姚萬(wàn)業(yè)，魏立新，張 華

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)的需求，室內(nèi)定位技術(shù)在商場(chǎng)導(dǎo)購(gòu)、餐廳服務(wù)等諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)室內(nèi)定位的研究也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn).在過(guò)去的這些年里，對(duì)定位的研究主要使用的是GPS,RFID,超聲波，藍(lán)牙，WLAN等技術(shù).然而，采用GPS定位多用于室外，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，受障礙物及建筑物的影響，其定位精度下降嚴(yán)重.雖然用于室內(nèi)定位的RFID，超聲波，WLAN等技術(shù)可以提供從幾米到幾十厘米的定位精度[1].然而，射頻系統(tǒng)對(duì)電磁感應(yīng)敏感，在很多場(chǎng)合不能使用，有很大的局限性；另外依靠無(wú)線信號(hào)的定位系統(tǒng)，受電磁干擾影響，不能給予精確定位.

此外，現(xiàn)在有些科研人員提出了基于VLC(VisibleLight Communication)的室內(nèi)定位技術(shù)，因?yàn)長(zhǎng)ED具有高速調(diào)制及響應(yīng)時(shí)間短的特性，從而使得LED的應(yīng)用從照明領(lǐng)域擴(kuò)展到通信領(lǐng)域[2],常用的可見(jiàn)光定位技術(shù)主要是基于三角形法，該方法需要估計(jì)發(fā)射端和接收端的距離，而實(shí)現(xiàn)測(cè)距的方法有很多如接受信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)間差(TDOA)、到達(dá)角度(AOA)等[3].

可見(jiàn)光定位可以將其分為非成像定位技術(shù)和成像定位技術(shù)兩種，在文獻(xiàn)[4]中，吳楠，王旭東等人基于接收信號(hào)強(qiáng)度定位技術(shù)，提出一種利用多個(gè)LED發(fā)射端實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法，就是非成像定位技術(shù)中的一種；在文獻(xiàn)[5]中利用LED照明陣列作為可見(jiàn)光通信(VLC)發(fā)送部分，從陣列中至少4個(gè)LED發(fā)射的三維坐標(biāo)通過(guò)兩個(gè)光學(xué)透鏡被接收，然后由兩個(gè)圖像傳感器解調(diào)信息，并使用圖像傳感器中接收到的LED圖像的距離幾何關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)的位置.在文獻(xiàn)[6]中也有對(duì)成像定位技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹.

然而這兩種定位都有其缺陷.對(duì)于非成像定位的思想需要為每一個(gè)發(fā)光信標(biāo)編碼，同時(shí)要有相應(yīng)的解碼機(jī)制，制作成本高，另外不論是選擇RSS、TOA、TDOA還是AOA中那種測(cè)距方法，其技術(shù)難度都是很大的，不易實(shí)現(xiàn).而如果選擇成像傳感器定位，LED可見(jiàn)光又很容易受室內(nèi)已有燈光和自然光的影響.

在文獻(xiàn)[7]中，趙響，林基明針對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光定位系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算了基于成像傳感器接收的接收機(jī)位置的估計(jì)理論極限，求出了估計(jì)量的克拉美羅下界.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，他們得出可見(jiàn)光與成像傳感器結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)精確的定位，定位精度為毫米級(jí)，定位誤差的影響因子在于傳感器距屋頂高度，透鏡的焦距，成像傳感器像素的大小，圖像讀取的幀速等.

成像定位技術(shù)在室內(nèi)定位的研究中前景是好的.所以，在前人的研究基礎(chǔ)上，提出一種基于紅外信標(biāo)的室內(nèi)定位技術(shù)，首先在室內(nèi)布置好已知坐標(biāo)的紅外發(fā)射裝置，利用攝像頭作為接收裝置，通過(guò)STM32F407控制兩自由度云臺(tái)，使信標(biāo)的像一直處于成像傳感器的中心，而后通過(guò)測(cè)量云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)角與垂直轉(zhuǎn)角，計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)信標(biāo)的實(shí)際位置.制作成本低，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適宜于餐廳，酒店等服務(wù)領(lǐng)域.

1 紅外信標(biāo)室內(nèi)定位

紅外信標(biāo)的原理就是由有限個(gè)紅外光源組成一個(gè)集合，通過(guò)改變集合中元素的數(shù)量或元素的排列方式，使得每一個(gè)光源集合對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一確定的位置信息，也就是編碼.而后通過(guò)成像傳感器接收到信標(biāo)的信號(hào)，識(shí)別出對(duì)應(yīng)的ID，獲取信標(biāo)的位置信息，然后通過(guò)目標(biāo)與信標(biāo)直接的空間位置關(guān)系求得目標(biāo)的實(shí)際位置坐標(biāo).

