【摘 要】
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随着5G和人工智能技术的快速发展,基于室内位置的服务(Indoor Location Based Service,ILBS)需求量正快速增长,越来越受到学术界与工业界的关注。室内定位技术是实现ILBS的关键,可见光定位技术以可见光通信(Visible Light Communication,VLC)为基础,利用室内发光二极管(Light Emitting Diode,LED)可见光完成定位数据的广
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随着5G和人工智能技术的快速发展,基于室内位置的服务(Indoor Location Based Service,ILBS)需求量正快速增长,越来越受到学术界与工业界的关注。室内定位技术是实现ILBS的关键,可见光定位技术以可见光通信(Visible Light Communication,VLC)为基础,利用室内发光二极管(Light Emitting Diode,LED)可见光完成定位数据的广播,接收端基于光电探测器或图像传感器完成可见光信号的接收。可见光室内定位技术基于现有LED照明系统实现高精度和低成本的室内定位服务,应用前景十分广阔。论文选题来源于国家自然科学基金项目——“可见光通信的空间调光理论与技术研究”(项目编号:61871047)。目前可见光室内定位研究主要采取理论分析与仿真实现相结合的方式,缺乏验证平台的支撑;而现有的部分在线定位系统由于使用了专用硬件设备如混合接收机,不仅增加了平台实现复杂度和成本,还限制了系统可移植性、定位移动性和定位精度。针对上述问题和挑战,本课题对可见光室内定位平台进行研究,分别面向定位场景中的不同定位需求完成了平台设计与实现,将为后续理论研究提供有效的平台支撑和参考价值。本文的主要研究内容与创新如下:一、设计和实现了面向低成本需求的可见光室内定位平台。针对现有研究中的低成本需求、定位移动性以及定位鲁棒性问题,本文完成了平台基础硬件选型和电路实现,主要包括商业可得光电探测器、低成本LED调制和驱动电路等模块;自主设计并实现了基于Arduino的定位数据预处理算法模块、基于树莓派的定位算法模块和结果显示模块等。该平台在满足低成本和低计算复杂度需求下实现了基于近邻法的米级室内实时定位性能,平台实测的平均定位响应时间为0.3s,保证了干扰光强为1000Lux以下时的数据丢包率小于10-3,具备良好的抗干扰性能和定位移动性支持。二、设计并实现了面向高精度需求的可见光室内定位平台。针对现有研究中的高定位精度需求和高实现复杂度问题,本文完成了平台软硬件系统的设计与实现,硬件系统主要包括通用图像传感器接收机模块、定位LED阵列与微控制器模块以及辅助定位的相机标定模块等;在平台软件方面,设计并实现了定位LED全局图像跟踪算法、基于图像传感器的高精度定位算法以及用户软件UI界面的设计与开发。提出了基于图像分区VLC的定位数据接收机制,搭建了在线验证平台进行功能验证与性能分析,实测结果表明本平台实现了厘米级即平均定位误差小于10cm和平均定位响应时间小于1s的定位性能,在降低平台实现复杂度的同时有效保证了高精度实时定位需求和定位移动性支持。
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