室內可見光定位的幾種技術對比

陳至琪

（中國計量大學，浙江 杭州310000）

1 可見光通信定位技術簡介

隨著物聯網技術的發展，可見光（VLC）室內定位越來越成為諸如GPS、無線基站定位技術的延伸和有效補充。在不影響室內照明的前提下，該技術可以通過對LED 照明光源進行信號調制，利用可見光提供高精度、快捷、穩定的定位服務。本文討論的幾種可見光定位技術，都有著硬件成本低、LED 光源布設簡單、定位精度高的特點，都具有較好的可行性。可見光定位根據所用接收器件的不同，可分為光電探測器件（PD）和圖像傳感器（IS）。根據具體定位技術不同可分為RSS、TDOA、信號到達時間（TOA）、到達角度（AOA）以及基于圖像傳感器成像的定位技術。本文首先介紹的是RSS 定位技術，它利用了可見光在傳輸過程中自然衰減的朗伯模型，測算出接收器和LED 光源的距離，并利用噪聲分析、最小二乘法、質心加權算法、接受強度比等算法來提高測量精度。第二種是基于圖像傳感器成像的定位方法，通過LED 光源透過透鏡在感光面上成像的位置來測算出節點在空間坐標系中的位置。使用點光源和提高圖像傳感器的分辨率可以有效提高該方法的定位精度。最后一種是通過RSS/TDOA 混合定位方法來辨識NLOS 狀態，并通過粒子濾波算法來定位未知移動節點。通過介紹幾種低成本的可見光定位技術，本文將通過援引一些仿真和模擬實驗的測試結果，來對比它們在定位精確度和可行性方面的表現。希望可以為將來可見光定位的實際應用提供真正適宜的技術方案。

2 幾種VLC 定位方法

2.1 基于RSS 信號強度的VLC 定位

RSS 定位方法目前主要可分為兩種，一種是基于信號強度衰減測算的定位方法，還有一種是基于RSS 指紋庫匹配的定位技術。基于RSS 指紋庫的定位主要是通過布設LED 光源后，建立每個位置的接收強度指紋數據庫。簡單易行，但是該方法定位精度低抗干擾能力弱，而且需要針對具體環境建立指紋庫。基于信號強度衰減的定位方法主要依據朗伯模型，光鏈路的信道增益可以用下式表示

與相關函數檢測法和小波降噪相比，這里要介紹的Allan 方差法是一種表示均方根隨機漂移誤差和平均時間關系的方法，通過直接觀測出系統中的所有噪聲來實現更好的降噪效果。在這里的降噪方法中并不需要觀測所有的噪聲，因為相關的研究指出影響可見光系統的噪聲最主要是PD 中的散粒噪聲。對Allan 方差法的原理做一個簡述：先通過采集一段時間的信號數據（測量較長時間可以有效降低誤差），然后利用FFT 變換將時域信號轉化為頻域信號并提取幾個信號源的信號，再對每組信號采用Allan 方差法畫出Allan 方差曲線并使用.

2.2 基于圖像傳感器成像的VLC 定位方法

像頭獲取的圖像不是可直接用來測算定位的，所以需要做濾波等圖像處理操作。首先是形態學濾波，包括了膨脹、腐蝕、開運算、閉運算等。這里通過對圖像進行閉運算處理，得到了具有完整圓形的光源輪廓。然后把圖像從背景圖中分割出來，再提取圖像特征并獲取LED 光源的中心部分進行運算。

2.3 TDOA/RSS 混合定位算法

介紹了視距的估測之后，下面用粒子濾波算法來估計移動節點位置。具體算法如下，a.開始時初始化必要參數，設置粒子初始權值;b.進行LOS 狀態辨識;c.通過運動方程來預測粒子位置;d.計算粒子觀測似然并更新粒子權值;e.測算未知移動節點的位置。

3 方法對比及定位精度

前文提到的幾種定位法相比，基于圖像傳感器法定位精度最高，它受到光在傳輸過程中的干擾以及傳感器噪聲的影響最小。在相關研究中，xyz 坐標的平均誤差都在3cm 以內，實現了很好的定位效果。相比圖像傳感器法，RSS 定位法的布設沒有那么簡易，精度也不高。基于指紋采集的RSS 定位法前期的布設和采集過程更是繁瑣，本文介紹了基于朗伯模型衰減測距的RSS 的定位精度還是較低，通過Allan 方差法以及小波降噪等手段有效提高了其精度。TDOA 定位法精度更好且對于時間同步要求低于TOA 定位，于是相關研究提出了基于TDOA 和RSS 的可行區域粒子濾波算法（TRFPF）。通過模擬仿真實驗可以看出TRFPF 算法比起最小二乘法以及僅采用RSS 測距模型極大地提高了定位精度，比起最小二乘法平均提高了95.3%的定位精度[3]。

4 建議

可見光定位作為傳統定位方法的延伸和補充，可以有效解決其他定位方法在室內定位時精度不足、占用和干擾現有的電磁波段等缺點。在技術實現上，建議優先使用圖像傳感器法，其精度高、布設簡易、抗干擾能力強。而TDOA 和RSS 衰減模型測距法也不失為一種可以有效利用室內LED 光源進行高精度定位的手段。TRFPF 算法是TDOA 和RSS 兩種定位方案結合，可以在不提高硬件復雜度的前提下降低干擾提高精度，是VLC 定位的一種研究發展方向。將來的可見光定位的普及應用一定是伴隨著大數據采集分析，以及公共場所（如商場、超市）對于室內定位的需求。傳統的定位手段只有米級的精度，而采用了圖像傳感器定位法或RSS/TDOA 定位法的精度都可以達到厘米級的精度，極大程度上滿足了人們對室內定位的期望和實際應用的需求。同時本文所介紹VLC 定位方法的實現可以利用室內的現有的LED 光源，再結合手機攝像頭或者其他價格低廉的傳感器就可以提供便利的定位服務。