1.1 紅外成像

光包括可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光，可見(jiàn)光就是我們通常所說(shuō)的紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫這七種，其中紅光的波長(zhǎng)一般在600～750 nm范圍內(nèi)，波長(zhǎng)超過(guò)750 nm小于1 000 μm的光就是紅外光.同時(shí)，0.75～1.5 μm的光叫近紅外光；1.5～4.0 μm的光叫中紅外光；4.0～1 000 μm的叫遠(yuǎn)紅外光.

雖然人眼無(wú)法感知紅外光，但不管是CCD還是CMOS圖像傳感器可以感知所有的光.而常見(jiàn)CCD光譜響應(yīng)曲線[8]見(jiàn)圖1.從圖中可以看到CCD傳感器光譜響應(yīng)范圍從400～1 100 nm，如果不對(duì)成像傳感器做一些處理的話，攝像機(jī)拍出來(lái)的照片和我們?nèi)搜劭吹降男Ч怯泻艽蟛顒e的.為解決這個(gè)問(wèn)題，攝影師們通常會(huì)在攝像機(jī)的鏡頭前添加紅外濾光片，過(guò)濾掉人眼不可見(jiàn)的紅外光，使得圖像傳感器接收到的都是可見(jiàn)光.

圖1 常見(jiàn)CCD光譜響應(yīng)

圖2 攝像頭和濾光片

用同樣的思路，在攝像機(jī)的鏡頭前添加一塊濾光片，就可以把可見(jiàn)光過(guò)濾掉只剩下紅外光，這樣圖像傳感器所成的像就是紅外成像.紅外光成像就是將人眼不可見(jiàn)的紅外線通過(guò)特殊的裝置轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)或可測(cè)的信號(hào).紅外成像系統(tǒng)一般可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種[9].本文將采用主動(dòng)式成像技術(shù)，使用可以產(chǎn)生940 nm近紅外光的紅外LED燈制作紅外信標(biāo)，同時(shí)在攝像機(jī)鏡頭前加上了940 nm的濾光片，見(jiàn)圖2.通過(guò)這種方式使得成像傳感器只能感知940納米附近的紅外光，而不會(huì)讓可見(jiàn)光被成像傳感器所接收.

1.2 信標(biāo)的設(shè)計(jì)

所謂的信標(biāo)(路標(biāo))就是指，目標(biāo)通過(guò)所攜帶的傳感器對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行感知而能夠識(shí)別的特征信息.目標(biāo)在移動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)自身攜帶的傳感器識(shí)別出環(huán)境中固定位置的信標(biāo)，而后根據(jù)信標(biāo)和目標(biāo)之間的位置關(guān)系，在已知信標(biāo)的位置情況下計(jì)算出目標(biāo)的實(shí)際位置.

常見(jiàn)的信標(biāo)根據(jù)信標(biāo)與環(huán)境之間的關(guān)系，可以將信標(biāo)分為自然信標(biāo)和人工信標(biāo)兩種.自然信標(biāo)是指本身就存在于環(huán)境當(dāng)中的物體或者特征，如房間的墻角，頂棚的吊燈；人工信標(biāo)就是在環(huán)境中人為的加入某物或某種特征，其目的就是為了完成目標(biāo)的定位.

以往的信標(biāo)設(shè)計(jì)多以簡(jiǎn)單的顏色或者數(shù)字作為路標(biāo)圖案[10].文獻(xiàn)[11]以變電站巡檢機(jī)器人為背景，提出了一種多元M序列的人工路標(biāo)設(shè)置方法.該方法在盡可能減少路標(biāo)種類(lèi)的情況下，擴(kuò)大路標(biāo)的特征差異，從而提高定位對(duì)測(cè)量噪聲的抗干擾能力.

紅外信標(biāo)屬于人工信標(biāo)，作為人工信標(biāo)起碼需要滿(mǎn)足兩點(diǎn)要求：首先，信標(biāo)易于識(shí)別，同時(shí)不同信標(biāo)可以區(qū)分，每個(gè)信標(biāo)都代表唯一不同的一個(gè)ID值；其次，每個(gè)信標(biāo)需要提供幾個(gè)特征值用于定位計(jì)算.在此基礎(chǔ)上，本文提出用有限個(gè)紅外LED組成一個(gè)集合，通過(guò)改變集合中元素的個(gè)數(shù)或元素的排列方式，使得每一個(gè)紅外LED集合對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一確定的位置信息，如圖3所示.圖中A和B位置上的LED是信標(biāo)提供的特征點(diǎn)，1,2,3位置上的紅外LED燈可以任意改變，對(duì)于1,2,3每一個(gè)位置上，如果有紅外LED表示1，沒(méi)有表示0，這樣就會(huì)產(chǎn)生23=8種結(jié)果，也就是說(shuō)會(huì)有8種唯一與之對(duì)應(yīng)的ID值.

