李 錦，莫巨明，方俊鍵,3，林浦曦，陳肇杰，呂泉超，梁富念,3，鄭華丹,3，鐘永春,3，方俊彬,3，陳 哲,3

(1.暨南大學(xué) 光電工程系，廣東 廣州 510632；2.廣東省可見光通信工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510632；3.廣州市可見光通信工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632)

引言

室內(nèi)停車場是靜態(tài)交通的一個(gè)重要組成部分，傳統(tǒng)衛(wèi)星定位技術(shù)由于信號到達(dá)地面時(shí)較弱且無法穿透建筑物，因此無法應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境[1-2]。而RFID、藍(lán)牙、Zigbee等室內(nèi)無線射頻定位技術(shù)則存在精度不高、電磁干擾嚴(yán)重等問題[3-4]。相比而言，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)(visible light positioning，VLP)通過LED燈發(fā)出人眼無法辨別的高速明暗閃爍信號傳輸定位信息，具有避免電磁干擾、"照明和定位"兩用等優(yōu)勢[5-6]，但是目前基于近似感知法、指紋識別法等定位方法[7-9]的可見光室內(nèi)定位技術(shù)的定位精度和定位耗時(shí)較高，無法支持精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航，并且需要借助額外的輔助設(shè)備，極大地提升了建設(shè)成本。因此，當(dāng)前的室內(nèi)停車場依然存在"停車難、找車難"的問題。本文提出一種基于LED照明燈光的可見光定位導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了面向車輛和行人的實(shí)時(shí)高精度室內(nèi)停車定位導(dǎo)航。該系統(tǒng)定位精度可達(dá)7.5 cm，最高導(dǎo)航速度可達(dá)17 km/h，支持車輛或行人在室內(nèi)停車場內(nèi)的實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航，能有效解決室內(nèi)停車場停車難和找車難的問題，推動智能交通的發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

定位導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由可見光定位LED燈具、智能手機(jī)和定位導(dǎo)航軟件3部分組成。定位LED燈具由LED照明燈具和信號調(diào)制驅(qū)動器組成，信號調(diào)制驅(qū)動器驅(qū)動LED照明燈具在滿足照明要求的同時(shí)，將燈具的位置信息經(jīng)過編碼調(diào)制后加載到燈光信號上廣播發(fā)送；智能手機(jī)作為定位信息的接收終端，利用前置攝像頭捕獲可見光定位信號，從中提取該信號來源燈具的位置信息，進(jìn)而在定位導(dǎo)航軟件中進(jìn)行定位計(jì)算等步驟，獲取并顯示車輛或行人的當(dāng)前位置信息以實(shí)現(xiàn)定位功能。另外，通過結(jié)合用戶選擇的目標(biāo)車位和當(dāng)前位置信息，定位導(dǎo)航軟件規(guī)劃設(shè)計(jì)最佳路徑，引導(dǎo)車輛或行人移動至目標(biāo)車位，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 1 System architecture

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由可見光定位信號發(fā)送端(可見光定位LED燈具)以及可見光定位信號接收端(智能手機(jī))組成，如圖2所示，系統(tǒng)無需額外的硬件輔助設(shè)備?？梢姽舛ㄎ籐ED燈具基于普通的市售LED燈具發(fā)送可見光定位(VLP)信號，降低了系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜度和改造成本。定位LED燈具中內(nèi)嵌微控制器將燈具所對應(yīng)的預(yù)分配唯一標(biāo)識符(unique identification，UID)經(jīng)過可支持多級調(diào)光的無閃爍線路編碼[9]，得到滿足IEEE建議的照明要求[10],且編碼效率相較IEEE標(biāo)準(zhǔn)[11]有更高的編碼碼字，再通過LED驅(qū)動器以開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制方式控制LED燈具“開/關(guān)”，實(shí)現(xiàn)可見光定位信號的發(fā)送。

圖2 系統(tǒng)硬件Fig. 2 System hardwares

在可見光定位信號接收端，系統(tǒng)采用了市售的智能手機(jī)進(jìn)行信號接收和信息提取，降低了用戶成本。智能手機(jī)通過手機(jī)內(nèi)置的CMOS攝像頭作為光電傳感器接收可見光定位LED燈具發(fā)出的可見光定位信號，利用卷簾快門效應(yīng)將時(shí)域上的脈沖信號轉(zhuǎn)換為圖像平面上的條紋圖案，進(jìn)而采用圖像處理算法提取位置信息給定位導(dǎo)航軟件做進(jìn)一步處理，以實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 定位導(dǎo)航軟件的功能模塊

