一種利用柵格光源特征編碼的室內(nèi)定位技術(shù)

張 拓，牛小驥，夏朋飛，王智英，陳 昊，黃 亮

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院, 武漢 430079；2.武漢大學(xué) GNSS技術(shù)研究中心, 武漢 430072；3.中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)研究所, 北京 100028)

0 引言

隨著城市的現(xiàn)代化發(fā)展，集居住、商業(yè)、辦公、酒店、休閑等功能于一體的高層城市建筑綜合體必然大量涌現(xiàn)[1]，人們?cè)絹?lái)越多的時(shí)間將是在這些城市建筑綜合體內(nèi)部度過(guò)的。因此，在圖書(shū)館[2]、酒店、商場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境下[3]對(duì)定位服務(wù)的需求必將日趨強(qiáng)烈。傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在室外空曠環(huán)境下可以達(dá)到較高的定位精度[4]，但是，在室內(nèi)或者城市峽谷環(huán)境下，由于建筑物的遮擋效應(yīng)，衛(wèi)星信號(hào)弱，定位精度大大降低甚至無(wú)法定位。為了解決室內(nèi)精確定位的問(wèn)題，目前急需一種或多種高效、便捷、準(zhǔn)確的定位技術(shù)來(lái)填補(bǔ)空白，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的精確定位。

目前，主要的室內(nèi)定位算法分為以下四種：1)臨近信息法：通過(guò)某種信號(hào)檢測(cè)待匹配點(diǎn)是否在某個(gè)參考點(diǎn)附近；2)場(chǎng)景匹配法：將待匹配點(diǎn)的可測(cè)量特征向量與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征向量進(jìn)行比對(duì)，從而匹配待測(cè)點(diǎn)位置；3)幾何定位法：根據(jù)待測(cè)點(diǎn)處接收到的參考點(diǎn)發(fā)出信號(hào)的到達(dá)角(Angle of Arrival，AOA)、到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)和到達(dá)信號(hào)強(qiáng)度(Strength of Arrival，SOA)等，利用幾何原理，解算待測(cè)點(diǎn)位置；4)航跡推算法：依據(jù)初始位置和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性傳感器輸出，對(duì)被定位對(duì)象的行為進(jìn)行估算[5-6]。根據(jù)這些算法，衍生出了多種定位技術(shù)，如基站定位、WiFi定位[7]、無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)定位[8]、超寬帶(Ultra Wideband, UWB)無(wú)線電定位[9]、藍(lán)牙(Bluetooth)定位和ZigBee定位[10]等室內(nèi)定位技術(shù)[11-13]。然而，目前在這些定位技術(shù)中，基站定位和WiFi定位的定位精度不足，RFID定位和藍(lán)牙定位的信號(hào)覆蓋距離短，UWB定位的成本高，ZigBee定位易受環(huán)境干擾，因而這些室內(nèi)定位方法無(wú)法滿足室內(nèi)位置服務(wù)(Location Based Services，LBS)的要求[5,6,14]。

近年來(lái)，隨著高亮度白光發(fā)光二極管(Light-Em-itting Diode，LED)的飛速發(fā)展，可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication，VLC)作為一種新興的無(wú)線通信方式，在許多方面得到了廣泛應(yīng)用，基于VLC的室內(nèi)定位技術(shù)也成為了研究熱點(diǎn)。目前的研究中，可見(jiàn)光定位算法可分為三類[15]：1)三角測(cè)量法：通過(guò)對(duì)距離或者角度的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，包括測(cè)量AOA、TOA、到達(dá)時(shí)間差(Time Diff-erence of Arrival，TDOA)[16]和接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength，RSS)[17]；2)場(chǎng)景分析法：將接收到的光強(qiáng)信息與已知光強(qiáng)分布進(jìn)行匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)定位；3)ID法：控制終端將位置信息通過(guò)編碼調(diào)制加載到LED燈具上, 使每個(gè)LED燈具攜帶各自獨(dú)有的位置信息，LED將信息以光信號(hào)的形式發(fā)射出去，在接收端接收后，通過(guò)對(duì)光信號(hào)的識(shí)別判斷接收的ID信息來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。有關(guān)文獻(xiàn)[18-19]對(duì)基于ID法的室內(nèi)定位技術(shù)做了研究。本文在此基礎(chǔ)上嘗試了一種利用柵格光源特征編碼的室內(nèi)定位方案，使用一套更加簡(jiǎn)潔高效的柵格光源特征編碼方式，利用普通投影儀作為可控的閃爍光源，發(fā)出包含了位置特征編碼的閃爍光，在手機(jī)用戶端接收閃爍光，識(shí)別其中的特征編碼，即可確定用戶位置。定位算法簡(jiǎn)單，快捷準(zhǔn)確，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了其精度和可靠性。

