一種結(jié)合LED可見光通信技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究

洪啟宸

一、引言

現(xiàn)在是高速信息化的時(shí)代，位置信息對人有很重要意義。在戶外，用來定位的絕大部分應(yīng)用是GPS，或利用無線基站進(jìn)行定位，現(xiàn)在這些技術(shù)已經(jīng)很成熟了。然而在室內(nèi)這些技術(shù)卻不再適用，因?yàn)槭覂?nèi)這些方式都難以搜索到信號。然而對高精度室內(nèi)定位的需求卻越來越受到人們的重視，在商業(yè)活動(dòng)、搶險(xiǎn)救災(zāi)燈等都有此類需要。比如當(dāng)我們在地下停車庫中，我們需要快速明了地看到自己所處的位置，和出入口所在位置，從而以最短路徑到達(dá)目的地，節(jié)約時(shí)間；當(dāng)我們在大商場中購物，我們常常無法快速找到自己要購買的商品，但我們有了室內(nèi)定位系統(tǒng)，我們就可以快速找到目標(biāo)商品的位置，從而更便捷地購物；當(dāng)發(fā)生煤礦坍塌等意外時(shí)，如果有室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過礦內(nèi)發(fā)出的位置信號，我們可以快速準(zhǔn)確的得到被困人員的位置信息，救援人員可以直接根據(jù)信息展開救援，極大程度縮短救援時(shí)間，提高被困者的生還率①。

目前來說GPS在室外可以滿足人們的需要，然而在室內(nèi)卻不適用，我們室內(nèi)定位需要精確、實(shí)時(shí)、方便，而現(xiàn)在我們有些技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)，甚至也有已經(jīng)形成的產(chǎn)品，比如紅外線定位，這種技術(shù)可以達(dá)到高精度，但是安裝復(fù)雜成本很高，對于工況環(huán)境要求極高的隧道來說，紅外線定位基本是不可能的②；超聲定位也可以進(jìn)行高精度定位，但依然免不了收發(fā)裝置的重安裝③；WiFi定位對辦公室很普及，但由于信號不穩(wěn)定，精度很低，一般只有米級同時(shí)還有較長的時(shí)間相應(yīng)④。

我們不妨換一種新的思路，那就是利用隨處可見的LED燈來進(jìn)行定位，我們可以把光通信的技術(shù)引用到定位中，這樣就避免了重新布置裝置，既方便安裝也節(jié)省成本。而可見光通信技術(shù)是一種成熟技術(shù)⑤，其先利用可見光通信技術(shù)傳遞信息，再利用圖像處理計(jì)算幾何坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位，可以實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)方便的目標(biāo)?；诳梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)，原理是在普通LED燈上增加信息發(fā)送模塊，對LED燈閃爍頻率進(jìn)行控制，將LED燈自身的坐標(biāo)位置信息調(diào)制到光信號上，將編號信息編碼為0、1的信號，向接收設(shè)備發(fā)送，而接收設(shè)備上有精密光電傳感器，能把LED燈特定的閃爍頻率轉(zhuǎn)化為強(qiáng)弱電信號，解調(diào)出發(fā)射端傳送的特定定位信息。在接受端上還有攝像頭，可以拍攝LED燈的分布情況，通過幾何算法計(jì)算出接收端相對于LED燈的相對位置信息，結(jié)合之前得

從而更便捷地購物；當(dāng)發(fā)生煤礦坍塌等意外時(shí)，如果有室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過礦內(nèi)發(fā)出的位置信號，我們可以快速準(zhǔn)確的得到被困人員的位置信息，救援人員可以直接根據(jù)信息展開救援，極大程度縮短救援時(shí)間，提高被困者的生還率①。

目前來說GPS在室外可以滿足人們的需要，然而在室內(nèi)卻不適用，我們室內(nèi)定位需要精確、實(shí)時(shí)、方便，而現(xiàn)在我們有些技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)，甚至也有已經(jīng)形成的產(chǎn)品，比如紅外線定位，這種技術(shù)可以達(dá)到高精度，但是安裝復(fù)雜成本很高，對于工況環(huán)境要求極高的隧道來說，紅外線定位基本是不可能的②；超聲定位也可以進(jìn)行高精度定位，但依然免不了收發(fā)裝置的重安裝③；WiFi定位對辦公室很普及，但由于信號不穩(wěn)定，精度很低，一般只有米級同時(shí)還有較長的時(shí)間相應(yīng)④。

