模块、多个发光装置、图像采集模块以及定位数据处理模块；

所述的无线传感器模块与所述的可见光信号发射模块连接，用于获得每个发光装置的4M位的二进制数帧编码，其中第n个发光装置的帧编码，前4m位为前导码，m<M，m为正整数，M为正整数，第4m+n位二进制数与其余除去前导码的所有位的二进制数相反，以使在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态，n＝1,2,…,N；

其中0代表发光装置灭，1代表发光装置亮；

所述的发光装置与所述的图像采集模块连接，用于根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态：

所述的图像采集模块与所述的定位数据处理模块连接，用于通过识别仓库中所有物体的二维码信息，找到所述的待定位物体；

还用于以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像的同时，以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像；其中第一图像的曝光时间为一个脉冲信号周期，单位为微秒，第二图像的曝光时间为S个脉冲信号周期，单位为微秒，S>1，其中S为获取第一图像以及第二图像的硬件的最大感光度与最小感光度之间的比值，利用图像采集模块的最大感光度获取所述的第一图像，利用图像采集模块的最小感光度获取所述的第二图像；

所述的定位数据处理模块用于求取所述的第一图像中每一列灰度值之和，获得第一图像所有像素列的亮度累加值序列；通过求取第二图像中每一列灰度值之和，获得第二图像所有像素列的亮度累加值序列；

将所述的第一图像亮度累加值序列除以所述的第二图像亮度累加值序列，获得图像亮度增益序列；

将所述的图像亮度增益序列转换为图像形式，所述的图像形式的图像亮度增益序列的横坐标为像素，纵坐标为亮度增益；

所述的定位数据处理模块还用于从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益；

所述的定位数据处理模块还用于根据每个发光装置的亮度增益，采用式I获得待定位物体距离每个发光装置的距离，单位为m：

其中，d₁、d₂、d_n以及d_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置与待定位物体之间的距离，单位为m，RSS₁、RSS₂、RSS_n以及RSS_N为步骤5中获得的第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的亮度增益，G为定位参数，G>0，φ₁、φ₂、φ_n以及φ_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的发射角，单位为°，以及为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置在待定位物体上的入射角，单位为°；

所述的定位数据处理模块还用于根据每个发光装置在仓储室内的位置以及每个发光装置与待定位物体之间的距离，获得待定位物体的位置。

进一步地，所述的无线传感器模块为ISA100.11a传感器。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1、本发明提供的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法通过设置长曝光与短曝光周期同时对待定位物体进行拍摄后，将两幅图像相除，获得了准确的亮度增益，从而能够获得准确的定位位置；

2、本发明提供的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法通过建立亮度增益与位置的模型，能够准确地获得待定位物体与每个发光装置的之间距离，从而获得准确的定位位置；

3、本发明提供的基于可见光信号的仓储室内物体定位装置通过采集仓储室内待定位物体的图像就可以获取该物体的位置，无需布设其他定位设备，仅需利用现有的仓储室内摄像头以及LED灯即可实现准确定位。

附图说明

图1为本发明提供的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法流程示意图；

图2为本发明的一个实施例中提供的六个LED灯的帧编码示意图；

图3为本发明的一个实施例中提供的卷帘快门原理示意图；

图4为本发明的一个实施例中提供的第一图像的图像形式的亮度增益序列；

图5为本发明的一个实施例中提供的第二图像的图像形式的亮度增益序列；

图6为本发明的一个实施例中提供的图像形式的图像亮度增益序列；

图7为本发明的一个实施例中提供的线性回归后的图像形式的图像亮度增益序列。

具体实施方式

本发明通过亮灭的LED灯发送可见光信号，可见光信号照射在待定位物体上发生漫反射，然后利用摄像头拍摄到的漫反射效果，分析待定位物体的位置，本发明不需要直接使用摄像头拍摄灯光，只需要拍摄待定位物体，获取待定位物体产生漫反射的光线就可以完成定位。

