一種空間位置確定方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光譜傳感器的空間位置確定方法和裝置，包括發(fā)光模塊、光譜傳感模塊、電信號處理模塊、定位模塊，所述發(fā)光模塊被固定于空間中一個位置，光譜傳感模塊附著于目標(biāo)物，電信號處理模塊分別與光譜傳感模塊、定位模塊電連接。本發(fā)明可廣泛用于快速精確地確定人或物的地理和空間位置：既可以獨立使用作為增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的位置傳感器或者用來確定特定目標(biāo)物在特定空間中位置，用于如老人兒童監(jiān)護、物流傳感器等領(lǐng)域置，也可作為基于無線電波的地理位置信息系統(tǒng)的補充，用于確定地理位置信息系統(tǒng)無線電波不能覆蓋或者是限制無線電波使用的特殊場所，如建筑物內(nèi)或者醫(yī)療監(jiān)護室內(nèi)空間位置的確定。
【專利說明】一種空間位置確定方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及位置傳感及光電技術(shù)，具體涉及基于光譜傳感的空間位置探測技術(shù)，特別是探測空間中發(fā)光光源特征光譜強度分布，以確定測量點相對于光源的空間位置。在有多個具有特征光譜光源的條件下，即可特定光譜傳感器的空間位置。該裝置可作為基于無線電波的地理位置信息系統(tǒng)的補充，用于確定地理位置信息系統(tǒng)無線電波不能覆蓋或者是限制無線電波使用的特殊場所，如建筑物內(nèi)或者醫(yī)療監(jiān)護室內(nèi)空間和地理位置的確定，也可用來快速精確地確定目標(biāo)物在特定空間中的位置，應(yīng)用于老人兒童監(jiān)護、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的位置傳感器等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]位置信息的服務(wù)和數(shù)據(jù)越來越受到人們的關(guān)注，也形成了一個超萬億的市場?；谛l(wèi)星的全球定位技術(shù)和產(chǎn)品最早進入人們?nèi)粘Ｉ睿瑸槿藗兲峁┑乩砦恢?、?dǎo)航以及各種軍事民事應(yīng)用服務(wù)，這些系統(tǒng)包括美國的GPS、中國的北斗、歐洲的伽利略以及俄羅斯的GL0NASS。利用衛(wèi)星進行定位的優(yōu)勢是信號有效覆蓋范圍大，但是定位器終端的成本較高，定位信號易受天氣影響，不能有效覆蓋建筑物內(nèi)部或者被厚的物體阻隔的地方。因此，像建筑物內(nèi)部大型公共場所如機場、展覽館、倉庫、超市、圖書館，地下環(huán)境如地下停車場、礦井，移動設(shè)施內(nèi)如火車、飛機、輪船等場所，這些定位系統(tǒng)的應(yīng)用就受到極大限制。一些室內(nèi)定位技術(shù)，如借助于通訊用無線信號源A-GPS、WI1、射頻識別、超寬帶、無線局域網(wǎng)絡(luò)等定位，采用超聲波、紅外線、光跟蹤、圖像分析等定位技術(shù)也越來越多地被用來作為衛(wèi)星定位技術(shù)的補充。但這些系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，超聲波和紅外線定位技術(shù)定位精度高但易于受到干擾，而且需要專門加裝設(shè)備，成本較高；基于無線信號的定位技術(shù)采用大量的相關(guān)器并行地搜索可能的延遲碼，有助于實現(xiàn)快速定位，但定位精度較低，復(fù)雜和大量的電磁波環(huán)境也對人體健康帶來負面影響。在一些特殊場合，如醫(yī)院監(jiān)護、易燃易爆環(huán)境等對無線電波使用還有限制。因此，新型的不借助于無線電波的定位技術(shù)開始吸引更多人的注意，其中特別是基于LED的通訊和定位技術(shù)值得關(guān)注。