李 錦，莫巨明，方俊鍵,3，林浦曦，陳肇杰，呂泉超，梁富念,3，鄭華丹,3，鐘永春,3，方俊彬,3，陳 哲,3

(1.暨南大學 光電工程系，廣東 廣州 510632；2.廣東省可見光通信工程技術研究中心，廣東 廣州 510632；3.廣州市可見光通信工程技術重點實驗室，廣東 廣州 510632)

引言

室內停車場是靜態(tài)交通的一個重要組成部分，傳統(tǒng)衛(wèi)星定位技術由于信號到達地面時較弱且無法穿透建筑物，因此無法應用于室內環(huán)境[1-2]。而RFID、藍牙、Zigbee等室內無線射頻定位技術則存在精度不高、電磁干擾嚴重等問題[3-4]。相比而言，基于可見光通信的室內定位技術(visible light positioning，VLP)通過LED燈發(fā)出人眼無法辨別的高速明暗閃爍信號傳輸定位信息，具有避免電磁干擾、"照明和定位"兩用等優(yōu)勢[5-6]，但是目前基于近似感知法、指紋識別法等定位方法[7-9]的可見光室內定位技術的定位精度和定位耗時較高，無法支持精準實時定位導航，并且需要借助額外的輔助設備，極大地提升了建設成本。因此，當前的室內停車場依然存在"停車難、找車難"的問題。本文提出一種基于LED照明燈光的可見光定位導航系統(tǒng)，實現(xiàn)了面向車輛和行人的實時高精度室內停車定位導航。該系統(tǒng)定位精度可達7.5 cm，最高導航速度可達17 km/h，支持車輛或行人在室內停車場內的實時定位導航，能有效解決室內停車場停車難和找車難的問題，推動智能交通的發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構

定位導航系統(tǒng)架構如圖1所示。系統(tǒng)主要由可見光定位LED燈具、智能手機和定位導航軟件3部分組成。定位LED燈具由LED照明燈具和信號調制驅動器組成，信號調制驅動器驅動LED照明燈具在滿足照明要求的同時，將燈具的位置信息經(jīng)過編碼調制后加載到燈光信號上廣播發(fā)送；智能手機作為定位信息的接收終端，利用前置攝像頭捕獲可見光定位信號，從中提取該信號來源燈具的位置信息，進而在定位導航軟件中進行定位計算等步驟，獲取并顯示車輛或行人的當前位置信息以實現(xiàn)定位功能。另外，通過結合用戶選擇的目標車位和當前位置信息，定位導航軟件規(guī)劃設計最佳路徑，引導車輛或行人移動至目標車位，從而實現(xiàn)導航功能。

圖1 系統(tǒng)架構圖Fig. 1 System architecture

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由可見光定位信號發(fā)送端(可見光定位LED燈具)以及可見光定位信號接收端(智能手機)組成，如圖2所示，系統(tǒng)無需額外的硬件輔助設備。可見光定位LED燈具基于普通的市售LED燈具發(fā)送可見光定位(VLP)信號，降低了系統(tǒng)建設的復雜度和改造成本。定位LED燈具中內嵌微控制器將燈具所對應的預分配唯一標識符(unique identification，UID)經(jīng)過可支持多級調光的無閃爍線路編碼[9]，得到滿足IEEE建議的照明要求[10],且編碼效率相較IEEE標準[11]有更高的編碼碼字，再通過LED驅動器以開關鍵控(OOK)調制方式控制LED燈具“開/關”，實現(xiàn)可見光定位信號的發(fā)送。

圖2 系統(tǒng)硬件Fig. 2 System hardwares

在可見光定位信號接收端，系統(tǒng)采用了市售的智能手機進行信號接收和信息提取，降低了用戶成本。智能手機通過手機內置的CMOS攝像頭作為光電傳感器接收可見光定位LED燈具發(fā)出的可見光定位信號，利用卷簾快門效應將時域上的脈沖信號轉換為圖像平面上的條紋圖案，進而采用圖像處理算法提取位置信息給定位導航軟件做進一步處理，以實現(xiàn)定位和導航。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 定位導航軟件的功能模塊

本系統(tǒng)所使用的定位導航軟件主要包括LED燈光信號獲取模塊、LED燈光信號解析模塊、定位模塊、導航模塊與地圖顯示模塊，系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。各模塊主要功能如下：

LED燈光信號獲取模塊功能是，驅動智能手機的前置攝像頭對LED燈發(fā)出的可見光定位信號進行連續(xù)抓取以獲得條紋圖像；LED燈光信號解析模塊功能是，對所獲取的條紋圖像進行圖像預處理并解碼位置信息，計算獲得高精度的位置坐標；定位模塊功能是，根據(jù)位置坐標參數(shù)在地圖顯示模塊上進行標記，并實時向導航模塊發(fā)送位置更新信息；導航模塊功能是，接收定位模塊的位置坐標，根據(jù)用戶請求的目標位置和當前的位置坐標計算最優(yōu)路徑；地圖顯示模塊功能是，載入并顯示停車場地圖，在地圖上顯示用戶實時位置、規(guī)劃路徑和車輛已走過的路徑。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖Fig. 3 System software block diagram

3.2 定位導航軟件的工作流程

當車輛或者行人進入室內停車場并開啟定位導航軟件后，智能手機前置攝像頭開始捕獲停車場LED燈具條紋圖像，同時經(jīng)過圖像處理濾除非可見光定位LED燈具產生的背景光以免除干擾，并通過一種輕量級圖像處理算法[9]對條紋圖像進行預處理、條紋區(qū)域定位提取并解碼得到燈具對應的UID，通過基于視覺分析的定位算法計算出車輛或者行人的當前所在位置并顯示在軟件終端，從而實現(xiàn)定位。當用戶選擇目標車位，通過Dijkstra最短路徑算法[12]提供當前位置到目標位置的最短路徑，為車輛或者行人提供導航服務。系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig. 4 System software working flow chart

