李廣云，孫森震，王 力，馮其強(qiáng)

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

隨著城市化的發(fā)展，大型建筑場館、自動化工廠及地下空間等區(qū)域?qū)κ覂?nèi)定位技術(shù)的需求日益增長。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本滿足室外大部分區(qū)域的導(dǎo)航定位需求，但在室內(nèi)卻難以接收衛(wèi)星信號，無法工作。因此，基于Wi-Fi、藍(lán)牙、超寬帶、偽衛(wèi)星、射頻等基站式的無線定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。但由于室內(nèi)結(jié)構(gòu)多樣、電磁環(huán)境復(fù)雜，基站式的無線定位方案需要平衡定位精度和運(yùn)行成本，規(guī)?；瘧?yīng)用存在困難。其他室內(nèi)定位技術(shù)方法，如地磁指紋、運(yùn)動捕捉、聲波測距[2]等的研究應(yīng)用也取得了成果。眾多室內(nèi)定位技術(shù)在定位精度指標(biāo)、系統(tǒng)成本、工程化部署的便捷性方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著照明系統(tǒng)的升級，LED光源的廣泛應(yīng)用為可見光通信定位(visible light positioning,VLP)技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供了有利條件。VLP技術(shù)利用室內(nèi)廣泛存在的LED光源作為定位信標(biāo)，兼顧通信定位和照明，具有系統(tǒng)部署簡單、無電磁干擾、定位精度較高、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)定位領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[3]，成為近年來國內(nèi)外相關(guān)高校和企業(yè)機(jī)構(gòu)研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。國內(nèi)外高校如復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、信息工程大學(xué)、暨南大學(xué)、華南理工大學(xué)、香港中文大學(xué)、美國馬里蘭大學(xué)、英國牛津大學(xué)、德國海英里希赫茲研究所等科研機(jī)構(gòu)在高速可見光通信研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了VLP技術(shù)研究；國際大型企業(yè)如高通、飛利浦、松下、谷歌、華為、中興等紛紛布局VLP系統(tǒng)專利。2017年，飛利浦將研制的可見光通信室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)用于大型商場購物導(dǎo)航。2020年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了由中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、深圳市海思半導(dǎo)體有限公司、清華大學(xué)、信息工程大學(xué)、北京大學(xué)、北京全電智領(lǐng)科技有限公司、東莞信大融合創(chuàng)新研究院、東莞芝捷智能科技有限公司起草的信息技術(shù)可見光通信系統(tǒng)室內(nèi)定位傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 36628.4—2019)，標(biāo)志著國內(nèi)可見光通信定位應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入實(shí)施階段。

可見光通信(visible light communication,VLC)是一種新型通信技術(shù)，主要利用LED快速的亮滅響應(yīng)特性調(diào)制發(fā)送信息，接收端通過光敏二極管(photodiode，PD)等器件接收光信號。隨著VLC技術(shù)的發(fā)展，單個光源的VLC通信速率已經(jīng)達(dá)到Gbit/s量級[4]，成為6G通信的重點(diǎn)研究技術(shù)之一。VLP技術(shù)是低速VLC技術(shù)的一種應(yīng)用，按照定位終端接收VLC信號所用傳感器類型的不同，可分為成像法和非成像法[5]。非成像法簡稱PD法，主要利用PD接收解析可見光信號和光強(qiáng)信息(received signal strength,RSS)，并根據(jù)RSS進(jìn)行測距交會[6-11]或指紋匹配[12-13]，實(shí)現(xiàn)對PD終端的位置估計(jì)，定位精度可達(dá)亞米級甚至厘米級。文獻(xiàn)[14—15]分別研究了基于VLC的到達(dá)時間法(time of arrival,TOA)和到達(dá)時間差法(time difference of arrival,TDOA)的VLP系統(tǒng)。其中基于TDOA的方法在5 m×5 m×3 m環(huán)境中的仿真精度達(dá)3.6 cm。文獻(xiàn)[16]使用環(huán)形PD陣列構(gòu)建了基于角度到達(dá)(angle of arrival,AOA)的VLP方法，并提出一種加權(quán)的角度感知計(jì)算方法。文獻(xiàn)[17]提出了基于多LED元件AOA的VLP系統(tǒng)，采用卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)了對接收裝置的連續(xù)定位。文獻(xiàn)[18—20]研究了多種方法組合的VLP方法，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和定位精度?；赑D的VLP方法通信速率高，定位速度快；但對光源系統(tǒng)的控制要求較高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，可移植性較差，定位精度受環(huán)境影響較大。針對這些問題，文獻(xiàn)[21—24]進(jìn)行了定位算法優(yōu)化研究，文獻(xiàn)[24]采用自適應(yīng)濾波的方法抵抗環(huán)境光干擾，提高定位精度，為基于PD的VLP系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了一種方案。