1 光源特征編碼定位原理

自從LED面世后，隨著光效的逐步提高,其應(yīng)用從顯示領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到照明領(lǐng)域，并且發(fā)展迅速。LED采用電場(chǎng)發(fā)光和低電壓供電，具有壽命長(zhǎng)、光效好、穩(wěn)定性高、安全性好、無(wú)輻射、低功耗、可靠耐用等一系列優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，LED又具備響應(yīng)時(shí)間短、可高速調(diào)制的特性，因此使得LED從照明領(lǐng)域拓展到了通信領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)照明和通信的雙重功能[20]。通過(guò)在公共基礎(chǔ)照明設(shè)施上增加數(shù)據(jù)傳輸功能，可構(gòu)建室內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)[21]，將信息從燈具發(fā)送到客戶端。各種建筑物內(nèi)部均有可見(jiàn)光光源，可為室內(nèi)用戶隨時(shí)隨地提供便捷的數(shù)據(jù)服務(wù)[22]。

相比于運(yùn)用WiFi、Zigbee、RFID、UWB、藍(lán)牙和蜂窩網(wǎng)絡(luò)等各種類型基站的常規(guī)室內(nèi)定位技術(shù)，基于可見(jiàn)光通信的室內(nèi)定位技術(shù)具有以下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：

1)可見(jiàn)光頻帶資源極為豐富，而射頻信號(hào)的頻段還需要申請(qǐng)。

2)射頻信號(hào)極易受到環(huán)境內(nèi)其他信源的影響，使其定位精度降低，同時(shí)，這些信號(hào)在傳播過(guò)程中還存在非視距傳播和多徑效應(yīng)會(huì)對(duì)其精度產(chǎn)生影響。對(duì)于可見(jiàn)光信號(hào)，有關(guān)文獻(xiàn)[23]研究結(jié)果表明，一般室內(nèi)LED照明光反射耗損較大，因此，室內(nèi)反射光的影響在一定的室內(nèi)環(huán)境條件下可忽略不計(jì)。因此，本文僅考慮光直線傳播(Line of Sight，LOS)的情況。

3)基于LED可見(jiàn)光通信的室內(nèi)定位采用LED光源，兼顧照明與定位。在室內(nèi)場(chǎng)合推廣使用，成本很低。

為了實(shí)現(xiàn)利用光信號(hào)進(jìn)行室內(nèi)定位的目的，必須使得光信號(hào)獲得攜帶信息的能力。利用LED燈具可以高頻閃爍的特性，可以控制LED光源以較高的頻率進(jìn)行明暗間歇閃爍，這樣的閃爍頻率極高，因而人的肉眼無(wú)法識(shí)別，但是可被光傳感器識(shí)別。將光源的明狀態(tài)編做“1”，暗狀態(tài)編做“0”，則光源連續(xù)的明暗閃爍即對(duì)應(yīng)在時(shí)間維度上的一串“0”和“1”的序列，即可用該序列來(lái)傳遞信息，如圖1所示。

