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用于隧道應急情況下的可見光定位及圖像傳輸裝置的制作方法

文檔序號:26784324發布日期:2021-09-25 12:16
用于隧道應急情況下的可見光定位及圖像傳輸裝置的制作方法

1.本實用新型涉及一種定位和圖像傳輸裝置,尤其是涉及一種用于隧道應急情況下的可見光定位及圖像傳輸裝置。


背景技術:

2.目前,隨著道路交通和物流行業的快速發展以及私家車的全面普及化,出行的安全性與便捷性受到了越來越多的關注。其中定位和導航儀器已成為絕大多數人出行必備品,是安全高效出行的保障。
3.當下全球定位系統(gps)在開闊的室外環境中已經得到了廣泛應用,但是在占中國國土總面積的69.1%的山區,隧道是大多數人出行難以避免的行駛途徑。在隧道環境中,由于無線信號的衰減和多徑效應的影響,gps定位精度十分有限,無法提供可靠的位置服務。
4.當前主流的隧道環境定位系統為uwb定位系統。該系統由傳感器、有源定位標簽和定位平臺三個組成部分組成,結構示意圖如附圖1所示。定位標簽以ubw脈沖信號作為載體,將位置信息發射到傳感器,傳感器接受到信號后采用tdoa和aoa定位算法對標簽位置進行分析,最終通過有線以太網傳輸到ilocate服務器。通過定位平臺軟件分析,將定位目標真實地以虛擬動態三維效果顯示出來。uwb定位系統存在以下缺陷。首先,uwb系統復雜度和成本較高。其次,uwb系統占用了很高的帶寬,存在干擾其他無線通信系統的可能。最后,工作頻段較高頻寬較大,遇到實體阻擋,會使得uwb信號衰減60
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70%,定位精度嚴重下降。
5.而目前常見的用于圖像傳輸的近距離無線通信技術有許多種,其中應用較為廣泛的是藍牙(bluetooth)。它能夠在10米的半徑范圍內實現點對點或一點對多點的無線數據和聲音傳輸,其數據傳輸帶寬可達1mbps、通訊介質為頻率在2.402ghz到2.480ghz之間的電磁波。藍牙技術可以廣泛應用于局域網絡中各類數據及語音設備,如pc、撥號網絡、筆記本電腦、打印機、傳真機、數碼相機、移動電話和高品質耳機等,實現各類設備之間隨時隨地進行通信。但它目前存在的主要問題是芯片大小和價格較高以及抗干擾能力較弱。
6.傳統的通信方式應用范圍很廣,但因其信號不易穿透建筑物,因而覆蓋例如地下室,地下停車場,特別是隧道等封閉區域。但隨著我國公路建設步伐的進一步加快,特別是山區高速公路的發展,其催生的隧道數量急劇增長。由于隧道具有內部空間狹小、結構復雜、封閉性強等特點,導致gps系統在隧道內部失去定位功能,給汽車的安全、平穩行駛航帶來了一定的阻礙。因此需要一種新技術來實現隧道車輛定位以及信息傳輸。
7.現有的其他短距離無線定位及圖像傳輸技術有著精度較低、無線頻譜資源消耗嚴重、工程實施成本高、系統布局復雜的缺點,而可見光定位及圖像傳輸技術作為可見光通信技術主要應用之一,其充分利用現有照明設施的同時,不占用傳統射頻,提高了頻譜資源的利用率,且可見光定位及圖像傳輸裝置所用到的led燈,具有綠色環保,成本較低等優點,還可以獲取較高的定位精度。同時在隧道這樣的黑暗條件下,可見光通信技術有了相較于在室外有光線的地點更精確的定位精度以及更遠的圖像傳輸距離。


技術實現要素:

8.為了解決現有技術中的不足,本實用新型設計一種用于隧道應急情況下的可見光定位及圖像傳輸裝置,其技術方案如下:用于隧道應急情況下的可見光定位及圖像傳輸裝置,包括隧道、車輛、基于圖像傳感器的可見光定位部分的發射模塊及其接收模塊、可見光圖像傳輸部分的發送模塊和接收模塊以及輸出模塊;其特征為:所述基于圖像傳感器的可見光定位部分的發射模塊包括隧道中已知位置坐標的三盞led燈,所述三盞led燈位于同一平面構成三角形;所述車輛的頂部安裝基于圖像傳感器的可見光定位部分的接收模塊;所述車輛的側邊安裝可見光圖像傳輸部分的發送模塊;所述隧道內壁安裝可見光圖像傳輸部分的接收模塊和輸出模塊。
