宋艷英

(忻州師范學(xué)院 五寨分院，山西 忻州 140928)

室內(nèi)定位是很多室內(nèi)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，如軍事偵察、倉(cāng)庫(kù)內(nèi)車(chē)輛導(dǎo)航、火災(zāi)室內(nèi)疏散以及零售業(yè)的基于位置服務(wù)等.據(jù)相關(guān)報(bào)道[1]，到2022年，全球室內(nèi)定位總市場(chǎng)將增長(zhǎng)至409.9億美元，我國(guó)科技巨頭華為科技有限公司也逐步將高精度室內(nèi)定位推向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)[2].因此，室內(nèi)定位技術(shù)的研究具有較大的商業(yè)價(jià)值和意義.

通常，室內(nèi)定位技術(shù)必須具備準(zhǔn)確度高、靈敏、可擴(kuò)展、低成本和高可靠性等特點(diǎn).迄今為止，已有一些相關(guān)研究成果，如基于射頻識(shí)別(RF)的定位方法[3]，基于藍(lán)牙、Wifi技術(shù)[4]、激光SLAM技術(shù)[5]、紅外線(xiàn)技術(shù)[6]等.受限于多徑衰落效應(yīng)，基于Wifi或藍(lán)牙技術(shù)的定位精度普遍較低.基于RF技術(shù)的缺點(diǎn)也是精度較差，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng).激光SLAM技術(shù)的精度非常高，但激光傳感器的成本太高.

理想的室內(nèi)定位解決方案應(yīng)該在系統(tǒng)性能和成本之間達(dá)到合理的平衡.基于可見(jiàn)光通信(VLC)的室內(nèi)定位技術(shù)[7]具有精度高、能效好、成本低等特點(diǎn)，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇.基于VLC的室內(nèi)定位，按照接收器分，可分為基于相機(jī)和光電二極管兩種.基于相機(jī)的方法[8]可以利用手機(jī)前置攝像頭，通過(guò)到達(dá)角(AOA)定位算法，自然啟動(dòng)信標(biāo)廣播.手機(jī)攝像頭作為天然的AOA傳感器，提供了空間辨別能力.但這種方法也存在一些固有缺陷，如嚴(yán)格依賴(lài)視線(xiàn)(LOS)視圖，并要求所有光信標(biāo)的位置登記.文獻(xiàn)[9]也是一種實(shí)用相機(jī)接收器的VLC室內(nèi)定位，該方法結(jié)合室內(nèi)照明LED布局實(shí)際情況，從可見(jiàn)光傳輸距離短、定位精度高的特點(diǎn)出發(fā)，將傳輸距離信息作為加權(quán)因子引入定位算法中，提高了定位精度及擴(kuò)大了定位區(qū)域.

與之相比，使用光電二極管作為接收器的VLC室內(nèi)定位具有信號(hào)處理更加簡(jiǎn)單、不依賴(lài)于LOS視圖和位置登記等特點(diǎn).文獻(xiàn)[10]將光電二極管作為接收器，并與手機(jī)、相機(jī)信息進(jìn)行了融合.文獻(xiàn)[11]只將光電二極管作為唯一的接收器，運(yùn)用光分解技術(shù)和貝葉斯理論進(jìn)行室內(nèi)定位，但所研究的平臺(tái)區(qū)域非常小.

由于光電二極管作為接收器方面的優(yōu)勢(shì)，本文重點(diǎn)研究了該類(lèi)型的VLC室內(nèi)定位系統(tǒng).重新設(shè)計(jì)了接收器和LED燈，使用多個(gè)LED燈作為共享光學(xué)介質(zhì)，向單個(gè)光電二極管接收器提供可靠的信標(biāo)廣播，使用高斯過(guò)程回歸推導(dǎo)出定位結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)具有很好的易用性、較高的精度和魯棒性.

