可见光定位系统软件设计与实现毕业论文Word下载.docx
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本文主要研究了一种能在满足室内照明要求的条件下,利用照明用的LED同时实现通信和定位功能的融合系统。
针对传统的室内可见光三边定位算法存在的缺点,本文实现了一种基于距离加权的室内可见光定位算法以及一种基于差分修正的室内可见光定位算法,同时搭建了实验系统,对算法进行了验证。
基于距离加权的室内可见光定位算法,其原理是通过引入与估计距离相关的加权因子,对定位坐标进行调整。
该算法可以在满足室内照明需要的LED分布情况下,实现传统三边定位算法所能实现的最佳定位效果,大大提高了传统三边定位算法的普适性。
基于差分修正的改进算法有别于传统的三边定位算法,是通过将参考的节点到接收机的测量距离与实际距离相减得到差分修正值,并按比例对LED到接收机的距离进行差分修正的。
经仿真和实验验证,该算法能够较好地抑制接收端RSS的随机波动,提高定位系统的精确度。
本文在空间大小为80cm*80cm*80cm的黑箱中进行定位算法的实验测试,LED在黑箱顶部分布,坐标为(20,20),(60,20),(60,60),(20,60)。
实验的测试结果显示传统三边定位算法的最大误差为3.24cm,加权算法的最大误差为3.16cm,差分算法的最大误差为2.50cm,与理论相符。
关键词:
LED可见光定位距离加权差分修正
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thedemandforindoorpositioningisconstantlyimproving.Thetraditionalwirelesscommunicationandpositioningequipmentarelimitedintheuseofmicrowavelimitedenvironment.Asanewlightingmode,theapplicationofLightEmittingDiode(LED)incommunicationandlightingcaneffectivelyimprovethissituation.
ThispapermainlystudiesakindoffusionsystemthatcanrealizecommunicationandlocationfunctionbyusingtheLEDoflightingwhenmeetingtherequirementsofindoorlighting.Inviewoftheshortcomingsofthetraditionalthreeedgepositioningalgorithmforindoorvisiblelight,anindoorvisiblelightlocationalgorithmbasedondistanceweightingandanindoorvisiblelightlocationalgorithmbasedondifferentialcorrectionareimplemented,andanexperimentalsystemisbuilt,andthealgorithmisverified.Inthispaper,animprovedalgorithmbasedondistanceweightingisintroduced,andthepositioningcoordinatesareadjustedbyintroducingaweightedfactorassociatedwiththeestimateddistance.Thealgorithmcanachievethebestpositioningeffectofthetraditionalthreeedgepositioningalgorithm,whichcangreatlyimprovetheuniversalityofthetraditionalthreeedgepositioningalgorithm,whichcanmeettheLEDdistributionoftheindoorlightingrequirements.Inthispaper,animprovedalgorithmbasedonthedifferencecorrectionisimplementedtoreducethedistancefromthemeasureddistancefromthereceivertotheactualdistancetogetthedifferencecorrectionvalue,andthedistanceoftheLEDtothereceiveriscorrectedbytheratio.SimulationandexperimentalresultsshowthatthealgorithmcansuppresstherandomfluctuationofreceiverRSSandimprovetheaccuracyoflocationsystem.
Inthispaper,wetestthelocationalgorithmintheblackboxwithspacesizeof80cm*80cm*80cm.TheLEDlampisdistributedonthetopoftheblackbox,andthecoordinatesare(20,20),(60,20),(60,60),(20,60).Theexperimentalresultsshowthatthemaximumerrorofthetraditionalthreeedgepositioningalgorithmis3.24cm,themaximumerroroftheweightedalgorithmis3.16cm,andthemaximumerrorofthedifferencealgorithmis2.50cm,whichisinagreementwiththetheory.
