基于LED光的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

秦 興，戴 泓

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于LED光的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

秦 興，戴 泓

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

參考目前幾種基于PSD的可見(jiàn)光定位方案，結(jié)合實(shí)際需求，提出了一種基于LED矩陣多光源的PSD定位系統(tǒng)，通過(guò)原型分析和光信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)在工作范圍的定位能力，并提出了提高系統(tǒng)抗雜光干擾能力和位置測(cè)量精度的措施.

室內(nèi)定位；可見(jiàn)光；位置敏感探測(cè)器；信號(hào)處理

0 引 言

光電探測(cè)法是精密位置測(cè)量中普遍采用的一種非接觸式測(cè)量方法.到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)采用位置敏感探測(cè)器(Position-Sensitive Detector，PSD)進(jìn)行定位以及相關(guān)的信號(hào)處理方法的研究仍然比較少，因此還有許多方面值得探討.文獻(xiàn)[1]采用時(shí)分多路的方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的高效傳輸，同時(shí)，文獻(xiàn)[2]結(jié)合頻分多用、相位定位法等方式來(lái)提高精度，文獻(xiàn)[3-4]采用單個(gè)或者多個(gè)圖像傳感器來(lái)分析LED的位置信息.

本文在參考目前主流的可將光定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于LED多光源并采用PSD的室內(nèi)高精度定位方案.相對(duì)其他技術(shù)來(lái)說(shuō)，本方案可以動(dòng)態(tài)伸縮可定位區(qū)域，同時(shí)不會(huì)造成信號(hào)間的互相串?dāng)_，并采用結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)幀來(lái)避免模擬電信號(hào)處理中的不穩(wěn)定性.相對(duì)于一些基于圖像傳感器的方案，本文采用了單個(gè)PSD作為光信號(hào)接收傳感器并明確了相應(yīng)光學(xué)器件的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用多組可行性數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)相對(duì)完整的室內(nèi)定位原型裝置系統(tǒng)，并在LED部署高度、環(huán)境光等方面具有一定的可適應(yīng)性，能夠滿足多種工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境下的需求.

圖1 系統(tǒng)框架

1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)大致分為3個(gè)模塊，分別為：作為光信息發(fā)射端的LED矩陣、參數(shù)匹配的光學(xué)系統(tǒng)、二維PSD及后續(xù)的硬件處理電路，系統(tǒng)框架如圖1所示.LED矩陣通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦到PSD靶面形成光斑，使得PSD傳感器輸出4路微弱的電流信號(hào)，經(jīng)后續(xù)電路進(jìn)行放大等處理并轉(zhuǎn)換為供位置運(yùn)算的電壓信號(hào)，送入A/D采集模塊處理.同時(shí)，PSD處理電路輸出光斑的觸發(fā)信號(hào)，從而對(duì)當(dāng)前光斑的編號(hào)信息進(jìn)行解碼.最后，根據(jù)本文提出的定位方法，通過(guò)連續(xù)獲得的2個(gè)有效LED光斑坐標(biāo)信息，結(jié)合在室內(nèi)架設(shè)整套系統(tǒng)時(shí)的空間信息，推算出PSD靶面(即待定位物體)的二維坐標(biāo)[5]和方向性.

圖2 LED布局矩陣

2 LED矩陣及工作原理

2.1 LED光源選擇

選擇市面上較為常見(jiàn)的3 W白光LED燈珠，默認(rèn)發(fā)光角度140°，光通量為200～240 lm.

2.2 LED矩陣設(shè)計(jì)

LED矩陣布設(shè)在預(yù)設(shè)高度上，布局方式如圖2所示.圖2中，每一個(gè)方塊表示一個(gè)LED及其控制模塊.按照本文所提出的定位算法，最少需要2個(gè)點(diǎn)進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的可視范圍，按照PSD在地面自由運(yùn)動(dòng)后可能存在的最極端的幾種情況，比如圖2中上方的虛線框所示的正對(duì)著LED矩陣的視場(chǎng)，可知視場(chǎng)的邊長(zhǎng)必須大于等于2倍的相鄰LED間距，同時(shí)可以看到在2倍系數(shù)下的視場(chǎng)，傾斜45°之后，最多覆蓋3行的LED.