我們不妨換一種新的思路，那就是利用隨處可見的LED燈來進(jìn)行定位，我們可以把光通信的技術(shù)引用到定位中，這樣就避免了重新布置裝置，既方便安裝也節(jié)省成本。而可見光通信技術(shù)是一種成熟技術(shù)⑤，其先利用可見光通信技術(shù)傳遞信息，再利用圖像處理計(jì)算幾何坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位，可以實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)方便的目標(biāo)?；诳梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)，原理是在普通LED燈上增加信息發(fā)送模塊，對LED燈閃爍頻率進(jìn)行控制，將LED燈自身的坐標(biāo)位置信息調(diào)制到光信號上，將編號信息編碼為0、1的信號，向接收設(shè)備發(fā)送，而接收設(shè)備上有精密光電傳感器，能把LED燈特定的閃爍頻率轉(zhuǎn)化為強(qiáng)弱電信號，解調(diào)出發(fā)射端傳送的特定定位信息。在接受端上還有攝像頭，可以拍攝LED燈的分布情況，通過幾何算法計(jì)算出接收端相對于LED燈的相對位置信息，結(jié)合之前得到的每個(gè)LED燈的固有位置，計(jì)算出接受位置的精確位置信息。通過可見光定位，不僅繼承了可見光通信的優(yōu)點(diǎn)，而且對電磁波比較敏感的地方，如加油站礦井都可應(yīng)用，所以本篇文章通過研究，提出了一種基于可見光通信技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，并且經(jīng)過一定的實(shí)驗(yàn)，證明是可行，且準(zhǔn)確便捷的。攝像頭通過拍攝LED燈的位置，電子羅盤調(diào)整獲取攝像頭傾斜角度，統(tǒng)一處理所得信息得到裝置位置。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

可見光定位需要利用兩方面的技術(shù)：可見光通信技術(shù)和攝像圖像處理技術(shù)⑥。利用可見光通信技術(shù)，在設(shè)備上加裝精密的光電傳感器，調(diào)制屋頂?shù)腖ED燈，通過“0”“1”信息調(diào)制等方式將LED燈的參考位置做信源編碼，“0”用燈亮來表示，“1”用燈滅來表示，將LED燈編碼后的參考位置信息通過亮滅亮滅來發(fā)出信息，閃爍的頻率應(yīng)在10的16次方以上，從而使人眼察覺不到LED燈的閃爍。設(shè)備上的光電傳感器接收到LED燈的閃爍，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接收端進(jìn)行濾波的解調(diào)放大，獲得LED燈的參考位置坐標(biāo)信息，然后將電信號傳輸?shù)街醒胩幚砥髦?。在設(shè)備上加裝一個(gè)攝像頭模塊，通過攝像圖像處理技術(shù)，識別攝像頭拍攝的圖像中LED燈的位置，計(jì)算攝像頭相對于LED燈的位置，結(jié)合光電傳感器接受到的LED燈參考位置，從而得到待測點(diǎn)位置信息。如圖1：定位裝置上的光電傳感器接收LED燈發(fā)出的位置信息，

圖2 系統(tǒng)算法流程圖

為了防止攝像頭傾斜拍攝屋頂，得到不準(zhǔn)確的信息，可以利用電子羅盤獲取角度信息，結(jié)合電子羅盤得到的角度信息、光電傳感器得到的參考位置信息和攝像頭得到的相對位置信息，計(jì)算出設(shè)備所在的絕對位置信息。根據(jù)原理，我們可以利用單攝像頭模塊獲取LED燈相對于待測點(diǎn)的距離信息。該模塊的基本原理為在光電二極管旁安裝一個(gè)普通攝像頭，攝像頭可以實(shí)時(shí)捕捉LED燈的圖像信息，并將采集到的圖像信息傳送至處理器中對圖像進(jìn)行分析處理，圖像處理需要利用圖像濾波，圖像識別，圖像分割等技術(shù)。如圖2：一方面LED燈發(fā)出含有參考位置信息的光信號，并被光電出感器接收，轉(zhuǎn)化為電信號傳入中央處理器，另一方面攝像頭拍攝LED燈的圖像，并識別圖像中LED燈的位置，再通過電子羅盤獲取的攝像頭傾斜角度，計(jì)算出LED燈相對位置，并將信息傳入中央處理器，中央處理器通過所得信息比對得到裝置的絕對位置信息。