基于成像的VLP法簡稱圖像(image sensor，IS)法，主要利用CMOS傳感器對VLP光源成像，利用CMOS傳感器的卷簾快門效應(yīng)獲取VLP光源的條紋圖像，并通過條紋圖像獲取光源ID對應(yīng)的坐標(biāo)信息[25-27]；然后通過攝影測量原理計(jì)算攝影點(diǎn)相對VLC光源的空間坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)定位[28-31]。IS法通信傳輸容量小，但定位精度較高，可移植性強(qiáng)。隨著CMOS成像傳感器在智能終端的廣泛應(yīng)用，基于智能手機(jī)和視覺移動機(jī)器人的IS法取得了較多的應(yīng)用成果[32-34]。文獻(xiàn)[31]將PD和IS兩種方法相結(jié)合，利用雙目視覺實(shí)現(xiàn)了基于單個圓形VLC光源的厘米級定位。文獻(xiàn)[33]提出了一種基于智能手機(jī)的可見光通信與改進(jìn)的行人航跡推算融合的室內(nèi)定位方法，在3 m×3 m×3 m小空間、單光源條件下實(shí)現(xiàn)了厘米級定位精度。文獻(xiàn)[34—35]研究了VLP系統(tǒng)在地下停車場的定位應(yīng)用。VLP技術(shù)的發(fā)展使其在煤礦、隧道、電廠、超市等場景也取得了良好的應(yīng)用效果[7,33-38]。

當(dāng)前，多數(shù)VLP系統(tǒng)主要注重基于圓形LED光源的定位問題，隨著矩形平板光源的廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究已經(jīng)逐漸展開[29]。矩形平板光源普遍尺寸較大，具有顯著的視覺信息，更適合作為VLP系統(tǒng)的定位參考。本文首先介紹VLP_PD和VLP_IS兩種定位方法的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合應(yīng)用研究現(xiàn)狀分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；然后，介紹一種基于普通成像傳感器和矩形平板光源的定位系統(tǒng)構(gòu)建方法；最后，對VLP技術(shù)的研究應(yīng)用發(fā)展方向作一些探討。

1 非成像VLP方法

非成像VLP方式主要通過PD接收解析可見光通信信號特征實(shí)現(xiàn)，定位速率高，計(jì)算量較小，定位終端容易集成，但需要對光源發(fā)送端進(jìn)行同步信號調(diào)制，對光源分布有一定要求。其定位方法可分為信號ID識別法、光強(qiáng)RSS指紋分析法、光強(qiáng)RSS幾何交會法、TOA法、AOA法等。

1.1 基于PD的LED_ID識別法

基于PD的LED_ID識別法[39]也稱為鄰近法，如圖1所示。該方法將LED通信光源有限的照射范圍作為定位區(qū)域，不斷廣播自身的ID信息，當(dāng)定位裝置中的PD接收識別到該ID信息時，即確定其位于該光源的定位區(qū)域內(nèi)。該方法定位精度依賴光源密集程度，需要考慮光源布局，避免相鄰光源重疊的干擾?；赑D的光通信接收能力較強(qiáng)，速率通常在幾十Kbit/s以上，因此LED_ID可以附加一些其他信息，以滿足位置服務(wù)的需要。

圖1 可見光通信LED_ID識別定位

1.2 基于光接收強(qiáng)度RSS的測距交會法

基于強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測技術(shù)接收信號強(qiáng)度RSS以估算定位距離時，通常使用廣義朗伯模型建立信號RSS與距離的關(guān)系[6-7]，如圖2所示。

圖2 光強(qiáng)信號接收鏈路關(guān)系

對于直射鏈路(line of sight，LOS)信道，VLC光源發(fā)射端與定位接收機(jī)PD端之間的信道直流增益見式(1)

(1)

式中，AD表示接收機(jī)PD的有效感光接收面積；dL為LED和接收機(jī)之間的距離；θT和φR分別表示發(fā)射光源的輻射角和接收機(jī)PD的入射角；GF(φR)為鏈路中光濾波的增益；gC(φR)為鏈路中光集中增益，與探測器視場角ψFOV和器件使用的材料折射率nc有關(guān)。

由式(1)可知，建立RSS與VLC光源之間的距離關(guān)系并未考慮光反射的影響和其他噪聲干擾，但在實(shí)際應(yīng)用需要考慮這些因素?；诠鈴?qiáng)RSS的距離交會定位方法如圖3所示。通常使用4個VLC光源作為定位參考，定位終端在同一時刻接收4個光源的RSS信號轉(zhuǎn)換為距離，并通過式(2)組成距離交會方程組，從而計(jì)算定位終端P的位置

圖3 基于光強(qiáng)測距的空間定位

(2)

