王加安，楊鴻基，劉疏影

(常州工學(xué)院 光電工程學(xué)院，江蘇 常州213032)

0 引 言

近年來(lái)，基于照明的可見(jiàn)光通信技術(shù)在室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域取得了重要成果，如何提高可見(jiàn)光通信的定位精度已成為眾多專(zhuān)家學(xué)者主要的研究方向[1-4]。

為了提高可見(jiàn)光定位的精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。許毅欽等人[5]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間距離預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)了室內(nèi)基于可見(jiàn)光通信的定位系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量每個(gè)LED的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定接收器在三維空間的坐標(biāo)。李斗鵬[6]建立了基于PD傳感器的室內(nèi)可見(jiàn)光定位系統(tǒng)中LED信號(hào)的空間傳輸模型，主要針對(duì)LED安裝平面與PD接收平面平行的場(chǎng)景，即LED的輻射角φ與光電接收器的入射角ψ相等的情形。這種方式的室內(nèi)定位系統(tǒng)需要高幀率的攝像頭，成本高并且需要處理的數(shù)據(jù)量較大，LED中的R、G、B三色配比，會(huì)影響正常的停車(chē)場(chǎng)照明裝置。于穎等人[7]設(shè)計(jì)的地下車(chē)庫(kù)路徑導(dǎo)航系統(tǒng)中，需要將車(chē)庫(kù)的物理外觀抽象為平面模型，運(yùn)用蟻群算法對(duì)導(dǎo)航路徑進(jìn)行計(jì)算，得到的路徑規(guī)劃信息通過(guò)MSP430單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率的方波信號(hào)，這樣一來(lái)，接收機(jī)處的前置放大電路作為光信號(hào)恢復(fù)的關(guān)鍵部分，直接影響到接收機(jī)的靈敏度，也會(huì)影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

綜上所述，在基于可見(jiàn)光通信的定位系統(tǒng)研究中，LED信號(hào)的驅(qū)動(dòng)以及其他各種環(huán)境因素的干擾對(duì)于定位精度的影響較大[8-9]。針對(duì)這些問(wèn)題，本文對(duì)基于可見(jiàn)光通信的定位系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)干擾因素提出了解決方案，提升了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，并大幅減小了環(huán)境對(duì)光源的影響，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位。

1 室內(nèi)可見(jiàn)光通信基本信道模型

在無(wú)線光通信的研究中信道主要分成直射路徑的視距鏈路(Line of Sight，LOS)與非直射路徑的視距鏈路(Non-line of Sight,NLOS)兩類(lèi)，室內(nèi)可見(jiàn)光通信信道也主要分成這兩類(lèi)[10]。其中，LOS 信道如圖1(a)所示，接收到的能量占主要部分，但其易受到障礙物的遮擋從而阻斷信號(hào)的傳輸；NLOS 信道如圖1(b)所示，通信系統(tǒng)不易受物體的陰影效應(yīng)的影響，信號(hào)經(jīng)過(guò)墻面或物體表面的漫反射到達(dá)接收模塊，降低收發(fā)兩端的指向要求，缺點(diǎn)是存在多徑效應(yīng)，干擾通信質(zhì)量，同時(shí)對(duì)信號(hào)的傳輸速率有限制。

圖1 視距鏈路圖

綜合考慮本系統(tǒng)的使用場(chǎng)景為停車(chē)場(chǎng)自動(dòng)導(dǎo)航，信道以直射鏈路為主，主要對(duì)直射鏈路的信道增益及接收光功率進(jìn)行分析。由于LOS信道受多徑效應(yīng)的影響比較小，信道鏈路可看成是線性衰減和延遲的。假設(shè)傳輸距離為d，接收端光電檢測(cè)器的感光面積為Ar，由于LED屬于朗伯輻射模型，當(dāng)d>>Ar時(shí)，光電檢測(cè)器接收到的光功率可看成是一個(gè)常數(shù)。在一個(gè)光鏈路中，直射增益可以表示為

