【可见光室内定位】（一）概览

得益于可见光通信（ＶＬＣ）技术的迅速发展，可 见光定位（ＶＬＰ）作为一项新兴定位技术，以其精度 高、成本低、可移植性好、系统易于搭建等优势，逐渐 跻身于现阶段主流的定位系统行列，成为相关行业 的研究热点［１－３］。 可见光通信技术，是以发光二极管（ＬＥＤ）为信 号光源，可见光波 为 通 信 载 波，自 由 空 间 为 传 输 信 道的通信 技 术，具 有 传 输 速 率 高、保 密 性 强、抗 电 磁干扰 性 强 等 特 点［４－７］。可 见 光 定 位 技 术 建 立 于 可见光通 信 的 基 础 之 上，目 前 主 要 用 于 室 内 环 境 的定位 技 术。室 内 定 位 技 术 主 要 应 用 于 机 场、大 型商场、地下停车 场 等 环 境 中，在 功 能 上 可 以 同 基于全球卫星定位系统（ＧＰＳ）的室外定位 技 术 互 补。 室内可见光定位技术通过建立室内光源网络，将 室内环境信息加载到光信号上，由 ＬＥＤ 信号 源发 射，经室内空间被 待 检 测 设 备 的 传 感 器 接 收，再 分 析计算得出待检测设备在室内的位置［３－８］。相 比 于红外、超声定位，可 见 光 定 位 不 需 要 高 昂 的 建 设 成本，还可同时兼顾照明和通信；对比射 频（ＲＦ）定 位技术，可见光定 位 不 受 频 谱 许 可 的 限 制，并 具 有 更好的抗干扰性和数据保密性，因 此 在 室 内 定 位 中具有更 广 泛 的 应 用 前 景［９－１０］。室 内 可 见 光 定 位 方法主要有成 像 型 与 非 成 像 型［１０－１１］。成 像型定 位 是依靠图像传感器以及图像处理技术来实现；非 成像型则是利用光电探测器（ＰＤ）和数字信号处理 技术实现。接收信号强度 检 测 法（ＲＳＳＩ）是 一 种非 成像型的 定 位 方 法，在 非 成 像 定 位 法 中 有 着 较 高 的定位精度、较好 的 实 时 性 和 可 移 植 性；相 比 成 像 型定位法还有着 成 本 低、数 据 传 输 速 度 高 的 优 势， 并具有较多样的 调 制 模 式。由于对系统复杂度要 求很低，ＲＳＳＩ定位具有极广的应用范 围，它 可 以 搭 载至个人 计 算 机、手 机、智 能 机 器 人，甚 至 电 子 表 等简单设备上。

随着时代和科技的进步，人们对信息交互的需求与日俱增，刺激着通信技术迅速发展。进入新世纪之后，这种发展更是呈现出一种井喷的状态。然而在通信需求大幅度增加的同时，传统射频通信的频谱资源却是固定不变的，频谱资源的匿乏严重限制了通信技术的进一步发展。人们为了解决送一问题，开始尝试使用频谱中许多未被开发的频段，频谱资源图如图１．１所示。其中以可见光作为载体的光通信技术逐渐成为人们研究的重点

可见光通信（ＶｉｓｉｂｌｅＬｉｇｈｔＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＶＬＣ）技术的起源很早，但是早期的可见光通信缺乏实用的发送光源，而且传输过程中信道衰落的情况十分严重，无法实现可靠的信息传输。最近几年，ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉ扣ｎｇＤｉｏｄｅ，发光二极管） 技术迅猛发展，为可见光通信技术的兴起奠定了基础。与白识灯Ｗ及炎光巧相比，ｌｅｄ具有无福射、功耗低、光效商、寿命长、可靠性高、安全性好等特点被冠Ｗ＂绿色照明＂的称号，正逐步取代传统的照明手段Ｐ１。除此之外，ＬＥＤ还具 有高速调制和响应时间短的特性，调制带宽可Ｗ达到几百ＭＨｚ甚至更高Ｐ１，这使得它在通信领域的应用成为可能，高速调制引起的明暗闪烁不易被人眼察觉，可在照明的同时提供数据传输的功能。

由于近几年固态照明技术的飞速发展，可见光通信因其保密性强、传输信息速率高、无电磁干扰、并具备照明通信两大功能等优点得到广泛关注。因此除了 上述几种常用室内定位方法，基于白光 LED 的可见光通信定位技术凭借定位精度高、安全性能强等优势，成为各国学者的研究新方向。