LED作為節(jié)能環(huán)保的半導(dǎo)體照明光源隨著成本的下降和產(chǎn)業(yè)鏈的完善，開始加速進入日常應(yīng)用中。如果能將照明用LED作為通訊和照明的載體就可以節(jié)約大量設(shè)備費用，同時也特別安全，不會產(chǎn)生不必要的電磁波，避免對人和動物的傷害。美國的Bytelight公司，韓國的三星公司，日本的很多大公司和大學(xué)組成的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體都投入了大量的財力物力用于研發(fā)基于LED照明的通信和定位技術(shù)。這些技術(shù)基于照明用白光LED光源，通過加裝設(shè)備調(diào)制LED發(fā)光頻率，借助于通用光電傳感器或者CMOS圖像傳感技術(shù)來接受光信號，通過運算來實現(xiàn)信號解調(diào)制和消除背景光等噪音干擾，目前已經(jīng)有了應(yīng)用產(chǎn)品。但這些技術(shù)和產(chǎn)品共同缺點是運算復(fù)雜，信號受背景光影響比較大，定位精度低。并且采用LED加熒光粉作為白光光源的另一個潛在影響因素是LED發(fā)出藍光與熒光粉受激發(fā)的產(chǎn)生的黃光等在時間上并不同步，這加大了數(shù)學(xué)處理的難度，并有可能限制基于此類方法的傳輸速度。
[0003]本發(fā)明在研究光源特性特別是半導(dǎo)體發(fā)光器件如LED發(fā)光光譜特性基礎(chǔ)上，采用具有窄帶響應(yīng)的光譜傳感器探測發(fā)光器件的特征光譜強度，發(fā)明了一種基于特征光譜和光譜傳感器的定位方法和裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于光譜傳感和光源特征信息來確定空間位置的方法和裝置，以便使用者或者其它用戶能及時了解全球定位系統(tǒng)信號無法覆蓋的被定位目標(biāo)所處空間位置，或者獨立為增強現(xiàn)實應(yīng)用提供目標(biāo)物的位置信息。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明有如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明的一種空間位置確定方法，發(fā)光模塊發(fā)出具有特征光譜的光信號，光譜傳感器檢測發(fā)光模塊所發(fā)出的特征光譜信號并被附著于被定位目標(biāo)上，電信號處理模塊讀取光譜傳感器得到的電信號并進行電學(xué)處理，定位模塊將經(jīng)過電信號處理模塊的電信號經(jīng)過運算確定光譜傳感器及其附著被定位目標(biāo)的位置；通過測定三組或者三組以上所述半導(dǎo)體光源和光譜傳感器測定特征光譜強度關(guān)系，通過電信號處理器確定光譜傳感器及所附著目標(biāo)物的空間位置。
[0007]其中，發(fā)光模塊發(fā)出的光具有特征光譜，即該發(fā)光模塊所發(fā)出的光在光波波長范圍內(nèi)具有能夠識別的特征強度分布，包括但不限于單一特征譜線或者多個特征譜線強度，或者多個特征譜線間的確定強度的強度比例關(guān)系，如圖1所示的白光LED光譜分布。
[0008]其中，發(fā)光模塊所發(fā)出的特征譜線強度隨著離開發(fā)光模塊的距離具有確定的空間分布，通過測定在空間中該發(fā)光模塊特征光譜強度，可以知道測定點和發(fā)光模塊間的距離關(guān)系；這種關(guān)系既可以表述為強度和距離相關(guān)函數(shù)，也可以通過實際測定空間中各個位置發(fā)光模塊特征譜強度，并將數(shù)據(jù)儲存。
[0009]其中，發(fā)光模塊包括光源和光源調(diào)制器，光源調(diào)制器用于調(diào)節(jié)光源發(fā)光變化。
[0010]其中，發(fā)光模塊為加電后能發(fā)出光的器件，包括各種氣體燈、半導(dǎo)體發(fā)光器件。