圖1 利用光源明暗閃爍來(lái)編碼信息Fig.1 Use light source blinking to encode information

本文介紹的利用柵格光源特征編碼的室內(nèi)定位技術(shù)是將一個(gè)LED燈具發(fā)光區(qū)分成若干個(gè)柵格區(qū)域進(jìn)行控制，使得燈具照射到的區(qū)域也形成若干個(gè)規(guī)則的柵格，對(duì)每一個(gè)柵格給予一個(gè)唯一的身份特征編碼。通過(guò)控制燈具發(fā)光區(qū)的不同柵格區(qū)域光源按照不同的編碼方式發(fā)射閃爍光信號(hào)，使得在照射區(qū)的每個(gè)柵格內(nèi)受到的信號(hào)光都攜帶了本柵格的特征編碼，用戶端處在不同的柵格內(nèi)就會(huì)接收到不同的閃爍特征編碼，如圖2所示。

圖2 光源向每個(gè)柵格區(qū)域發(fā)送其身份特征編碼Fig.2 The light source sends its identity code to each raster

在實(shí)際應(yīng)用中，光源的控制依靠LED燈前的電控透光玻璃[24]燈罩。LED燈前的燈罩由柵格電控透光玻璃組成，保持LED燈亮，利用電控系統(tǒng)控制每一塊柵格的透光玻璃，按照柵格光源編碼規(guī)律改變其透光性，由此形成柵格光源的明暗閃爍。

在用戶端，使用光傳感器獲取光信號(hào)。市售智能手機(jī)自身攜帶多種傳感器[25]，基于智能手機(jī)的用戶端可以借助其自身的光敏感器或者內(nèi)置攝像頭來(lái)獲取攜帶有特征編碼的閃爍光信號(hào)，并提取出其中的特征編碼，便可確定用戶在某一個(gè)光源照射區(qū)內(nèi)所處的柵格位置；同時(shí)利用預(yù)裝數(shù)據(jù)庫(kù)或借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信獲取所有光源的位置及柵格劃分情況，便可實(shí)現(xiàn)用戶終端的高精度室內(nèi)定位。

2 編碼規(guī)則

利用柵格特征光源編碼的室內(nèi)定位基本過(guò)程是，先將發(fā)光區(qū)分柵格進(jìn)行控制，每個(gè)柵格按照其柵格特征編碼進(jìn)行閃爍，發(fā)出包含柵格特征編碼的閃爍信號(hào)光；然后用戶端接收閃爍信號(hào)光并從中提取出特征編碼，結(jié)合光源編碼的數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)而確定用戶位置。在這一過(guò)程中，柵格特征編碼是用戶準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵，如何設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔且不易產(chǎn)生誤讀的編碼就成為了該定位方案的重中之重。

本文采用的柵格編碼按照如下規(guī)則設(shè)計(jì)：完整的特征編碼由起始碼、信號(hào)源碼和柵格坐標(biāo)碼組成，如圖3所示。起始碼位于特征編碼的首位置，依靠其特殊的編碼序列，用于從一串循環(huán)的特征編碼序列中找到特征編碼的起始位置，從而實(shí)現(xiàn)同步，避免誤讀；信號(hào)源碼標(biāo)識(shí)了用戶所處的光源照射區(qū)，區(qū)分了用戶所處的大區(qū)域；柵格坐標(biāo)碼標(biāo)識(shí)了用戶處于該光源下的具體柵格位置，實(shí)現(xiàn)了在大區(qū)域中的進(jìn)一步精細(xì)定位。信號(hào)源碼與柵格坐標(biāo)碼均隱含了用戶的位置信息，因此被合稱為信息碼，用來(lái)標(biāo)識(shí)用戶位置。

圖3 光源特征編碼的結(jié)構(gòu)和功能Fig.3 Structure and function of light source feature coding