(1)

(2)

式中：n表示折射指數(shù)。假設(shè)發(fā)射光功率為Pt，則經(jīng)過(guò)LOS信道傳輸，接收到的光功率可以表示為

Pr-los=Hlos(0)·Pt。

(3)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于可見(jiàn)光通信的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)主要包含4個(gè)模塊，分別是導(dǎo)航位置監(jiān)測(cè)模塊、可見(jiàn)光信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊、位置語(yǔ)音播放模塊以及定位導(dǎo)航模塊。導(dǎo)航位置監(jiān)測(cè)模塊獲得各點(diǎn)的位置信息，并將位置信息發(fā)送至可見(jiàn)光信號(hào)調(diào)制模塊，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)后經(jīng)由LED發(fā)出；可見(jiàn)光信號(hào)解調(diào)模塊采集拍攝圖像，通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)所采集到的圖片信息進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，將計(jì)算得到的位置坐標(biāo)顯示到顯示屏上，確定被測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，定位導(dǎo)航模塊根據(jù)最優(yōu)規(guī)劃路徑進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航。本文采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)調(diào)制方法，通過(guò)電源驅(qū)動(dòng)LED，發(fā)送音頻信號(hào)，語(yǔ)音播報(bào)坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航的功能。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.1 導(dǎo)航位置監(jiān)測(cè)模塊

2.1.1 基于光信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)方法

基于光信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)的可見(jiàn)光定位方法是對(duì)檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析,從而獲取更加精確的定位坐標(biāo)。該方法一般利用強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)手段,根據(jù)不同的載波類(lèi)型，將光信號(hào)從發(fā)射端發(fā)出，從而降低固定區(qū)域內(nèi)的信號(hào)干擾。這種檢測(cè)方法以LED的輻射模型為基礎(chǔ),根據(jù)光照信號(hào)強(qiáng)度的不同實(shí)現(xiàn)距離的計(jì)算。

2.1.2 基于最小二乘法的定位坐標(biāo)計(jì)算

運(yùn)用光信號(hào)高頻噪聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行干擾噪聲處理，減少了區(qū)域內(nèi)信號(hào)互相干擾。從LED的光照輻射強(qiáng)度分布特征可知，光信號(hào)的輻射強(qiáng)度可用接收器與LED光源之間距離的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示。在檢測(cè)到的定位時(shí)序中，接收器根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度分別進(jìn)行分析，得到不同類(lèi)型的光源信號(hào)；對(duì)接收到的每個(gè)光源信號(hào)進(jìn)行分析，進(jìn)一步計(jì)算得到接收器的位置坐標(biāo)。光源信號(hào)強(qiáng)度在線檢測(cè)法的最重要環(huán)節(jié)就是根據(jù)每個(gè)接收器和光源之間的光線距離強(qiáng)度來(lái)準(zhǔn)確獲取每個(gè)接收器的光源位置，利用三角定位法進(jìn)一步提高定位的精準(zhǔn)度，降低算法的復(fù)雜性，本文通過(guò)使擬合數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小即最小二乘法實(shí)現(xiàn)。假定接收器接收到的信號(hào)源總數(shù)是M，接收端待測(cè)坐標(biāo)為(x,y)，Li表示待測(cè)坐標(biāo)與第i個(gè)信號(hào)源之間的距離，因此有

(4)

則誤差函數(shù)表達(dá)式如下：

fc=(HX-Y)T(HX-Y) 。

(5)

式中：

對(duì)誤差函數(shù)求導(dǎo)，并使其等于0，有

2HTHX-2HTHY=0，

(6)

X=(HTH)-1HTY。

(7)