1.3 基于光接收強(qiáng)度RSS的指紋定位

利用多個VLC光源在空間中形成的信號場作為定位參考，信號空間場中任意兩點(diǎn)的信號存在差異形成特定指紋，這種將特定指紋與空間位置建立對應(yīng)關(guān)系的定位方法稱為指紋定位法[12]?；赗SS的指紋定位方法如圖4所示。

圖4 光強(qiáng)指紋定位原理

4個ID不同的VLC光源成矩形分布，信號覆蓋范圍形成重疊區(qū)域，可以接收4個光源的ID信號并記錄相應(yīng)的光強(qiáng)RSS信號。光功率計(jì)算模型為

(3)

PT(LED_ID4)j]，通過采集空間中特定位置的光功率RSS構(gòu)建指紋空間數(shù)據(jù)模型，事先在定位空間中采集信號進(jìn)行離線訓(xùn)練建立指紋匹配數(shù)據(jù)庫，即可構(gòu)建指紋匹配定位系統(tǒng)。

1.4 光信號時間到達(dá)方法

光信號時間到達(dá)法分為TOA法和TDOA法。其中，TOA法首先測量信號在發(fā)射端和接收端之間傳播時間，然后利用信號傳播時間與信號傳播速度相乘得到信號傳播距離，從而確定收發(fā)終端之間的距離[14]，最終通過測量接收端與多個發(fā)送端的距離進(jìn)行距離交會定位。由于TOA通信載體為可見光，對收發(fā)兩端的時間同步精度要求極高，否則難以達(dá)到測量精度要求?；赥DOA的VLP系統(tǒng)無須在接收端和發(fā)射端進(jìn)行嚴(yán)格時間同步，但在發(fā)射端不同光源的信號調(diào)制需要嚴(yán)格同步[15]。如圖5所示，4個光源空間坐標(biāo)已知，組成的TDOA系統(tǒng)的定位終端在一個周期內(nèi)接收到4個VLC光源的延時信號{T1,T2,T3,T4}。設(shè)接收端的坐標(biāo)為P(x0,y0,z0)，系統(tǒng)各個光源距離定位終端的距離計(jì)算見式(4)

圖5 到達(dá)時間測距交會定位

(4)

根據(jù)到達(dá)時間差組成方程組關(guān)系見式(5)

(5)

式中，C為光速信號角。

求解該方程組即可得到P點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1.5 光信號角度到達(dá)方法

光信號角度到達(dá)法的VLP系統(tǒng)有兩種構(gòu)成方式。一種方法是使用環(huán)形PD陣列[16]，在接收到LED的信號時可以判斷光源相對接收機(jī)定義的方位角和俯仰角，從而通過角度交會計(jì)算接收機(jī)相對光源的空間位置。圖6(a)為平面AOA原理。環(huán)狀PD陣列傳感器組成自身的坐標(biāo)系，已知3個VLP光源的中心坐標(biāo)構(gòu)成定位系統(tǒng)，分別用A、B、C表示3個光源的中心，O點(diǎn)為接收機(jī)位置，當(dāng)僅考慮平面坐標(biāo)時，接收機(jī)與3個光源形成的平面角度分別為∠1、∠2、∠3，從而可以通過∠AOC、∠BOC計(jì)算O點(diǎn)的平面位置，即角度后方交會法。另一種方法是發(fā)射端使用陣列光源系統(tǒng)[17]，如圖6(b)所示，陣列光源信號能測量出接收機(jī)相對光源的方位角度，當(dāng)接收機(jī)接收到多個光源的相對角度信號后，進(jìn)行角度交會實(shí)現(xiàn)定位，其本質(zhì)為角度前方交會法。

2 非成像VLP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

非成像高精度VLP系統(tǒng)對光源信號調(diào)制發(fā)送的同步性要求較高，需要考慮光源布局優(yōu)化、去除背景光干擾、具體應(yīng)用等因素進(jìn)行信號調(diào)制，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括光源信號調(diào)制、定位算法優(yōu)化、多傳感器融合、方法融合等。