可见光通信基本原理在正常照明前提下，将信息调制到LED灯发出的可见光中，接收端利用光电检测器（PD）将可见光并转换为电信号，并从中解调出相应的调制信息。

可见光通信原理及硬件方案

发挥部分 LED部分采用了MSP430+键盘+驱动电路+稳压电路进行控制

大数据+人工智能

1．2．1高速调制驱动电路设计

调制带宽是衡量LED的调制能力的参数．关系到LED在无线光通信中的数据传输速度大小阁。其定义是在保证调制度不变的情况下．当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(一3dB)所对应的频率。从微观结构分析．影响白光LED高速调制有两个因素：载流子寿命和结电容。LED因受两者的限制．其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化驱动电路。LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单．VLC系统大多设计成光强度调制／直接探测系统。白光LED高速调制驱动电路图设计如图2所示。

该设计能够达到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂．以及光功率补偿等目的。可以用于数字视频信号源码流传输。晶体管BGl和BG2组成发射极耦合式开关．BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，为LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作。即使输入端过激励时。其仍没有达到饱和．所以开关速率更高。理论上可传输300Mb／s以上的数字信号。

1．2．2白光LED照明光源布局设计

单个LED发光强度和发光功率都比较小．为了同时实现室内照明和通信双重功能．LED照明光源应设计为多个自光LED组成的阵列。为满足基本照明需求，在系统设计中应首先考虑室内光照度的分布。要使通信效果达到最优．必须根据房间的大小以及室内设施不同合理布局，使房间内的光强分布大致不变．尽量避免盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡。会在接收机表面形成“阴影”．影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多．可以降低“阴影”效应，使得接收功率大大增加，但多个不同的光路径会他僻ISI越严重。因此．在达到室内照明标准的同时也婴孑虑ISI的影响．合理安排LED阵列光源的布局尤为关键。

信道编码技术

数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪声干扰．导致传送的数据流产生误码．从而使接收端出现异常现象。比如：图象跳跃、不连续、出现马赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理．使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力．提高数据传输效寥，降低误码率．并最终提高数据的通信距离。暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术。通常来说．分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组．根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示．然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。常用的信道编码有182B(曼彻斯特码)、384B、586B、688B等。mBnB码的优点有：①功率谱形状较好；②连0连1个数有限，没有基线漂移问题；③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明．经过688B编码后．光信号在通信距离r=-0．5～2．5m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用688B编码技术．可以保证本系统中数据高速传输的同时．使信号传输距离超过2．5m。而且．可以通过对数据采用高低两种不同码表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。如图3所示．以一个12bit的原始数据为例，介绍688B编码实现过程。

5光码分多址(OCDMA)技术

采用光码分多址技术141来区分不同用户的信息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用相同的主光源，因此不同的用户信号必须具有不同的特征，这样适配器接收时才能将不同用户信号分割开。OCDMA给每一个用户分配一个单独的地址码。数字信号在各自的地址码上进行编码．在接收机上通过相应的序列进行解码。采用OCDMA技术还能大大提高

了系统的抗噪声能力。可以把信号从噪声很强的环境

中检测出来．

而 VLC 成像定位技术则可通过图像传感器的空间分离特性，既可以将不同的 LED 信源以及背景光源分离开来，从而有效地避免多径干扰以及背景干扰，同时也可以接收到来自空间不同位置 LED 定 位节点发射的 ID 位置信息。进一步地，随着智能移动终端及可穿戴设备上图像传感器的普及，基于图像传感器的 VLC 定位技术比基于 PD 的 VLC 定位技术更加具备商业化的潜力

针对传统的基于 CMOS 图像传感器的 LED-ID 调 制解调方法存在通信效率低、抗干扰能力差、灯具地址少、距离短等问题，本文提出一种基于 VLC 的 LED-ID 光条纹码调制与识别算法；并在基于 LED-ID 识别准确的前提下，提出基于两盏 LED 灯具的高精度 VLC 成像定位算法；进一步地，提出采用视频目标跟踪算法来实现 VLC 动态定位，同时考虑了 VLC 定位系统的精度、实时性与鲁棒性。 最后，再把所提出的 LED-ID 调制与识别算法、VLC 动态定位跟踪检测算法、双灯定位算法重塑到机器人操作系统（Robot Operation System, ROS）框架下，搭建基于 VLC 定位的移动机器人定位系统，并验证所提出的 VLC 定位算法的有效性