楊世權(quán) 張謙述 胡 玥

(西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 四川 南充 637000)

GPS在室外的定位效果較好，在室內(nèi)則由于衛(wèi)星信號(hào)受墻壁等障礙物的阻擋而衰減，定位精度較低。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的精準(zhǔn)定位是亟待解決的難題。LED可見(jiàn)光具有可用頻帶寬、不受電磁場(chǎng)干擾、設(shè)備搭建容易、誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，并且LED響應(yīng)快，可以高頻調(diào)制，又是綠色能源，使用范圍廣泛，因此，基于LED可見(jiàn)光的定位技術(shù)將成為提高室內(nèi)定位精度的重要選擇。

在這方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多研究成果。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于圖像傳感器的可見(jiàn)光定位系統(tǒng)，可以測(cè)量目標(biāo)端的位置。不過(guò)，圖像處理技術(shù)和算法較復(fù)雜。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于TDOA的室內(nèi)可見(jiàn)光定位方法，通過(guò)測(cè)量接收不同信號(hào)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。但參考節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)硬件設(shè)備要求較高。文獻(xiàn)[3]提出的基于采集指紋的定位算法，需要采集大量指紋信息，工作量大。文獻(xiàn)[4]提出利用OFDM技術(shù)，基于三角形定位算法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，證實(shí)了可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)定位的可行性。文獻(xiàn)[5]中介紹的選用高速相機(jī)接收信號(hào)，基于萊文伯格-馬夸特(LM)算法實(shí)現(xiàn)定位的方法，最大誤差小于10 cm。但此方法對(duì)相機(jī)的性能要求高，而且誤差仍然較大。文獻(xiàn)[6]提出的基于 CDMA調(diào)制的室內(nèi)可見(jiàn)光定位技術(shù)，可克服光源間的干擾，但編碼過(guò)程較復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]提出了基于視覺(jué)信息的室內(nèi)可見(jiàn)光定位方法，但沒(méi)有考慮背景光及噪聲的影響。文獻(xiàn)[8]提出了改進(jìn)的加權(quán)三邊定位算法，但沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]提出了一種利用室內(nèi)照明LED發(fā)光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見(jiàn)光定位的方法，并對(duì)定位設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了測(cè)試，但其測(cè)試空間(80 cm×70 cm×40 cm)較小。

本次研究，通過(guò)借鑒有關(guān)研究成果，提出一種利用脈寬對(duì)LED光源的ID進(jìn)行編碼傳輸、基于RSSI來(lái)估測(cè)收發(fā)端投影距離的三燈定位方法。

1 算法實(shí)現(xiàn)

1.1 RSSI測(cè)距

基于RSSI測(cè)距，即根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱指標(biāo)來(lái)估測(cè)收發(fā)兩端投影距離。理論上，光信號(hào)由發(fā)送端向外傳播的過(guò)程中，其強(qiáng)度是逐漸變小的。因此，可以通過(guò)測(cè)量接收端光電壓值與收發(fā)端的投影距離數(shù)據(jù)，用MATLAB擬合出光源的測(cè)距函數(shù)模型。依據(jù)該測(cè)距函數(shù)模型，只要獲得接收端接收的光電壓值，即可求出收發(fā)兩端對(duì)應(yīng)的投影距離。擬合測(cè)距函數(shù)如式(1)所示。

(1)

式中：d—— 收發(fā)兩端對(duì)應(yīng)的投影距離，cm；

H—— 光源的高度，cm；

U(0，0) —— 光源中心光電壓，mV；

U(x，y) —— 待測(cè)點(diǎn)的光電壓，mV。

1.2 三邊定位

假設(shè)：給定3個(gè)發(fā)送端的底面投影坐標(biāo)為O1(a1，b1)、O2(a2，b2)和O3(a3，b3)；接收端P到投影點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3，可根據(jù)式(1)獲得。由此，建立3個(gè)底面投影圓的方程組，方程組的解即為接收端的位置坐標(biāo)。方程組為：

(2)

室內(nèi)定位模型如圖1所示。設(shè)待求點(diǎn)P的坐標(biāo)為(x，y)。解方程組(2)，可求出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖1 室內(nèi)定位模型