[0011]其中，發(fā)光模塊的光源為半導(dǎo)體光源，其發(fā)光強度或者波長可以通過調(diào)節(jié)電流、電壓而發(fā)生變化，這種變化是有規(guī)律并且可控的，可以用來傳遞信息，通常光源采用LED、0LED但不限于半導(dǎo)體光源。
[0012]其中，光源發(fā)光在光源調(diào)節(jié)器的作用下，發(fā)光強度或者頻率或者脈沖寬度發(fā)生變化。
[0013]其中，光譜傳感模塊是具有窄帶響應(yīng)的光電傳感器，其響應(yīng)曲線基于光源特征譜線波長范圍及其強度分布。
[0014]其中，光譜傳感模塊是由光譜波長選擇功能的光學(xué)帶通濾波器或者光子晶體與光電傳感器組成的分立器件組合或者是集成器件，能通過濾波器或者光子晶體的光波波長范圍應(yīng)與光源的特征譜波長范圍相匹配，并且對這些波長范圍內(nèi)光譜有較高的透射率，超出這些波長范圍以外的光譜幾乎不通過。
[0015]其中，光電傳感器包括單質(zhì)半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體、高分子半導(dǎo)體構(gòu)成的光電傳感器光電二極管，光電三極管，光敏電阻、光電倍增器、光電池、CMOS、CCD、或者電荷注入傳感器。
[0016]其中，電信號處理模塊將由光譜傳感模塊得到的電信號，經(jīng)過放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換等運算，并將運算后的電信號，通過無線或有線的方式發(fā)送給后續(xù)定位模塊。
[0017]其中，定位模塊由處理器構(gòu)成，完成背景消除、信號數(shù)據(jù)提取、定位分析等功能，依據(jù)所述的發(fā)光模塊的強度分布函數(shù)關(guān)系或者實測數(shù)據(jù)，比較光譜傳感模塊所測得特征譜強度，通過計算確定光譜傳感模塊及其附著被定位目標(biāo)物最接近發(fā)光模塊的相對位置。
[0018]其中，定位模塊將三組或者三組以上所述光譜傳感模塊測定對應(yīng)的發(fā)光模塊的特征光譜強度，依據(jù)各自的強度分布和空間位置關(guān)系，確定光譜傳感器及所附著目標(biāo)物在空間中相對于發(fā)光模塊的精確位置。
[0019]以上所述是獲取光譜傳感器即被定為目標(biāo)物相對于發(fā)光模塊的位置信息的方法和裝置。如果要獲取絕對位置信息，只需要在所述裝置中加入光源調(diào)制器和信號解調(diào)器即可實現(xiàn)。光源調(diào)制器通過調(diào)制發(fā)光模塊的發(fā)光特征變化，如發(fā)光強度、發(fā)光頻率、發(fā)光脈沖持續(xù)時間及脈沖寬度等特征參數(shù)，加載發(fā)光模塊的位置信息，光譜傳感器接收這些經(jīng)過調(diào)制的光信息，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過電信號處理模塊的電信號通過信號解調(diào)器解調(diào)獲取這些發(fā)光模塊的位置信息，并將信息傳遞給定位模塊。
[0020]本發(fā)明的一種采用以上方法確定空間位置的光電裝置，包括發(fā)光模塊、光譜傳感模塊、電信號處理模塊，定位模塊，
[0021]發(fā)光模塊用于發(fā)出具有特定波長強度分布的光譜；
[0022]光譜傳感模塊用于探測發(fā)光模塊所發(fā)出的特征光譜信號，并將光譜信號轉(zhuǎn)換為電信號;
[0023]電信號處理模塊用于讀取和處理光譜傳感器的電信號，并傳送給后續(xù)定位模塊；
[0024]定位模塊通過處理，分析比較與已知光源強度分布關(guān)系，確定光譜傳感模塊及其附著被定為目標(biāo)物位置。
[0025]所述發(fā)光模塊被固定于空間且發(fā)光面向光譜傳感模塊一側(cè)，光譜傳感模塊附著于目標(biāo)物，電信號處理模塊分別與光譜傳感模塊、定位模塊電連接。
[0026]由于采取了以上技術(shù)方案，本發(fā)明有如下優(yōu)點:
[0027]I)本發(fā)明采用光信號作為定位媒介，可以消除無線信號電磁干擾，擴大了定位設(shè)備的使用范圍。
[0028]2)本發(fā)明采用具有特征光譜的發(fā)光模塊，可以將其特征光譜將連續(xù)分布的自然光或者其它不具有該特征的光區(qū)別開來，減少其它光源光譜干擾。
[0029]3)本發(fā)明采用光譜傳感模塊來測定可以簡單地得到發(fā)光模塊特征光譜的強度，降低特征光譜以外光對所測強度的干擾，降低了測定信號的噪音。
[0030]4)本發(fā)明采用小型化光譜傳感模塊作為探測光譜強度的器件可以方便地附著于被定位目標(biāo)物。
[0031]5)本發(fā)明采用基于光源調(diào)制器實現(xiàn)基于光譜傳感器的信息傳輸，可以獲取被定位目標(biāo)的絕對位置信息。
[0032]6)本發(fā)明的光電裝置結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，適應(yīng)范圍廣。該裝置既可以用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的補充，也可以獨立構(gòu)成系統(tǒng)用于增強現(xiàn)實位置定位或者特殊目標(biāo)特殊場所的定位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1:白光LED的光譜強度分布圖；
[0034]圖2:本發(fā)明原理圖
[0035]圖3:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方框圖；
[0036]圖4:本發(fā)明的實施例一的示意圖；
[0037]圖5:本發(fā)明的實施例二的示意圖。
[0038]圖中:1發(fā)光模塊；11第一組發(fā)光模塊；12第二組發(fā)光模塊；13第三組發(fā)光模塊；2光譜傳感模塊；21第一組光譜傳感模塊；22第二組光譜傳感模塊；23第三組光譜傳感模塊；3電信號處理模塊；4定位模塊；51光源調(diào)制器；52光源調(diào)制器；53光源調(diào)制器。

【具體實施方式】
[0039]本發(fā)明就使用不同色譜LED作為光源的定位方法和裝置說明本發(fā)明的實施方式。
[0040]我們知道，一個發(fā)光源所發(fā)出的光線強度隨著觀測點離開光源距離而減小，如一個點光源其強度和離開光源的距離平方成反比。這種強度分布函數(shù)關(guān)系可以表示為公式:
[0041]I=10f (1/R)(I)
[0042]其中，Ici為一個常數(shù)；f表示函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系可以通過實驗測試和數(shù)學(xué)模擬分析確定；R為測量位置距離光源的距離，R又可以表示為測量點與光源位置的三維坐標(biāo)關(guān)系:
[0043]R2= (X-X0)2+(y-y0)2+(Z-Z0)2 (2)
[0044]這里(Xtl, yd, Zci)為光源的位置坐標(biāo),如果光源位置在空間中固定不變,該位置坐標(biāo)為已知。假如一個空間被三組不同特征波長光源所覆蓋，而且這三組不同特征光源的位置固定，那么通過三組光譜傳感器測定這三個光源在某一空間位置的強度，即可得到三個方程式(I)組成方程組:
[0045]I1=10^(IZR1)
[0046]I2=102f (1/R2)
[0047]I3=101f (1/R3)
[0048]通過元算即得到該位置相對于各自光源的距離R1, R2, R30將此三個R值代入方程
(2)，組成方程組，即可得到測量點的空間位置(X，y, z)。
