本发明属于通信网络，具体涉及基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法及系统。
背景技术：
1、随着移动设备和智能设备的普及，定位技术在日常生活中的应用变得越来越广泛。传统的定位方法主要依赖于全球定位系统(global positioning system，gps)，但在室内环境中，由于信号遮挡和多径效应，gps的定位精度受到了严重影响。为了解决这一问题，学术界和工业界开发了多种室内定位技术，包括wi-fi定位、蓝牙定位、超宽带(ultra-wideband,uwb)定位等。然而，这些技术在实际应用中仍面临一些挑战，如部署成本高、定位精度受限以及易受环境干扰等问题。
2、近年来，可见光定位(visible light positioning,vlp)技术因其高带宽、安全性高且不受电磁干扰的优势，成为了一个新的研究热点。基于可见光的定位技术利用led灯光源作为定位信标，通过接收端的光传感器或图像传感器获取位置信息。相比传统的无线电波定位技术，vlp定位系统具有布置成本低，高精度，通信安全性高等优点。
3、vlp系统根据接收端的不同主要分为三类：第一类基于光电二极管的定位系统，该定位系统易于实现但是光电二极管获得的光强信息易受到环境噪声的影响，进而影响定位精度；第二类是基于图像传感器的定位系统，其定位精度高不易受到环境噪声的影响但是图像传感器作为接收端不仅功耗大并且对视场与分辨率要求较高，增加了定位系统的成本，影响了可见光定位系统的实际应用；第三类是光电二极管与图像传感器融合的定位系统，目前该系统都是以模块组合进行定位，难以投入实际应用当中，这些对定位的实际应用以及定位的准确性都造成了一定程度的负面影响。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法及系统，该方法采用以环境光传感器距离信息为主，图像传感器距离信息为辅助修正，同时利用非线性最小二乘法来进一步过滤噪声，优化定位结果，从而提高定位精度。
2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
3、一方面，本发明提供一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法，包括以下步骤：
4、步骤1：通过环境光传感器获取n盏待定位接收端所接收的led灯的光强信息，即待定位接收端所接收的led灯解码所需的频率信息以及待定位接收端与待定位接收端所接收的led灯之间的距离信息，其中n≥4，包括以下步骤：
5、步骤1.1：通过环境光传感器获取待定位接收端所接收的led灯解码所需的频率信息；
6、环境光传感器利用频率混叠的性质来解码led灯的发射信号，并识别发射信号频率；当调制频率以低于奈奎斯特采样频率时进行采样，由离散傅里叶变换计算led灯的混叠频率，从而得到led灯的发射信号频率，进行混叠频率的计算公式具体为：
7、fa＝min(f0-(a-1)fs,afs-f0)
8、其中，fa为混叠频率，f0为led灯的发射信号频率，fs为采样数据频率，a为满足afs-f0的最小自然数；
9、将与单个led灯相关的混叠频率提供给led灯位置坐标数据库，识别出各种led灯的发射信号频率；
10、步骤1.2：通过环境光传感器获取待定位接收端与待定位接收端所接收的led灯之间的距离信息；
11、利用最邻近插值对采样数据中的缺失数据进行补充校正，校正后的采样数据作为环境光传感器的采样数据，通过获取环境光传感器的采样数据解码到对应led灯的混叠频率，以此得到led灯的调制频率，通过将得到的led灯调制频率与led灯位置坐标数据库对比得到具体的led灯在世界坐标系下的坐标，而led灯的世界坐标系是已知的，因此由led灯发送的信号遵循朗伯模型；
12、所述环境光传感器获取待定位接收端与待定位接收端所接收的led灯之间的距离信息的具体公式为：
13、
14、其中，pr为环境光传感器的采样数据经过离散傅里叶变换后的频谱幅度值的相对饱和度，c为led灯的最大发射功率，sin(cπ)为led灯的占空比，h(fk)为环境光传感器传输信号的频率响应，coslθ为led灯的辐照角响应，为环境光传感器的入射角响应，d为待定位接收端所接收的led灯与待定位接收端的距离，l和m为朗伯系数；
15、步骤2：通过图像传感器获取待定位接收端所接收的led灯图像解码所需的频率信息以及待定位接收端与待定位接收端所接收的led灯之间的距离信息，具体包括以下步骤：
