基于LED可見光技術的室內車輛定位系統設計

朱瑞晨 曹宇彤 索朝舉 劉洋洋 劉偉偉

摘要：針對車庫環境下的車輛定位困難問題，提出基于LED可見光技術的室內車輛定位系統設計，該系統包括LED光源硬件電路設計和安卓平臺開發手機APP開發，實現了對光源的圖像信息采集處理和位置信息計算，結合對應的車庫地圖信息達到了用戶的實時定位及尋車路徑的準確計算，該系統為停車場反向尋車提供一種很好的解決方案。

關鍵詞：可見光;車庫;定位;反向尋車

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0228-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

時代飛速發展，如何實時獲取自己的位置信息成為一個熱點問題[1]。在室外GPS技術很好地解決了這一問題，但在室內由于建筑結構度阻擋，多種無線設備出現信號干擾和衰落效應，導致定位效果較差。為了解決這一問題，學者提出了各種室內定位方案。基于信號強度的WiFi定位方法具有便攜方便性，但定位精度不甚理想[2];EPE，MOLE系統精度可以達到要求，但是算法極其復雜難以達到實時定位[3];Zigbee和藍牙技術功耗低，但定位精度取決于信道物理品質、信號源密度、環境和算法的準確性等，具有較高的軟件成本 [4];射頻識別技術現已廣泛用于物聯網領域，具有定位精度高的優點，但其抗干擾能力較差[5];超寬帶定位技術安全性強并且定位精度高，但其整套系統造價昂貴，不適合大規模落地推廣[6]。

本文提出基于LED可見光技術的室內定位方案，可見光技術具有價格低廉，使用壽命長，不受電磁干擾等優點[7]，特別適合在濕度大、網絡信號差的場景應用，如車庫，礦井，人防工程建筑等，這些區域不適合引入有著大規模電磁電氣元件的無線定位系統[8]。本文將以車庫這一場景為例，設計基于可見光技術的室內車輛定位系統，該方案兼顧定位與照明，具有復雜度低和可靠性高等優點，車輛位置信息在智能手機終端實時顯示，系統為停車場反向尋車提供一種很好的解決方案。

1 室內車輛定位系統設計

基于LED可見光技術的室內車輛定位方案包括光源硬件電路設計和智能手機端軟件設計，后者包括LED光源識別子系統和室內尋車子系統，系統框圖如圖1所示。

1.1光源硬件電路設計

光源硬件電路部分由LED光源控制模塊、驅動模塊、發光模塊組成，使其同時滿足被識別和照明的需求?？刂颇K是通過MCU將其輸出不同頻率或占空比的方波信號送到LED驅動模塊的輸出電流使能信號端，從而使得LED驅動模塊實現不同頻率或占空比的輸出電流導通，采用STC89C52單片機，通過STC89C52的定時器實現其P10、P11、P12、P13四個IO口以不同頻率的方波輸出，P10、P11、P12、P13四個IO口分別與四個LED驅動模塊輸出電流使能端相連，驅動模塊采用DD311單通道大功率LED恒流源驅動器，其輸入參考電流端通過兩個3.9KΩ串聯接到24V直流電源，近似得到300mA的參考電流，LED光源模塊采用24V直流LED光源，連接到LED驅動模塊。

1.2智能手機端軟件設計

1.2.1 LED光源識別子系統

對于LED光源的識別是通過調整各燈的頻率，使其按照不同的頻率閃爍。再使用裝有CMOS圖像傳感器的智能手機對準光源拍攝獲取圖像，即可得到明暗柵格圖像，如圖2所示。將明暗柵格圖像對應的LED光源進行編碼，通過識別該圖像即得到對應的LED光源號碼，對照光源安裝位置表，即得到LED光源所在位置。

具體實現過程如下：

（1）根據手機攝像頭拍攝相應的LED燈，進行圖像處理計算出條紋寬度。

圖像處理算法的基本步驟為首先讀取圖像進行預處理（灰度處理，模糊去噪，二值化等），再從照片中截取目標區域，最后提取條紋寬度，具體流程圖如圖3所示。

（2）獲取LED光源的明暗柵格圖像后，根據明暗條紋寬度確定光源的閃爍頻率。

如公式（1）所示，h已知，T根據拍攝的相機確定，通過圖像處理程序解析出明暗條紋的寬度W，即可算出該光源的閃爍頻率F。實驗研究表明為避免圖像信號產生混疊，不能拍攝到清晰的明暗條紋，光源閃爍的一個周期的時間應大于2倍的卷簾快門周期。

[F=hWT] （1）

式中，[F]表示光源閃爍的頻率，[T]表示圖像傳感器掃描一行像素的時間（為卷簾式快門的周期），[W]為在一個周期內形成的明暗條紋寬度和，[h]為單個像素的高度值，默認為1。

（3）將識別出的頻率通過預設置數據庫查找對應的LED燈，同時獲取將該燈的坐標信息，將該盞燈的位置信息在地圖上標出，建立了地理位置與圖像的映射。

1.2.2室內尋車子系統

當用戶將要取車時，拍攝靠近自己的一盞燈，即可獲得該燈的位置信息，尋車軟件便會規劃出一條導航路線，再調用手機內的慣性導航元件，磁力感應器判斷運動初始方向，利用陀螺儀去判斷移動裝置的運動方向，利用重力感應器去判斷人員行走的步伐，根據人們走路的平均步長，即可計算出人行走的方向與速度，實現實時導航。

位置實時計算模塊：采用安卓App實現圖像的獲取與處理，根據手機端拍攝的LED光源圖像實時計算用戶所在位置。

車庫地圖顯示模塊：在用戶安裝App時加載所在車庫的地圖信息，并在手機端顯示。

尋車路徑計算模塊：采用安卓App實現車輛定位與實時導航的功能，App同步調用安卓程序接口，在手機屏幕上繪制運動軌跡。當手機持有者直線行走時，由于身體重心的改變，加速度傳感器的Z軸將會出現峰值，出現峰值，箭頭便在地圖上移動一段距離，移動距離的長度與初始行走時輸入的步長形成一個固定比例，后續每次峰值出現，就按照該比例移動一段距離，以每次峰值出現到下一次峰值出現為一個時間戳，重復繪制線段。當用戶開始轉向時，方向傳感器便能讀取到X軸有較大變化，當方向傳感器的X軸穩定到一定程度不再出現較大變化時，轉向結束，應當立即讀取方向傳感器的角度值，并在屏幕上根據方向傳感器返回的角度箭頭立即朝新的方向轉向，運動結束時屏幕上即可顯示運動軌跡。