圖3 LED矩陣工作時(shí)序圖

2.3 LED控制電路設(shè)計(jì)

每一個(gè)LED都有一個(gè)獨(dú)立的完全相同的控制電路，通過(guò)電路上8位撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置不同的編號(hào)，并作為每盞燈的識(shí)別信息和依次點(diǎn)亮的順序；將周期穩(wěn)定的方波信號(hào)作為L(zhǎng)ED矩陣的全局時(shí)鐘信號(hào)，接入到每一個(gè)LED模塊，以此來(lái)協(xié)調(diào)LED矩陣的發(fā)光順序.在某個(gè)LED模塊進(jìn)入發(fā)射順位后，將對(duì)應(yīng)的編碼信息通過(guò)約定的方波周期依次將編碼發(fā)出.最后的整個(gè)LED矩陣的工作時(shí)序圖如圖3所示，將所有LED一直循環(huán)點(diǎn)亮并保證沒(méi)有重疊.

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，光學(xué)鏡頭的作用是將視場(chǎng)范圍內(nèi)正在傳輸光信號(hào)的LED成像在PSD靶面，使得光斑大小、光強(qiáng)、能量分布、形狀等參數(shù)滿足PSD的檢測(cè)要求[6].這些參數(shù)都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的定位精度，因此，對(duì)此光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求和參數(shù)規(guī)格如下：像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)、視場(chǎng)角2w≈24°、彌散斑有較好的質(zhì)心對(duì)稱性.

圖4 PSD的光譜響應(yīng)曲線圖

4 定位系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 PSD特性

本系統(tǒng)選用濱松公司的二維PSD，型號(hào)為S5991-01，其光譜響應(yīng)曲線圖如圖4所示.由圖4可知，其峰值響應(yīng)頻段在900 nm～1 000 nm之間，峰值靈敏波長(zhǎng)為960 nm，處于紅外的波段.另外，該型號(hào)PSD的光敏度為0.6 A/W、位置探測(cè)誤差為±150 μm、飽和光電流為500 μA、位置分辨率為1.5 μm.PSD器件廠家建議的有效靶面區(qū)域?yàn)閺闹行牡竭吘壍?0%的區(qū)域，光斑尺寸大于直徑0.2 mm.

4.2 電信號(hào)處理電路

在PSD信號(hào)處理電路中，4個(gè)弱電流信號(hào)I1～I(xiàn)4分別經(jīng)過(guò)4個(gè)相同的放大電路處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出4個(gè)電壓信號(hào)，分別送入AD采樣后被單片機(jī)讀取.同時(shí)這4個(gè)電壓信號(hào)被送入時(shí)滯放大器為主的觸發(fā)判斷模塊，輸出光斑觸發(fā)信號(hào)送入單片機(jī)，作為判斷數(shù)據(jù)位的依據(jù).

5 室內(nèi)空間定位算法及精度分析

5.1 光通信實(shí)驗(yàn)

發(fā)射端輸出恒定周期的方波到LED作為工作電壓，接收端以遠(yuǎn)小于發(fā)射周期的定時(shí)器周期作為計(jì)數(shù)單元去預(yù)估發(fā)射周期的時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)次數(shù)，讀取預(yù)設(shè)的編碼表得出當(dāng)前的信息值.5組不同發(fā)射周期與不同的接收端定時(shí)時(shí)長(zhǎng)組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.表1中，理論個(gè)數(shù)為該組組合情況下，接收端理論上輸出的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)；實(shí)際個(gè)數(shù)為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù).

表1 不同發(fā)射周期下，光通信傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察表1可以發(fā)現(xiàn)，接收端以40 μs作為定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)時(shí)，在發(fā)射周期為4 Ms和2 Ms時(shí)，實(shí)際個(gè)數(shù)與理論個(gè)數(shù)基本一致，但是發(fā)射周期為1 Ms時(shí)，數(shù)據(jù)波動(dòng)開(kāi)始變大.在實(shí)驗(yàn)中也觀察到，隨著頻率的升高，LED距PSD成像面的距離要求更加嚴(yán)苛.

5.2 二維PSD定位系統(tǒng)的坐標(biāo)計(jì)算方法

通過(guò)驗(yàn)證由PSD處理電路傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，解碼得出LED編號(hào)，并通過(guò)PSD的輸出信號(hào)與光點(diǎn)位置坐標(biāo)之間的關(guān)系確定光源在PSD靶面內(nèi)的位置信息.

(1)

(2)

其中，x，y為光斑在PSD靶面的坐標(biāo)，L為靶面的邊長(zhǎng)，I1～I(xiàn)4分別為PSD輸出的電流值，可由處理后的電壓值換算得到.