16、步骤2.1：通过图像传感器获取待定位接收端所接收的led灯图像解码所需的频率信息；
17、使用图像传感器拍到具有明暗条纹的led灯图像，对拍摄到的具有明暗条纹的led灯图像进行提取并进行灰度化处理和二值化处理，即对led灯图像进行解码操作得到其图像解码所需的频率信息，具体公式为：
18、[(1/y)*(1/t)+x]*m＝1/2f
19、其中，y为led灯图像的像素行数，t为图像传感器所使用相机的曝光的时间，m为图像传感器所使用相机曝光的行数，x为图像传感器所使用相机读取数据所需的时间，f为led灯发射信号的发送频率；
20、步骤2.2：采用三灯定位算法，通过图像传感器获取待定位接收端与待定位接收端所接收的led灯之间的距离信息；
21、建立两个三维坐标系，分别是世界坐标系和相机坐标系，一个二维坐标系，即像素坐标系；对图像传感器拍到的led灯图像进行图像拟合，获得图像传感器中led灯的原点像机坐标(a，b)，然后根据图像的像素尺寸得到相机坐标系原点在像素坐标系中的坐标(a1,b1)，在像素坐标系中，led灯与待定位接收端的二维距离信息，具体公式为：
22、
23、其中，du为在像素坐标系中led灯与待定位接收端的距离；
24、在相机坐标系中以相机透镜的光学中心(a，b)为坐标原点，则在相机坐标系中，图像传感器拍到的led灯图像中灯光点i1,i2,i3的坐标为(i1c,p1c,-r)，(i2c,p2c,-r)，(i3c,p3c,-r)，iic,pic分别为图像传感器拍到的led灯在相机坐标系中的x，y轴的坐标点，其中i＝1、2、3，r为图像传感器所使用相机的焦距；
25、led灯与待定位接收端之间的垂直距离h是已知的，在世界坐标系下两者之间的三维距离具体公式为：
26、
27、其中，dw为led灯与待定位接收端的三维距离，h为接收端与led灯的垂直距离，du为led灯与待定位接收端的二维距离，ki为比例因子，为正数；
28、步骤3：在得到待定位接收端所接收的led灯图像解码所需的频率信息以及距离信息后，采用距离修正的算法对环境光传感器获取的待定位接收端与待定位接收端所接收的led灯之间的距离信息进行修正，利用修正后的距离信息对待定位接收端进行三边定位，并利用非线性最小二乘法进行迭代优化，将最后优化后的位置结果，作为最终组合定位结果，包括以下步骤：
29、步骤3.1：使用图像传感器获取的距离信息，去修正环境光传感器获取的含噪距离信息，得到修正距离信息后，使用非线性最小二乘法对修正后的距离信息进行进一步的降噪处理，最后采用三边定位算法，完成待定位接收端的定位；
30、在距离信息修正时，某处图像传感器由于视场限制只能拍摄到带有w个led灯的图像，其中w≥1，通过图像传感器距离算法得到led灯与图像传感器之间的距离dc,i，然后根据led灯的发射频率识别得到对应led灯的坐标；同时，同地环境光传感器所接收到led灯的光强信息，环境光传感器通过朗伯模型得到led灯与环境光传感器之间含噪的距离信息，也根据led灯的发射频率识别得到与图像传感器相应的led灯与环境光传感器的三维距离dp,i，进而得到由环境噪声引起的距离信息误差，如下公式所示：
31、δdi＝dc,i-dp,i
32、其中，δdi为由环境噪声引起的距离信息误差，i≥4，dc,i为第i个led灯与待定位接收端图像传感器之间的距离信息，dp,i为第i个led灯与待定位接收端环境光传感器之间的距离信息；
33、然而图像传感器由于视场的限制，只能拍摄到一盏led灯，因此只能修正一盏led灯的噪声影响；在修正其余led灯的噪声影响时，通过在不同位置上对同一个盏led灯进行测量，得到环境光传感器多个含噪距离信息dn，由于每个待定位接收端的位置与led灯的距离是已知的，因此在同一盏led灯的不同位置存在由噪声引起的含噪距离与实际距离的差值δd，通过拟合δd与dn得到其中，a，b为待定系数；
34、根据图像传感器修正后的距离信息及环境光传感器获得的多个含噪距离信息，得到其余未修正的led灯与待定位接收端之间的距离信息误差，具体公式为：
35、
36、将两式相除可得：
37、
38、其中，δdj为未修正led灯由环境噪声引起的距离信息误差，j≥3，δde,i为图像传感器修正的led灯由环境噪声引起的距离误差，dn,j是未修正led灯的含噪距离信息，dn,i是由图像传感器修正的led灯的含噪距离信息；
39、因此对其余led灯修正后的距离的具体公式为：
40、