[0049]以上通過公式說明了通過三組特征光源和對應(yīng)的光譜傳感器測量的強度來確定空間位置的基本原理。在實際應(yīng)用中采用此方法確定空間位置精度和難度取決于光源強度空間分布函數(shù)以及光譜傳感器所測定強度的準(zhǔn)確度。如果光源強度空間分布函數(shù)不能簡單確定，也可以通過儲存測量每一個光源的空間強度分布，然后通過最小二乘法等運算確定最可能的空間位置。如對光源I在距離R11處強度實測值為I11,在距離R12位置2強度實測值I12 ;在需要確定光源覆蓋空間中未知位置時，對應(yīng)光源I的光譜傳感器測得強度I1"如果I11O1ZI12,則k對應(yīng)位置就可能在R11與R12之間交叉的空間，見圖1左邊的圖形陰影部分。同樣，通過三組光源、三組光譜傳感器數(shù)據(jù)即可確定測量點的最可能位置，見圖2右邊三組同心圓交叉的小三角形區(qū)域。如果進一步通過最小二乘法等運算，可以進一步精確確定待測點位置。
[0050]常見的基于藍光LED加上黃色熒光粉的合成白光LED發(fā)光光譜入如圖1所示，一個明顯特征就是處于430-500nm有一個較強的峰。一般基于LED的定位或者通訊的光強度探測都是采用通用光電傳感器，探測的是400-800nm范圍內(nèi)光線強度，該范圍依據(jù)光電傳感器響應(yīng)曲線的差別。一般可見光包括來源于太陽的自然光都處于這一范圍之內(nèi)。因此，如果探測這樣寬范圍的光線強度，從中取出LED的發(fā)光信號，就容易受到來自于其它光源包括自然光的影響。這就對信號處理提出了非常高的要求。本發(fā)明采用探測位于430-500nm波段范圍內(nèi)特征峰強度的技術(shù)路徑就可以大大降低環(huán)境光對信號光的影響，提高信號檢出的準(zhǔn)確性和可靠性?？梢宰⒁獾?，相當(dāng)于50%最高強度的處對應(yīng)的波長范圍即半高峰寬(FWHM, Full-Width-Half-Maxium)所對應(yīng)的波長范圍為450_475nm左右，本發(fā)明所采用的光譜傳感模塊的檢測就設(shè)定在這一段波長范圍。同樣，對單一色譜的LED，確定特征譜更加方便，常見的單一色譜LED通常的中心波長如:紫外380nm，藍色460nm，綠色540nm，紅色600nm,紅外850和1350nm。采用相應(yīng)的光譜傳感模塊就可以測定這些LED在空間中的強度，選擇合適的半高峰款，就可以使強度檢測基本不受其它波長LED的發(fā)光干擾。
[0051]位置固定的光源模塊在空間中的強度分布是指光源所發(fā)出的光隨著其離開光源距離而變化。光源的空間強度分布可以通過光學(xué)設(shè)計來調(diào)整，而且只要光源的位置及工作條件不變和沒有障礙物或反射物的情況下，這種分布就不會發(fā)生改變。采用光譜傳感模塊來測定空間中該光源的強度分布可以將光源空間強度表述為相對于測量點的距離的函數(shù)關(guān)系，如強度分布函數(shù)關(guān)系公式(I)。以單一光源強度分布簡化為球形為例，如果兩組光譜傳感模塊測得一個點兩種不同光源的強度，該強度信號經(jīng)過電信號處理模塊之后，變成定位模塊可以識別和使用的電信號，定位模塊處理這些電信號，提取數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算就可以通過確定這個點在空間中兩個可能的位置；如果加上第三組光譜傳感器測得的第三個光源在測定點的強度，就可以通過定位模塊計算確定該測量點唯一的空間位置。
[0052]上述方法和裝置所確定的位置是測量點相對于光源模塊的空間位置。如果要確定絕對位置，就要知道光源模塊的絕對位置。而該位置信息是可以通過改變發(fā)光頻率和發(fā)光間隔持續(xù)時間的的方法傳給光譜傳感器的，只需要在所述裝置中加入光源調(diào)制器和信號解調(diào)器即可實現(xiàn)。在發(fā)光模塊上加上光源調(diào)制器，改變發(fā)光模塊每一發(fā)光脈沖的頻率和脈沖寬度，如圖所示，可以將發(fā)光模塊的位置信息加載到所發(fā)出的脈沖光上。光譜傳感器接收這些經(jīng)過調(diào)制的光信息，并將其轉(zhuǎn)化為脈沖的電信號，經(jīng)過電信號處理模塊的電信號通過信號解調(diào)器解調(diào)，按照設(shè)定好的通訊協(xié)議編碼方式，獲取位置信息，并將信息傳遞給定位模塊，即可計算得到測量點的絕對位置。