使用圖3的信標(biāo)設(shè)計(jì)基本滿(mǎn)足一般情況的室內(nèi)定位需求，同時(shí)由A,B作為信標(biāo)的位置特征，會(huì)很方便定位目標(biāo)計(jì)算自身的實(shí)際坐標(biāo)值，同時(shí)這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得每個(gè)LED燈的距離最大，便于識(shí)別.本文設(shè)計(jì)的紅外信標(biāo)如圖4所示.

圖3 紅外信標(biāo)示意圖 圖4 紅外信標(biāo)實(shí)物圖

1.3 紅外信標(biāo)定位原理

信標(biāo)定位的方式在很早的時(shí)候就已經(jīng)被提出，利用電感、電磁耦合及雷達(dá)反射傳輸特性的射頻識(shí)別定位技術(shù)就可以看做是一種信標(biāo)定位.在該定位系統(tǒng)中，將射頻讀寫(xiě)器放置在待測(cè)目標(biāo)上，射頻電子標(biāo)簽(信標(biāo))嵌入到室內(nèi)環(huán)境中，電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)有位置識(shí)別的信息，讀寫(xiě)器通過(guò)有線或無(wú)線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫(kù)[12].前文介紹路標(biāo)可分為自然路標(biāo)和人工路標(biāo)，在文獻(xiàn)[13]中，提出利用室內(nèi)墻棱邊與墻平面(Edge&Plane)做路標(biāo)，在已知環(huán)境地圖的前提下，當(dāng)檢測(cè)到某一墻棱邊L與墻平面LM，通過(guò)待定位目標(biāo)身上自帶的測(cè)距傳感器測(cè)出目標(biāo)與墻棱邊L的距離、與墻平面LM的距離，同時(shí)知道L的坐標(biāo)，與它的夾角，就可以求得目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo).文獻(xiàn)[14]首先設(shè)計(jì)了一種抗干擾能力強(qiáng)，易于識(shí)別的人工路標(biāo)，然后建立雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)左右視覺(jué)傳感器識(shí)別到路標(biāo)，根據(jù)路標(biāo)和傳感器直接的空間位置關(guān)系，計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的實(shí)際位置.

雙目視覺(jué)在應(yīng)用中算法復(fù)雜，成本較高，本文采用的是一種基于紅外信標(biāo)的室內(nèi)定位，首先利用紅外LED設(shè)計(jì)出人工路標(biāo)，然后利用成像傳感器識(shí)別這些紅外信標(biāo).當(dāng)識(shí)別到某一定位信標(biāo)，通過(guò)待測(cè)目標(biāo)上的云臺(tái)移動(dòng)使得當(dāng)前信標(biāo)的中心在成像傳感器的中心成像，最后根據(jù)信標(biāo)的空間坐標(biāo)、云臺(tái)轉(zhuǎn)角求出待測(cè)目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo).

首先讓紅外信標(biāo)的中心的像落在圖像的像素中心，也就是說(shuō)第一步要使得定位平臺(tái)識(shí)別出紅外信標(biāo)的ID，并且讀取信標(biāo)中心當(dāng)前的像落在了圖像的那個(gè)位置，而后計(jì)算出該位置到圖像中心點(diǎn)的差值，通過(guò)PID后輸出控制信號(hào)使得云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終讓信標(biāo)中心的像落在圖像中心上.圖5是信標(biāo)通過(guò)濾光片在攝像機(jī)所成的像.根據(jù)信標(biāo)的識(shí)別算法，很容易知道該信標(biāo)的ID值和信標(biāo)的中心坐標(biāo).信標(biāo)的中心坐標(biāo)值是根據(jù)圖3中 A.、B圓心坐標(biāo)的平均值獲得，信標(biāo)的ID值獲得可以見(jiàn)表1，依據(jù)ID-Map可以得知當(dāng)前信標(biāo)的ID值，同時(shí)知道該信標(biāo)代表的實(shí)際坐標(biāo)值(X,Y,Z).

計(jì)算出信標(biāo)像的中心值，之后控制云臺(tái)使得這個(gè)中心可以落在圖像的中心上.在該過(guò)程中，通過(guò)角度傳感器將會(huì)測(cè)出云臺(tái)上下兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，水平的角度傳感器測(cè)得角度是水平電機(jī)以坐標(biāo)軸X為0度角，旋轉(zhuǎn)得到的角度，垂直的角度傳感器測(cè)得角度是垂直電機(jī)以水平面為0度角旋轉(zhuǎn)的角度，見(jiàn)圖6.