本系統(tǒng)所使用的定位導(dǎo)航軟件主要包括LED燈光信號獲取模塊、LED燈光信號解析模塊、定位模塊、導(dǎo)航模塊與地圖顯示模塊，系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。各模塊主要功能如下：

LED燈光信號獲取模塊功能是，驅(qū)動智能手機(jī)的前置攝像頭對LED燈發(fā)出的可見光定位信號進(jìn)行連續(xù)抓取以獲得條紋圖像；LED燈光信號解析模塊功能是，對所獲取的條紋圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理并解碼位置信息，計(jì)算獲得高精度的位置坐標(biāo)；定位模塊功能是，根據(jù)位置坐標(biāo)參數(shù)在地圖顯示模塊上進(jìn)行標(biāo)記，并實(shí)時(shí)向?qū)Ш侥K發(fā)送位置更新信息；導(dǎo)航模塊功能是，接收定位模塊的位置坐標(biāo)，根據(jù)用戶請求的目標(biāo)位置和當(dāng)前的位置坐標(biāo)計(jì)算最優(yōu)路徑；地圖顯示模塊功能是，載入并顯示停車場地圖，在地圖上顯示用戶實(shí)時(shí)位置、規(guī)劃路徑和車輛已走過的路徑。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖Fig. 3 System software block diagram

3.2 定位導(dǎo)航軟件的工作流程

當(dāng)車輛或者行人進(jìn)入室內(nèi)停車場并開啟定位導(dǎo)航軟件后，智能手機(jī)前置攝像頭開始捕獲停車場LED燈具條紋圖像，同時(shí)經(jīng)過圖像處理濾除非可見光定位LED燈具產(chǎn)生的背景光以免除干擾，并通過一種輕量級圖像處理算法[9]對條紋圖像進(jìn)行預(yù)處理、條紋區(qū)域定位提取并解碼得到燈具對應(yīng)的UID，通過基于視覺分析的定位算法計(jì)算出車輛或者行人的當(dāng)前所在位置并顯示在軟件終端，從而實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)用戶選擇目標(biāo)車位，通過Dijkstra最短路徑算法[12]提供當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的最短路徑，為車輛或者行人提供導(dǎo)航服務(wù)。系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig. 4 System software working flow chart

3.3 系統(tǒng)的定位算法

智能手機(jī)前置攝像頭捕獲條紋圖像后，通過查找“UID-坐標(biāo)”映射表檢索相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。當(dāng)僅捕獲一個(gè)可見光定位LED燈具時(shí)，可簡單通過與UID相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位，定位精度取決于燈具之間的距離。通常情況下，攝像頭視場角內(nèi)能捕獲2個(gè)及以上的燈具條紋圖像。此時(shí)優(yōu)先提取最先找到的2個(gè)燈具條紋圖像，通過采用視覺分析獲取更為精準(zhǔn)的位置，基于視覺分析的定位算法原理如圖5所示。

圖5 基于視覺分析的定位原理Fig. 5 Positioning principle based on vision analysis

假設(shè)車輛或行人當(dāng)前位置的物理坐標(biāo)為(X,Y)，2個(gè)LED燈具的物理坐標(biāo)分別為(X1,Y1)和(X2,Y2)，且燈具間的物理距離為S1。通過攝像頭捕獲得到包含2個(gè)燈具條紋的圖像，在像素平面中，設(shè)圖像左上角為像素坐標(biāo)系原點(diǎn)，并記圖像中心為像素坐標(biāo)(Xmid,Ymid)，2個(gè)燈具條紋中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)分別為(X1f,Y1f)和(X2f,Y2f)，且中心點(diǎn)間的像素距離為S2。在不同的定位坐標(biāo)(X,Y)下，捕獲到的2個(gè)條紋圖像中心的像素坐標(biāo)(X1f,Y1f)和(X2f,Y2f)不同。

根據(jù)如下幾何關(guān)系：

(1)

可求得當(dāng)前定位坐標(biāo)(X,Y)為

(2)