可见光信号：由于卷帘快门效果，当摄像头以足够短的曝光时间去拍摄闪烁的LED灯光时，拍到的照片上会呈现交替的明暗条纹，通过这些条纹的亮度值、频率等特征就可以推测出LED灯发射的信号，实现基于可见光信号的通信。

实施例一

本实施例公开了一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，该方法利用多个发光装置发出的可见光信号对仓储室内待定位物体进行定位，所述的仓储室内设置有N个发光装置，N≥5，所述的N个发光装置发出的光均照射在所述的待定位物体上；

发光装置是可以发出可见光信号的装置，可以是荧光灯或者二极管等，在本实施例中，发光装置为LED灯。

所述的方法按照以下步骤执行：

步骤1、控制每个发光装置的亮灭状态，使在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态；

控制每个发光装置的亮灭状态时，每个发光装置按照各自的亮灭规律进行亮灭状态的切换；

在本步骤中，使每个发光装置间隔亮灭，保证在同一时刻待定位物体能够接收到至少一个发光装置发出的光。

其中亮灭规律可以通过对每个装置进行编码获得。

具体地，所述的步骤1包括：

步骤11、获得每个发光装置的4M位的二进制数帧编码，M为正整数；

获得第n个发光装置的二进制数帧编码时，前4m位为前导码，m为正整数，m<M，第4m+n位二进制数与其余除去前导码的所有位的二进制数相反，n＝1,2,…,N；

优选地，所述的前4m位前导码中，最后四位前导码表示LED灯所在区域的编号。

在本实施例中，为了方便的找到待定位物体是由哪几个LED灯进行定位的，在前导码的后4位设置了LED灯的区域信息，例如前导码为10100001时，表示该LED灯为0001区域中的LED灯。

在本实施例中，首先为每个LED灯设定一串二进制帧编码，使LED灯根据帧编码的规则进行闪烁，发送可见光信号。

作为一种优选方式帧编码为多位二进制数。

所述的帧编码为4M位的二进制数，M≥2；

获得第n个发光装置的帧编码，前4m位为前导码，m<M，第4m+n位二进制数与其余除去前导码的所有位的二进制数相反，n＝1,2,…,N，以使在同一时刻至少有一盏LED灯处于点亮状态。

在本实施例中，N＝6，仓库内设置有6个LED灯，M＝6，帧编码为4*6位的二进制数，m＝2，前8位为前导码，前8位的前导码为10101001，其中后四位前导码1001表示LED灯在1001区域内。

第一个LED灯的帧编码为：101010010111111111111111；

第二个LED灯的帧编码为：101010011011111111111111；

第三个LED灯的帧编码为：101010011101111111111111；

第四个LED灯的帧编码为：101010011110111111111111；

第五个LED灯的帧编码为：101010011111011111111111；

第六个LED灯的帧编码为：101010011111101111111111。

如图2所示，从以上的编码可以看出所有灯的帧编码前八位完全相同，为前导码，从第九位到第十四位，每一位对应了一个LED灯与其他LED灯不同的状态，也就是说，第一个LED灯帧编码的第九位为0，第一LED灯帧编码剩余的所有位均为1，其余所有LED灯帧编码的第九位均为1，第二个LED灯帧编码的第十位为0，第二个LED灯帧编码剩余所有位均为1，其余所有的LED灯的帧编码的第十位均为1；也就是说，如图2所示，在同一时间内，有且仅有一个LED灯的状态与其他所有的LED灯的状态不同，该状态不同的灯可以是点亮状态，也可以是熄灭状态，实现高占空比以保证可见光信号能够准确的传输。

步骤12、所有发光装置根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，其中0代表发光装置灭，1代表发光装置亮。