2.1 光源信號調(diào)制方式

高精度非成像VLP系統(tǒng)中的PD需要接收多個VLC光源的信號，如果多個光源發(fā)送定位信息在時域和頻域上存在重疊，會造成互相干擾，無法構(gòu)成通信定位系統(tǒng)。因此，基于多個光源的非成像VLP系統(tǒng)需要統(tǒng)一光源編碼調(diào)制[3]，利用信道復(fù)用的方式完成信號傳輸。VLC信號復(fù)用分為時分復(fù)用、頻分復(fù)用、波分復(fù)用及碼分復(fù)用。其中，時分復(fù)用需要系統(tǒng)內(nèi)的光源輪流發(fā)送信號，將造成一定的時間延時，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)光源數(shù)量增多時，延時更為明顯，難以滿足照明需要。波分復(fù)用VLC系統(tǒng)意味著要使用可見光不同的波段，需要RGB光源和特殊的感光PD。正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術(shù)具有抵抗多徑干擾的特點(diǎn)，是一種常用的VLC調(diào)制方式。文獻(xiàn)[8]利用非對稱限幅光OFDM調(diào)制奇載波，將調(diào)制后的子載波進(jìn)行成對編碼，并在接收端使用RSS技術(shù)獲取位置信息，提高了定位精度。文獻(xiàn)[9]提供了一種基于高速VLC系統(tǒng)的定位方案，即利用離散多音(discrete multi tone,DMT)調(diào)制技術(shù)，在不影響通信效率的情況下通過功率衰減模型確定每個子載波信號RSS，從而實(shí)現(xiàn)距離估計(jì)，得到厘米級定位結(jié)果。文獻(xiàn)[10]提出了基于CDMA調(diào)制的方法，即利用CDMA調(diào)制中擴(kuò)頻碼的正交性，對每個VLP光源的ID定位信息進(jìn)行特定的正交碼直接擴(kuò)頻處理，然后在接收端經(jīng)自適應(yīng)濾波器分辨出各VLP光源的ID碼和對應(yīng)的信號強(qiáng)度。

2.2 定位算法優(yōu)化

針對VLP系統(tǒng)易受背景光和漫反射影響的問題，文獻(xiàn)[6]提出了使用相關(guān)函數(shù)檢測和小波分析降低信號噪聲的方法。文獻(xiàn)[24]針對散粒噪聲和熱噪聲等干擾因素，采用自適應(yīng)濾波和互相關(guān)檢測等數(shù)字信號處理方法提高了系統(tǒng)定位精度，將系統(tǒng)定位誤差控制在0.01 m以內(nèi)，一定程度上克服了環(huán)境光對定位結(jié)果的影響。針對指紋定位匹配效率的問題，文獻(xiàn)[12]使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法提高了指紋定位的效率。文獻(xiàn)[21]采用粒子群優(yōu)化重構(gòu)信號，提高了指紋定位的穩(wěn)健性。為了減少指紋庫數(shù)量，基于光RSS指紋匹配的定位方法通常只考慮平面定位計(jì)算。針對基于光RSS測距三維定位的精度和計(jì)算效率問題，文獻(xiàn)[11，23]采用機(jī)器學(xué)習(xí)與智能算法，降低了環(huán)境對接收功率的影響，提高了定位精度和計(jì)算效率。

2.3 定位方法融合

在基于PD的VLP方法中，相較于單一定位方法，混合信息定位方法能夠提高定位精度和穩(wěn)健性。文獻(xiàn)[18]提供了一種基于混合TOA+RSS信息融合的定位方法，采用前置無跡卡爾曼濾波的粒子濾波算法將TOA信息與RSS信息進(jìn)行融合，然后修正由于多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的非線性誤差，在5 m×5 m×3 m的測試條件下平均誤差達(dá)2 cm。文獻(xiàn)[19]提出了一種基于TDOA+AOA的混合定位算法，通過引入半定松弛因子(semi-definite relaxation，SDR)的方法尋找最優(yōu)解，在10 m×10 m×3 m的仿真環(huán)境中平均定位誤差為1.39 cm。文獻(xiàn)[20]研究了基于混合AOA+RSS的方法，根據(jù)RSS信息采用加權(quán)最小二乘法，從而提高AOA的定位精度。

2.4 多PD傳感器終端定位方法

文獻(xiàn)[16]基于圓形PD陣列實(shí)現(xiàn)了基于AOA的VLP系統(tǒng)，系統(tǒng)的測角定位精度受PD數(shù)量的影響。文獻(xiàn)[22]研究了基于多PD傳感器的VLP定位方法，并應(yīng)用在電網(wǎng)巡檢工作環(huán)境中。如圖7(a)所示，將5個PD分布在四棱臺表面組成接收機(jī)，通過探索接收功率和相對位置建立多PD接收定位的通用模型，在信道去噪后根據(jù)泰勒公式和隱函數(shù)存在定理提出線性迭代方法，在確保計(jì)算效率的情況下提高了定位結(jié)果精度。文獻(xiàn)[25]針對移動機(jī)器人定位需求，提出了一種基于旋轉(zhuǎn)云臺的多PD定位系統(tǒng)。如圖7(b)所示，在云臺旋轉(zhuǎn)過程中，接收機(jī)可以感知到空間中定位光源的光強(qiáng)功率值并接收光源的定位信息，當(dāng)接收到某個光源的光強(qiáng)最大時，認(rèn)為此時PD正對該光源，進(jìn)而記錄此時相對該光源的方位角，基于AOA方法實(shí)現(xiàn)定位，在5 m空間距離內(nèi)定位誤差小于15 cm。多PD定位方案在一定程度上克服了基于單個PD的接收角度限制，具有較好的場景適用性。

圖7 多PD接收機(jī)