[0053]圖3為依照上述方法所設(shè)計的光電裝置，包括最少三組發(fā)光模塊、對應(yīng)于發(fā)光模塊特征光譜的光譜傳感模塊、電信號處理單元、定位模塊，所述光譜傳感模塊位于發(fā)光模塊出射光的一側(cè)，電信號處理模塊與光譜傳感模塊電連接。
[0054]發(fā)光模塊的核心發(fā)光元件采用LED，經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐涔庠O(shè)計，使得所有發(fā)光模塊或其組合所發(fā)出的光能覆蓋所定位區(qū)域。其中，依據(jù)定位目標(biāo)物和所覆蓋區(qū)域差別，LED發(fā)光器件可以采用從紫外、可見光、紅外所有波長范圍的半導(dǎo)體發(fā)光器件，或者是不同波段LED的組合。
[0055]光譜傳感模塊采用波段選擇器和光電傳感器集成封裝的光譜傳感器。其中波段選擇器是從入射光中將需要檢測的目標(biāo)波段選擇出來的光學(xué)器件；比如藍光通常的波段范圍在450nm左右，該單元作用就是將450nm波段范圍的光譜選擇出來，并投射給后續(xù)單元。波段選擇器此處采用光學(xué)帶通濾波器(band-pass filter)。光電傳感器是利用光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號電子器件，可供選擇的光電傳感單元有以下但不限于以下幾種:光電二極管，光電三極管，光敏電阻、光電倍增器、光電池、CMOS、(XD、或者電荷注入傳感器CID(Charge Inject1n Device)。光電傳感器的響應(yīng)曲線應(yīng)和波長選擇單元所選擇的波長相匹配，即在波段選擇單元所選擇的波長范圍里有盡可能大的響應(yīng)；如在短波長范圍應(yīng)選用Ge基，GaN基光電傳感器，而在長波長范圍應(yīng)選擇使用Si基光電傳感器；光電傳感單兀的響應(yīng)曲線應(yīng)和要在所測波長范圍內(nèi)由比較均一的響應(yīng)。所述單質(zhì)基光電傳感器，化合物基光電傳感器，如PN的材料采用單質(zhì)Ge、Si，化合物GaN、GaAs、CdS的光電二級管。
[0056]電信號處理模塊將由光譜傳感模塊得到的電信號通過電路進一步轉(zhuǎn)換成能被后續(xù)裝置處理或使用的電信號后，并通過有線或無線的方式傳送至后續(xù)裝置；電信號處理模塊通常實現(xiàn)但不限于以下功能:反相、模數(shù)轉(zhuǎn)換、比較器、接口、信號調(diào)制和無線發(fā)射；
[0057]定位模塊采用MCU或CPU等處理器作為硬件，結(jié)合軟件對強度信號及持續(xù)間隔進行處理，通過背景扣除、解卷積、比較、內(nèi)插、迭代、回歸等運算得到位置信息。通過定位模塊，可以直觀地知道被定位目標(biāo)的位置。
[0058]光源調(diào)制器可以采用PWM控制器(pulse-width-modulator),用來調(diào)節(jié)發(fā)光周期和間隔時間。
[0059]信號解調(diào)器的作用是根據(jù)通訊協(xié)議和確定數(shù)據(jù)格式，提起轉(zhuǎn)換為電信號的光信號中所傳遞的信息。該信號解調(diào)器可以和定位模塊集成，共同完成定位功能。
[0060]本發(fā)明中的各模塊數(shù)量根據(jù)需要進行靈活配置。例如要同時測定多個被定位目標(biāo)的位置，可以配置多個光譜傳感模塊；如果要對大面積范圍內(nèi)目標(biāo)進行定位，可以配置多組帶有光源調(diào)制器的發(fā)光模塊，使得所發(fā)出的光能覆蓋所關(guān)心的區(qū)域；還可以通過加一個光譜傳感器以測試非上述特征譜以外的一段譜線光譜強度，以達到扣除背景光干擾的目的，進一步提高定位精度。該裝置還可以通過光源調(diào)制器構(gòu)成具有通訊功能及內(nèi)容傳送能力的通訊工具，將光源的絕對地理坐標(biāo)傳送給定位模塊，以確定測量點的絕對位置。光譜傳感模塊、電信號處理模塊、定位模塊可以集成在移動終端如智能手機、平板電腦上，增強這些工具的定位功能。