对于每个发光装置，依次根据一串二进制帧编码的每位二进制数，控制该发光装置亮灭，其中0代表发光装置灭，1代表发光装置亮；

当发光装置亮与灭时，发光装置在所述的待定位物体上的亮度不同；

在本实施例中，LED灯亮一段时间灭一段时间，可以产生LED灯闪烁的情况，此时根据二进制的LED灯帧编码，可以使LED灯亮一个周期长的时间，灭一个周期长的时间。

可选地，所述的步骤12中所有的发光装置同时根据各自的一串二进制帧编码进行亮灭时，一串二进制帧编码控制所述的发光装置在一帧时长内亮灭，所述的一帧时长包括多个脉冲信号周期，单位为微秒，所述的发光装置的帧编码中每一位二进制数控制一个脉冲信号周期内该发光装置的亮灭状态。

在本实施例中，由于LED灯的帧编码为二进制数，因此二进制数中的0和1分别可以代表LED灯的亮灭或者灭亮。

在本实施例中，如图2所示，图中第一个LED灯的闪烁波形，第一个LED灯的前八位为前导码，此时从帧编码第一位开始，第一位前导码为1时，第一个LED灯亮一个脉冲信号周期，之后第二位前导码为0，第一个LED灯灭一个脉冲信号周期，第三位前导码又为1，第一个LED灯亮一个脉冲信号周期，之后第四位前导码又为0，第一个LED灯灭一个脉冲信号周期；从帧编码的第九位开始，第九位帧编码为0，则第一个LED灯灭一个脉冲信号周期，之后从第十位到第二十四位的帧编码一直为1，因此第一个LED灯常亮十五个脉冲信号周期。

在本实施例中，一个脉冲信号周期可以是10微秒，1微秒等，在本实施例中不作限制。作为一种优选的实施方式，一个脉冲信号周期为300微秒。

同样地，第二个LED灯、第三个LED灯、第四个LED灯、第五个LED灯以及第六个LED灯与第一个LED灯的闪烁情况相似。

重复执行步骤1直至步骤2结束，同时执行步骤2；

由于仓库中的物体的位置不是固定的，因此为方便摄像头拍到待定位物体，在所述的待定位物体上贴有二维码，在获取所述的待定位物体的第一图像以及第二图像之前，通过识别仓库中所有物体的二维码信息，找到所述的待定位物体。

监控摄像头在仓库中货物发生变动时扫描自身拍摄范围中的二维码，对已有的二维码，系统对该待定位物体进行重新定位，并更新服务器中的信息；对新扫描到的二维码，系统获取其货物信息并对其进行定位，再将货物信息与位置信息关联后存储；对没扫描到的二维码，系统认为该货物已被取走，将其信息从服务器中删除。

步骤2、以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像：

每曝光第一图像中的一列像素列时，获得所有发光装置在待定位物体上亮度的累加值；

在本实施例中，利用CMOS摄像头采集待定位物体的第一图像，其中CMOS摄像头利用卷帘快门方式采集图像，因此是以逐列曝光的形式获得待定位物体的第一图像，由于第一图像是按列曝光的，因此每曝光一列用的时间内，所有发光装置照射在待定位物体上的光都能采集到，也就是说能够每曝光一列用的时间内，利用图像获得发光装置在待定位物体上的亮度累加值，因此第一图像中会出现明暗相间的条纹，以对应所有发光装置发出的亮灭的光。

由于摄像头拍到可见光信号的同时还会拍到复杂的背景，会导致最终提取出信号的信噪比较低，因此进行信号提取。

由于第一图像中还会存在噪声，导致定位的准确率降低。在本实施例中，采用获得第一图像的同时获得第二图像的方式，将第二图像作为第一图像的背景层。

可选地，在所述的步骤2中以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像的同时，以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像；其中，第一图像的曝光时间为一个脉冲信号周期，单位为微秒，第二图像的曝光时间为S个脉冲信号周期，单位为微秒，其中S为获取第一图像以及第二图像的硬件的最大感光度与最小感光度之间的比值，S>1，利用获取硬件的最大感光度获取所述的第一图像，利用获取硬件的最小感光度获取所述的第二图像。