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體框架

室內(nèi)可見(jiàn)光定位系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩

部分組成。系統(tǒng)采用STM32F4單片機(jī)作為控制芯片。在發(fā)送端，首先單片機(jī)對(duì)3個(gè)LED的ID進(jìn)行脈寬編碼，然后經(jīng)時(shí)分復(fù)用發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電路放大，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)送光信號(hào)。在接收端，探測(cè)器把接收的光信號(hào)送給放大電路進(jìn)行放大，然后送至單片機(jī)AD端口進(jìn)行解碼與測(cè)壓；再將解碼的坐標(biāo)和測(cè)壓轉(zhuǎn)化后的距離代入式(2)，求出待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，并用LCD顯示出來(lái)。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

2.2 發(fā)送端設(shè)計(jì)

2.2.1 發(fā)送端電路

發(fā)送端選用STM32F407作為處理芯片。它為 32位ARM處理器，最高頻率為72 MHz，閃存1 Mkb，SRAM為192 kb。內(nèi)部定時(shí)器共有14個(gè)，每個(gè)定時(shí)器最多4個(gè)用于輸入捕獲輸出比較PWM或脈沖計(jì)數(shù)通道。該芯片優(yōu)勢(shì)突出，用于系統(tǒng)的脈寬調(diào)制和后續(xù)接收端對(duì)脈寬的捕獲，能夠滿足兩端需求。

圖2 室內(nèi)可見(jiàn)光定位系統(tǒng)框架

因?yàn)長(zhǎng)ED正常工作需150 mA電流驅(qū)動(dòng)，故發(fā)送端選用NPN三極管來(lái)放大經(jīng)單片機(jī)編碼的輸出信號(hào)。發(fā)送端電路原理如圖3所示。

圖3 發(fā)送端電路原理

2.2.2 發(fā)送端程序

發(fā)送端程序設(shè)計(jì)流程為：開機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)行初始化配置，選用定時(shí)器3的1、2、3通道，設(shè)置好psc(時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù))。然后，通過(guò)改變arr(自動(dòng)重裝值)，產(chǎn)生3路不同的PWM波。第一路PWM波輸出后，對(duì)LED1進(jìn)行控制。接著時(shí)分復(fù)用，依次輸出其余兩路PWM波形，分別對(duì)LED2、LED3進(jìn)行控制[10]。3路PWM波輸出完畢后，進(jìn)入下一輪循環(huán)。發(fā)送端程序流程如圖4所示。

2.3 接收端設(shè)計(jì)

2.3.1 接收端電路

圖4 發(fā)送端程序流程

圖5 接收端電路原理圖

2.3.2 接收端程序

接收端程序設(shè)計(jì)流程為：首先開機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)行程序初始化。接著開啟輸入捕獲，同步后，檢測(cè)燈的ID。獲得檢測(cè)結(jié)果之后，開啟AD轉(zhuǎn)換，讀取對(duì)應(yīng)燈的光電壓值，代入測(cè)距函數(shù)模型，求出收發(fā)兩端距離。3個(gè)燈的距離都求出后，代入三邊定位算法方程，求出待測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)，并在LCD上進(jìn)行顯示。接收端程序流程如圖6所示。

3 PWM編碼與解碼

考慮到調(diào)制的信號(hào)在空間傳輸中失真度要低、抗干擾能力要強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)等要求，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式。脈寬調(diào)制(PWM)原理：通過(guò)控制電路開關(guān)器件的通斷，輸出一系列幅值相等的脈沖；通過(guò)對(duì)各脈沖的寬度按一定規(guī)則進(jìn)行調(diào)制，改變輸出電壓和頻率[11]。與其他調(diào)制技術(shù)相比，PWM技術(shù)易于用脈寬實(shí)現(xiàn)編碼，在無(wú)線信道中傳輸較穩(wěn)定，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)解碼。

圖6 接收端程序流程

為了使接收到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀由6位構(gòu)成，脈寬調(diào)制的幀格式如圖7所示。

圖7 脈寬調(diào)制的幀格式

幀中第一位為同步位，第二位為ID位。識(shí)別不同的LED光源，通過(guò)不同的脈寬對(duì)應(yīng)不同的ID號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。第三位為ID反碼，校驗(yàn)前面接收到的ID是否正確。第四、五位為測(cè)壓區(qū)，根據(jù)電壓幅值高低代入測(cè)距函數(shù)模型，估測(cè)收發(fā)端距離。第六位為停止位，用低電平表示，用來(lái)分隔下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。脈寬調(diào)制的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：利用單片機(jī)的定時(shí)器3的任意3個(gè)通道，產(chǎn)生3路不同的PWM波形，在設(shè)置好psc(時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù))后，通過(guò)改變arr(自動(dòng)重裝值)來(lái)控制占空比，最后用三個(gè)IO口輸出。