起始碼的編碼序列較為特殊，以包含n位信息碼的特征編碼為例，其起始碼設(shè)計(jì)位數(shù)也為n位，與信息碼位數(shù)相等。這n位起始碼的前半部分全為0(或1)，后半部分全為1(或0)，中間只存在1次0與1的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)可以在中間任意位置，例如00111111，11111110，11110000等。按照這種方式設(shè)計(jì)的起始碼形成了一段特殊的序列，該序列中只存在一次0和1的翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)前后0或1的位數(shù)固定。完整的特征編碼有2n位，由于受到長(zhǎng)度限制，特征編碼中不存在另一個(gè)滿足1)序列中只有1次翻轉(zhuǎn)；2)翻轉(zhuǎn)前后0或1的位數(shù)是固定值的n位序列(除非信息碼和起始碼序列相同，但是這種情況下并不會(huì)影響信息碼的正確讀取)。因此，起始碼可以有效地確定特征編碼的起始位置，不會(huì)造成因起始位置不對(duì)而造成的誤讀。

信息碼包含信號(hào)源碼和柵格坐標(biāo)碼。信號(hào)源碼的設(shè)計(jì)方式較為靈活，可以直接用二進(jìn)制碼對(duì)光源進(jìn)行編號(hào)，也可以像柵格坐標(biāo)碼那樣按照行列對(duì)光源進(jìn)行編號(hào)。柵格坐標(biāo)碼由行編碼和列編碼組合而成，而行(或列)編碼按照格雷碼的編碼方式，行(或列)號(hào)與其編碼對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表1所示。對(duì)應(yīng)于第7行第8列的柵格，其柵格坐標(biāo)碼為101100，其中101對(duì)應(yīng)第7行，100對(duì)應(yīng)第8列。由此規(guī)律可以得到全部的柵格坐標(biāo)碼(以8行8列為例)，如表2所示。

基于以上規(guī)律設(shè)計(jì)出的特征編碼具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)特征編碼與柵格位置對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單直接，不需要采用幾何計(jì)算的方式，定位方便快捷；

2)使用了起始碼的特殊序列，可以準(zhǔn)確地從一段任意位置開(kāi)始的特征編碼序列中找到起始位置，避免了誤讀；

3)柵格坐標(biāo)碼采用格雷碼的編碼方式，相鄰柵格的坐標(biāo)碼只有1個(gè)位數(shù)發(fā)生變化，編碼高度相似，因此當(dāng)用戶處于跨2個(gè)相鄰柵格區(qū)時(shí)，仍可將用戶位置的模糊度固定到這2個(gè)柵格區(qū)內(nèi)，保證了定位的連續(xù)性和穩(wěn)健性。

表1 行(或列)號(hào)與其編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 8×8柵格特征編碼的柵格坐標(biāo)碼

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文介紹的利用柵格光源特征編碼的室內(nèi)定位技術(shù)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室中以投影儀代替LED光源，使用計(jì)算機(jī)控制投影儀輸出閃爍信號(hào)光，模擬出在1個(gè)光源下的8×8柵格的定位區(qū)域。柵格特征編碼的起始碼設(shè)置為111000，由于僅存在1個(gè)光源，因此未設(shè)置信號(hào)源碼，柵格坐標(biāo)碼按照表2中的8×8柵格特征編碼的柵格坐標(biāo)碼設(shè)計(jì)，構(gòu)成總長(zhǎng)為12位的特征編碼。在用戶端，使用市售的華為榮耀8手機(jī)調(diào)用光敏傳感器接收光信號(hào)。