首先，在采集图像的时候先将待定位的物体作为重点突出，尽量避免图像上出现其他不需要定位的物体。

在本实施例中，获得第二图像的曝光时间与获得第一图像的曝光时间不同，获得第二图像的曝光时间为S个脉冲信号周期，S为获取第一图像以及第二图像的硬件的最大感光度与最小感光度之间的比值，S>1，这样两张照片就会有相同的背景层，并且由于第二图像的曝光时间较长，所以将第二图像直接看作第一图像的背景层。

可选地，所述的以逐列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体第一图像，按照以下步骤执行：

步骤A、以逐图像像素列曝光的形式及一个脉冲信号周期为曝光时间内获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一原始图像；

步骤B、在所述第一原始图像中采用设定ROI的方式截取仅包括待定位物体的图像，获得第一图像；

所述的以逐列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体第二图像，按照以下步骤执行：

步骤a、以逐图像像素列曝光的形式及S个脉冲信号周期为曝光时间内获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二原始图像；

步骤b、在所述第二原始图像中采用设定ROI的方式截取仅包括待定位物体的图像，获得第二图像。

在本实施例中，可以在待定位物体的表面贴有可供识别的二维码，摄像头通过待定位物体表面的二维码识别待定位物体，待识别并找到待定位物体之后对待定位物体进行拍照，此时照片中不免会出现一些其他的干扰物体，因此将使用简单矩形ROI区域框取出含有待定位物体的图像，获得第一图像。

获得第二图像的过程与获得第一图像的过程相同，均是采用设定ROI的方式获得。

步骤3、获得第一图像中所有像素列的亮度累加值的序列，获得图像亮度增益序列；

将所述的图像亮度增益序列转换为图像形式，所述的图像形式的图像亮度增益序列的横坐标为像素，纵坐标为亮度增益；

优选地，所述的步骤3中获得第一图像中所有像素列的亮度累加值的序列时，通过求取所述的第一图像中每一列灰度值之和，获得第一图像所有像素列的亮度累加值序列；通过求取第二图像中每一列灰度值之和，获得第二图像所有像素列的亮度累加值序列；

将所述的第一图像亮度累加值序列除以所述的第二图像亮度累加值序列，获得图像亮度增益序列。

由于卷帘快门的效果，如图3所示，CMOS传感器每隔一个采集周期t_r采集一列像素，t_r表示CMOS传感器采到一列数据之后的读出时间，由于CMOS传感器的缓存同一时刻只允许一列像素数据的读出，因此每一列像素的采集时间以采集周期t_r错开，当曝光时间为t_e，则每一张照片的光子接收时间为(Y-1)t_r+t_e，Y表示一张图片曝光的总列数，则摄像头的采样率可以达到1/t_r，这个采样率明显高于LED灯数据传输速率，因此可以采到每一个脉冲周期的信息，同时，由于摄像头分辨率一般可以达到1024*768，因此一张照片完全可以拍到含有24个脉冲信号的数据帧。

在获得两张曝光时间不同的第一图像以及第二图像后，由于长曝光的照片可以直接被看作短曝光照片的背景层，因此直接将第一张照片按列相加的灰度值除以第二张照片按列相加的灰度值，就可以得到图像每列像素增益，即图像亮度增益序列。

例如，假设第一图像的灰度值为：

第一图像的灰度值序列为：

[1.2 1.5 2.8 2.5]

第二图像的灰度值为：

第二图像的灰度值序列为：

[1.2 1.6 2.0 1.9]

图像亮度增益序列为：

[1 0.93 1.4 1.3]

则图像第一列的亮度增益为1，图像第二列的亮度增益为0.93，图像第三列的亮度增益为1.4，图像第四列的亮度增益为1.3。

在本实施例中，第一图像亮度增益如图4所示，第二图像亮度增益如图5所示，图像形式的图像亮度增益序列如图6所示，其中第一图像与第二图像的横坐标均为像素点，纵坐标为灰度值。图像形式的图像亮度增益序列的横坐标为像素点，纵坐标为亮度增益。