2.5 技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

LED_ID方法邏輯簡單、實(shí)現(xiàn)方便、系統(tǒng)簡潔，定位精度取決于光源的布設(shè)密度，是一種最先商用化的可見光定位方式之一，主要用于文博展館定位導(dǎo)覽，但定位精度低?；跁r間到達(dá)方法的定位系統(tǒng)對時間同步要求較高，系統(tǒng)復(fù)雜度和成本較高，難以推廣應(yīng)用。基于角度達(dá)到的多PD傳感器方案，定位適應(yīng)性較強(qiáng)，但對光源定位信息發(fā)送端和接收端都具有較高要求，目前仍處于研究階段?；诠釸SS測距的方法對PD光功率測量的精度要求較高，且需要建立離線標(biāo)定關(guān)系，定位系統(tǒng)容易受背景光干擾，可移植性較差，但適用特定封閉環(huán)境，如隧道環(huán)境下對地鐵列車的定位[7]、電廠高壓電線路巡檢[22]、無人化超市定位導(dǎo)引[38]等場景。

3 基于成像的VLP方法

基于IS的VLP方式包括光源成像識別和測量定位兩個階段。成像識別階段主要利用成像傳感器卷簾快門效應(yīng)獲取VLP光源成像的條紋圖像，然后通過分析光源條紋特征獲取光源ID；成像定位階段根據(jù)定位所參考光源的數(shù)量分為單光定位和多光源定位兩種方法。

3.1 基于IS的VLP光源識別定位方法

成像法VLP系統(tǒng)一般使用CMOS成像傳感器作為接收端，發(fā)送端將調(diào)制的LED_ID信息以亮滅閃爍的方式不斷廣播，CMOS成像傳感器通過卷簾快門工作機(jī)制對VLP光源成像，卷簾快門從上到下按行依次曝光逐行感知VLP光源的明暗閃爍，得到灰度條紋圖像。圖8(a)為不同形狀光源的成像效果。成像識別階段主要通過數(shù)字圖像處理方法提取VLP光源的圖像區(qū)域、幾何特征點(diǎn)及明暗條紋信息(圖8(b))，然后對光源條紋進(jìn)行解碼，獲取光源的LED_ID信息及其對應(yīng)的光源坐標(biāo)信息，為成像定位提供坐標(biāo)參考。

圖8 VLP光源識別定位方法

測量定位階段根據(jù)攝影測量原理，利用相機(jī)內(nèi)參數(shù)和VLP光源參考點(diǎn)坐標(biāo)信息計(jì)算相機(jī)位姿實(shí)現(xiàn)定位。室內(nèi)常用的LED光源主要分為小尺寸圓形燈和較大尺寸的矩形燈，布局方式多樣。因此，根據(jù)VLP系統(tǒng)所用光源的形狀、尺寸、數(shù)量及空間布局，分為單光源VLP方法和多光源VLP方法，同時根據(jù)VLP系統(tǒng)中所用的IS數(shù)量，分為單目VLP和雙目VLP系統(tǒng)?；趩喂庠吹腣LP方法中，多數(shù)成像VLP系統(tǒng)的定位終端需要增加IMU姿態(tài)傳感器輔助成像提高定位精度。

3.2 基于IS的多光源VLP方法

基于多個光源成像的VLP系統(tǒng)如圖9(a)所示，一般使用4個以上尺寸較小的圓形光源，要求定位終端成像范圍至少涵蓋3個以上光源，滿足空間后方交會成像位姿計(jì)算需要。定位終端相機(jī)對多個VLP光源成像后，定位計(jì)算流程如圖9(b)所示。首先，分別提取每個VLP光源區(qū)域圖像，計(jì)算每個VLP光源圖像的中心坐標(biāo)，并解析明暗條紋信息，獲取光源LED_ID及其對應(yīng)的空間坐標(biāo)；然后，根據(jù)成像幾何關(guān)系計(jì)算相機(jī)位姿，得到定位結(jié)果，光源圖像的中心像點(diǎn)一般取光斑輪廓幾何中心或重心，LED_ID可以根據(jù)條紋圖像解碼或基于規(guī)則匹配的方法識別；最后，進(jìn)行成像位姿計(jì)算，輸出定位結(jié)果。

圖9 多光源成像定位原理及計(jì)算流程

成像幾何關(guān)系如下

(6)

成像位姿估計(jì)可以根據(jù)參與計(jì)算的光源數(shù)量采用不同的解法。當(dāng)光源數(shù)量為3時，可以使用單像空間后方交會、角錐體等方法計(jì)算；當(dāng)光源數(shù)量大于3時，可以采用EPNP、四元數(shù)等方法進(jìn)行計(jì)算[29]?；诔上竦腣LP系統(tǒng)的定位精度與成像距離、成像分辨率、光源分布等因素有關(guān)，位置估計(jì)誤差一般處于厘米量級，方位旋轉(zhuǎn)角估計(jì)誤差可小于1°[40]。