41、其中，dp,j为环境光传感器所接收的与其余led灯之间修正后的距离信息，dc,i为第i个led灯与待定位接收端图像传感器之间的距离信息；
42、步骤3.2：由图像传感器得到其中一盏led灯的距离信息dcam，由步骤3.1进行修正后得到其余n-1盏led灯的距离信息dpd,2，dpd,3……dpd,n进而得到待定位接收端的位置信息，具体公式为：
43、
44、其中，(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)……(xn,yn,zn)为n盏led灯的世界坐标系下坐标，(x,y,z)为待定位接收端的位置，dcam为由图像传感器得到其中一盏led灯的距离信息，dpd,2，dpd,3……dpd,n为由步骤3.1进行修正后得到其余n-1盏led灯的距离信息；
45、然后使用非线性最小二乘法对环境光传感器修正后的距离信息来进行迭代优化，求解待定位接收端的位置最优解；
46、另一方面，本发明还提供一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位系统，包括环境光传感器模块、图像传感器模块、组合定位模块、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品；
47、所述环境光传感器模块用于获取待定位接收端的led灯光强信息；
48、所述图像传感器模块用于获取待定位接收端的led灯图像信息；
49、所述组合定位模块用于当待定位接收端获取到led灯的光强信息与图像信息后，解码获得所需要的距离信息，采用组合定位算法，以及非线性最小二乘法优化算法后，得到最优的位置结果，作为最终的定位结果；
50、所述电子设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储基于环境光传感器和图像传感器的可见光定位方法指令，当指令被处理器执行时，使得处理器执行基于内嵌的环境光传感器和图像传感器组合的可见光定位方法；
51、所述可读存储介质存储有可执行的基于环境光传感器和图像传感器的可见光定位方法指令，当指令被执行时使得处理器执行基于环境光传感器和图像传感器的可见光定位方法；
52、所述计算机程序产品包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现基于环境光传感器和图像传感器的可见光定位方法。
53、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提出的一种基于环境光传感器和图像传感器的可见光定位方法及系统，利用图像传感器与环境光传感器的距离信息进行组合定位，使用图像传感器的距离信息来修正环境光传感器的距离信息，并利用非线性最小二乘法进行迭代优化，过滤定位过程的噪声，该定位方法可以实现亚米级的定位误差；同时采用最邻近插值法，利用分段常数函数的方法在缺失采样值的地方补充上缺失前后光强信息的平均值，作为缺失的光强信息补充上，整体更新作为最终所用的光强信息，可以解码出所需的光强信息。
1.一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
3.根据权利要求2所述的一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
4.根据权利要求3所述的一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
5.一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位系统，基于权利要求1所述一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位方法实现，其特征在于：包括环境光传感器模块、图像传感器模块、组合定位模块；
6.根据权利要求5所述的一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位系统，其特征在于：所述系统还包括电子设备；
7.根据权利要求5所述的一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位系统，其特征在于：所述系统还包括可读存储介质；
8.根据权利要求5所述的一种基于环境光传感器与图像传感器的可见光定位系统，其特征在于：所述系统还包括计算机程序产品；