9.優選為:所述隧道為單向行駛隧道,且以隧道入口路面最左端為坐標原點建立空間直角坐標系。
10.優選為:所述led燈為隧道內壁上現有的照明用途的led燈。
11.優選為:基于圖像傳感器的可見光定位部分的發射模塊還包括控制電路,所述控制電路包括單片機、開關電源;所述單片機輸出pwm控制信號控制開關電源中三極管的導通關斷,進而實現所述三盞led燈按照相應頻率閃爍。
12.優選為:所述隧道內壁是指隧道內臺階側。
13.優選為:所述基于圖像傳感器的可見光定位部分的接收模塊包括單目usb相機、pc計算機、stm32單片機和tft顯示屏;所述單目usb相機將捕捉到三盞led燈圖像傳輸給pc計算機,所述pc計算機對圖像進行處理得到車輛的位置信號并通過stm32單片機驅動tft顯示位置信息。
14.優選為:所述可見光圖像傳輸部分的發送模塊包括驅動模塊,所述驅動模塊包括模擬攝像頭、驅動電路和led;所述模擬攝像頭將其捕捉到的模擬圖像信號傳輸給驅動電路,驅動電路將信號放大,利用電流調制使驅動電路中的led發出光信號,并傳遞給可見光圖像傳輸部分的接收模塊。
15.優選為:所述可見光圖像傳輸部分的接收模塊包括接收電路,所述接收電路由光電二極管和放大電路構成,所述光電二極管將接收的光信號還原為電信號,所述放大電路將電信號放大后輸出到可見光圖像傳輸部分的輸出模塊。
16.優選為:所述輸出模塊為視頻播放器。
17.優選為:所述隧道每隔一定距離安裝一個可見光定位部分的發射模塊,每個發射模塊中led燈閃爍頻率各不相同。
18.有益效果
19.本實用新型的定位部分結構簡單成本較低,干擾性小,且定位效果更加具體迅速。首先,本裝置利用將調制信號加載在隧道中已有的led上,既節約成本綠色環保,也不影響正常的交通運輸。其次,以可見光作為載體傳輸信號,不占用傳統信號的頻譜,與其他無線通信系統也互不干擾。以圖像傳感器即單目usb相機作為接收裝置,不僅可以得到位置坐標,還能得到物體的方向角進一步得到汽車的位姿,使裝置在信息處理方面更加高效。本實用新型的圖像傳輸部分采用模擬信號傳輸視頻,使得裝置更為簡單易操作。
附圖說明
20.圖1為隧道uwb定位系統結構示意圖;
21.圖2為本實用新型裝置具體結構示意圖;
22.圖3為本實用新型基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分發射模塊示意圖;
23.圖4為本實用新型基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分發射模塊電路圖;
24.圖5為本實用新型基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分接收模塊pnp算法的示意圖;
25.圖6為本實用新型基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分接收模塊示意圖;
26.圖7為本實用新型可見光傳輸部分裝置流程圖;
27.圖8為本實用新型可見光傳輸部分發送模塊的驅動電路電路圖;
28.圖9為本實用新型可見光傳輸裝置接收模塊的接收電路電路圖。
29.其中1隧道;2汽車;3led燈;4模擬可見光信道;5基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分的接收模塊;6可見光圖像傳輸部分的發送模塊;7可見光圖像傳輸部分的接收模塊和輸出模塊。
具體實施方式
