基于多LED的高精度室内可见光定位方法

第37卷第3期电子与信息学报Vol.37No.32015年3月JournalofElectronics&InformationTechnologyMar.2015基于多LED的高精度室内可见光定位方法吴楠王旭东*胡晴晴何荣希(大连海事大学信息科学技术学院大连116026)摘要：针对可见光室内定位问题，该文基于接收信号强度(RSS)定位技术，提出一种利用多个LED发射端实现室内定位的方法，即MLED-RSS定位算法。该方法在充分考虑LED拓扑结构对定位性能影响的基础上，利用部署在室内的多个LED，合理选择其中3个LED作为发射节点，采用改进的三边定位法获得定位目标位置信息。定位算法可以有效地解决可见光定位存在的遮挡效应。仿真实验表明，MLED-RSS算法可以实现高定位精度。关键词：室内定位；可见光通信；接收信号强度；三边定位法中图分类号：TN929.1文献标识码：A文章编号：1009-5896(2015)03-0727-06DOI:10.11999/JEIT140725MultipleLEDBasedHighAccuracyIndoorVisibleLightPositioningSchemeWuNanWangXu-dongHuQing-qingHeRong-xi(InformationScienceTechnologyCollege,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)Abstract:InordertoapplyVisibleLightCommunication(VLC)toindoorpositioning,basedontheReceivedSignalStrength(RSS)positioningtechnology,aschemenamelyMLED-RSSpositioningalgorithm,utilizingmultipleLEDtransmitterstoachieveindoorpositioningisproposedinthispaper.Intheproposedscheme,theimpactoftopologyonpositioningperformanceisfullyconsidered,threeLEDsarereasonablyselectedfromthemultipleLEDsdeployedintheroomastransmittednodestoprovidepositioncoordinates,andthentheimprovedtrilaterationmethodisusedtoobtainthetargetlocationinformation.MLED-RSSpositioningalgorithmcaneffectivelysolvetheblockorshadoweffectexistinginindoorvisiblelocation.SimulationresultsshowthattheMLED-RSSpositioningalgorithmcanachievehighlocalizationaccuracy.Keywords:Indoorpositioning;VisibleLightCommunication(VLC);ReceivedSignalStrength(RSS);Trilaterationmethod1引言近年来，随着无线传感器网络及物联网技术的迅速发展，室内定位技术在智能机器人、大型商场导购等诸多领域中得到了广泛应用，成为重点研究对象之一。过去的几年里，对室内定位的研究主要停留在使用GPS,RFID，红外线，超声波，WLAN等技术。然而，采用GPS信号进行室内定位时，穿透建筑物墙壁后的射频信号非常弱导致定位误差过大。另一方面，采用RFID，红外线，超声波，WLAN等技术手段定位时，需要搭建复杂的定位设施环境，不仅成本高，定位精度和安全性也得不到有效保障[1]。LED的发明为照明技术领域带来了新的革命。LED几乎综合了各种传统光源的优势，具有使用电压低、功率低、寿命长、易于小型化等优点。同时，2014-05-29收到，2014-10-09改回国家自然科学基金(61371091)资助课题*通信作者：王旭东[e-mail]白光LED具有高速调制及响应时间短等特性，从而使得LED的应用从照明领域扩展到了通信领域[2]，能够同时实现照明和通信双重功能。基于白光LED的室内可见光通信(VLC)作为一种新兴的无线通信方式，在电磁辐射、使用环境、安全性等方面与射频无线通信方式相比有明显的优势[3]。基于这些原因利用可见光实现室内定位被认为是有效的选择[46]−。近期，可见光定位技术得到了较为深入的研究。文献[7]提出了一种基于图像传感器的可见光定位系统，可以实现测量接收端的位置和方向，但需要额外的图像处理技术且数据速率受限于图像处理速率。在文献[8]中给出了一种利用4个LED通过OOK调制信号收发功率差估计传输距离的定位方案，虽然可以取得一定精度但需要调制技术且背景光的影响较大。文献[9]提出的定位算法是基于指纹定位的思想，需要大的训练集，计算量大。常用的可见光定位技术主要是基于三角形法，该方法需要估计发射端和接收端的距离。有很多方法可以实现测距如接收信728电子与信息学报第37卷号强度(RSS)、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)[10]、到达角度(AOA)[11]等。AOA技术可以达到很好的精度估算，但在接收器侧需要部署图像传感器阵列，这是非常昂贵的。对于室内环境，发射机和接收器之间的较短距离导致信号的传输时间很短，对发射机与接收器的时钟精度及同步要求很高，使得TOA和TDOA技术难以实现。因此，RSS技术是使用可见光进行室内定位的解决方案之一。