3.1 將光強(qiáng)值轉(zhuǎn)化為編碼

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行5min的光信號(hào)接收，其光強(qiáng)值分布如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，一段時(shí)間內(nèi)的采樣光強(qiáng)分布于高光強(qiáng)和低光強(qiáng)2個(gè)區(qū)域內(nèi)，分別對(duì)應(yīng)于光源的明和暗兩種狀態(tài)。但是由于環(huán)境的細(xì)微影響和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不穩(wěn)定，明暗兩種狀態(tài)下的光強(qiáng)值并不固定，而是在某一中心值附近波動(dòng)，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)從中心向外逐漸減少的分布特征。從圖中可以看出，全部光強(qiáng)值均落入低光強(qiáng)區(qū)域(20～100)或高光強(qiáng)區(qū)域(480～580)。這兩段區(qū)域的區(qū)域范圍較小，同時(shí)，這兩段區(qū)域有較大的空白間隔，界限十分清晰。對(duì)于全部數(shù)據(jù)，只需要設(shè)置一個(gè)合理的閾值，就可以確定光強(qiáng)采樣值位于哪一個(gè)區(qū)域，進(jìn)而準(zhǔn)確地將光強(qiáng)值轉(zhuǎn)化為01編碼，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)于編碼的誤判。

圖4 采樣光強(qiáng)值分布Fig.4 Sampling light intensity distribution

圖5 各光強(qiáng)區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占比Fig.5 The proportion of data in each light intensity interval

3.2 靜態(tài)定位

將測(cè)試手機(jī)放置在(2,2)、(2,4)、(7,6)、(8,3)這4個(gè)不同柵格內(nèi)，利用手機(jī)上的定位軟件進(jìn)行靜態(tài)定位。將采集到的光強(qiáng)值輸入到MATLAB中繪圖，同時(shí)進(jìn)行解碼，得到的解碼結(jié)果如圖6所示。

4次數(shù)據(jù)均較好地完成了解碼，沒(méi)有出現(xiàn)異常情況。經(jīng)過(guò)解碼，再經(jīng)過(guò)起始碼111000的匹配，正確提取到的4個(gè)特征編碼分別是111000001001， 111000001010， 111000101111， 111000100011。可以發(fā)現(xiàn)，在4個(gè)位置接收到的特征編碼與4個(gè)柵格在表2中的特征編碼完全一致，即靜態(tài)時(shí)的定位解算完全正確。

圖6 解碼結(jié)果Fig.6 Decoding results

3.3 動(dòng)態(tài)定位

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，控制用戶端手機(jī)不斷移動(dòng)，同時(shí)利用手機(jī)上的定位軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行解算，定位得到的軌跡與實(shí)際運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖7所示。

圖7 動(dòng)態(tài)軌跡對(duì)比Fig.7 Dynamic track comparison

圖7中，陰影位置是手機(jī)端定位軟件確定的用戶位置柵格軌跡，黃色線條為測(cè)試手機(jī)的實(shí)際軌跡。通過(guò)對(duì)定位軌跡和實(shí)際軌跡的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)定位過(guò)程中，定位軌跡與實(shí)際軌跡在整體上吻合得很好，兩者經(jīng)過(guò)的柵格都相同。但是，受限于定位原理，用戶位置只能被確定在某個(gè)柵格內(nèi)，定位精度只能達(dá)到以柵格為最小單位的水平，而更加細(xì)微的位置信息是無(wú)法得到的，因此在一個(gè)柵格內(nèi)部的定位與實(shí)際軌跡有所區(qū)別。利用柵格光源特征編碼的室內(nèi)定位技術(shù)定位精度在半個(gè)柵格，在實(shí)際使用中，可以通過(guò)改變光源分柵格的密度來(lái)控制柵格的大小，以保證滿足用戶所需的定位精度。

4 總結(jié)

本文介紹了一種利用柵格光源特征編碼的室內(nèi)定位方案，詳細(xì)闡述了其編碼原理以及定位實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該方案定位原理簡(jiǎn)單，算法計(jì)算量小，同時(shí)該方案定位所需要的LED燈具廣泛存在，成本極低，可滿足應(yīng)用推廣的需要。實(shí)驗(yàn)證明，在理想條件下，該方案的定位精度達(dá)到半個(gè)柵格，定位準(zhǔn)確度達(dá)到100%，可以滿足室內(nèi)定位的需求，具有可行性。