[0061]實施例一
[0062]圖4本發(fā)明的一種基于三種具有特征譜的發(fā)光模塊和相應(yīng)光譜傳感模塊確定空間位置的光電裝置。為減少使用者對單色光的敏感和刺激，本實施例采用三組復(fù)合發(fā)光模塊，但這同樣適用于單色光模塊。三組復(fù)合發(fā)光模塊分別是:一組是藍光+黃色熒光粉構(gòu)成的復(fù)合白光模塊，選用檢測450nm左右藍光光譜傳感器作為對應(yīng)的光譜傳感模塊；一組是綠光加紅光構(gòu)成的復(fù)合白光模塊，采用540nm左右的光譜傳感器作為光譜檢測模塊；第三組米用紅外二極管作為發(fā)光模塊，其波長在850nm左右,選擇用850nm光譜傳感器作為光譜傳感模塊。各個發(fā)光模塊經(jīng)過幾何光學(xué)設(shè)計，都有比較均勻發(fā)光強度空間分布。三組發(fā)光模塊被固定于定位空間中，三組光譜傳感器、電信號處理器裝成在一起構(gòu)成一個小型位置傳感器。在定位使用之前，使用位置傳感器測量空間中各個位置處三個光譜的強度電信號數(shù)據(jù)，并將這些空間位置及該位置處的三個光譜強度對應(yīng)關(guān)系存儲于定位模塊中。在完成這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)備之后，可以將位置傳感器附著于被定位物上，實現(xiàn)空間位置定位。實際定位中，被定位物上將由光譜傳感器和電信號處理器組成的位置傳感器所測到的強度電信號，通過無線的方式傳給定位模塊，定位模塊通過比較前面測定已知的強度位置關(guān)系，選用最接近測量值的位置，經(jīng)過內(nèi)插等運算，即可得到被定位物的位置。光譜傳感器、信號處理器和定為模塊可以進一步集成在一起，以方便使用者實時地確定自己的空間位置，而且這些位置實時位置信息可以傳給中央處理器，以便記錄、跟蹤和監(jiān)控被定位物的位置，以及處理定位物的位置信息，實現(xiàn)增強現(xiàn)實中的互動。
[0063]實施例二
[0064]圖5是本發(fā)明具有光源調(diào)制器定位裝置。在該實施例中，三組光源都采用藍光加黃色熒光粉的白色LED，但是光源調(diào)制器具有不同的震蕩頻率，這就決定了雖然光源為同一種，但每一個光源的發(fā)光周期和頻率卻是不同的即具有不同發(fā)光特征。三組光源調(diào)制器接收按設(shè)定格式編碼如地理位置等信息，通過PWM控制器的光源調(diào)制器將這些信息調(diào)制在光源發(fā)出的光上。通過這種方式使得發(fā)光模塊發(fā)出的光被加載了信息。光譜傳感模塊中的光譜敏感范圍設(shè)定在藍光波長范圍內(nèi)，即中心波長450nm、FffHM為20nm的光譜傳感器來接收這些不同發(fā)光頻率并包含信息的光信號，并轉(zhuǎn)換為電信號。這里的電信號同樣也是隨著光信號變化的，這種變化蘊含了調(diào)制的如地理位置等信息。電信號經(jīng)過電信號處理模塊處理后，被送入定位模塊。定位模塊的處理器對電信號進行解卷積、扣除背景等運算處理后，得到了三組反映各個光源特征的電信號，即三組強度相對時間分布信號。處理器接著根據(jù)通訊協(xié)議和確定數(shù)據(jù)格式，將加載在變化的電信號解調(diào)，提起三組電信號中所傳遞的信息，得到發(fā)光模塊的位置信息。并將這些位置信息結(jié)合強度信號所得到的被定為目標(biāo)相對于發(fā)光模塊的位置信息，就可以得到被定為目標(biāo)物的絕對位置。