圖1 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

三、定位算法的數(shù)學(xué)建模

1.定位坐標(biāo)計(jì)算LED登記錄自身的位置信息來自于地理坐標(biāo)系，二攝像頭計(jì)算得到的相對于LED燈的位置信息參考的是自身坐標(biāo)系，當(dāng)我們對圖像上LED中心坐標(biāo)進(jìn)行識別和提取坐標(biāo)信息后，可以通過空間幾何原理和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換獲得待測點(diǎn)相對于LED燈的位置信息。我們假設(shè)，地理坐標(biāo)系為(u, v, w)，攝像頭坐標(biāo)系為(x, y, z)。而前面通過可見光通信模塊，我們已經(jīng)獲得了LED燈的絕對位置坐標(biāo)(uL, vL, wL)。我們可以設(shè)待測點(diǎn)的絕對位置坐標(biāo)為(0, 0, 0)，這也是攝像頭中心的位置坐標(biāo)（圖3）。

圖3 室內(nèi)定位坐標(biāo)圖

同理，在攝像頭坐標(biāo)系(x, y, z)中，我們設(shè)LED的坐標(biāo)為(uL, vL, wL)。通過采集到的圖像信息，利用圖像處理算法，我們可以提取出圖像上LED燈的中心，得到LED像的坐標(biāo)為(xl, yl, zl)。通過相似三角形的簡單推導(dǎo)，我們可以得到如下關(guān)系式：

在公式中，是攝像頭的焦距，公式整理如下：

當(dāng)我們已知zL和 f，并通過識別圖像可得到坐標(biāo)(xl, yl, zl)。我們可以得到LED燈在坐標(biāo)系(x, y, z)中的坐標(biāo)(xL, yL, zL)，并很容易求得，即為在二維平面上，LED燈相對于攝像頭中心（即在坐標(biāo)系(x, y, z)中的坐標(biāo)為(0, 0, 0)）的相對位置信息。反之，即為待測點(diǎn)相對于LED燈的相對位置信息，其中坐標(biāo)(xL, yL, zL)僅為在攝像頭坐標(biāo)系下成立，而在所有坐標(biāo)系中都成立。

2.利用電子羅盤校正絕對方位

根據(jù)原理，我們還需要獲取參考位置LED燈相對于待測點(diǎn)的絕對方位信息，該信息是通過電子羅盤模塊的引入完成的。從原理上來看，因?yàn)長ED燈相對于待測點(diǎn)的相對位置坐標(biāo)(xL, yL, zL)是在攝像頭坐標(biāo)系(x, y, z)下成立的，為了轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)系(u, v, w)，需要一個(gè)絕對方位信息，將相對位置坐標(biāo)(xL, yL, zL)轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)下。如圖4所示。

圖4 電子羅盤坐標(biāo)圖

其中，為x軸與方位北的夾角，即將坐標(biāo)系(x, y, z)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角度，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，可以得到如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式⑦：

所以由已知的(xL, yL, zL)可以求得在地理坐標(biāo)系(u, v, w)下的相對位置坐標(biāo)。

3.利用傾角傳感器進(jìn)行傾角修正

前面設(shè)計(jì)的室內(nèi)精確定位系統(tǒng)要求接收端需要水平與地面，尤其是攝像頭，因?yàn)槿绻羞^大的傾角，圖像上的相對位置就會(huì)發(fā)生很大變化，會(huì)使得定位結(jié)果完全失真。但我們考慮實(shí)際應(yīng)用中，如果定位終端為手持設(shè)備，則無法保證完全的水平于地面，可能會(huì)有些許的傾角。為了更好的適用于實(shí)際需求，完善用戶體驗(yàn)，我們還可以引入傾角傳感器，利用傾角傳感器采集到傾角數(shù)據(jù)，對定位的結(jié)果進(jìn)行修正，消除因?yàn)閮A角造成的定位誤差。

傾角修正的基本原理是：我們設(shè)俯仰角為α，側(cè)傾角為β。我們可以視為將(x, y, z)坐標(biāo)系先繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度，再繞y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角度，將兩者的旋轉(zhuǎn)矩陣相乘可以得到傾角補(bǔ)償矩陣Rg⑧：

將我們之前得到的(xL, yL, zL)坐標(biāo)與Rg矩陣相乘，就可以得到修正后的坐標(biāo)，之后的定位算法不變，則可以實(shí)現(xiàn)對定位的結(jié)果進(jìn)行傾角補(bǔ)償。

