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《成像型可见光定位系统优化研究》学术报告

一、研究团队及发表信息
本文由刘翔宇（重庆邮电大学通信与信息工程学院）、刘保睿、宋嵩*（东北大学计算机科学与工程学院）、郭磊（重庆邮电大学/杭州中科先进技术研究院）合作完成，发表于《电子与信息学报》（Journal of Electronics & Information Technology）2022年12月第44卷第12期，文章编号1009-5896(2022)12-4246-10。

二、研究背景与目标
本研究属于室内可见光定位（Visible Light Positioning, VLP）领域，旨在解决现有成像型VLP系统的两大瓶颈问题：
1. 解码识别率低：接收端因运动导致图像模糊，条纹宽度变化使得传统硬阈值解码算法失效；
2. 定位算法适用性不足：双灯（dual-LED）算法中旋转角定义不唯一，移动状态下固定算法导致定位精度波动甚至失效。
研究目标为通过算法优化提升解码识别率与定位鲁棒性，同时设计简易导航功能，满足工厂物流等场景的高精度定位需求。

三、研究流程与方法
1. 基于条纹宽度比（Fringe Width Ratio, FWR）的解码算法优化
- 问题分析：传统算法依赖人工设定硬阈值，模糊图像中条纹宽度变化引发误判。
- 创新方法：
- 引入条纹宽度比，将宽度容错范围从固定值扩展为比例关系（如白条纹宽度达最短白条纹1.6倍则判为白2）。
- 设计多重解码机制：针对图像中可能出现1个或2个序列头的情况，动态选择解码区间（如序列头前后各7/8个条纹）。
- 结合二值化预处理，消除灰度阈值主观性。
- 实验验证：在0.5–2.65米垂直距离内测试解码率，对比文献[12]的Liu算法。

1. 基于旋转角优化的联合定位算法

   • 问题分析：双灯算法中旋转角（θ）存在双解（θ₁=α−β，θ₂=β−α），人为阈值判定导致定位失效。
     
   • 创新方法：
     
     • 旋转角唯一化：重新定义θ为“世界坐标系顺时针旋转至图像坐标系的角度”，结合智能手机方向传感器数据验证正确解。
       
     • 联合定位机制：
       
     • 单灯模式：利用传感器辅助旋转角计算，适用于捕获1盏LED的场景；
       
     • 双灯模式：优化后的双灯算法优先处理捕获≥2盏LED的情况；
       
     • 多灯兼容：捕获≥3盏LED时仍采用双灯算法，牺牲部分精度以降低复杂度。
       
   • 实验验证：在3.2 m×3.0 m实验场地内，测试移动与定点状态下的定位误差。
     

2. 简易导航功能设计

   • 路径规划：以“田字格”安全路径为基础，分8种方位判定当前位置，采用最短路径优先策略（如先回安全路径再移动至目标点）。
     
   • 实现效果：通过智能手机界面交互，实现动态导航路线生成（如图9右所示）。
     

四、主要实验结果
1. 解码识别率：
- 1.5米内解码率达99%，1.75米内＞95%（Liu算法为80%），验证FWR算法对模糊效应的鲁棒性。
- 支持多LED解码的概率优势，进一步提升系统可用性。

1. 定位精度：

   • 双灯算法平均误差3.998 cm，最大误差9.725 cm；单灯算法平均误差12.093 cm（受传感器限制）。
     
   • 定点与移动状态下误差分布均匀，联合算法覆盖全场景（图12–14）。
     

2. 导航功能：成功实现路径规划与实时引导（图15），满足工厂物流模拟需求。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出FWR解码理论，突破传统硬阈值的局限性；
- 建立旋转角唯一化模型，解决几何计算与传感器数据的融合问题。

1. 应用价值：
   
   • 解码率与精度指标优于同类研究（如文献[12]），适用于动态场景；
     
   • 联合算法扩展了系统的适用条件（如单灯模式填补空白），导航功能具工程实践意义。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：
- FWR算法通过比例容错模拟人眼判别机制；
- 旋转角优化首次结合传感器数据与几何定义。

1. 多场景适配：首次实现单灯/双灯/多灯场景的自适应切换，提升系统鲁棒性。
   

七、其他贡献
1. 公开信标编码参数（如序列头占5位编码，总22位），促进技术标准化；
2. 实验数据涵盖垂直距离、移动轨迹、多灯组合等全维度测试，结论可靠。

（注：文献引用格式保留原文编号，如[12]指Liu et al.的研究。）