步骤4、获得每个发光装置的像素列，从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益；

在本实施例中，所述的步骤4从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个LED灯的亮度增益，按照以下步骤执行：

步骤41、在所述的图像形式的图像亮度增益序列找到所述4m位前导码的亮度增益波形，获得所述4m位前导码亮度增益波形的所占的横坐标长度D，单位为像素，D为正整数；

在本实施例中，获得图像形式的图像亮度增益序列如图4所示，由于每段信号都有一个前导码，在本实施例中4位前导码为10101001，所以多个灯的前导码均相同，再叠加之后在图6中会显示成从相应的波形，多个1叠加在图6中为最高点，多个0叠加在图中为最低点，最高点即为多个灯全亮时的亮度，最低点即为这些灯全灭时的亮度，在图6中横坐标为像素，纵坐标为亮度增益，一个8位前导码的横坐标为[294，709]，即8位前导码亮度增益波形的所占的横坐标长度D＝415个像素；

步骤42、采用式II获得一位前导码亮度增益波形所占的横坐标长度d，单位为像素，d为正整数：

其中，m为正整数；

所述的一位前导码亮度增益波形所占横坐标长度为一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占横坐标长度；

在本实施例中，一位前导码亮度增益波形所占的横坐标长度d＝51.875，即一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占横坐标长度为51.875个像素点。

另外，在本方法中还提供了一种获得一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占列宽的方法，该方法能够获得更为精确的结果，具体是：

采用平滑二阶导的方式检测到前导码，如图6所述，此时两段前导码的横坐标分别是[294，709]以及[1675，2090]，通过计算得到单个帧长为1141.7，一个帧包含24个步长，则一个步长为47.569个像素点。

对两端前导码中的部分以47.569个像素点为步长做线性回归，得到如图7所示的结果，图7中横坐标为像素，纵坐标为亮度增益。

步骤43、在所述的图像形式的图像亮度增益序列中，以所述的第4m位前导码亮度增益波形的最后一个横坐标点为起始点，以所述的一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占横坐标长度为步长，逐次找到第1个至第N个发光装置亮度增益波形的横坐标长度范围，每个发光装置亮度增益波形的横坐标长度范围内对应的亮度增益均值与图像形式的图像亮度增益序列中最高点对应的亮度增益之差的绝对值为每个发光装置的亮度增益。

在本实施例中，在图5中，六个LED灯对应的六段横坐标长度范围分别为：[757803][804 851][852 898][899 946][947 993][994 1041]；

得到的六个LED灯增益分别为：

[0.11190443,0.07794306,0.01776551,0.0409358,0.16835417,0.1267388]。

步骤5、根据每个发光装置的亮度增益，采用式I获得待定位物体距离每个发光装置的距离，单位为m：

其中，d₁、d₂、d_n以及d_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置与待定位物体之间的距离，单位为m，RSS₁、RSS₂、RSS_n以及RSS_N为步骤5中获得的第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的亮度增益，G为定位参数，G>0，φ₁、φ₂、φ_n以及φ_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的发射角，单位为°，以及为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置在待定位物体上的入射角，单位为°；

定位参数G的值和摄像头与物体的距离，摄像头的光圈进光量，以及墙壁的反射程度有关。

在本实施例中，设LED灯的坐标为：(x_i,y_i,0)(所有LED灯在同一高度上,已知)，被定位物体的坐标为(x,y,z),则：

其中，θ表示被定位物体被拍照面与x轴的夹角；

则：

此时式中有五个未知数，只要列出五个或者五个以上方程，即定位系统中至少设置5个LED灯，就能通过最优化问题获得被定位物体的坐标以及朝向角度θ。

步骤6、根据每个发光装置在仓储室内的位置以及每个发光装置与待定位物体之间的距离，获得待定位物体的位置；

定位结束。

在确定了每个发光装置与待定位物体之间的距离后，根据每个发光装置的位置就可以确定待定位物体的位置。

实施例二

一种基于可见光信号的仓储室内物体定位装置，用于实现基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，所述的待定位物体上粘贴有二维码信息，所述的仓储室内物体定位装置包括无线传感器模块、多个发光装置、图像采集模块以及定位数据处理模块；