圖5 在不同信噪比下沿確定運(yùn)行軌跡的定位計(jì)算

以上內(nèi)容從理論上闡述了本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)的基本原理以及推導(dǎo)了具體的定位所需算法。利用可見光通信技術(shù)可以獲取參考位置信息，即為參考位置LED燈的絕對位置(uL, vL, wL)，接著是通過攝像頭模塊獲取參考位置LED與待測點(diǎn)的距離信息和通過電子羅盤模塊獲取參考位置LED與待測點(diǎn)的相對方位信息。當(dāng)有了二者的距離信息和相對方位信息，就可以獲取參考位置相對于待測點(diǎn)的相對位置坐標(biāo)。結(jié)合參考位置的絕對位置坐標(biāo)和相對于參考位置的相對位置坐標(biāo)，我們就可以很容易的實(shí)現(xiàn)待測點(diǎn)的絕對位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了完整的高精度精確室內(nèi)定位功能。

最后，考慮到實(shí)際應(yīng)用中的傾斜問題，攝像頭的傾斜對定位結(jié)果有很大的影響，所以對定位結(jié)果做傾角補(bǔ)償是必不可少的。本章也闡述了傾角補(bǔ)償?shù)幕驹?，提出了修正矩陣，在定位算法中引入該修正矩陣就可以?shí)現(xiàn)傾角補(bǔ)償功能。

四、仿真與驗(yàn)證

信息。假設(shè)攝像頭在空間中運(yùn)動(dòng)的曲線方程已知，也就是說我們通過幾何關(guān)系可以知道運(yùn)動(dòng)曲線上每個(gè)點(diǎn)的絕對位置信息，在仿真中設(shè)定不同的信噪比，仿真不同信噪比情況下通過算法計(jì)算得到的測量點(diǎn)的位置信息與實(shí)際位置點(diǎn)之間的誤差，其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在地信噪比時(shí)，計(jì)算點(diǎn)與實(shí)際預(yù)設(shè)點(diǎn)位置之間的誤差較大，測量點(diǎn)離散分布在螺旋線周圍，而隨著信噪比的升高，通過協(xié)同定位的方法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出測量點(diǎn)的位置信息，與真實(shí)坐標(biāo)相差不大，也就是在圖中表示的測量點(diǎn)計(jì)算得到的坐標(biāo)基本接近于螺旋線在空間中的真實(shí)軌跡。需要注意的是，真實(shí)實(shí)驗(yàn)中攝像頭、電子羅盤和傾角傳感器三者需要保證相對位置絕對不變，協(xié)同工作，才能保證定位結(jié)果的精確性和可靠性。假設(shè)有N個(gè)定位參考點(diǎn)，其位置矢量的坐標(biāo)為根據(jù)參考點(diǎn)的位置，通過定位算法可以得到相應(yīng)的N個(gè)計(jì)算點(diǎn)，其位置矢量的坐標(biāo)為，計(jì)算點(diǎn)和參考點(diǎn)之間求歐氏距離，可以得到全空間定位時(shí)的最小均方誤差（RMSE），其計(jì)算公式如下：

1.定位誤差分析

在LED可見光協(xié)同定位的過程中，傾角傳感器必須保證攝像頭與電子羅盤處于同一平面上，并且在移動(dòng)過程中，電子羅盤相對攝像頭不能有傾斜或者偏移，否則，角度的傾斜或者偏移會(huì)大大影響定位結(jié)果的精確性。因此，在仿真實(shí)驗(yàn)中，我們首先假設(shè)傾角傳感器和電子羅盤都有絕對的精度，定位過程中可以給攝像頭坐標(biāo)提供可靠的傾斜角和偏轉(zhuǎn)角參考。

當(dāng)已知通過攝像頭獲取到的參考LED與待測點(diǎn)的距離信息，并且知道通過電子羅盤獲取到的參考LED與待測點(diǎn)的相對方位信息，之后通過傾角傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。在仿真中我們假設(shè)攝像頭沿螺旋形上升，在上升過程中通過接收LED傳來的自身方位信息，并且利用文中的定位和校正算法不斷計(jì)算自身的位置

圖6 定位誤差仿真計(jì)算

從仿真實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，在信噪比較好的情況下，定位算法的精度上可以滿足室內(nèi)定位的基本需求，誤差在厘米級別。從結(jié)果我們可以看出，當(dāng)距離LED燈中心距離小于1m時(shí)，其誤差在1cm以內(nèi)。但當(dāng)距離大于1m時(shí)，誤差會(huì)逐漸變大。綜合整體的誤差表現(xiàn)來看，在1m內(nèi)的定位誤差基本不超過1cm，完全符合室內(nèi)的定位需求。