圖5 定位算法示意圖

根據(jù)獲取到的位置信息和LED身份信息，本文采用的定位方法如圖5所示.圖5中，PSD靶面的正方形標(biāo)記的一角表示此為靶面的第一象限.假設(shè)第一次獲取到的有效LED為圖5中的LED-A，經(jīng)光路A通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦于靶面上的A點(diǎn)，由于LED-A在空間中的位置是確定的，以此信息可以推斷，PSD靶面可能的位置如圖5中潛在的軌跡所示的虛線弧，PSD靶面的中心在此弧線上，其角度保證了光路的一致性.那么，當(dāng)系統(tǒng)得到第二個(gè)有效地LED信息源，假設(shè)為如圖5中的LED-B，那么同理可得類(lèi)似的弧線，與LED-A的弧線相交，一般能得到兩個(gè)交叉點(diǎn)，一個(gè)是圖5中上方的可能存在的位置，另一個(gè)是圖5中下方PSD真實(shí)的位置.而根據(jù)LED-B對(duì)應(yīng)的光斑點(diǎn)B的位置，明顯可知此點(diǎn)位于第三象限，而在PSD可能的目標(biāo)位置中，光點(diǎn)B會(huì)出現(xiàn)在第二象限，與已知條件不符合，所以可確定PSD的坐標(biāo)信息和朝向角度.

5.3 定位精度分析

文獻(xiàn)[7]分析了二維PSD的分辨率等參數(shù)，結(jié)果表明，光敏面為13 mm×13 mm的二維PSD的典型位置誤差為±20 μm、非線性小于0.15%.

計(jì)算理論誤差時(shí)，取PSD的固定的分辨率為1.5 μm、測(cè)量誤差為50 μm，則根據(jù)分辨率換算，可以得到定位精度.在本系統(tǒng)中，選擇了9 mm×9 mm的PSD，選定高度為10 m下，視場(chǎng)大小為3m×3m，則定位精度為0.5mm，典型誤差為16.7 mm.

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于LED多光源并采用PSD器件的定位系統(tǒng)，主要包含LED發(fā)射模塊的參數(shù)規(guī)劃和設(shè)定，通過(guò)初步測(cè)試，本系統(tǒng)能避免環(huán)境光的干擾，進(jìn)行有效的光路通信，同時(shí)根據(jù)多組測(cè)試實(shí)驗(yàn)確定了合適的發(fā)射周期.因此，從理論和實(shí)驗(yàn)證明這種技術(shù)的可行性，為多光源可見(jiàn)光的定位技術(shù)提供了一種新方法.本方案目前只是進(jìn)行了原型驗(yàn)證和各個(gè)模塊的單獨(dú)測(cè)試與收發(fā)系統(tǒng)的測(cè)試，下一步將進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的完整搭建.

[1]LIU X, YANG A, WANG Y, et al. Combination of light-emitting diode positioning identification and time-division multiplexing scheme for indoor location-based service[J]. Chinese Optics Letters, 2015,13(12):12-17.

[2]NADEEM U, HASSAN N U, PASHA M A, et al. Indoor positioning system designs using visible LED lights: performance comparison of TDM and FDM protocols[J]. Electronics Letters, 2015,51(1):72-74.

[3]MOON M, CHOI S, PARK J, et al. Indoor Positioning System using LED Lights and a Dual Image Sensor[J]. Journal of the Optical Society of Korea, 2016,19(6):586-591.

[4]KIM J, YANG S, SON Y, et al. High-resolution indoor positioning using light emitting diode visible light and camera image sensor[J]. IET Optoelectronics, 2016,10(5):184-192.

[5]嚴(yán)智文.PSD空間定位及抗干擾研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007.

[6]孫先逵.PSD相位法多光束同步檢測(cè)技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2005.

[7]黃梅珍.位置敏感探測(cè)器的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2001.

The Development of the Indoor Positioning System Based on LED

QIN Xin, DAI Hong

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Considering some visible light positioning schemes based on position-sensitive detector(PSD), a PSD localization system based on LED matrix is proposed combined with the actual demand. By the prototype analysis and the experiment on optical information transmission, the ability of target range positioning is verified in the proposed system, and the methods are proposed to improve the performance of the anti-jamming of PSD and the position accuracy of measurement.

indoor positioning; visible light; position-sensitive detector; signal processing

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.002

2016-09-18

秦興(1975-)，男，湖北紅安人，副教授，電子學(xué).

TN929.12

A

1001-9146(2017)04-0006-04