在本实施例中，发光装置可以是二极管发光装置、日光灯等，优选地，发光装置为LED灯。

图像采集模块可以是手机上的摄像头，也可以是相机等图像采集设备，优选地，图像采集模块为安装在仓储室内的监控摄像头，该摄像头为CMOS摄像头，以节约定位装置的成本。

定位数据处理模块可以是云服务器，也可以是本地计算机等能够处理图像的设备。

所述的无线传感器模块与所述的可见光信号发射模块连接，用于获得每个发光装置的4M位的二进制数帧编码，其中第n个发光装置的帧编码，前4m位为前导码，m<M，m为正整数，M为正整数，第4m+n位二进制数与其余除去前导码的所有位的二进制数相反，以使在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态，n＝1,2,…,N；

其中0代表发光装置灭，1代表发光装置亮；

所述的无线传感器模块还用于将所述的每个发光装置的一串二进制帧编码发送给每个发光装置；

优选地，所述的无线传感器模块为ISA100.11a传感器节点，所述的多个无线传感器模块组成ISA100.11a无线传感网络。

ISA100.11a传感器用于控制每个发光装置的闪烁，多个ISA100.11a传感器组成ISA100.11a工业无线网，提高了信号的传输效率，并且由于ISA100.11a传感器可以远程控制，因此可以实现远程控制每个发光装置的帧编码，从而实现灵活的定位。

利用所述的ISA100.11a无线传感网络远程控制发光装置的亮灭状态。

所述的发光装置与所述的图像采集模块连接，用于根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态：

所述的图像采集模块与所述的定位数据处理模块连接，用于通过识别仓库中所有物体的二维码信息，找到所述的待定位物体；

还用于以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像的同时，以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像；其中第一图像的曝光时间为一个脉冲信号周期，单位为微秒，第二图像的曝光时间为S个脉冲信号周期，单位为微秒，S>1，其中S为获取第一图像以及第二图像的硬件的最大感光度与最小感光度之间的比值，利用图像采集模块的最大感光度获取所述的第一图像，利用图像采集模块的最小感光度获取所述的第二图像；

所述的定位数据处理模块用于求取所述的第一图像中每一列灰度值之和，获得第一图像所有像素列的亮度累加值序列；通过求取第二图像中每一列灰度值之和，获得第二图像所有像素列的亮度累加值序列；

将所述的第一图像亮度累加值序列除以所述的第二图像亮度累加值序列，获得图像亮度增益序列；

所述的定位数据处理模块还用于从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益；

所述的定位数据处理模块还用于根据每个发光装置的亮度增益，采用式I获得待定位物体距离每个发光装置的距离，单位为m：

其中，d₁、d₂、d_n以及d_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置与待定位物体之间的距离，单位为m，RSS₁、RSS₂、RSS_n以及RSS_N为步骤5中获得的第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的亮度增益，G为定位参数，G>0，φ₁、φ₂、φ_n以及φ_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的发射角，单位为°，以及为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置在待定位物体上的入射角，单位为°；

定位参数G的值和摄像头与物体的距离，摄像头的光圈进光量，以及墙壁的反射程度有关。

所述的定位数据处理模块还用于根据每个发光装置在仓储室内的位置以及每个发光装置与待定位物体之间的距离，获得待定位物体的位置。

Claims (10)

1.一种基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，该方法利用多个发光装置发出的可见光信号对仓储室内待定位物体进行定位，所述的仓储室内设置有N个发光装置，N≥5，所述的N个发光装置发出的光均照射在所述的待定位物体上；

