基于LED可見光技術(shù)的室內(nèi)車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱瑞晨 曹宇彤 索朝舉 劉洋洋 劉偉偉

摘要：針對(duì)車庫(kù)環(huán)境下的車輛定位困難問題，提出基于LED可見光技術(shù)的室內(nèi)車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)包括LED光源硬件電路設(shè)計(jì)和安卓平臺(tái)開發(fā)手機(jī)APP開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光源的圖像信息采集處理和位置信息計(jì)算，結(jié)合對(duì)應(yīng)的車庫(kù)地圖信息達(dá)到了用戶的實(shí)時(shí)定位及尋車路徑的準(zhǔn)確計(jì)算，該系統(tǒng)為停車場(chǎng)反向?qū)ぼ囂峁┮环N很好的解決方案。

關(guān)鍵詞：可見光;車庫(kù);定位;反向?qū)ぼ?/p>

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）22-0228-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

時(shí)代飛速發(fā)展，如何實(shí)時(shí)獲取自己的位置信息成為一個(gè)熱點(diǎn)問題[1]。在室外GPS技術(shù)很好地解決了這一問題，但在室內(nèi)由于建筑結(jié)構(gòu)度阻擋，多種無線設(shè)備出現(xiàn)信號(hào)干擾和衰落效應(yīng)，導(dǎo)致定位效果較差。為了解決這一問題，學(xué)者提出了各種室內(nèi)定位方案?；谛盘?hào)強(qiáng)度的WiFi定位方法具有便攜方便性，但定位精度不甚理想[2];EPE，MOLE系統(tǒng)精度可以達(dá)到要求，但是算法極其復(fù)雜難以達(dá)到實(shí)時(shí)定位[3];Zigbee和藍(lán)牙技術(shù)功耗低，但定位精度取決于信道物理品質(zhì)、信號(hào)源密度、環(huán)境和算法的準(zhǔn)確性等，具有較高的軟件成本 [4];射頻識(shí)別技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，但其抗干擾能力較差[5];超寬帶定位技術(shù)安全性強(qiáng)并且定位精度高，但其整套系統(tǒng)造價(jià)昂貴，不適合大規(guī)模落地推廣[6]。

本文提出基于LED可見光技術(shù)的室內(nèi)定位方案，可見光技術(shù)具有價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[7]，特別適合在濕度大、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差的場(chǎng)景應(yīng)用，如車庫(kù)，礦井，人防工程建筑等，這些區(qū)域不適合引入有著大規(guī)模電磁電氣元件的無線定位系統(tǒng)[8]。本文將以車庫(kù)這一場(chǎng)景為例，設(shè)計(jì)基于可見光技術(shù)的室內(nèi)車輛定位系統(tǒng)，該方案兼顧定位與照明，具有復(fù)雜度低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，車輛位置信息在智能手機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)為停車場(chǎng)反向?qū)ぼ囂峁┮环N很好的解決方案。

1 室內(nèi)車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LED可見光技術(shù)的室內(nèi)車輛定位方案包括光源硬件電路設(shè)計(jì)和智能手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)，后者包括LED光源識(shí)別子系統(tǒng)和室內(nèi)尋車子系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1光源硬件電路設(shè)計(jì)

光源硬件電路部分由LED光源控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)光模塊組成，使其同時(shí)滿足被識(shí)別和照明的需求?？刂颇K是通過MCU將其輸出不同頻率或占空比的方波信號(hào)送到LED驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電流使能信號(hào)端，從而使得LED驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)不同頻率或占空比的輸出電流導(dǎo)通，采用STC89C52單片機(jī)，通過STC89C52的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)其P10、P11、P12、P13四個(gè)IO口以不同頻率的方波輸出，P10、P11、P12、P13四個(gè)IO口分別與四個(gè)LED驅(qū)動(dòng)模塊輸出電流使能端相連，驅(qū)動(dòng)模塊采用DD311單通道大功率LED恒流源驅(qū)動(dòng)器，其輸入?yún)⒖茧娏鞫送ㄟ^兩個(gè)3.9KΩ串聯(lián)接到24V直流電源，近似得到300mA的參考電流，LED光源模塊采用24V直流LED光源，連接到LED驅(qū)動(dòng)模塊。

1.2智能手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 LED光源識(shí)別子系統(tǒng)