30.用于隧道應急情況下的可見光定位及圖像傳輸裝置主要由基于圖像傳感器is的可見光定位部分以及可見光圖像傳輸部分組成,裝置的具體結構圖如附圖2所示。
31.用于隧道應急情況下的可見光定位及圖像傳輸裝置,包括隧道、車輛、基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分的發射模塊及其接收模塊、可見光圖像傳輸部分的發送模塊和接收模塊以及輸出模塊;其特征為:所述基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分的發射模塊包括隧道中已知位置坐標的三盞led燈,所述三盞led燈位于同一平面構成三角形;所述車輛的頂部安裝基于圖像傳感器(is)的可見光定位部分的接收模塊;所述車輛的側邊安裝可見光圖像傳輸部分的發送模塊;所述隧道內壁安裝可見光圖像傳輸部分的接收模塊和輸出模塊。
32.如附圖3
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4所示?;趫D像傳感器(is)的可見光定位部分的發射模塊主要由三極管開關電路與三個已知位置坐標的led燈構成,利用stm32f103單片機三個引腳,輸出頻率分別為100khz、50khz、25khz的三種pwm信號,利用pwm信號控制三極管開關電路的通斷,進一步實現三個led燈按照相應頻率閃爍。所述隧道每隔一定距離安裝一個可見光定位部分的發射模塊,每個發射模塊除led燈閃爍頻率不同外,其余完全相同,以此達到定位信號全面覆蓋隧道的效果。
33.如附圖5
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6所示?;趫D像傳感器(is)的可見光定位部分的接收模塊由單目usb相機、pc計算機、stm32單片機和tft顯示屏構成。接收模塊通過單目相機捕捉到3個led圖像傳輸給在pc機,利用公知的open cv圖像處理軟件將3個不同頻率的led的id解碼。再利用pnp算法對is的位姿進行計算,該算法為常用的3d
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2d位姿估計方法,屬于本領域技術人員常規算法(如中國專利申請:cn2020111067871,cn2017113988037,cn2017112865612,cn202010192036x都采用了該pnp算法實現位姿的計算),下面我們對該算法過程做出針對性的闡述:將2d像素坐標轉換為歸一化圖像坐標系下的坐標,得到led燈在圖像平面上的投影兩兩間夾角的余弦值,再通過單目相機成像的幾何公式得到圖像傳感器到三個led燈的
距離和單位向量,從而得到led在相機坐標系中的3d位置;再將led燈的真實世界坐標與相機坐標匹配成對,這三對3d
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3d特征點對便可通過svd算法(即奇異值分解,該svd算法可以將任意矩陣分解成兩個單位正交陣以及一個廣義對角陣,在最優化問題、統計學、圖像處理和自然語言處理等方面都有十分重要的應用,屬于圖像處理領域技術人員常規算法。)獲得相機的平行矩陣和旋轉矩陣,最后計算得到攝像機的位置坐標和方向角。計算得到is的位姿后,采用stm32單片機驅動tft顯示接收端的位置信息。使得車輛內部人員及時了解其所處的位置坐標,尋找最近的應急求救點,即本新型實用裝置可見光圖像傳輸接收模塊所在點。當車輛到達應急求救點時,車輛內部人員可以利用可見光圖像傳輸部分將車輛及人員的情況傳遞至隧道外,以方便隧道外救助人員實施救援。