3.2 解碼

解碼采用STM32的TIM5輸入捕獲來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體配置過(guò)程為：先進(jìn)行時(shí)鐘的初始化，將PA0復(fù)用為TIM5，定時(shí)器采用向上計(jì)數(shù)、上升沿捕獲；再設(shè)置psc、arr；最后開啟定時(shí)器，使能中斷，搶占優(yōu)先級(jí)設(shè)為0級(jí)。當(dāng)碼型的上升沿到來(lái)時(shí)，開啟定時(shí)器5，計(jì)量時(shí)間即脈寬；下降沿來(lái)臨時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)。脈寬若與同步碼脈寬一致，則表示已同步。繼續(xù)捕獲下一脈沖，進(jìn)行ID位識(shí)別，匹配LED光源。接著捕獲下一脈沖，進(jìn)行ID反碼校驗(yàn)。校驗(yàn)成功，則表示ID識(shí)別正確，調(diào)用RAM中預(yù)先存儲(chǔ)的位置坐標(biāo)信息。接著關(guān)閉定時(shí)器，開啟AD轉(zhuǎn)換，讀取脈沖電壓平均值，代入測(cè)距函數(shù)模型測(cè)距(即收發(fā)端的投影距離)。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景如圖8所示。發(fā)送端由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、LED組成，接收端由光電管、放大電路、單片機(jī)、LCD等組成。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景

MATLAB畫出光源的測(cè)距函數(shù)模型，如圖9所示。

從圖9可看出，實(shí)測(cè)電壓點(diǎn)落在擬合的測(cè)距函數(shù)曲線上及其附近，說(shuō)明兩者之間誤差小，測(cè)距函數(shù)擬合效果好。因此，可以用擬合的測(cè)距函數(shù)式(1)來(lái)估測(cè)收發(fā)兩端的投影距離。

4.2 PWM編碼驗(yàn)證

3路編碼信源經(jīng)探測(cè)器接收后的輸出波形，如圖10所示。從圖中可看出，3路信號(hào)在不同的時(shí)間段循環(huán)發(fā)送、互不干擾，放大電路工作正常，信號(hào)輸出穩(wěn)定，頻率為1 kHz。

圖9 測(cè)距函數(shù)模型

4.3 定位精度驗(yàn)證

已知探測(cè)器測(cè)量精度為5 cm。搭建80 cm×80 cm×80 cm的測(cè)試空間(見(jiàn)圖8)，將3個(gè)燈的位置按等腰三角形固定：LED1(-35，30，80)，LED2(35，30，80)，LED3(0，-30，80)。以底面的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系。在底面選取90個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的最大信噪比為23 dB，最小信噪比為14 dB，滿足通信要求。根據(jù)方程組式(2)估測(cè)目標(biāo)點(diǎn)位置，并用MATLAB將每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的誤差用高度表示出來(lái)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，最大誤差為3.7 cm，最小誤差為1.42 cm，平均誤差為3.38 cm，均方差為1.57 cm。三燈底面投影區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)定位誤差分布，如圖11所示。從圖可知，靠近三角形中心的位置定位精度較高，遠(yuǎn)離三角形中心的位置定位精度較低。通過(guò)基于PWM技術(shù)的三燈定位算法，可以把誤差由5 cm降為3.7 cm。

圖10 3路信源輸出波形

圖11 實(shí)測(cè)定位誤差分布

5 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)實(shí)的三燈定位系統(tǒng)中，光信號(hào)在空間傳輸過(guò)程中易受外界環(huán)境干擾，從而影響定位精度。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出了脈寬編碼的解決方法。用此方法，可有效抵抗環(huán)境干擾，光信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、失真度小，而且易于后續(xù)解碼。基于RSSI技術(shù)，采集收發(fā)兩端不同距離的光電壓數(shù)據(jù)，擬合出收發(fā)兩端距離與光電壓的關(guān)系函數(shù)模型，用來(lái)計(jì)算測(cè)量距離。在80 cm×80 cm×80 cm定位空間中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)測(cè)定位誤差為3.7 cm，表明此方法是可行的。本次研究，只對(duì)不同LED光源的ID進(jìn)行了編碼傳輸；對(duì)燈的位置坐標(biāo)進(jìn)行編碼傳輸是下一步研究的方向。