室內(nèi)可見光定位的幾種技術(shù)對比

陳至琪

（中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州310000）

1 可見光通信定位技術(shù)簡介

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可見光（VLC）室內(nèi)定位越來越成為諸如GPS、無線基站定位技術(shù)的延伸和有效補(bǔ)充。在不影響室內(nèi)照明的前提下，該技術(shù)可以通過對LED 照明光源進(jìn)行信號調(diào)制，利用可見光提供高精度、快捷、穩(wěn)定的定位服務(wù)。本文討論的幾種可見光定位技術(shù)，都有著硬件成本低、LED 光源布設(shè)簡單、定位精度高的特點(diǎn)，都具有較好的可行性?？梢姽舛ㄎ桓鶕?jù)所用接收器件的不同，可分為光電探測器件（PD）和圖像傳感器（IS）。根據(jù)具體定位技術(shù)不同可分為RSS、TDOA、信號到達(dá)時間（TOA）、到達(dá)角度（AOA）以及基于圖像傳感器成像的定位技術(shù)。本文首先介紹的是RSS 定位技術(shù)，它利用了可見光在傳輸過程中自然衰減的朗伯模型，測算出接收器和LED 光源的距離，并利用噪聲分析、最小二乘法、質(zhì)心加權(quán)算法、接受強(qiáng)度比等算法來提高測量精度。第二種是基于圖像傳感器成像的定位方法，通過LED 光源透過透鏡在感光面上成像的位置來測算出節(jié)點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中的位置。使用點(diǎn)光源和提高圖像傳感器的分辨率可以有效提高該方法的定位精度。最后一種是通過RSS/TDOA 混合定位方法來辨識NLOS 狀態(tài)，并通過粒子濾波算法來定位未知移動節(jié)點(diǎn)。通過介紹幾種低成本的可見光定位技術(shù)，本文將通過援引一些仿真和模擬實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果，來對比它們在定位精確度和可行性方面的表現(xiàn)。希望可以為將來可見光定位的實(shí)際應(yīng)用提供真正適宜的技術(shù)方案。

2 幾種VLC 定位方法

2.1 基于RSS 信號強(qiáng)度的VLC 定位

RSS 定位方法目前主要可分為兩種，一種是基于信號強(qiáng)度衰減測算的定位方法，還有一種是基于RSS 指紋庫匹配的定位技術(shù)?；赗SS 指紋庫的定位主要是通過布設(shè)LED 光源后，建立每個位置的接收強(qiáng)度指紋數(shù)據(jù)庫。簡單易行，但是該方法定位精度低抗干擾能力弱，而且需要針對具體環(huán)境建立指紋庫?；谛盘枏?qiáng)度衰減的定位方法主要依據(jù)朗伯模型，光鏈路的信道增益可以用下式表示

與相關(guān)函數(shù)檢測法和小波降噪相比，這里要介紹的Allan 方差法是一種表示均方根隨機(jī)漂移誤差和平均時間關(guān)系的方法，通過直接觀測出系統(tǒng)中的所有噪聲來實(shí)現(xiàn)更好的降噪效果。在這里的降噪方法中并不需要觀測所有的噪聲，因?yàn)橄嚓P(guān)的研究指出影響可見光系統(tǒng)的噪聲最主要是PD 中的散粒噪聲。對Allan 方差法的原理做一個簡述：先通過采集一段時間的信號數(shù)據(jù)（測量較長時間可以有效降低誤差），然后利用FFT 變換將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號并提取幾個信號源的信號，再對每組信號采用Allan 方差法畫出Allan 方差曲線并使用.

2.2 基于圖像傳感器成像的VLC 定位方法

像頭獲取的圖像不是可直接用來測算定位的，所以需要做濾波等圖像處理操作。首先是形態(tài)學(xué)濾波，包括了膨脹、腐蝕、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等。這里通過對圖像進(jìn)行閉運(yùn)算處理，得到了具有完整圓形的光源輪廓。然后把圖像從背景圖中分割出來，再提取圖像特征并獲取LED 光源的中心部分進(jìn)行運(yùn)算。

2.3 TDOA/RSS 混合定位算法

介紹了視距的估測之后，下面用粒子濾波算法來估計(jì)移動節(jié)點(diǎn)位置。具體算法如下，a.開始時初始化必要參數(shù)，設(shè)置粒子初始權(quán)值;b.進(jìn)行LOS 狀態(tài)辨識;c.通過運(yùn)動方程來預(yù)測粒子位置;d.計(jì)算粒子觀測似然并更新粒子權(quán)值;e.測算未知移動節(jié)點(diǎn)的位置。

3 方法對比及定位精度

前文提到的幾種定位法相比，基于圖像傳感器法定位精度最高，它受到光在傳輸過程中的干擾以及傳感器噪聲的影響最小。在相關(guān)研究中，xyz 坐標(biāo)的平均誤差都在3cm 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了很好的定位效果。相比圖像傳感器法，RSS 定位法的布設(shè)沒有那么簡易，精度也不高?；谥讣y采集的RSS 定位法前期的布設(shè)和采集過程更是繁瑣，本文介紹了基于朗伯模型衰減測距的RSS 的定位精度還是較低，通過Allan 方差法以及小波降噪等手段有效提高了其精度。TDOA 定位法精度更好且對于時間同步要求低于TOA 定位，于是相關(guān)研究提出了基于TDOA 和RSS 的可行區(qū)域粒子濾波算法（TRFPF）。通過模擬仿真實(shí)驗(yàn)可以看出TRFPF 算法比起最小二乘法以及僅采用RSS 測距模型極大地提高了定位精度，比起最小二乘法平均提高了95.3%的定位精度[3]。

4 建議

可見光定位作為傳統(tǒng)定位方法的延伸和補(bǔ)充，可以有效解決其他定位方法在室內(nèi)定位時精度不足、占用和干擾現(xiàn)有的電磁波段等缺點(diǎn)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，建議優(yōu)先使用圖像傳感器法，其精度高、布設(shè)簡易、抗干擾能力強(qiáng)。而TDOA 和RSS 衰減模型測距法也不失為一種可以有效利用室內(nèi)LED 光源進(jìn)行高精度定位的手段。TRFPF 算法是TDOA 和RSS 兩種定位方案結(jié)合，可以在不提高硬件復(fù)雜度的前提下降低干擾提高精度，是VLC 定位的一種研究發(fā)展方向。將來的可見光定位的普及應(yīng)用一定是伴隨著大數(shù)據(jù)采集分析，以及公共場所（如商場、超市）對于室內(nèi)定位的需求。傳統(tǒng)的定位手段只有米級的精度，而采用了圖像傳感器定位法或RSS/TDOA 定位法的精度都可以達(dá)到厘米級的精度，極大程度上滿足了人們對室內(nèi)定位的期望和實(shí)際應(yīng)用的需求。同時本文所介紹VLC 定位方法的實(shí)現(xiàn)可以利用室內(nèi)的現(xiàn)有的LED 光源，再結(jié)合手機(jī)攝像頭或者其他價格低廉的傳感器就可以提供便利的定位服務(wù)。