對(duì)于LED光源的識(shí)別是通過調(diào)整各燈的頻率，使其按照不同的頻率閃爍。再使用裝有CMOS圖像傳感器的智能手機(jī)對(duì)準(zhǔn)光源拍攝獲取圖像，即可得到明暗柵格圖像，如圖2所示。將明暗柵格圖像對(duì)應(yīng)的LED光源進(jìn)行編碼，通過識(shí)別該圖像即得到對(duì)應(yīng)的LED光源號(hào)碼，對(duì)照光源安裝位置表，即得到LED光源所在位置。

具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）根據(jù)手機(jī)攝像頭拍攝相應(yīng)的LED燈，進(jìn)行圖像處理計(jì)算出條紋寬度。

圖像處理算法的基本步驟為首先讀取圖像進(jìn)行預(yù)處理（灰度處理，模糊去噪，二值化等），再?gòu)恼掌薪厝∧繕?biāo)區(qū)域，最后提取條紋寬度，具體流程圖如圖3所示。

（2）獲取LED光源的明暗柵格圖像后，根據(jù)明暗條紋寬度確定光源的閃爍頻率。

如公式（1）所示，h已知，T根據(jù)拍攝的相機(jī)確定，通過圖像處理程序解析出明暗條紋的寬度W，即可算出該光源的閃爍頻率F。實(shí)驗(yàn)研究表明為避免圖像信號(hào)產(chǎn)生混疊，不能拍攝到清晰的明暗條紋，光源閃爍的一個(gè)周期的時(shí)間應(yīng)大于2倍的卷簾快門周期。

[F=hWT] （1）

式中，[F]表示光源閃爍的頻率，[T]表示圖像傳感器掃描一行像素的時(shí)間（為卷簾式快門的周期），[W]為在一個(gè)周期內(nèi)形成的明暗條紋寬度和，[h]為單個(gè)像素的高度值，默認(rèn)為1。

（3）將識(shí)別出的頻率通過預(yù)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)查找對(duì)應(yīng)的LED燈，同時(shí)獲取將該燈的坐標(biāo)信息，將該盞燈的位置信息在地圖上標(biāo)出，建立了地理位置與圖像的映射。

1.2.2室內(nèi)尋車子系統(tǒng)

當(dāng)用戶將要取車時(shí)，拍攝靠近自己的一盞燈，即可獲得該燈的位置信息，尋車軟件便會(huì)規(guī)劃出一條導(dǎo)航路線，再調(diào)用手機(jī)內(nèi)的慣性導(dǎo)航元件，磁力感應(yīng)器判斷運(yùn)動(dòng)初始方向，利用陀螺儀去判斷移動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)方向，利用重力感應(yīng)器去判斷人員行走的步伐，根據(jù)人們走路的平均步長(zhǎng)，即可計(jì)算出人行走的方向與速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航。

位置實(shí)時(shí)計(jì)算模塊：采用安卓App實(shí)現(xiàn)圖像的獲取與處理，根據(jù)手機(jī)端拍攝的LED光源圖像實(shí)時(shí)計(jì)算用戶所在位置。

車庫(kù)地圖顯示模塊：在用戶安裝App時(shí)加載所在車庫(kù)的地圖信息，并在手機(jī)端顯示。

尋車路徑計(jì)算模塊：采用安卓App實(shí)現(xiàn)車輛定位與實(shí)時(shí)導(dǎo)航的功能，App同步調(diào)用安卓程序接口，在手機(jī)屏幕上繪制運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)手機(jī)持有者直線行走時(shí)，由于身體重心的改變，加速度傳感器的Z軸將會(huì)出現(xiàn)峰值，出現(xiàn)峰值，箭頭便在地圖上移動(dòng)一段距離，移動(dòng)距離的長(zhǎng)度與初始行走時(shí)輸入的步長(zhǎng)形成一個(gè)固定比例，后續(xù)每次峰值出現(xiàn)，就按照該比例移動(dòng)一段距離，以每次峰值出現(xiàn)到下一次峰值出現(xiàn)為一個(gè)時(shí)間戳，重復(fù)繪制線段。當(dāng)用戶開始轉(zhuǎn)向時(shí)，方向傳感器便能讀取到X軸有較大變化，當(dāng)方向傳感器的X軸穩(wěn)定到一定程度不再出現(xiàn)較大變化時(shí)，轉(zhuǎn)向結(jié)束，應(yīng)當(dāng)立即讀取方向傳感器的角度值，并在屏幕上根據(jù)方向傳感器返回的角度箭頭立即朝新的方向轉(zhuǎn)向，運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)屏幕上即可顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。