文献[12]提出了一种采用RSS技术的可见光室内定位系统，该系统‘采用且仅采用’3个LED作为发射机发射不同载波信号，接收端根据接收到的信号强度估计目标与发射机的距离，并且获得了误差约为6cm的定位性能。然而，仅使用3个定位光源导致定位节点(PN)在区域边缘定位精度下降。此外，当信源被遮挡(例如，人走动)时，文献[12]的系统无法完成定位功能。在文献[13]中，作者提出了一种基于VLC的简单室内定位方法，并对实现跟踪预测的Kalman和粒子滤波算法的性能进行了仿真分析，但这种跟踪性能对距离估计初始值精度要求较高，而算法中距离估计采用的传统三边定位法其精度和抗遮挡能力都很难满足要求。本文针对上述定位算法存在的问题，提出了一种利用多个LED发射端实现室内定位的方法，即MLED-RSS定位算法。结合室内照明LED布局实际情况，在充分考虑LED布局拓扑结构对定位性能影响的基础上，利用冗余的LED，合理选择3个LED，采用改进的三边定位法获得精确的定位目标位置信息。引入多个LED发射端，有效提高了室内定位的精度，较好地解决了遮挡问题，提高了定位算法的可靠性、稳定性和适用性。仿真实验表明，所提算法的定位误差可以小于3.5cm。2VLC定位原理2.1系统模型考虑可见光室内定位系统采用3个LED作为发射节点时的情况，LED布局采用等边三角形的拓扑结构，系统模型如图1所示[12]。设3个LED发射端Txi(i=1,2,3)的坐标分别为111(,,)Axyz,222(,,)Bxyz和333(,,)Cxyz，并设用于定位的3个LED中任意两个LED之间最长的距离为CS。发射端平面距地面高度为H。定位节点(PN)位于照明辐射区域A'B'C'内。采用三边定位算法的系统，为了计算PN的坐标，接收端至少需获得3个互不干扰的参考信号，这里利用基于白光LED的VLC传输定位参考信息。为保证相邻LED发出的信号在PN上能被分开而且图13LED定位系统模型各个信号之间不会引起干扰，可以采用载波分配(CA)、波分复用(WDM)、时分复用(TDM)及码分复用(CDM)等技术。定位时发射端Txi发送各自的位置坐标。假设PN的坐标为eee(,,)xyz，且利用RSS可以获得PN与发射端Txi的距离分别为c1c2c3(,,)ddd，则三边定位的等式为2222c11e1e1e2222c22e2e2e2222c33e3e3e()()()()()()()()()dxxyyzzdxxyyzzdxxyyzz⎫⎪=−+−+−⎪⎪⎪⎪=−+−+−⎬⎪⎪⎪=−+−+−⎪⎪⎭(1)通过求解上述方程，可以获得PN的位置坐标。对于发端共面且2维平面定位情况，即123zzz==,e0z=，此时，PN坐标ee(,)xy可以通过求解两个线性方程即可。2.2信道模型VLC定位系统使用LED作为参考信号发射源，对于直射链路(LOS)传输环境，接收光功率Pr和发射光功率Pt之间的关系可表示为rt(0)PPH=×(2)式中(0)H为信道的直流增益。若引入Lambertian辐射模型，(0)H可由式(3)给出。rs2(1)(0)cos()()()cos(),20FOVmAmHTgdϕψψψπψ+=≤≤(3)式中d为收发信机之间的距离，FOV为光接收机视角(FieldOfView)。m为辐射瓣的模式数，即1/2ln2/ln(cos)mϕ=−，其中1/2ϕ是发射机半功率角。Ar为光检测器接收面积，ϕ和ψ分别为辐射和接收角。s()Tψ为接收端光学滤波器增益，()gψ为光学聚光器增益。显然，接收功率Pr与发射端的辐射模式(角度)和接收角度、传输距离及光检测器件(PD)有关。利用RSS信息进行定位是通过Pr得到距离的估计完成的，当考虑收发两端正对直射(入射角和发射角均为零)传输情况时，引入光功率常数Copt来表示上述影响Pr的因素，则此时Pr可表示为2roptLOS/PCd=(4)PD输出电流与光接收功率Pr成正比，转换成射频功率PRF后，可得到距离的估计为第3期吴楠等：基于多LED的高精度室内可见光定位方法729()1/4LOSRFRF/dCP=(5)对应的CRF为射频功率常数，与光电转换效率及光功率常数有关。显然，由式(5)得到的距离估计，不再受此前与接收光功率有关的因素影响。2.3距离估计考虑一般情况，实际应用中发射角与入射角并不一定为零，此时，接收电功率PRF可用式(6)表示。()4RFRFeri/()()PCdGGϕψ=(6)式中()rGϕ和()iGψ分别为Tx在发射角为ϕ和PN在接收角为ψ下的增益。由于接收电功率PRF受角度的影响变小，导致估计距离de与真实值相比偏大。设dei(i=1,2,3)为考虑角度影响的第i条传输路径的估计距离，即有()1/4eLOSri()()iddGGαϕψ−=⋅⋅(7)式中α为多个LED照射引起接收端PD饱和引入的衰减系数[14]，当利用3个LED照射时α=1/3。若直接用dei定位会使定位误差很大，所以需要对由式(7)得到的估计距离进行校正。校正后的距离dci(i=1,2,3)为ceiiidwd=(8)式中wi为校正因子，设wi1，选取合适的wi，则经过校正后的距离会逼近实际值。由系统模型可知，发射端Txi和PN之间的距离不可能小于房屋的高度H，同时也不可能大于22CSH+，即22cCSiHdH≤≤+，其中CS为任意两个LED之间最长距离。根据文献[12]，取iw=e(/)nniCd,01n≤≤。其中，n和Cn分别为调整因子和常数，考虑上述两种极限情况，并且取11arctan(CS/)Hϕψ==，则可导出n和Cn分别为()()()()()()()r1i122r1i114lg2lgCS+lg4lgnnnGGnHGGHCHϕψϕψα−⎫⎪⎪⎪=⎪⎪−−⎪⎬⎪⎪⎪⎪=⎪⎪⎭(9)3MLED-RSS定位算法在前文描述的定位系统中，3个LED位于三棱柱的顶点，对于房屋内任意地点定位均需要利用这3个LED传输的定位参考信息。需要注意的一个问题是当定位环境存在信号遮挡时，三边定位法便失效了。同时，考虑房间内用于照明的LED布局和数量不仅局限于等边三角形以及多于3个这种实际情况，如图