3.3 單光源VLP_IS方法

建筑走廊等室內(nèi)區(qū)域光源分布距離較遠(yuǎn)，成像區(qū)域難以覆蓋3個以上的VLP光源。當(dāng)成像視野中僅有一個圓形VLP光源時，理論上只能提供一個定位參考，不能提供定向參考。針對單個小尺寸圓形VLP系統(tǒng)，文獻(xiàn)[30]基于智能手機(jī)提供的方位角和傾斜角，結(jié)合CMOS傳感器提出了一種AOA測量定位方法，文獻(xiàn)[31]提出了一種基于雙目視覺和IMU輔助的成像定位方法。如圖10(a)所示，將雙目視覺傳感器與IMU姿態(tài)傳感器集成為成像定位模塊，在雙目視覺坐標(biāo)系中測量模塊圓點(diǎn)O到VLP光源中心P的空間距離L，同時記錄此時IMU的空間姿態(tài)角，將OP轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系中的空間向量，從而得到O點(diǎn)的世界坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)使用矩形光源作為定位參考時，可以直接利用矩形光源4個頂點(diǎn)實(shí)現(xiàn)成像定位，但需要在圖像上能夠確定矩形頂點(diǎn)的像點(diǎn)與其空間坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系。文獻(xiàn)[29]在光源上設(shè)置參考標(biāo)記，解決光源4個像點(diǎn)與其世界坐標(biāo)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)基于矩形光源的成像定位，如圖10(b)所示。

圖10 單光源成像定位

4 成像VLP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

光源圖像輪廓提取和ID識別是基于IS的VLP系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)，不同性能的成像傳感器獲取的光源條紋清晰度存在較大差異?，F(xiàn)有的成像法VLP技術(shù)多采用高性能成像傳感器和圓形光源，基于普通成像傳感器和矩形平板光源的VLP系統(tǒng)構(gòu)建研究較少，限制了成像VLP方法的推廣應(yīng)用。針對這一問題，本節(jié)在總結(jié)成像VLP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹一種基于普通成像傳感器和矩形平板光源的定位系統(tǒng)構(gòu)建方法。

4.1 光源圖像提取

VLP光源輪廓計(jì)算和光源條紋提取是IS方法的首要步驟，主要使用數(shù)字圖像方法獲取光源區(qū)域，截取光源區(qū)域條紋信息。針對圓形VLP光源，文獻(xiàn)[31]采用自適應(yīng)二值化方法分離出圓形光斑區(qū)域，然后計(jì)算圖像中光源區(qū)域輪廓，并計(jì)算輪廓圓度，設(shè)定圓度閾值濾除非光源區(qū)域。矩形VLP光源區(qū)域的提取與圓形光源的流程類似，提取光源輪廓后，需要根據(jù)輪廓點(diǎn)序列之間的角度關(guān)系確定矩形的頂點(diǎn)[29]。圓形光源的中心像點(diǎn)和矩形光源的頂點(diǎn)像點(diǎn)稱為視覺關(guān)鍵點(diǎn)，這些關(guān)鍵點(diǎn)的圖像提取精度直接影響成像定位精度。

4.2 基于成像的LED_ID識別

4.2.1 VLP光源條紋特點(diǎn)

VLP光源成像條紋明暗間隔與LED_ID信號調(diào)制發(fā)送頻率、成像傳感器的幀率及分辨率等因素有關(guān)，與成像距離無關(guān)；但VLP光源圖像條紋的數(shù)量與光源尺寸和成像距離有直接關(guān)系，在同等成像條件下光源尺寸越大，成像距離越近，光源圖像條紋數(shù)量越多，能夠發(fā)送的LED_ID容量越大。多數(shù)CMOS相機(jī)有一個門限延時，導(dǎo)致條紋圖像在規(guī)律性移動，給解碼帶來一定困難。條紋圖像的清晰度與CMOS的性能有較大關(guān)系，如圖11(a)所示，左邊條紋為高性能CMOS對VLP光源的成像條紋，右邊為普通CMOS成像傳感器對同一VLP光源的成像效果。將條紋圖像轉(zhuǎn)化為灰度曲線，如圖11(b)所示。高性能CMOS條紋灰度曲線區(qū)分度較大，周期性明顯，容易轉(zhuǎn)化為高低信號進(jìn)行解碼；普通CMOS條紋曲線區(qū)分度較小，雖然具有明顯的周期特征，但難以設(shè)置固定閾值進(jìn)行二值化區(qū)分高低信號，難以滿足解碼需要。因此，根據(jù)條紋圖像是否清晰可以將基于成像的LED_ID識別分為成像解碼法和信號模板匹配法。