2.算法局限性改進(jìn)方法

室內(nèi)精確定位系統(tǒng)可能存在以下幾個(gè)問題，針對具體問題本文也給出了相應(yīng)的解決方案。

（1）攝像頭圖像問題

由于攝像頭采集的圖像問題，可能會(huì)導(dǎo)致LED中心提取不準(zhǔn)，圖像中LED燈由于鏡頭和燈光的問題，容易產(chǎn)生花生班和大光暈的現(xiàn)象。究其原因，一方面是燈光前的燈罩導(dǎo)致了光的衍射和折射現(xiàn)象導(dǎo)致的，另一方面也可能是LED光太強(qiáng)，導(dǎo)致攝像頭對光過飽和導(dǎo)致的。

對于這個(gè)問題，可以采取在攝像頭上加上減光片，減少燈光射入攝像頭的亮度，也可以減弱因?yàn)檠苌浠蚍瓷溥M(jìn)入攝像頭的噪聲光斑。從而大大改善了圖像采集LED圖像的質(zhì)量，提高了定位結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性。

（2）多燈定位時(shí)的問題

考慮到實(shí)際應(yīng)用的場景，將該系統(tǒng)還可以推廣到多燈定位的情況，實(shí)現(xiàn)兩燈之間的定位網(wǎng)絡(luò)的完美銜接。我們考慮當(dāng)該系統(tǒng)需要運(yùn)用于部分實(shí)際場合，要求全方位全范圍的精確定位，不能有定位盲區(qū)。這就要求該算法在多燈之間切換時(shí)能做到完美銜接。但目前本文中并沒有考慮同時(shí)接收多個(gè)燈發(fā)來的信息，所以我們需要設(shè)計(jì)新的算法，使得不丟失中心LED坐標(biāo)的情況下直至成功接收到新的LED坐標(biāo)。設(shè)計(jì)的解決方案需要讓攝像頭的視角足夠廣，可以同時(shí)容納至少兩個(gè)燈的圖像，再通過圖像跟蹤算法和自適應(yīng)算法，跟蹤識別先前舊的LED燈作為中心LED。直至接收到新的LED發(fā)來的坐標(biāo)信息，再將中心LED燈坐標(biāo)更新，同時(shí)攝像頭默認(rèn)新的LED燈為中心LED燈。這樣就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)燈之間的完美銜接，做到無盲區(qū)的定位功能，這也是基于本文出發(fā)未來的研究方向。

五、結(jié)論

在本文當(dāng)中，我們提出了利用LED陣列和圖像傳感器進(jìn)行室內(nèi)定位的算法。白LED被用作光發(fā)送端，并且至少有三個(gè)空間上相互隔開的不共線的LED燈發(fā)出已知的位置信息。處于待測位置的圖像傳感器接收并解調(diào)通過鏡片的光信號。然后運(yùn)用幾何關(guān)系計(jì)算出未知的位置。本文還對算法中的數(shù)學(xué)關(guān)系式進(jìn)行深入的探討。還分析解釋了一系列的仿真結(jié)果來理解和展示不同的系統(tǒng)參數(shù)對定位精度上的影響。仿真結(jié)果顯示，通過使用這個(gè)算法，定位精度可以減小至幾厘米范圍以內(nèi)。該技術(shù)還因?yàn)椴恍枰M(jìn)行角度測量從而使得設(shè)備更加簡單。但目前該技術(shù)仍然處于起步階段，許多技術(shù)細(xì)節(jié)并不成熟，所以并未得到很好的應(yīng)用和推廣。這也意味著室內(nèi)可見光定位技術(shù)仍然具有很大的改進(jìn)和發(fā)展空間。

引文

①李志鵬.室內(nèi)協(xié)同定位技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].北京郵電大學(xué),2017.

②李立新,李建法.開放空間長陣列紅外線掃描定位系統(tǒng)的研究[J].工礦自動(dòng)化,2009,35(06):71-74.

③肖金紅,劉智,楊陽,劉丹.基于CDMA-TDOA的室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2012,30(02):213-217.

④黃華晉,秦建息.基于三角定位算法的WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣西科學(xué)院學(xué)報(bào),2016,32(01):59-61.

⑤陳特,劉璐,胡薇薇.可見光通信的研究[J].中興通訊技術(shù),2013,19(01):49-52.

⑥川端優(yōu),中野貴司,夏秋和弘,瀧本貴博,山崎信夫,本田大輔,玉井幸夫.圖像處理方法和圖像處理裝置[P].日本:CN107341771A,2017-11-10.

⑦葛海浪,佘勃,陶遷.基于MEMS傳感器的高精度電子羅盤研究[J].機(jī)電工程,2016,33(03):276-279.

⑧張小平,趙文耀.一種運(yùn)用傾角傳感器的陣形修正算法[J].聲學(xué)技術(shù),2011,30(04):321-324.