如果HTY為非奇異的，可以直接獲取接收器坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位。

2.2 可見(jiàn)光信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊

2.2.1 可見(jiàn)光通信調(diào)制方式

可見(jiàn)光通信編碼一般有脈沖寬度調(diào)制、開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制(On-Off Keying,OOK)和脈沖調(diào)制編碼(Pulse Position Modulation，PPM)三種方式，其中PWM編碼是用同一種頻率的方波來(lái)發(fā)送信號(hào)，用方波的占空比來(lái)區(qū)別高低電平。為了減少發(fā)射功率，本文采用高電平固定，通過(guò)改變低電平的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM編碼，編碼格式如圖3所示。使用高電平脈沖寬度2 μs、低電平8 μs表示邏輯“1”；高電平脈沖寬度2 μs、低電平脈沖寬度3 μs表示邏輯“0”；高電平脈沖寬度2 μs、低電平脈沖寬度15～65 μs表示啟動(dòng)代碼。需要注意的是，在編碼過(guò)程中，高電平脈沖寬度應(yīng)盡可能小，從而不影響接收器識(shí)別，以降低傳輸?shù)目傮w功耗，便于在硬件電路上提高發(fā)射管的瞬時(shí)功耗，提高信噪比，延長(zhǎng)通信距離。

圖3 PWM調(diào)制編碼

2.2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)航驗(yàn)證系統(tǒng)大小為1 m×1 m×1 m，光源選擇的是聚光性好、發(fā)射功率大的3 W LED燈珠，系統(tǒng)采用歐司朗的SinkPAD芯片控制LED高亮，完成信號(hào)的發(fā)射，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高信噪比的通信。LED驅(qū)動(dòng)電路如圖4(a)所示。

圖4 發(fā)射端電路圖

為了避免在對(duì)LED進(jìn)行全開(kāi)全關(guān)調(diào)制時(shí)系統(tǒng)輸出出現(xiàn)非線性失真的情況，采用Bias-Tee ZFBT-4R2GW-FTB偏置器提供偏置電流，同時(shí)系統(tǒng)中加入了可提高LED驅(qū)動(dòng)能力的BUF634T芯片，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED調(diào)制的作用。

2.2.3 前置放大電路

一般情況下，要傳輸?shù)男盘?hào)是直接輸出或采集的，且信號(hào)幅度相對(duì)較小，需要進(jìn)行高倍率處理。為了減少干擾信號(hào)，在信號(hào)輸入端增加了大功率交流放大電路,如圖4(b)所示。

2.2.4 接收電路設(shè)計(jì)

首先本系統(tǒng)采用運(yùn)算放大芯片OPA657構(gòu)建如圖5(a)所示的一級(jí)放大電路。要想實(shí)現(xiàn)伏級(jí)的電壓輸出，如果僅通過(guò)一級(jí)放大電路，那么反饋電阻達(dá)到幾萬(wàn)歐以上，如此大的反饋電阻會(huì)引起兩個(gè)問(wèn)題：一是白光LED的光信號(hào)是在一個(gè)直流偏置上疊加的，調(diào)制深度較小，外界的雜光干擾如日光等也增加了直流成分，因此轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)直流成分多，信號(hào)成分微弱，且容易飽和，信號(hào)全部丟失；二是接收端帶寬將急速下降，失去信號(hào)高頻成分，提高了系統(tǒng)誤碼率。為了解決這一問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以兩片OPA657芯片為核心組成二級(jí)運(yùn)算放大電路，無(wú)源高通濾波器處于兩級(jí)放大之間和第二級(jí)輸出之后，濾除直流成分，第二級(jí)運(yùn)放只放大信號(hào)的高頻分量，具體電路結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。

圖5 放大電路

在二級(jí)放大電路中，由電容C2、C3及R3、R4組成的高通濾波網(wǎng)絡(luò)其特性用輸出電壓與輸入電壓比值的絕對(duì)值表示：

(8)

(9)

實(shí)驗(yàn)中取C2=C3=1 μF，R3=R4=1 kΩ，則根據(jù)上式，f3 dB=452.27 Hz，濾除了直流和低頻成分。

2.2.5 解碼子程序設(shè)計(jì)