[0065]本發(fā)明可廣泛用于快速精確地確定人或物的地理和空間位置:既可以獨立使用作為增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的位置傳感器或者用來確定特定目標(biāo)物在特定空間中位置，用于如老人兒童監(jiān)護、物流傳感器等領(lǐng)域置，也可作為基于無線電波的地理位置信息系統(tǒng)的補充，用于確定地理位置信息系統(tǒng)無線電波不能覆蓋或者是限制無線電波使用的特殊場所，如建筑物內(nèi)或者醫(yī)療監(jiān)護室內(nèi)空間位置的確定。
[0066]從本發(fā)明的裝置和方法以及實例的說明可以看出，本發(fā)明提供了基于光源強度分布和光譜傳感技術(shù)來確定被定位目標(biāo)位置的方法和裝置，本方法和裝置具有簡單，靈活，應(yīng)用范圍廣等特點。但以上說明也不能限定本發(fā)明可實施的范圍，凡是專業(yè)人士在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的明顯或不明顯的變化，修飾或改良，均應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)。
【權(quán)利要求】
1.一種空間位置確定方法，其特征在于:發(fā)光模塊發(fā)出具有特征光譜的光信號，光譜傳感模塊檢測發(fā)光模塊所發(fā)出的特征光譜信號并被附著于被定位目標(biāo)上，電信號處理模塊讀取光譜傳感模塊得到的電信號并對電信號進行處理，定位模塊將經(jīng)過電信號處理模塊的電信號經(jīng)過運算確定光譜傳感模塊及其附著被定位目標(biāo)的位置。
2.如權(quán)利I所述的一種空間位置確定方法，其特征在于:發(fā)光模塊所發(fā)出的光在光波波長范圍內(nèi)具有能夠識別的單一特征譜線或者多個特征譜線特征強度分布。
3.如權(quán)利I所述的一種空間位置確定方法，其特征在于:發(fā)光模塊所發(fā)出的特征譜線強度隨著離開發(fā)光模塊的距離具有確定的空間分布。
4.如權(quán)利I所述的一種空間位置確定方法，其特征在于:發(fā)光模塊包括光源和光源調(diào)制器，光源調(diào)制器用于調(diào)節(jié)光源發(fā)光變化。
5.如權(quán)利I一 4中任一所述的一種空間位置確定方法,其特征在于:發(fā)光模塊的光源為半導(dǎo)體光源。
6.如權(quán)利4所述的一種空間位置確定方法，其特征在于:光源發(fā)光在光源調(diào)節(jié)器的作用下，發(fā)光強度或者頻率或者脈沖寬度發(fā)生變化。
7.如權(quán)利I所述的一種空間位置確定方法，其特征在于:光譜傳感器是具有窄帶響應(yīng)的光電傳感器，其響應(yīng)曲線基于光源特征譜線波長強度分布。
8.如權(quán)利I或7所述的一種空間位置確定方法，其特征在于:光譜傳感模塊是由光譜波長選擇功能的光學(xué)帶通濾波器或者光子晶體與光電傳感器組成的組合器件或者是集成器件。
9.如權(quán)利I所述的一種空間位置確定方法，其特征在于:通過測定三組或者三組以上所述半導(dǎo)體光源和光譜傳感器測定特征光譜強度關(guān)系，通過電信號處理器確定光譜傳感器及所附著目標(biāo)物的空間位置。
10.一種采用以上方法確定空間位置的光電裝置，其特征在于:包括發(fā)光模塊、光譜傳感模塊、電信號處理模塊，定位模塊， 發(fā)光模塊用于發(fā)出具有特定波長強度分布的光譜； 光譜傳感模塊用于探測發(fā)光模塊所發(fā)出的特征光譜信號，并將光譜信號轉(zhuǎn)換為電信號; 電信號處理模塊用于讀取和處理光譜傳感器的電信號，并傳送給后續(xù)定位模塊； 定位模塊通過處理，分析比較與已知光源強度分布關(guān)系，確定光譜傳感模塊及其附著被定為目標(biāo)物位置。 所述發(fā)光模塊被固定于空間且發(fā)光面向光譜傳感模塊一側(cè)，光譜傳感模塊附著于目標(biāo)物，電信號處理模塊分別與光譜傳感模塊、定位模塊電連接。
【文檔編號】G01S5/16GK104459622SQ201310415799
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】劉紅超 申請人:劉紅超