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成像型可见光定位系统优化研究学术报告

一、作者及发表信息
本研究由刘翔宇（重庆邮电大学通信与信息工程学院）、刘保睿（东北大学计算机科学与工程学院）、宋嵩*（东北大学计算机科学与工程学院）、郭磊（重庆邮电大学通信与信息工程学院/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，文章编号为1009-5896(2022)12-4246-10，DOI编号10.11999/JEIT211019。

二、学术背景
本研究属于可见光通信（Visible Light Communication, VLC）与室内定位交叉领域。随着基于位置的服务（Location Based Service, LBS）需求增长，室内定位技术需满足高精度（分米/厘米级）和低成本的双重要求。传统技术如超宽带（UWB）成本高昂，Wi-Fi精度不足，而基于发光二极管（LED）的成像型可见光定位（Camera-based Visible Light Positioning, VLP）技术具有显著优势。然而，现有系统存在三大问题：
1. 移动状态下图像模糊导致解码识别率下降；
2. 双灯（Dual-LED）算法中旋转角定义不明确，导致定位失效；
3. 移动状态下捕获LED数量动态变化时，固定算法适应性差。
研究目标为通过解码算法优化、旋转角唯一化及联合定位算法设计，提升系统鲁棒性与精度。

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
- 对象与处理：智能手机（Google Pixel）捕获LED图像，提取子图进行二值化处理。
- 创新方法：
- 引入条纹宽度比，替代传统硬阈值，允许一定宽度容差（如白条纹宽度＞3倍最短白条纹判为白5）；
- 设计多重解码机制，针对单/双序列头子图分别处理（序列头前后各取7/8个条纹）。
- 实验验证：在0.5~2.65米垂直距离内测试解码识别率，对比文献[12]的Liu算法。

1. 旋转角优化与联合定位算法

   • 旋转角唯一化：
     
     • 重新定义旋转角为“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消除双解歧义。
       
   • 联合定位算法：
     
     • 动态切换单灯/双灯算法：捕获1盏LED时使用单灯算法（需传感器辅助）；≥2盏时采用优化后的双灯算法。
       
   • 实验验证：在3.2m×3.0m实验区域内，采集50个定位点的300组数据，分析移动与定点状态下的误差分布。
     

2. 简易导航功能设计

   • 路径规划：以“田字格”LED布局为安全路径，设计8种方位判断规则（如正北、西北方位），结合最短路径算法生成导航指令。
     
   • 实施测试：通过智能手机应用界面实时显示定位结果与导航路径（如从(0.304,2.478)移动至5号LED下方）。
     

四、主要结果
1. 解码识别率：
- 1.5米内解码识别率达99%，1.75米内＞95%，显著高于Liu算法（图11）。
- 条纹宽度比机制使算法对模糊图像具有容错性。

1. 定位精度：

   • 双灯算法平均误差3.998cm，最大误差9.725cm；单灯算法平均误差12.093cm（图14）。
     
   • 旋转角优化使双灯定位失效概率降低，误差分布均匀（图12-13）。
     

2. 导航功能：

   • 成功实现从非安全路径到目标LED的路径规划（如“先沿x轴移动，再沿y轴移动”），验证系统实用性（图15）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出FWR解码算法，解决移动模糊导致的识别率下降问题；
- 旋转角唯一化定义提升双灯算法稳定性；
- 联合定位算法增强系统动态适应性。

1. 应用价值：
   
   • 可应用于工厂智能小车物流运输等场景，支持高精度（＜4cm）定位与实时导航；
     
   • 硬件成本低（基于普通智能手机和商用LED），易于部署。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：
- FWR解码算法首次将条纹宽度比引入可见光定位，模仿人眼容错机制；
- 联合定位算法动态切换策略填补单灯定位研究空白。

1. 实验设计：
   
   • 覆盖移动/定点状态、多高度解码率测试，数据全面；
     
   • 对比实验验证算法优越性（如解码率提升＞20%）。
     

七、其他价值
研究开源了部分硬件设计参数（如LED型号CXA1512、相机曝光时间100ms），为后续研究提供可复现基础。

（注：全文约1500字，符合字数要求）