1 提出的室內(nèi)定位系統(tǒng)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括一組作為定位信標(biāo)的VLC兼容LED燈，以及通過(guò)音頻插孔連接到用戶(hù)設(shè)備(如智能手機(jī))的光電二極管接收器.系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)LED燈在共享光信道上通過(guò)單向通信將其唯一信標(biāo)標(biāo)識(shí)向接收器進(jìn)行廣播.配備接收器的用戶(hù)設(shè)備對(duì)多個(gè)光信標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀(guān)測(cè)，獲取每個(gè)信標(biāo)標(biāo)識(shí)及其相應(yīng)的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS).由此，通過(guò)這些觀(guān)測(cè)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.1 室內(nèi)定位系統(tǒng)的邏輯通信

在單向通信下，LED燈永遠(yuǎn)不知道其發(fā)送的信標(biāo)消息是否被接收器正確解譯.因此，提出的系統(tǒng)中采用了基于BFSA的隨機(jī)多址方案，以避免在不知情和未協(xié)調(diào)的光信標(biāo)之間的持續(xù)沖突.在實(shí)現(xiàn)隨機(jī)多址接入過(guò)程中，LED燈在所需時(shí)隙到來(lái)時(shí)才執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，由于曼切斯特碼數(shù)據(jù)是直流均衡的，因此在數(shù)據(jù)傳輸期間不會(huì)出現(xiàn)幀內(nèi)閃爍.但進(jìn)入空閑狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)幀間閃爍問(wèn)題[12].

為了抑制幀間閃爍問(wèn)題(幀內(nèi)閃爍可以通過(guò)曼切斯特編碼解決)，根據(jù)IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)，讓LED燈在空閑狀態(tài)下發(fā)送偽數(shù)據(jù)消息來(lái)防止閃爍.偽消息的調(diào)制頻率選擇帶內(nèi)或帶外頻率皆可，系統(tǒng)中的偽消息為重復(fù)的“01”符號(hào)，提供與信標(biāo)消息相等的平均強(qiáng)度.特定情況下，燈光可通過(guò)適當(dāng)?shù)腄C電流驅(qū)動(dòng)而無(wú)需調(diào)制，只要空間時(shí)隙中的DC強(qiáng)度等于活動(dòng)時(shí)隙中的平均強(qiáng)度，即可實(shí)現(xiàn)LED燈的總體亮度保持一致.本文傾向于選擇帶外高頻(如100 kHz)進(jìn)行調(diào)制，其可通過(guò)接收器上的低通濾波器輕易移除.

1.2 基于高斯過(guò)程回歸的定位算法

為了對(duì)提出的系統(tǒng)進(jìn)行定位驗(yàn)證，采用了基于指紋技術(shù)，使用高斯過(guò)程回歸(GPR)[13-14]算法進(jìn)行定位.即根據(jù)稀疏的指紋采樣，利用GPR構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)度分布模型.然后，使用貝葉斯濾波器建立強(qiáng)度圖進(jìn)行定位.

1.2.1 基于GPR的環(huán)境建模

利用高斯過(guò)程從訓(xùn)練集中預(yù)測(cè)函數(shù)f上的后驗(yàn)分布.兩個(gè)函數(shù)值f(xp)和f(xq)之間的協(xié)方差由輸入數(shù)值xp和xq決定，其可通過(guò)核函數(shù)k(xp,xq)來(lái)描述.通常選擇高斯核函數(shù)如下：

(1)

(2)

(3)

式中：K=[k(xp,xq)]∈Rn×n為輸入數(shù)值的協(xié)方差矩陣.給定任一輸出x*，則函數(shù)值f(x*)上的后驗(yàn)分布為高斯為：

(4)

(5)

預(yù)測(cè)分布提供了基于位置的VLC接收信號(hào)的概率回歸模型.由此，可以創(chuàng)建一組強(qiáng)度分布圖，包括用于定位的每個(gè)光信標(biāo)的平均圖和方差圖.

1.2.2 基于GPR的定位計(jì)算

本文使用貝葉斯濾波進(jìn)行定位表示：

(6)

式中：u0：t-1為控制輸入；p(yt|xt)為觀(guān)測(cè)模型；p(xt|xt-1,ut-1)為運(yùn)動(dòng)模型；p(xt-1|y0：t-1,u0：t-1)為先前的估計(jì).