所述的方法按照以下步骤执行：

步骤1、控制每个发光装置的亮灭状态，使在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态；

控制每个发光装置的亮灭状态时，每个发光装置按照各自的亮灭规律进行亮灭状态的切换；

其特征在于，

重复执行步骤1直至步骤2结束，同时执行步骤2；

步骤2、以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像：

每曝光第一图像中的一列像素列时，获得所有发光装置在待定位物体上亮度累加值；

步骤3、获得第一图像中所有像素列的亮度累加值的序列，获得图像亮度增益序列；

将所述的图像亮度增益序列转换为图像形式，所述的图像形式的图像亮度增益序列的横坐标为像素，纵坐标为亮度增益；

步骤4、从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益；

步骤5、根据每个发光装置的亮度增益，采用式I获得待定位物体与每个发光装置之间的距离，单位为m：

其中，d₁、d₂、d_n以及d_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置与待定位物体之间的距离，单位为m，RSS₁、RSS₂、RSS_n以及RSS_N为步骤5中获得的第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的亮度增益，G为定位参数，G>0，φ₁、φ₂、φ_n以及φ_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的发射角，单位为°，以及为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置在待定位物体上的入射角，单位为°；

步骤6、根据每个发光装置在仓储室内的位置以及每个发光装置与待定位物体之间的距离，获得待定位物体的位置；

定位结束。

2.如权利要求1所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，其特征在于，所述的步骤1中每个发光装置按照各自的亮灭规律进行亮灭状态的切换，具体包括：

步骤11、获得每个发光装置的4M位的二进制数帧编码，M为正整数；

获得第n个发光装置的二进制数帧编码时，前4m位为前导码，m为正整数，m<M，第4m+n位二进制数与其余除去前导码的所有位的二进制数相反，n＝1,2,…,N；

步骤12、所有发光装置根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，其中0代表发光装置灭，1代表发光装置亮。

3.如权利要求2所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，其特征在于，所述的步骤12中所有发光装置根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，一串二进制帧编码控制所述的发光装置在一帧时长内亮灭，所述的一帧时长包括多个脉冲信号周期，单位为微秒，所述的发光装置的帧编码中每一位二进制数控制一个脉冲信号周期内该发光装置的亮灭状态。

4.如权利要求3所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，其特征在于，在所述的步骤2中以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像的同时，以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像；其中第一图像的曝光时间为一个脉冲信号周期，单位为微秒，第二图像的曝光时间为S个脉冲信号周期，单位为微秒，S>1，其中S为获取第一图像以及第二图像的硬件的最大感光度与最小感光度之间的比值，利用获取硬件的最大感光度获取所述的第一图像，利用获取硬件的最小感光度获取所述的第二图像。

5.如权利要求4所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，其特征在于，所述的待定位物体上贴有二维码，在获取所述的待定位物体的第一图像以及第二图像之前，通过识别仓库中所有物体的二维码信息，找到所述的待定位物体。

6.如权利要求5所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，其特征在于，所述的以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像，按照以下步骤执行：

步骤A、以逐图像像素列曝光的形式及一个脉冲信号周期为曝光时间内获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一原始图像；

步骤B、在所述第一原始图像中采用设定ROI的方式截取仅包括待定位物体的图像，获得第一图像；

所述的以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像，按照以下步骤执行：

步骤a、以逐图像像素列曝光的形式及S个脉冲信号周期为曝光时间内获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二原始图像；

步骤b、在所述第二原始图像中采用设定ROI的方式截取仅包括待定位物体的图像，获得第二图像。

7.如权利要求6所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，其特征在于，所述的步骤3中获得第一图像中所有像素列的亮度累加值的序列时，通过求取所述的第一图像中每一列灰度值之和，获得第一图像所有像素列的亮度累加值序列；通过求取第二图像中每一列灰度值之和，获得第二图像所有像素列的亮度累加值序列；

将所述的第一图像亮度累加值序列除以所述的第二图像亮度累加值序列，获得图像亮度增益序列。

8.如权利要求7所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，其特征在于，所述的步骤4中从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益，按照以下步骤执行：