與信號(hào)的編碼過(guò)程相對(duì)應(yīng)，接收到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)識(shí)別和捕獲兩個(gè)數(shù)據(jù)下降線路沿的時(shí)間來(lái)確定：如果這個(gè)時(shí)間為 7 μs，則被確認(rèn)為數(shù)據(jù)“0”；如果持續(xù)時(shí)間是12 μs，則被確認(rèn)為數(shù)據(jù)“1”；如果開(kāi)始的時(shí)間是15～65 μs，則其起始位被判斷為主要數(shù)據(jù)。開(kāi)啟定時(shí)器，測(cè)量一次即收到一位數(shù)據(jù)，識(shí)別起始位后，將逐位接收和存儲(chǔ)下一個(gè)接收到的數(shù)據(jù)。如果在接收到起始位之后，檢測(cè)到時(shí)間不在數(shù)據(jù)0或1的時(shí)間范圍內(nèi)，則放棄該幀接收到的數(shù)據(jù)，并且將重新存儲(chǔ)下一幀數(shù)據(jù)的起始位。

2.3 位置語(yǔ)音播放模塊

語(yǔ)音信號(hào)功率放大器的輸出模塊原理框圖如圖6所示，電路主要由音頻運(yùn)算放大器TAD2822組成。語(yǔ)音信號(hào)的功率放大輸入模塊電路主要包括帶通濾波器和功率放大電路兩部分，其中帶通濾波器用于濾除D/A輸出信號(hào)中的混疊頻率分量，降低干擾。

圖6 語(yǔ)音信號(hào)功放電路圖

2.4 定位導(dǎo)航模塊

定位導(dǎo)航模塊接收端的攝像頭智能捕捉停車(chē)場(chǎng)LED發(fā)出的圖像信息，濾除背景雜質(zhì)光后，獲得具體的位置信息，綜合計(jì)算車(chē)輛當(dāng)前所處實(shí)際位置，并在軟件終端顯示，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛定位。在用戶選擇目標(biāo)車(chē)位后，采用貝葉斯相位中心偏置天線(Bayesian Information Criterions Displaced Phase Center Antenna，BDPCA)聚類(lèi)算法[11-12],提供當(dāng)前位置到目標(biāo)車(chē)位的最佳路徑，實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)的自動(dòng)導(dǎo)航。

2.4.1 BDPCA聚類(lèi)算法

DPCA算法[13]由Alexrodriguez和Alessandrolaio在2014年首次提出，算法的核心就在于對(duì)聚類(lèi)中心點(diǎn)的描述，算法的實(shí)現(xiàn)基于以下假設(shè)：類(lèi)簇的中心點(diǎn)在周?chē)拿芏冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相鄰高密度點(diǎn)的密度。因此，DPCA算法主要有兩個(gè)核心部分，即局部密度和高密度位置之間的距離。

在DPCA算法中，根據(jù)決策圖進(jìn)行人工篩選，憑借主觀判斷數(shù)據(jù)的聚類(lèi)中心以及簇類(lèi)別，然而主觀的人工判斷容易出現(xiàn)誤判，給聚類(lèi)結(jié)果帶來(lái)很大的影響。本文提出將貝葉斯信息準(zhǔn)則(Bayesian Information Criterions，BIC)與DPCA算法融合的BDPCA算法，不但考慮了各類(lèi)參考因素在種群發(fā)生的概率，而且對(duì)誤判所帶來(lái)的定位誤差，算法都具有很強(qiáng)的辨別能力。

在BDPCA算法中需要注意兩點(diǎn)：一是要分類(lèi)的人群參考數(shù)量和人群的類(lèi)別，比如兩種情況下的參考整體(正常和異常)或異型的參考整體(良好、滿意、正常、不滿意、非允許等)；二是已知各種參考總體的概率和分布，即可得到已知每個(gè)參考總體的預(yù)驗(yàn)概率和各種概率密度的函數(shù)p，顯然，0≤p(Di)≤1，i=l，2，…，L，∑p(Di)=1。