假定不同燈光的觀(guān)測(cè)相互獨(dú)立，則觀(guān)測(cè)模型可表示為：

(7)

(8)

2 系統(tǒng)的硬件優(yōu)化

2.1 VLC兼容的LED燈

目前商用LED燈具尚不支持VLC功能，本文設(shè)計(jì)出易于使用的緊湊型LED燈，燈泡使用標(biāo)準(zhǔn)E27螺絲燈頭，易于安裝到燈泡插座上.LED驅(qū)動(dòng)器的原理圖如圖2所示，包括AC-DC電源、DC-DC降壓變換器、電壓控制電流源(VCCS)、低成本微控制器(MCU)、調(diào)試連接器和LED板.AC-DC電源模塊的輸出為12 V，最大功率4.5 W.考慮到功率容限，選擇了一塊3 W的LED板.DC-DC變換器從12 V降至5 V，以供電其他電路.在微控制器的控制下，通過(guò)VCCS調(diào)節(jié)LED電流.信號(hào)調(diào)制、編碼和隨機(jī)多址控制[15]都作為固件在微控制器內(nèi)實(shí)施.借助無(wú)線(xiàn)編程器，可根據(jù)需要對(duì)固件進(jìn)行更新.利用當(dāng)前商用的LED燈泡組件構(gòu)建提出的燈泡，主要由標(biāo)準(zhǔn)E27螺絲燈頭、商用AC-DC供電、LED板、調(diào)試連接器、集成DC-DC轉(zhuǎn)換器和微控制器的VLC控制板構(gòu)成.

圖2 LED燈泡驅(qū)動(dòng)器電路原理圖

2.2 組裝后的接收器

接收器是VLC室內(nèi)定位的關(guān)鍵之一，與相機(jī)接收器相比，光電二極管的接收器則具有能量高效、電池負(fù)擔(dān)小、信號(hào)處理更加簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn).且不依賴(lài)于LOS視圖，使用無(wú)模型定位方法(例如指紋)時(shí)不需要位置登記.本文接收器電路的設(shè)計(jì)圖如圖3所示，包括PIN型光電二極管(PD)、帶DC偏置校正的跨阻抗放大器(TIA)、低通濾波器(LPF)和小型鋰電池.通過(guò)音頻插孔將接收器連接到USB聲卡上；在計(jì)算機(jī)上利用python庫(kù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和解調(diào)制；可通過(guò)微型USB接口為鋰電池進(jìn)行充電；組裝后的接收器通過(guò)音頻插孔連接到聲卡的接收器電路.

圖3 光電二極管接收器電路原理圖

之所以這樣組裝接收器，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中，陽(yáng)光、熒光燈和白熾燈可能會(huì)造成環(huán)境干擾，其中包括較大的DC偏置，以及一些較強(qiáng)的低頻分量(100或120 Hz)和高頻諧波.此外，所提系統(tǒng)中的偽消息廣播也會(huì)帶來(lái)高頻分量.較大的DC偏置可能會(huì)造成接收器電路的飽和.為避免這種情況，在TIA中加入一個(gè)誤差積分器以糾正DC偏置.將輸出信號(hào)偏置到一個(gè)固定值.這里采用四階巴特沃斯低通濾波器來(lái)移除偽消息廣播產(chǎn)生的高頻干擾.

3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

室內(nèi)定位的平臺(tái)在一間包括4個(gè)本文定制LED的房間中.LED等安裝在3 m×3 m的正方形實(shí)驗(yàn)臺(tái)的4個(gè)角，離地高度2.4 m，實(shí)驗(yàn)為每個(gè)LED燈生成虛擬VLC信號(hào)序列，其中嵌入了唯一標(biāo)識(shí)碼(使用OOK調(diào)制方案和曼切斯特編碼)和基于BFSA的多址控制.采用所提GPR算法在稀疏指紋采樣上構(gòu)建細(xì)粒度光強(qiáng)圖.在中心區(qū)域以0.4 m間距創(chuàng)建6×6點(diǎn)的2D網(wǎng)格作為GPR的訓(xùn)練樣本，如圖4所示.

x/m圖4 訓(xùn)練點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)的圖示

然后在中心和邊緣區(qū)域均勻選擇25個(gè)額外的位置作為測(cè)試點(diǎn).使用商用激光測(cè)距儀，以約2 cm的準(zhǔn)確度確定這些點(diǎn)的位置.實(shí)驗(yàn)主要評(píng)價(jià)所提系統(tǒng)在真實(shí)應(yīng)用中的定位性能.

