基于可见光定位的高精度、可扩展室内定位系统研究

作者及发表信息

本研究由Aleix Boixader、Carlos Labella、Marisa Catalan和Josep Paradells共同完成，研究团队来自西班牙巴塞罗那的Fundació i2CAT物联网研究组和加泰罗尼亚理工大学电信工程学院。该研究于2023年12月23日发表在期刊《Electronics》第13卷第1期，文章标题为”A High-Accuracy, Scalable and Affordable Indoor Positioning System Using Visible Light Positioning for Automated Guided Vehicles”。

学术背景

本研究属于室内定位系统(Indoor Positioning Systems, IPS)领域，特别关注自动导引车(Automated Guided Vehicles, AGV)的精确定位问题。随着工业4.0的发展，室内环境中对高精度定位的需求日益增长，而全球导航卫星系统(GNSS)在室内环境下精度不足(约3米)，无法满足AGV等应用的安全路径要求。

当前大多数AGV使用本地预定义的导航系统，但缺乏全局定位系统。将两种系统集成面临精度与覆盖范围平衡的挑战。可见光定位(Visible Light Positioning, VLP)技术虽然能提供快速准确的位置信息，但在可扩展性方面存在局限。本研究旨在开发一种新型基于图像传感器的VLP(IS-VLP)识别方法，利用现有LED照明基础设施，在整个区域内有效替代导航和定位系统。

研究流程与方法

1. 新型识别方法开发

研究团队提出了一种创新的光识别方法，利用LED光源的闪烁频率作为识别标识。该方法通过CMOS相机检测光束变化(光晕)来识别各光源的闪烁频率，而非传统的滚动快门和光编码方案。这种方法显著提高了系统的可扩展性和灵活性。

关键技术突破包括： - 采用欠采样技术，使相机能够检测高于其采样频率(100Hz以上)的闪烁光，这些频率对人眼不可见 - 开发了聚类方法解决大规模场景下的识别问题，将整个区域划分为由四个相邻光源组成的簇 - 使用二维模式匹配算法将频率空间分布与预定义的分布进行匹配

2. 硬件系统构建

研究团队选择了低成本硬件组件构建系统： - 计算单元：Raspberry Pi 4B开发板(8GB RAM版本) - 摄像单元：Raspberry Pi Camera Module 2，配备鱼眼镜头 - 光源单元：商用现货(COTS)的10瓦A60 LED灯泡，配备ESP8266微控制器

整个系统成本低廉，每个VLP接收设备成本低于150欧元，每个LED灯泡成本低于20欧元。

3. 定位软件开发

研究团队开发了多线程定位软件，主要功能包括： - 从相机获取图像帧(90帧/秒) - 过滤干扰并识别潜在光源 - 跟踪潜在光源并记录其特征 - 计算光源闪烁频率 - 进行二维模式匹配 - 解决透视n点(Perspective-n-Point, PnP)问题 - 通过Wi-Fi发布信息

软件采用OpenCV库中的solvePnP算法进行六自由度定位计算，在嵌入式系统上实现了90Hz的刷新率。

4. 系统验证

研究在两个测试环境中验证了系统性能：

实验室测试床： - 8个LED灯以4×2阵列布置，距地面2.2米 - 使用HO比例火车模型测试移动性能(最高速度78cm/s) - 地面设置精确测量网格(10cm间隔)

工厂测试床： - 与Bosch Aranjuez合作部署 - 8个LED灯以4×2阵列布置，间距1.2米，高度4.2米 - 在实际AGV上安装接收设备进行测试 - 16天内记录了138条轨迹数据

主要研究结果

1. 定位精度：系统在95%的测量中实现了优于12厘米的定位精度。实验室环境中，系统能够准确跟踪移动火车模型的位置。

2. 实时性能：系统能够以90Hz的频率更新位置信息。新光源识别和定位的平均延迟为133毫秒，其中约100毫秒用于最低信号持续时间，33毫秒用于频率计算。

3. 可扩展性：通过聚类方法，系统可覆盖大范围区域。例如，使用10个频率和90Hz相机时，理论可覆盖面积达1182平方米。

4. 实用性验证：工厂测试证明系统能够在实际工业环境中稳定工作。安装在AGV上的接收设备成功获取了连续的位置数据。

5. 频闪效应：测试显示系统的频闪可见性度量(Stroboscopic Visibility Measure, SVM)为0.35(全黑暗环境)和0.13(有环境光时)，低于欧盟规定的0.4限值，表明对人眼无显著影响。

研究结论与价值

本研究开发了一种基于可见光定位的高精度、可扩展室内定位系统，主要贡献包括：

1. 科学价值：

• 提出了一种新型的光源识别方法，利用闪烁频率而非传统的光编码方案
• 开发了聚类算法解决大规模场景下的光源识别问题
• 验证了欠采样技术在VLP系统中的应用可行性

1. 应用价值：

• 提供了一种低成本(设备成本<150欧元)、高精度(<12cm)、高刷新率(90Hz)的室内定位解决方案
• 可直接利用现有LED照明基础设施，降低部署成本
• 特别适合工业环境中的AGV导航和定位需求
• 系统频闪对人眼无显著影响，符合欧盟安全标准

1. 工业意义：

• 解决了AGV同时需要导航系统和精确定位系统的问题
• 通过提高定位精度，可缩小AGV的安全区域(alert zone)，增加工厂空间利用率
• 使多个AGV能够在原本设计为单车道的地方并排行驶

研究亮点

1. 创新方法：首次提出利用LED光源闪烁频率变化(而非传统光编码)进行光源识别的方法，大幅提高了系统的可扩展性。

2. 实用设计：全部采用商用现货(COTS)组件构建系统，保证了低成本和高可用性，总成本控制在170欧元以内。

3. 性能突破：在低成本硬件上实现了90Hz的定位刷新率和12厘米的定位精度，满足了工业AGV的应用需求。

4. 实际验证：不仅在实验室环境中测试，还在实际工厂环境中进行了长达16天的连续测试，验证了系统的实用性。

5. 频闪控制：通过精心设计闪烁频率和调制深度，使系统在提供定位功能的同时，不会产生人眼可见的频闪效应。

其他有价值内容

研究还探讨了不同参数对系统性能的影响： - 相机帧率与可识别频率数量的关系 - 信号持续时间与频率分辨率的关系 - 光源间距与覆盖范围的关系 - 相机视场角(FOV)与定位连续性的关系

这些分析为系统在不同场景下的配置提供了理论指导。此外，研究还比较了VLP技术与其他室内定位技术(如UWB、Wi-Fi、LiDAR等)的性能特点，突出了VLP在精度和成本方面的优势。