2.4.2 最佳路徑導(dǎo)航

首先通過(guò)攝像頭傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)車(chē)輛的位置進(jìn)行判斷，系統(tǒng)獲取當(dāng)前停車(chē)場(chǎng)的空車(chē)位信息，利用BPDCA算法，選擇時(shí)間最少、距離最短的最佳車(chē)輛行駛路徑。通過(guò)組合最佳導(dǎo)航路徑上各節(jié)點(diǎn)處發(fā)出的 “0”“1”信號(hào)判斷該位置車(chē)輛的行駛方向。當(dāng)安裝在車(chē)輛上的運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)上方有其他運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)出頻率信號(hào)，安裝在上方車(chē)輛上的光電探測(cè)器將會(huì)接收此頻率信號(hào)，將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成駕駛員可以識(shí)別的信息顯示。當(dāng)該車(chē)輛通過(guò)了所在節(jié)點(diǎn)，那么此節(jié)點(diǎn)將變成后續(xù)車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航的指示信息。同樣，當(dāng)車(chē)輛需要離開(kāi)當(dāng)前車(chē)位時(shí)，傳感器將檢測(cè)到的車(chē)輛變化信息發(fā)送到系統(tǒng)，系統(tǒng)將為車(chē)輛做好出庫(kù)路線的規(guī)劃。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于可見(jiàn)光通信自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，建立了大小為1 m×1 m×1 m的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行定位和導(dǎo)航測(cè)試，實(shí)物照片如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

3.1 定位系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)物圖將4個(gè)象限分成了A、B、C、D 4個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中各隨機(jī)選取10組定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各區(qū)域的定位數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 定位測(cè)試數(shù)據(jù)表

表1(續(xù))

分析表1數(shù)據(jù)可知，經(jīng)40次定位實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的平均定位誤差為4.85 cm，最大定位誤差為7.90 cm，最小定位誤差為1 cm。本系統(tǒng)與文獻(xiàn)[5-7]定位系統(tǒng)定位誤差的比較如圖8所示。

圖8 與文獻(xiàn)[5-7]定位誤差對(duì)比圖

圖8的結(jié)果表明，本系統(tǒng)的定位誤差較小，定位精度較高，可滿足自動(dòng)導(dǎo)航的需求。

3.2 自動(dòng)導(dǎo)航路徑測(cè)試

為驗(yàn)證本系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)航的性能，以部分空閑停車(chē)位作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如圖9所示，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑進(jìn)行測(cè)試，并與文獻(xiàn)[14]進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示,導(dǎo)航路徑規(guī)劃如圖10所示。

圖9 停車(chē)場(chǎng)車(chē)位示意圖

表2 導(dǎo)航測(cè)試結(jié)果

圖10 導(dǎo)航路徑規(guī)劃圖

分析表2和圖10的結(jié)果可知，與文獻(xiàn)[14]相比，本系統(tǒng)的路徑規(guī)劃距離更近，系統(tǒng)的導(dǎo)航精度更好，經(jīng)過(guò)路徑所需要的時(shí)間更少，因而提升了自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的效率。

4 結(jié) 論

本文提出了一種利用照明LED的可見(jiàn)光通信自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)使用BDPCA聚類(lèi)算法高效地計(jì)算出系統(tǒng)最佳導(dǎo)航路徑，利用光強(qiáng)檢測(cè)的方法對(duì)定位坐標(biāo)實(shí)施精準(zhǔn)定位，快速有效地監(jiān)測(cè)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)空閑車(chē)位并進(jìn)行最優(yōu)的路徑規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的最大定位誤差為7.90 cm，平均定位誤差為4.85 cm，降低了26%，提升了定位精度；最佳導(dǎo)航路徑距離更短，所用時(shí)間平均降低了20%。本文的研究可以為可見(jiàn)光的定位導(dǎo)航提供一定的參考。