淺談可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)的研究

李雅欣 張亞飛 黃建昌*（通訊作者） 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院

盡管GPS定位技術(shù)較為成熟，但在室內(nèi)由于物體遮擋等作用，信號(hào)不能穿透建筑實(shí)體，致使很多室外的定位技術(shù)在室內(nèi)發(fā)揮的效果極為有限。隨著定位技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)對(duì)于可見(jiàn)光的導(dǎo)航需求逐漸增多，如醫(yī)院、購(gòu)物商場(chǎng)、庫(kù)房、災(zāi)害地、礦井等。這些場(chǎng)所不僅需要室內(nèi)定位，且對(duì)精度要求也較高。所以，探討室內(nèi)定位技術(shù)十分重要。

1 關(guān)于可見(jiàn)光的室內(nèi)定位技術(shù)研究現(xiàn)狀

可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在己經(jīng)可以通過(guò)許多技術(shù)實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)的定位技術(shù)除了超聲波以及局域網(wǎng)技術(shù)還有紅外線和射頻識(shí)別等。其中的計(jì)算方式有到達(dá)的時(shí)間、時(shí)間差、角度以及接收的信號(hào)強(qiáng)度等。

1.1 超聲波定位技術(shù)

超聲波技術(shù)是利用發(fā)送的超聲波信號(hào)測(cè)量二者的距離來(lái)定位，一般應(yīng)用反射的測(cè)距方法，具體測(cè)距原理如圖1所示。超聲波的定位技術(shù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有很多特定的應(yīng)答設(shè)備與目標(biāo)。目標(biāo)向很多應(yīng)答設(shè)備發(fā)送相關(guān)的信號(hào)，以反射的測(cè)距法獲取目標(biāo)到達(dá)應(yīng)答器的實(shí)際距離。其特點(diǎn)分析:視距下的精度很準(zhǔn)，能夠控制發(fā)射的方向，一般用于工業(yè)。然而，它易受反射的影響，定位的誤差變化很快，還需借助很多輔助性的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)成本較大。

圖1 超聲波測(cè)距示意圖

1.2 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)

在定位區(qū)間里安設(shè)三個(gè)無(wú)線基站，基站能獲取目標(biāo)發(fā)送的信息，如強(qiáng)度、時(shí)間等。綜合全部基站的結(jié)構(gòu)，分析并計(jì)算目標(biāo)地信息。經(jīng)證明，信號(hào)傳遞隨著距離以及各種干擾因素的影響而衰減。當(dāng)AP作為無(wú)線的訪問(wèn)接入點(diǎn)，可以把數(shù)據(jù)采樣并傳送到服務(wù)器進(jìn)行分析處理，具體流程如圖2所示。AP的響應(yīng)傳送到無(wú)線網(wǎng)卡上，從而得到室內(nèi)定位所需要的各種信息，比如各個(gè)物理地址，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)。AP和網(wǎng)卡均可測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，AP采用被動(dòng)探測(cè)的方式以廣播形式發(fā)一個(gè)信標(biāo)信號(hào)（Beacon），其中包含了BSS參數(shù)的信息以及接入點(diǎn)的緩存幀信息。其中AP信號(hào)衰減和發(fā)送功率都相對(duì)較優(yōu)，因此采取了主動(dòng)探測(cè)的方式。

圖2 數(shù)據(jù)采用流程

由于這種定位方式能應(yīng)用現(xiàn)在已裝設(shè)的設(shè)備，只需要相關(guān)信息分析的服務(wù)器，所以成本不高。室內(nèi)信息可以根據(jù)接收位置不同的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)標(biāo)識(shí)，如微軟企業(yè)的RADAR系統(tǒng)。但是定位的精度不理想，且受多徑效應(yīng)等因素的限制。在傳播速度已知的前提下測(cè)試時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，必須發(fā)送和接收雙方均知道測(cè)試開始時(shí)間，用TOA算法可以對(duì)距離進(jìn)行計(jì)算，其算法對(duì)時(shí)鐘精度要求較高尤其是無(wú)線傳輸速度很快，要求就更為嚴(yán)格。根據(jù)基站的坐標(biāo)位置，利用TOA算法可以算出距離，從而直接得到想要定位的物體的坐標(biāo)，或者推算出定位點(diǎn)和三個(gè)基站的連線之間的角度得到定位點(diǎn)位置，具體原理和推到如圖3所示。

圖 3 超聲波測(cè)距示意圖

具體公示計(jì)算如下:

(ai,bi)是三個(gè)基站所在的點(diǎn)坐標(biāo)，x，y為欲求得的移動(dòng)端所在的位置，v為當(dāng)前信號(hào)傳播的速度，移動(dòng)端到三個(gè)基站的位置可以用d=tiV來(lái)計(jì)算。利用求得的三個(gè)d畫三個(gè)圓，三個(gè)圓弧的交點(diǎn)就是移動(dòng)端所在的位置。

（3）不同定位技術(shù)可靠性分析表1不同定位技術(shù)比較

定位方法 精度 可靠程度 成本消耗 安全性能超聲波 1-100m 較低 較大 較低紅外線 1-5m 較低 中等 較高超帶寬 1-10m 較低 中等 較高無(wú)線局域網(wǎng) 1-5m 較低 較低 較低

3 結(jié)論

隨著室內(nèi)定位的技術(shù)不斷地發(fā)展，至今己有許多可以選擇的定位技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)，通過(guò)本文分析研究，發(fā)現(xiàn)它們都有較大的局限性，或者成本、技術(shù)含量很高，或者影響因素較多，或者定位的距離較短。為了盡量地克服相關(guān)的缺點(diǎn)，對(duì)于VLC的室內(nèi)定位技術(shù)逐漸得到了研究人員的關(guān)注。LED燈因?yàn)橛兄荛L(zhǎng)的使用壽命，對(duì)于溫度、濕度的承受能力也較強(qiáng)，且具有功耗低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，讓LED在很多工業(yè)領(lǐng)域獲得了巨大的發(fā)展空間。

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