基于可見光的室內導航系統建立

羅歡 繆月琴 莫瑞 金廣 羅國泰 余國行

摘 要：本文提出在三邊定位法的基礎上再利用成像定位法來實現室內的精度定位。利用 LED 照明裝置作為信息發射源，在充分考慮傳輸距離對定位性能影響的基礎上，先利用三邊算法找到目標的大概范圍，然后利用成像法來實現精確定位。

關鍵詞：室內定位;三邊定位法;成像法

文章編號：2095-2163（2019）04-0288-02 中圖分類號：TP311.56 文獻標志碼：A

0 引 言

隨著無線局域網絡（Wireless Local Area Network，WLAN）的普及以及手機等個人設備的發展，特別是在一些復雜的室內環境。人們對定位導航的需求也開始不斷增大。全球定位系統（GPS）作為應用最廣泛的定位系統，雖然在室外環境中可以取得很好的定位效果，但在室內環境中，由于GPS信號會受到障礙物的衰減作用，定位效果并不理想。到目前為止，研究人員提出并研究了多種針對室內場景的定位系統，如基于圖像的定位系統[1]、基于射頻（RF）信號的定位系統[2]、超寬帶定位系統[3-4]，還提出了一種基于圖像傳感器的可見光定位系統[7]。然而，大多數基于無線通信的系統會受到電磁干擾影響，不能精確進行定位或是受限于成本過高。可見光通信（VLC）作為一種新興的無線通信方式，在電磁輻射、使用環境、安全性等方面與射頻無線通信方式相比有明顯的優勢[5-6]，可見光定位技術得到了較為深入的研究。現階段常用的可見光定位技術主要集中在基于收發兩端距離估計的三邊定位法的應用。

本文提出在三邊定位法的基礎上再利用成像定位法來實現室內的精度定位。利用 LED 照明裝置作為信息發射源，在充分考慮傳輸距離對定位性能影響的基礎上，首先利用三邊算法找到目標的大概范圍，然后利用成像法來實現精確定位。

1 定位原理

1.1 定位系統

使用3個 LED 作為信號發送端，考慮到不同 LED 發出的光在自由空間傳播過程中會產生疊加效應。為了獲取不同 LED 發出的信號，采用時分復用技術，將每盞LED燈發出的信號在時域上錯開，并為每盞 LED 燈分配不同的身份標簽（LED-ID），通過信號發生器調制 LED 燈發出的光束。3燈模型如圖1所示。

首先需要根據接收端的信號強度來估計收發兩端的實際距離。在此把收發兩端分別置于同一水平線上且多次測量記錄數據求平均值。然后將收發端距離和對應的功率值描點作出圖像，形成函數就可得出功率與距離的關系。由于發送端硬件 LED 燈有微小的差異，測量的功率不同，因此需要分別對 3 個 LED 燈進行測量。

1.2 三邊定位法

三邊定位法是一種基于距離信息實施定位的方法。其基本思想是：已知3個發送端的坐標和發送端到待測點間的距離，就可以唯一確定待測點的坐標。三邊定位法的公式為：

這樣以坐標為圓心就可以確定接收器的位置范圍。

1.3 成像法

1.3.1 成像接收

利用圖像傳感器接收光信號有多種方法。文獻[7]利用圖像傳感器加透鏡的方法對 LED 陣列成像，并通過距離的幾何關系計算目標位置。但計算復雜，本文采用了一種有限制但可以快速且簡單的計算接收器位置的圖像方法。

1.3.2 成像計算

系統采用3個坐標已知的LED作為發射端，LED發射的光線在接收端被圖像傳感器接收，并且計算出各自的三維位置坐標，如圖2所示。

經過圖像傳感器的圖片按照比例n算出傳感器距離各LED的實際距離di，從而根據各LED的位置坐標計算出傳感器位置。

2 結束語

當前，定位技術已經被廣泛地應用到各行各業，人們也在需求更多的定位方式。如何提高定位技術的準確度和找出適用性較廣的定位算法，從而更好地滿足人們的需求是定位技術發展迫切需要解決的問題。本文提出的在三邊定位法的基礎上，再利用成像定位法來實現室內的精度定位方法值得利用和進一步研究。

參考文獻

[1]Hlle H， Borriello G. Positioning and orientation in indoor environment using camera phones[J].IEEE Graphics and Applications，2008，28（4）：32-39.

[2]肖竹，王勇超，田斌，等. 超寬帶定位研究與應用：回顧和展望[J].電子學報，2011，39（1）：133-141.

[3]Hossain AKMM， Van Nguyen H， JIN Yueye.Indoor localization using multiple wireless teachnologies[C]//IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor System. Pisa， Italy：IEEE，2007：1-8.

[4]Gezici S， Tian Zhi， Giannakis G B.Localization via ultra-wideband radios：A look at positioning aspects for future sensor networks[J].IEEE Signal Processing Magazine，2005，22（4）：70-80.

[5]Yoshino M， Haruyama S， Nakagawa M. High-accuracy positioning system using visible lights and image sensor[C]//IEEE Radio and Wireless Symposium. Orlando， Florida， USA：IEEE，2008：439-442.

[6]Thomas Q， Wang Y， Sekercioglu A， et al. Analysis of an optical wireless receiver using a hemispherical ens with application in MIMIO visible light communications[J]. Journal of Lightwave Technology（S0733-8724），2013，31（11）：1744-1754.

[7]Kim H S， Kim D R， Yang S， et al. Mitigation of inter-cell interference utilizing carrier allocation in visible light communication system[J].IEEE Communication Letter（S1089-7798），2012，16（4）：526-529.