3.2 室內(nèi)定位結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，打開(kāi)4個(gè)LED燈，其他室內(nèi)燈具保持關(guān)閉.因?yàn)長(zhǎng)ED燈泡最大功率為3W，遠(yuǎn)低于其他熒光燈的正常額定功率，而高能低頻組件會(huì)造成接收器電路的飽和，一般可以使用大功率LED燈，通過(guò)選擇較小的放大增益來(lái)解決這一問(wèn)題.

采集36個(gè)位置處的指紋樣本，構(gòu)建所有光信標(biāo)的強(qiáng)度分布圖.首先以25個(gè)靜態(tài)位置(圖5)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).估計(jì)位置和地面真實(shí)位置如圖6所示.最大定位誤差出現(xiàn)在測(cè)試臺(tái)邊緣附近.這是因?yàn)閮H在測(cè)試臺(tái)中央?yún)^(qū)域采集指紋樣本，生成的光強(qiáng)圖不能很好地匹配邊緣區(qū)域的強(qiáng)度分布.

x/m圖5 靜態(tài)位置處的定位結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中的位置誤差經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)(CDF)如圖6所示.

位置誤差/m圖6 兩種不同情況下的CDF

平均誤差為0.04 m，90百分位點(diǎn)的誤差為0.34 m.為評(píng)估對(duì)燈光故障的魯棒性，本文故意關(guān)閉了4號(hào)燈并重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖6中的虛線(xiàn)是關(guān)閉4號(hào)燈的位置誤差CDF.可以看出，定位準(zhǔn)確度稍有下降，但依然獲得了0.11 m的平均誤差，90百分位點(diǎn)的誤差為0.5 m.這證明所提定位系統(tǒng)對(duì)一定程度的燈光故障具有較好的魯棒性.

本文還評(píng)價(jià)了室內(nèi)定位結(jié)果的一致性.即VLC接收器位置固定在測(cè)試臺(tái)中央，并連續(xù)記錄600 s的估計(jì)位置，得出：平均誤差為0.037 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01 m.且誤差呈離散狀，這是因?yàn)閺?qiáng)度分布圖的解析度為0.04 m，平均誤差與光強(qiáng)度解析度是相符的，這也說(shuō)明了系統(tǒng)具有較好的一致性.為演示實(shí)際用例，在地面上沿兩個(gè)閉環(huán)矩形組成的固定軌跡對(duì)接收器進(jìn)行移動(dòng)，如圖7所示.可以看出，估計(jì)軌跡與地面真實(shí)軌跡十分相似.整體來(lái)看，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的室內(nèi)定位也接近于靜止目標(biāo)的定位效果.

x/m圖7 沿軌跡運(yùn)動(dòng)的定位結(jié)果

3.3 與類(lèi)似VLC室內(nèi)定位的比較

使用一臺(tái)PC電腦(英特爾酷睿i5-4590四核CPU @2.80GHz)，從不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，對(duì)如圖9的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位，比定位的平均誤差和最大誤差，從而也可以反映出魯棒性.按照4.1節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行布置，運(yùn)行時(shí)間分為短時(shí)間100 s，長(zhǎng)時(shí)間400 s.

表1～2給出了在使用不同數(shù)量的LED燈(4～7個(gè))時(shí)，3種不同方法的綜合性比較.

表1 100 s運(yùn)行準(zhǔn)確度和魯棒性比較

表2 600 s運(yùn)行準(zhǔn)確度和魯棒性比較

由表1～2可知，本文定位系統(tǒng)在定位的平均誤差方面更小、最大誤差更小.從100 s和600 s的比較看，其結(jié)果相差不大，即長(zhǎng)時(shí)間定位的魯棒性更佳.而文獻(xiàn)[11]的方法表現(xiàn)較差，該方法僅使用貝葉斯理論進(jìn)行定位，傾向于處理1 m2左右的小平臺(tái)，其錯(cuò)誤的初始值會(huì)導(dǎo)致較大的誤差.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于GPR的VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)，使用光電二極管為接收器，針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，實(shí)施了基于BFSA的隨機(jī)多址方案.LED燈也采用緊湊設(shè)計(jì)，支持即插即用功能.與類(lèi)似采用光電二極管為接收器的室內(nèi)定位方法相比，所提系統(tǒng)具有更好的定位精度，定位失敗的次數(shù)更少.從連續(xù)記錄結(jié)果看，可以滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間定位，且長(zhǎng)時(shí)間定位和短時(shí)間定位相差不大，具有較好的魯棒性.