圖11 條紋圖像與灰度曲線

4.2.2 基于高性能CMOS的LED_ID識別方法

4.2.3 基于普通CMOS光源LED_ID匹配方法

針對普通CMOS傳感器對VLP光源成像的條紋難以解碼的問題，本文提出一種基于信號自相關(guān)序列的匹配方法。根據(jù)數(shù)字信號處理方法離散周期信號序列{x(n)}與其自相關(guān)序列{rxx(l)}周期相同，只要離散周期信號序列數(shù)量n大于其周期數(shù)，即可計(jì)算其自相關(guān)序列，且自相關(guān)序列計(jì)算結(jié)果基本不受n的影響。因此，將VLP光源條紋圖像的灰度值序列(visible light positioning light source imaging fringe signal sequence，VLP_IFS)抽象為離散周期信號，分析其自相關(guān)序列特征，可以克服CMOS傳感器門限延時對信號分析的影響。使用普通CMOS傳感器，4個不同LED_ID光源成像條紋灰度序列的自相關(guān)序列波動情況如圖12所示。周期對應(yīng)光源信號調(diào)制頻率，波動特征代表不同的LED_ID數(shù)據(jù)，可以通過周期數(shù)和波動特征作為光源LED_ID匹配依據(jù)。因此，可以通過VLP光源CMOS成像灰度信號的自相關(guān)序列(visible light positioning light source imaging fringe signal autocorrelation sequence，VLP_IFSAS)建立VLP光源LED_ID匹配規(guī)則。

圖12 基于VLP_IFS的自相關(guān)序列分析

通過計(jì)算VLP_IFSAS的周期推斷出VLP_IFS的周期后，理論上提取一個周期數(shù)量的VLP_IFS序列作為模板是一種理想的方式，但穩(wěn)定提取一個周期的VLP_IFS信號對CMOS成像傳感器和軟件算法的要求較高；而一個周期的VLP_IFSAS能夠直接計(jì)算，對成像質(zhì)量要求不高，且具有一定抗噪聲干擾能力，能夠解決成像質(zhì)量較差無法滿足直接解碼的CMOS傳感器的可見光通信光源識別問題?；赩LP_IFSAS的光源識別匹配流程如圖13所示。運(yùn)用數(shù)字圖像處理方法提取VLP光源圖像區(qū)域，根據(jù)條紋圖像區(qū)域逐行計(jì)算灰度平均值，得到VLP_IFS序列v(n)={v1,v2,…,vn},v∈[0,255]；根據(jù)序列v(n)進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算，得到VLP_IFSASrvv(l)={n1,n2,…,nT,…}，并計(jì)算rvv(l)的周期數(shù)T；提取序列rvv(l)中前T個數(shù)值，并進(jìn)行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化序列X={x1,x2,…,xT},x∈[0,1]；以{X,T}為LED_ID匹配模板，進(jìn)行匹配計(jì)算得到對應(yīng)LED_ID對應(yīng)的光源空間信息。

圖13 基于VLP_IFSAS的光源匹配流程

基于模板{X,T}信息，周期數(shù)T可作為模板匹配的初步條件，定義相同周期數(shù)的模板匹配度序列為

DS=X-XM

(7)

式中，X為待匹配序列；XM為模板序列；DS={d1,d2,…,dT},d∈(-1,1)。顯然，在建立光源模板時，采集多張光源圖像平均化計(jì)算XM可提高模板的穩(wěn)健性，若待匹配序列和模板光源一致，DS序列必然整體數(shù)值較小，反之會出現(xiàn)局部較大值。光源匹配判別可以視為SVM分類問題，使用多組光源數(shù)據(jù)相互計(jì)算DS序列，生成關(guān)于DS序列的正負(fù)樣本進(jìn)行SVM訓(xùn)練，匹配的DS序列視為正樣本，非匹配的視為負(fù)樣本，變換SVM核函數(shù)找到最佳的分類效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于VLP_IFSAS的光源匹配識別。

4.3 基于矩形平板VLP光源的成像識別與定位方法

基于多光源成像的VLP方法需要考慮光源布局與成像姿態(tài)，工程化應(yīng)用受到較大限制?；趩蝹€光源的成像定位方法需要使用IMU輔助成像定位計(jì)算[29-33]或限定成像姿態(tài)[34-35]。多數(shù)成像VLP系統(tǒng)均使用圓形光源，文獻(xiàn)[29]研究了基于矩形平板光源的成像定位方法，在此基礎(chǔ)上本文提出一種基于平板VLP光源的成像識別與定位計(jì)算方法。如圖14所示，通過數(shù)字圖像處理和基于VLP_IFSAS方法已經(jīng)完成光源的LED_ID識別，并提取了矩形角點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，如何確定矩形角點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)與其世界坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系是一個關(guān)鍵問題。針對這一問題，本文提出一種基于IMU磁方位角對應(yīng)關(guān)系的判別方法，流程如圖15所示。在確定矩形光源的角點(diǎn)世界坐標(biāo)與其像點(diǎn)坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系時，首先假定一種對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行成像定位計(jì)算，得到定位模塊的航向角，然后計(jì)算航向角H與IMU傳感器的地磁偏轉(zhuǎn)角M的差值，如果差值角度E小于一定閾值，則為正確關(guān)系，否則繼續(xù)假定計(jì)算。矩形VLP光源4個角點(diǎn)的逆時針像點(diǎn)序列與其世界坐標(biāo)逆時針序列的對應(yīng)關(guān)系共有4種，因此最多計(jì)算4次即可確定對應(yīng)關(guān)系。