4 性能測試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以本單位的地下停車場為實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行演示驗(yàn)證系統(tǒng)測試，測試所提出的基于可見光通信室內(nèi)定位的智能停車系統(tǒng)在定位精度、定位耗時(shí)以及導(dǎo)航速度方面的性能，并基于Android手機(jī)開發(fā)了面向室內(nèi)停車場泊車引導(dǎo)和反向?qū)ぼ嚨目梢姽舛ㄎ粚?dǎo)航App。實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境參數(shù)與演示現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境與演示現(xiàn)場Fig. 6 Experimental test environment and demonstration site

可見光定位LED燈具按照燈具距離地面垂直距離2.8 m、燈具水平間距2 m進(jìn)行布局安裝，定位LED燈具的硬件參數(shù)如表1所示。

表1 可見光定位LED燈具的硬件參數(shù)

智能手機(jī)放置在車輛控制臺或行人手中用于接收可見光定位信號，并通過本文開發(fā)的定位導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)泊車引導(dǎo)或者反向?qū)ぼ嚂r(shí)的定位導(dǎo)航。本次實(shí)驗(yàn)測試所用智能手機(jī)的硬件參數(shù)如表2所示。

表2 智能手機(jī)的硬件參數(shù)

4.1 定位精度

定位精度體現(xiàn)了車輛或者行人在室內(nèi)停車場進(jìn)行定位導(dǎo)航時(shí)的準(zhǔn)確性。本次實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)場環(huán)境中隨機(jī)選擇100個(gè)位置，通過將定位導(dǎo)航軟件的估計(jì)位置和實(shí)際空間位置進(jìn)行對比得到當(dāng)前位置的定位誤差。定位誤差(e)及其累計(jì)分布函數(shù)(CDF)的關(guān)系如圖7所示，其中CDFe(Ac)=P(e≤Ac)。從圖7可見，定位誤差的上限為10.7 cm，平均定位精度為7.5 cm。相對基于射頻室內(nèi)定位技術(shù)的室內(nèi)停車場定位導(dǎo)航系統(tǒng)[13-14]，以及基于圖像傳感器的可見光定位技術(shù)[15],本文所提可見光室內(nèi)停車場定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有更高的定位精度。

圖7 系統(tǒng)的定位精度Fig. 7 Positioning accuracy of proposed system

4.2 導(dǎo)航速度

導(dǎo)航速度反映了車輛或行人在室內(nèi)停車場定位導(dǎo)航時(shí)，系統(tǒng)所支持的最大移動速度。結(jié)合本單位地下停車場的車位分布信息和定位導(dǎo)航算法，基于Android智能手機(jī)開發(fā)了定位導(dǎo)航軟件。如圖8所示，當(dāng)用戶選擇目標(biāo)車位后，軟件采用Dijkstra算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。隨著用戶的移動，定位導(dǎo)航軟件上實(shí)時(shí)更新用戶位置，并持續(xù)引導(dǎo)用戶向目標(biāo)車位前進(jìn)。圖8中從A到C為推薦路徑，A到B表示用戶經(jīng)過的路線，而B到C表示到達(dá)目標(biāo)車位的剩余路徑。

圖8 可見光室內(nèi)停車場定位導(dǎo)航APP Fig. 8 An Android application of the visible light indoor parking lot positioning navigation system

基于所開發(fā)設(shè)計(jì)的室內(nèi)停車場定位導(dǎo)航軟件，通過不斷增加車輛移動速度，觀測在不同速度下的解碼成功率，從而得到系統(tǒng)所支持的最高導(dǎo)航速度。從圖9可知，當(dāng)車輛速度介于0～17 km/h時(shí)，解碼成功率可達(dá)90%以上，因此本系統(tǒng)支持車輛或行人在17 km/h的移動速度下進(jìn)行定位導(dǎo)航，滿足室內(nèi)停車場定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際需求。

圖9 不同移動速度下的解碼成功率Fig. 9 Decoding success rate under different moving speeds

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于LED照明燈光的可見光室內(nèi)停車場定位導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)的定位精度可達(dá)到7.5 cm，可支持時(shí)速高達(dá)17 km/h的車輛實(shí)時(shí)室內(nèi)定位導(dǎo)航,為室內(nèi)停車場提供實(shí)時(shí)高精度的定位導(dǎo)航服務(wù)，能夠有效解決室內(nèi)停車場停車找位難及反向?qū)ぼ囯y的問題，提高車位利用率和釋放率，從而推動靜態(tài)交通發(fā)展。