步骤41、在所述的图像形式的图像亮度增益序列找到所述4m位前导码的亮度增益波形，获得所述4m位前导码亮度增益波形的所占的横坐标长度D，单位为像素，D为正整数；

步骤42、采用式II获得一位前导码亮度增益波形所占的横坐标长度d，单位为像素，d为正整数：

其中，m为正整数；

所述的一位前导码亮度增益波形所占横坐标长度为一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占横坐标长度；

步骤43、在所述的图像形式的图像亮度增益序列中，以所述的第4m位前导码亮度增益波形的最后一个横坐标点为起始点，以所述的一位二进制数的帧编码亮度增益波形所占横坐标长度为步长，逐次找到第1个至第N个发光装置亮度增益波形的横坐标长度范围，单位为像素，每个发光装置亮度增益波形的横坐标长度范围内对应的亮度增益均值与图像形式的图像亮度增益序列中最高点对应的亮度增益之差的绝对值为每个发光装置的亮度增益。

9.一种基于可见光信号的仓储室内物体定位装置，其特征在于，用于实现权利要求1-8任一项所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位方法，所述的待定位物体上粘贴有二维码信息，所述的仓储室内物体定位装置包括多个无线传感器模块、多个发光装置、图像采集模块以及定位数据处理模块；

所述的无线传感器模块与所述的可见光信号发射模块连接，用于获得每个发光装置的4M位的二进制数帧编码，其中第n个发光装置的帧编码，前4m位为前导码，m<M，m为正整数，M为正整数，第4m+n位二进制数与其余除去前导码的所有位的二进制数相反，以使在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态，n＝1,2,…,N；

其中0代表发光装置灭，1代表发光装置亮；

所述的发光装置与所述的图像采集模块连接，用于根据各自的4M位二进制数帧编码同时开始进行亮灭，在同一时刻至少有一个发光装置处于点亮状态；

所述的图像采集模块与所述的定位数据处理模块连接，用于通过识别仓库中所有物体的二维码信息，找到所述的待定位物体；

还用于以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第一图像的同时，以逐图像像素列曝光的形式获取受到所有发光装置照射的待定位物体的第二图像；其中第一图像的曝光时间为一个脉冲信号周期，单位为微秒，第二图像的曝光时间为S个脉冲信号周期，单位为微秒，S>1，其中S为获取第一图像以及第二图像的硬件的最大感光度与最小感光度之间的比值，利用图像采集模块的最大感光度获取所述的第一图像，利用图像采集模块的最小感光度获取所述的第二图像；

所述的定位数据处理模块用于求取所述的第一图像中每一列灰度值之和，获得第一图像所有像素列的亮度累加值序列；通过求取第二图像中每一列灰度值之和，获得第二图像所有像素列的亮度累加值序列；

将所述的第一图像亮度累加值序列除以所述的第二图像亮度累加值序列，获得图像亮度增益序列；

将所述的图像亮度增益序列转换为图像形式，所述的图像形式的图像亮度增益序列的横坐标为像素，纵坐标为亮度增益；

所述的定位数据处理模块还用于从图像形式的图像亮度增益序列中获取每个发光装置的亮度增益；

所述的定位数据处理模块还用于根据每个发光装置的亮度增益，采用式I获得待定位物体距离每个发光装置的距离，单位为m：

其中，d₁、d₂、d_n以及d_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置与待定位物体之间的距离，单位为m，RSS₁、RSS₂、RSS_n以及RSS_N为步骤5中获得的第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的亮度增益，G为定位参数，G>0，φ₁、φ₂、φ_n以及φ_N为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置的发射角，单位为°，以及为第1个发光装置、第2个发光装置、第n个发光装置以及第N个发光装置在待定位物体上的入射角，单位为°；

所述的定位数据处理模块还用于根据每个发光装置在仓储室内的位置以及每个发光装置与待定位物体之间的距离，获得待定位物体的位置。

10.如权利要求9所述的基于可见光信号的仓储室内物体定位装置，其特征在于，所述的无线传感器模块为ISA100.11a传感器。