34.可見光圖像傳輸部分主要由供電模塊、發送模塊、接收模塊、輸出模塊等組成。發送模塊利用模擬攝像頭將其捕捉到的模擬圖像信號傳輸給驅動電路,驅動電路將信號放大,利用電流調制使驅動電路中的led發出光信號,并傳遞給可見光圖像傳輸部分的接收模塊。接收模塊遠距離接收發送模塊發出的光信號,將其轉化為電信號傳入輸出模塊,輸出模塊利用視頻播放器輸出對應的視頻信息。每個模塊都由供電模塊進行供電。本裝置的流程圖如附圖7所示,其中車輛側邊安裝的是可見光圖像傳輸部分的發送模塊,隧道內壁(隧道內臺階側)安裝的是可見光圖像傳輸部分的接收模塊和輸出模塊,可見光圖像傳輸部分的供電模塊分別對可見光圖像傳輸部分的發送模塊和接收模塊供電。對于可見光圖像傳輸部分的供電模塊,本裝置采用鋰電池和升壓模塊進行供電。調節升壓模塊中的變壓器,使電池電壓達到發送模塊和接收模塊所要求的電壓等級。對于可見光圖像傳輸部分的發送模塊,其驅動電路的電路圖如附圖8所示,其主要由模擬攝像頭、驅動電路和led組成,模擬攝像頭將其拍攝的圖像通過模擬信號的形式傳輸給驅動電路,驅動電路將信號放大,利用電流調制使led發光,即完成將模擬信號轉化為光信號的過程。對于可見光圖像傳輸部分的接收模塊,其接收電路的電路圖如附圖9所示,其由光電二極管和放大電路構成,光電二極管接收可見光圖像傳輸部分發送模塊中led所發射出的光信號,并將其還原為電信號,放大電路將電信號放大后輸出到輸出模塊??梢姽鈭D像傳輸部分的輸出模塊由視頻播放器組成,在本裝置中,用導線將接收電路輸出端連接至視頻播放器,即可實現視頻傳輸。
35.利用隧道中現有的照明用途的led燈,選取位于同一平面中構成三角形的三盞led燈,隧道中行駛的車輛頂部安裝有基于is的可見光定位部分的接收模塊5,用于接收led燈所發射出的可見光信號,用于汽車內部人員對車輛所在具體位置的確定。隧道內壁每間隔一定距離都有應急求救點,當車輛遇到應急情況時,車輛內部人員可以利用基于is的可見光定位部分確定車輛所處于隧道中的位置,并且根據基于is的可見光定位部分尋找距離車輛最近的應急求救點(即可見光圖像傳輸部分的接收模塊所在的位置)。當車輛到達應急求救點時,車輛內部人員可以通過可見光圖像傳輸部分發送模塊中的模擬攝像頭將與車輛及人員情況有關的模擬圖片或視頻信號輸入至可見光圖像傳輸部分發送模塊中,模塊中的驅動電路將信號放大,利用電流調制使驅動電路中的led發出光信號,并傳遞給可見光圖像傳輸部分的接收模塊,可見光圖像傳輸部分的接收模塊將光信號還原為電信號并傳輸至可見光圖像傳輸部分的輸出模塊,便于隧道外救護人員根據可見光圖像傳輸部分輸出模塊中的視頻播放器顯示的隧道內部人員及車輛情況的圖像信息實施救援。
36.本實用新型運用可見光通信技術,可以獲取較高的定位精度,克服了gps在隧道環
境內由于無線信號的衰減和多徑效應的影響定位精度嚴重下降的缺點;本實用新型充分利用現有照明設施,節約成本,裝置結構簡單,克服了uwb隧道定位系統結構復雜和成本較高的缺點;本實用新型不占用傳統射頻,提高了頻譜資源的利用率,克服了uwb隧道定位系統因其工作帶寬較大影響其他信號傳輸的缺點。同時在隧道這樣的黑暗條件下,可見光通信技術有了相較于在室外有光線的地點更精確的定位精度以及更遠的圖像傳輸距離。
37.以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解,本實用新型不受上述實施例的限制,上述實施例和說明書中描述 的只是本實用新型的原理,在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各 種變化和改進,這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型的范圍內。本實用新型要求的保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
再多了解一些
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