圖5 紅外信標(biāo)成像

LED個(gè)數(shù)LED位置(以下符號(hào)見(jiàn)圖1-3)ID號(hào)2A,B13A,B,12A,B,23A,B,344A,B,1,25A,B,2,36A,B,1,375A,B,1,2,38

圖6中a點(diǎn)是紅外信標(biāo)發(fā)射端，b點(diǎn)是信號(hào)接收端；A點(diǎn)是平面坐標(biāo)的原點(diǎn)，AB線作為水平方向的基準(zhǔn)線，垂直角度傳感器測(cè)得的角度是以水平面為基準(zhǔn).根據(jù)平行線定理，圖中角β就是水平角度傳感器測(cè)得的角度，圖中角α就是垂直角度傳感器測(cè)得的角度.無(wú)論是理論上還是實(shí)際中，信標(biāo)到水平面的垂直距離是不變的，圖中h是一個(gè)定值.

(1)

由式(1)可知，X、Y、h都是已知的，只要測(cè)得α和β的值，就可以確定唯一的x和y的值.現(xiàn)如今傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)十分成熟，市面上常見(jiàn)的角度傳感器精度可以達(dá)到12位以上，甚至有精度可以達(dá)到18位的角度傳感器.就拿12位精度的角度傳感器，其測(cè)量精度可以達(dá)到0.088度.所以很容易獲得目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo).

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)采用STM32作為控制器，同時(shí)有兩個(gè)12位精度的角度傳感器，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和攝像頭構(gòu)成待測(cè)目標(biāo)，紅外信標(biāo)作為信號(hào)發(fā)射裝置.STM32上將連接藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射模塊，每隔2秒STM32控制器向PC端發(fā)送一次定位信息.實(shí)驗(yàn)以300*300cm平面模擬室內(nèi)面積，將紅外信標(biāo)裝置固定在150cm的高度上，本實(shí)驗(yàn)使用了信標(biāo)ID為8，規(guī)定紅外信標(biāo)的坐標(biāo)為(0,0,150).本文定位平臺(tái)見(jiàn)圖7所示.

定位平臺(tái)放在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，平臺(tái)將會(huì)沿直線移動(dòng)，每隔2s向PC端發(fā)送一個(gè)定位結(jié)果，測(cè)得數(shù)據(jù)和計(jì)算所得坐標(biāo)值都通過(guò)串口打印，如圖8所示.

定位平臺(tái)在模擬室內(nèi)環(huán)境中，沿一條長(zhǎng)300cm的直線移動(dòng)，在移動(dòng)的過(guò)程中每隔2s輸出一次目標(biāo)的當(dāng)前位置坐標(biāo)，圖8是目標(biāo)一次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，包含了15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).使用MATLAB模擬該次定位，可以比較直觀的觀察到，定位系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)偏移路徑和實(shí)際坐標(biāo)的情況，見(jiàn)圖9所示.

圖6 紅外信標(biāo)定位模型

圖7 定位平臺(tái)

圖8 目標(biāo)位置顯示

圖9 路徑模擬

使用MATLAB對(duì)15個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，橫向最大偏移值是5.6cm，縱向最大偏移值是6.1cm，定位目標(biāo)本次沿直線移動(dòng)所得數(shù)據(jù)的均方差為2.68，也就是說(shuō)該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散度較小，數(shù)據(jù)的可靠性較高，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)前的預(yù)估.為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在不改變定位路徑的前提下一共測(cè)得25組數(shù)據(jù)，計(jì)算所測(cè)數(shù)據(jù)的均方差為3.73，本設(shè)計(jì)的定位精度在10cm范圍內(nèi)，滿(mǎn)足大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境的定位需求，因此該設(shè)計(jì)方案是實(shí)用的.

3 結(jié)語(yǔ)

常見(jiàn)的室內(nèi)定位方式，設(shè)計(jì)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理繁重，或者定位精度不高，實(shí)用性差.本文提出的基于紅外信標(biāo)的室內(nèi)定位設(shè)計(jì)，不影響正常光照情況下日夜使用，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，滿(mǎn)足對(duì)定位精度要求不是很高的室內(nèi)環(huán)境，尤其是適用于賓館酒店地形簡(jiǎn)單的場(chǎng)所.對(duì)于本文提出的設(shè)計(jì)，在信標(biāo)識(shí)別和云臺(tái)設(shè)計(jì)方面可以改進(jìn)，將會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的定位精度.

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