Keywords:
LightEmittingDiode;
VisibleLightLocation;
DistanceWeighting;
DifferentialCorrection
第1章绪论
近年来,随着科学技术的快速发展,通信和室内定位服务也随之成为人们日常生活的一部分。
在商场,博物馆等大型公共建筑中的室内通信、定位、导航等的需求也正不断增加。
作为一种新兴的照明方式,发光二极管(LightEmittingDiode,LED)的面世使得可见光通信和定位成为可能。
由于LED相较传统光源具有更快的响应速率和更高的光照效率,所以能够在照明的同时实现数据传输的功能。
在频谱资源日益稀缺的情况下,使用LED光源进行通信可以有效地缓解这一现状。
本文实现了一种可见光通信和定位的集成系统(VisibleLightCommunication&
PositionSystem),并针对传统定位算法的不足提出了两种改进算法,提高了室内可见光定位的普适性和可靠性。
1.1室内定位技术概述
定位技术具有很高的需求和应用前景。
目前,应用最广泛的定位技术是以全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)为代表的卫星定位系统,在户外定位可以成功应用并取得了很好的定位效果。
但由于GPS定位主要依赖于无线电波传输,在室内覆盖较小[1]。
且由于室内人员及物品的移动较为频繁,环境复杂多变,信号会受到多径效应、非视距传播效应、吸收效应等因素的影响[2],GPS信号会被吸收,导致接收端信号强度不够,造成定位误差急剧增大,故卫星定位技术无法应用于室内环境。
目前几种主流的室内定位技术包括射频识别(
RadioFrequencyIdentification,RFID)技术、超声波定位技术、红外线(InfraredRadiation,IR)室内定位技术、蓝牙技术、无线保真(Wireless-Fidelity,WiFi)技术和超宽带技术。
射频识别技术能够自动识别目标并获取其信息,其原理是利用了电磁的耦合及雷达反射的传输特性[3],但由于其功耗较大,相应的硬件成本较高,此外产生的强电磁辐射容易影响其他电子系统,故不适宜在机场、医院等电磁敏感的环境下使用。
超声波定位系统的主要原理是通过发射端向接收端发射超声波进行测距,随后通过三边定位法确定接收端的位置,具有高精度的特点。
但由于超声波定位容易受到障碍阻挡以及墙壁的反射效应的影响,故在复杂室内环境中定位精度下降明显。
红外线室内定位技术是利用周期性发送具有身份识别功能的红外线信号进行定位的,但由于红外线的传输距离较短,且容易受到障碍物的干扰,所以红外线室内定位技术的实用性不高。
蓝牙定位技术的原理是利用各种电子设备短距离无线数据连接,通过测量接收信号强度或者数据传输时间来推算传输距离,从而进行室内定位的方法,具有易于集成的优点,但是蓝牙技术在复杂室内环境中的稳定性较差。
WiFi定位技术和蓝牙定位技术的原理相似,都是通过测量接收信号强度来进行定位的。
WiFi技术具有高速率,可经过非视距链路传输,成本低等优点,但其对多径效应的抗性较差,容易受到其他信号造成的串扰而影响定位精度。
超宽带(UltraWideband,UWB)技术作为一种全新的通信技术,有别于传统通信技术所使用的载波通信,是使用一种占空比低的极窄脉冲来传输数据的。
但作为一种新兴的还不成熟的无线技术,实际应用的成本较高。
1.2可见光室内定位技术研究现状
相比之下,可见光室内定位技术由于其突出的优点越来越受到国内外学者的关注。
首先,由于使用照明用的LED作为光源进行光信息的传输以及定位,不需要添加额外的信号发射装置,硬件成本和功率消耗较低。
其次,在某些微波受限场景,如医院、机场等,由于移动通信设备的频谱有可能和这些场景中的重要设备的频谱混叠,导致设备不能正常工作,所以这些地区的通信常常受到限制,但是使用可见光频段进行信息传输并不会受到影响。
第三,由于可见光频段和一般无线通信的频段错开,导致可见光通信和定位系统所受到的来自其他无线设备的干扰较少,相对使用无线电波进行定位能够提供更精确的定位精度。
最后,由于传统无线电波的波长较长,容易发生衍射导致电磁泄露,造成信息安全隐患,而可见光遇到宏观物体时会发生反射,所以保密性能比较好。
正由于LED具有如此之多的优点,国内外的学者不断对可见光室内定位技术进行探讨和钻研。
现阶段常用的可见光定位技术主要包括基于到达时间差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)、到达相位差(PhaseDifferenceofArrival,PDOA)、接收信号强度(ReceivedSi
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