圖14 矩形VLP光源視覺識別與頂點(diǎn)提取

圖15 基于IMU輔助的矩形光源角點(diǎn)匹配流程

通常情況下，當(dāng)參考點(diǎn)空間坐標(biāo)與其像點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)一致時，成像定位計(jì)算出來的航向角H與IMU提供的地磁方位角M相差不大，一般不超過10°，即E=|H-M|<10。當(dāng)磁方向傳感器受到較強(qiáng)的磁場干擾時，會導(dǎo)致地磁方位角不準(zhǔn)確。若地磁方位角誤差大于45°，則基于磁方位角的判別方法將無法工作，出現(xiàn)系統(tǒng)判斷錯誤的情況，因此偏差角度C的閾值設(shè)置為45°。

4.4 成像VLP系統(tǒng)應(yīng)用

在VLP_IS系統(tǒng)中，每個光源都是一個獨(dú)立的發(fā)射單元，無須進(jìn)行光源同步，不同光源信號疊加對定位結(jié)果沒有影響，因此光源系統(tǒng)布設(shè)便捷、成本較低、易于工程化應(yīng)用。智能手機(jī)等搭載CMOS成像傳感器終端的廣泛應(yīng)用，為基于成像的VLP系統(tǒng)奠定了硬件基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[33]基于成像解碼方法獲取了光源LED_ID確定定位區(qū)域，然后根據(jù)光照度模型及手機(jī)陀螺儀獲得的方向角推算出具體位置信息，用于室內(nèi)定位導(dǎo)航。文獻(xiàn)[29，31]研究了針對不同形狀光源的高精度成像VLP方法，用于室內(nèi)移動機(jī)器人定位導(dǎo)航。文獻(xiàn)[33—34]將成像VLP系統(tǒng)用于地下停車導(dǎo)航，兼顧照明與位置服務(wù)。文獻(xiàn)[36]利用井下防爆攝像儀采集LED礦燈的可見光通信條紋圖像，通過成像解碼確定礦燈編號對應(yīng)人員信息，結(jié)合成像幾何原理實(shí)現(xiàn)了礦井人員監(jiān)控定位。

5 總 結(jié)

本文總結(jié)了基于PD和IS的VLP方法，系統(tǒng)分析了兩種定位方法的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用情況。兩種方法在定位精度、對系統(tǒng)硬件的要求及可移植性方面的比較見表1。

表1 不同VLP定位系統(tǒng)方法比較

兩種法均能達(dá)到厘米級定位精度，各有優(yōu)點(diǎn)和不足。基于PD的VLP方法定位速率較高，計(jì)算量小，定位終端容易集成，但對光源發(fā)送端的信號調(diào)制要求較高，光源分布的密度對定位算法影響較大，適合專用場景部署，需要進(jìn)一步研究抗環(huán)境光干擾的信號濾波方法，以提高定位系統(tǒng)的穩(wěn)健性，基于多個PD與IMU傳感器融合的定位方法是多傳感器融合室內(nèi)定位應(yīng)用研究的方向之一?；贗S的VLP方法無須考慮光源之間的信號干擾問題，定位精度較高，但需要考慮光源布局并解決光源視覺跟蹤識別等問題。基于IMU輔助的成像定位方法對光源布局要求不高，適合用于移動智能手機(jī)、移動機(jī)器人等終端的定位需求。受室內(nèi)光源布局和成像視角的限制，基于成像的定位方案往往存在定位盲區(qū)，在移動定位中容易出現(xiàn)光源失鎖情況，導(dǎo)致移動定位過程不夠連續(xù)。針對這一問題，基于廣角相機(jī)[41]的VLP光源成像識別與定位方法值得進(jìn)一步研究。矩形平板光源具有尺寸大、視覺特征明顯的特點(diǎn)，能夠提供定位和定向參考，適合作為基于成像技術(shù)的VLP光源。光源視覺識別跟蹤效率制約了成像定位的速率，VLP光源的快速視覺識別和跟蹤是工程化應(yīng)用研究的主要方向。光源作為空間位置固定的室內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施，可以作為全局定位參考。兩種VLP定位方法相結(jié)合，以及視覺導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等系統(tǒng)相融合是室內(nèi)多技術(shù)融合定位導(dǎo)航發(fā)展的主要方向之一。