3.3 系統(tǒng)的定位算法

智能手機前置攝像頭捕獲條紋圖像后，通過查找“UID-坐標”映射表檢索相關聯(lián)的坐標信息，從而實現(xiàn)定位導航。當僅捕獲一個可見光定位LED燈具時，可簡單通過與UID相關聯(lián)的坐標實現(xiàn)定位，定位精度取決于燈具之間的距離。通常情況下，攝像頭視場角內能捕獲2個及以上的燈具條紋圖像。此時優(yōu)先提取最先找到的2個燈具條紋圖像，通過采用視覺分析獲取更為精準的位置，基于視覺分析的定位算法原理如圖5所示。

圖5 基于視覺分析的定位原理Fig. 5 Positioning principle based on vision analysis

假設車輛或行人當前位置的物理坐標為(X,Y)，2個LED燈具的物理坐標分別為(X1,Y1)和(X2,Y2)，且燈具間的物理距離為S1。通過攝像頭捕獲得到包含2個燈具條紋的圖像，在像素平面中，設圖像左上角為像素坐標系原點，并記圖像中心為像素坐標(Xmid,Ymid)，2個燈具條紋中心點的像素坐標分別為(X1f,Y1f)和(X2f,Y2f)，且中心點間的像素距離為S2。在不同的定位坐標(X,Y)下，捕獲到的2個條紋圖像中心的像素坐標(X1f,Y1f)和(X2f,Y2f)不同。

根據(jù)如下幾何關系：

(1)

可求得當前定位坐標(X,Y)為

(2)

4 性能測試與實驗結果

以本單位的地下停車場為實驗場地進行演示驗證系統(tǒng)測試，測試所提出的基于可見光通信室內定位的智能停車系統(tǒng)在定位精度、定位耗時以及導航速度方面的性能，并基于Android手機開發(fā)了面向室內停車場泊車引導和反向尋車的可見光定位導航App。實驗測試環(huán)境參數(shù)與演示現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 實驗測試環(huán)境與演示現(xiàn)場Fig. 6 Experimental test environment and demonstration site

可見光定位LED燈具按照燈具距離地面垂直距離2.8 m、燈具水平間距2 m進行布局安裝，定位LED燈具的硬件參數(shù)如表1所示。

表1 可見光定位LED燈具的硬件參數(shù)

智能手機放置在車輛控制臺或行人手中用于接收可見光定位信號，并通過本文開發(fā)的定位導航軟件實現(xiàn)泊車引導或者反向尋車時的定位導航。本次實驗測試所用智能手機的硬件參數(shù)如表2所示。

表2 智能手機的硬件參數(shù)

4.1 定位精度

定位精度體現(xiàn)了車輛或者行人在室內停車場進行定位導航時的準確性。本次實驗在現(xiàn)場環(huán)境中隨機選擇100個位置，通過將定位導航軟件的估計位置和實際空間位置進行對比得到當前位置的定位誤差。定位誤差(e)及其累計分布函數(shù)(CDF)的關系如圖7所示，其中CDFe(Ac)=P(e≤Ac)。從圖7可見，定位誤差的上限為10.7 cm，平均定位精度為7.5 cm。相對基于射頻室內定位技術的室內停車場定位導航系統(tǒng)[13-14]，以及基于圖像傳感器的可見光定位技術[15],本文所提可見光室內停車場定位導航系統(tǒng)具有更高的定位精度。

圖7 系統(tǒng)的定位精度Fig. 7 Positioning accuracy of proposed system

4.2 導航速度

導航速度反映了車輛或行人在室內停車場定位導航時，系統(tǒng)所支持的最大移動速度。結合本單位地下停車場的車位分布信息和定位導航算法，基于Android智能手機開發(fā)了定位導航軟件。如圖8所示，當用戶選擇目標車位后，軟件采用Dijkstra算法進行路徑規(guī)劃。隨著用戶的移動，定位導航軟件上實時更新用戶位置，并持續(xù)引導用戶向目標車位前進。圖8中從A到C為推薦路徑，A到B表示用戶經(jīng)過的路線，而B到C表示到達目標車位的剩余路徑。

圖8 可見光室內停車場定位導航APP Fig. 8 An Android application of the visible light indoor parking lot positioning navigation system

基于所開發(fā)設計的室內停車場定位導航軟件，通過不斷增加車輛移動速度，觀測在不同速度下的解碼成功率，從而得到系統(tǒng)所支持的最高導航速度。從圖9可知，當車輛速度介于0～17 km/h時，解碼成功率可達90%以上，因此本系統(tǒng)支持車輛或行人在17 km/h的移動速度下進行定位導航，滿足室內停車場定位導航系統(tǒng)的實際需求。

圖9 不同移動速度下的解碼成功率Fig. 9 Decoding success rate under different moving speeds

5 結論

設計了一種基于LED照明燈光的可見光室內停車場定位導航系統(tǒng)，系統(tǒng)的定位精度可達到7.5 cm，可支持時速高達17 km/h的車輛實時室內定位導航,為室內停車場提供實時高精度的定位導航服務，能夠有效解決室內停車場停車找位難及反向尋車難的問題，提高車位利用率和釋放率，從而推動靜態(tài)交通發(fā)展。