基于可见光通信（VLC）的车辆定位方案研究学术报告

一、作者及发表信息
本研究由湖南大学计算机与电子工程学院的Jing He和Biao Zhou合作完成，通讯作者为Jing He（邮箱：jhe@hnu.edu.cn）。研究成果发表于2021年8月16日的Optics Express期刊第29卷第17期，论文标题为《Vehicle positioning scheme based on visible light communication using a CMOS camera》。研究获得了湖南省自然科学基金（2020JJ4210）和国家自然科学基金（61775054）的资助。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于智能交通系统（ITS）中的高精度车辆定位技术领域，结合可见光通信（VLC）和计算机视觉技术。
研究动机：传统的GPS定位在隧道、城市峡谷等场景下存在信号遮挡和多径效应问题，精度仅约10米；而激光雷达（LiDAR）和雷达（Radar）成本高昂。可见光定位（VLP, Visible Light Positioning）技术利用现有LED路灯和车灯设施，具有无电磁干扰、低成本和高精度的潜力，但现有方案受CMOS相机“光晕效应”（blooming effect）和相机倾斜影响定位性能。
研究目标：提出一种抗光晕效应和相机倾斜的车辆定位方案，通过LED路灯发射位置数据、CMOS相机接收并解码，结合角度补偿（AC）和粒子滤波（PF）算法提升定位精度。

三、研究流程与方法
1. 系统设计
- 发射端：LED路灯采用OOK（On-Off Keying）调制，广播包含唯一位置信息的数据包（8位包头+12位有效载荷）。
- 接收端：车辆搭载CMOS相机（分辨率1920×1080，帧率60fps），通过滚动快门（rolling shutter）效应捕获LED信号形成的黑白条纹图像。

1. 信号处理与解码

   • 抗光晕方案：提出基于比特长度估计（BLE, Bit Length Estimation）的动态采样算法。传统时钟恢复（CR）方案因光晕效应导致采样频率偏移（SFO），而BLE通过动态调整采样间隔，结合阈值函数（式3）修正非整数比特长度，降低误码率。
     
   • 解码流程：① 灰度转换去除色度干扰；② 列矩阵选择提取像素灰度序列；③ 低通滤波平滑噪声；④ 三阶拟合生成阈值区分“0/1”；⑤ 包头定位与BLE动态采样。
     

2. 车辆定位与角度补偿

   • 几何测距：基于摄影测量法计算LED与相机距离（式4-6）。若相机倾角α≠0°，分两种情况补偿（式7-8）：
     
     • Case 1：LED投影于图像平面下半部分，补偿项为l×sinα + f×cosα；
       
     • Case 2：投影于上半部分，补偿项为f×cosα - l×sinα。
       
   • 粒子滤波优化：采用SIR（Sampling Importance Resampling）粒子滤波（1000粒子）处理运动噪声，通过状态方程（式11）和观测方程（式12）迭代优化位置估计（式16）。
     

3. 实验验证

   • 参数设置：模拟真实场景1:10缩比模型，LED间距60cm，相机移动速度4–8 m/s（等效实际速度），倾角0°、9°、15.5°。
     
   • 性能指标：
     
     • 解码准确率（DAR）：BLE方案在6.9米距离下DAR达0.9（传统CR方案仅0.75）；
       
     • 定位误差：无倾角时误差2.30 cm（8 m/s）；倾角9°和15.5°时，AC+PF方案将误差分别降至0.128 m和0.13 m。
       

四、主要结果与逻辑关系
1. BLE采样有效性：实验数据表明，BLE方案显著降低光晕效应导致的SFO，支持更长距离（11米）的可靠解码（图8）。
2. 角度补偿必要性：传统方案在倾角15.5°时误差达米级（图10b），AC方案通过几何修正将误差减少60%以上。
3. 粒子滤波的增益：PF进一步将动态噪声引起的随机误差降低约30%，证明了其在高斯/非高斯噪声下的鲁棒性。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个融合BLE采样、角度补偿和粒子滤波的VLP全流程方案，解决了CMOS相机倾斜和光晕效应的关键技术瓶颈。
- 验证了VLC在车辆定位中的可行性，为GPS盲区（如隧道、地下停车场）提供了低成本替代方案。
2. 应用价值：以1.44 kb/s的数据速率实现了亚米级定位（0.13 m@8 m/s），可支持自动驾驶中的车道级导航和安全距离预警。

六、研究亮点
1. 创新方法：
- BLE动态采样算法通过模运算（式2）和自适应阈值（式3）实现非整数比特长度估计；
- AC方案首次将相机倾角建模为几何投影问题，结合PF提升动态环境下的稳定性。
2. 实验设计：缩比模型（1:10）兼顾可操作性和理论外推性，数据验证了方案在真实场景（如8 m/s车速）的潜在性能。

七、其他价值点
- 与同类方案对比（图11），本研究在11米距离下定位误差（0.17 m）优于文献[18]（0.5 m）和[27]（0.07 m@2.1米），且无需多LED或多相机配置，降低了系统复杂度。
- 开源可能性：作者声明可应要求提供实验数据，有利于后续研究复现与改进。

（注：全文约2000字，严格遵循学术报告格式，未翻译专有名词如OOK、SIR-PF等，首次出现时标注英文原文。）