基于双共面圆形LED的高精度6自由度可见光定位与标定同步方法研究

一、作者与发表信息
本研究由华南理工大学自动化科学与工程学院的Junye Chen、Dinghao Zeng、Chen Yang及通讯作者Weipeng Guan（邮箱：augwpscut@mail.scut.edu.cn）共同完成，预印本发布于TechRxiv平台（DOI: 10.36227/techrxiv.21082069.v1），并于2022年9月提交至IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，最终版本于2022年7月被接受（DOI: 10.1109/JLT.2022.3198649）。

二、学术背景
科学领域与动机
可见光定位（Visible Light Positioning, VLP）技术因LED照明的普及和图像传感器的发展成为室内定位的研究热点。传统室内定位技术（如Wi-Fi、蓝牙、UWB）存在成本高或精度低的问题，而现有VLP方案通常依赖密集LED布局或额外传感器（如陀螺仪），导致定位范围受限且误差累积。本研究提出一种基于双共面圆形LED的6自由度（6-DOF）同步定位与标定方法，旨在减少对额外传感器和密集LED的依赖，扩展可用定位区域并提升精度。

理论基础
研究基于针孔相机模型（pinhole camera model）和圆形透视投影理论，通过分析LED在图像传感器上的椭圆投影特征，解算相机的位置（x, y, z）和姿态（俯仰角pitch、横滚角roll、方位角azimuth），同时动态标定相机内参矩阵中的焦距参数。

三、研究流程与方法
1. 系统架构
- 硬件组成：发射端为两个共面圆形LED（直径175mm，间距600mm），接收端为智能手机（IQOO，1200万像素前置摄像头）。LED通过OOK调制传输唯一ID，接收端通过图像传感器捕获光信号并解码ID，结合预设的ID-位置数据库实现定位。
- 坐标系定义：建立灯具坐标系{l}和相机坐标系{c}，通过椭圆拟合和几何特征提取计算两者间的旋转矩阵R和平移向量T。

1. 算法流程

   • 椭圆特征提取：对捕获的LED图像进行高斯模糊、二值化、闭运算等处理，消除光晕和条纹干扰，提取椭圆轮廓并拟合参数（式4）。
     
   • 姿态解算：通过对称矩阵对角化（式6）和正交约束（式10-12），推导灯具平面法向量N和中心坐标C（式15）。利用双LED共面性建立焦距优化问题（式17），采用模拟退火算法求解。
     
   • 位置计算：以参考LED中心为原点建立定位坐标系{p}，通过坐标变换（式20-21）得到相机相对于参考LED的3D位置。
     
   • 动态标定：根据相机高度变化实时估计焦距范围（式21），避免固定焦距假设导致的误差。

2. 实验设计

   • 静态实验：在3m×3m区域内设置49个测试点（高度约2m），采集不同角度下的图像（每组10张），评估定位和姿态精度。
     
   • 动态实验：模拟真实场景，测试行走轨迹的实时定位性能，记录计算延迟和ID解码准确率。

四、主要结果
1. 静态性能
- 定位精度：3D定位平均误差7.91cm（标准差3.16cm），水平方向误差更优（图4）。最大误差出现在区域中心（Z轴方向），因椭圆接近圆形导致法向量解算发散。
- 姿态精度：俯仰角/横滚角平均误差<1.6°，方位角误差0.67°（表II）。焦距标定有效性通过向量正交性验证（i·k<0.2），误差容忍度达11.5°。

1. 动态性能
   
   • 实时性：单次定位平均耗时182ms（范围157-220ms），ID解码准确率>95%（高度1-2m，角度±40°内）（图10）。
     
   • 轨迹跟踪：定位轨迹与实际路径基本吻合，切换LED组时误差自动校正（图8）。

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次实现仅需2个LED的6-DOF高精度VLP，摆脱了对IMU等传感器的依赖。
- 提出动态焦距标定方法，解决了变焦镜头导致的固有参数变化问题。

1. 应用价值
   
   • 低成本：利用商用智能手机和现有LED照明设施，适合大规模部署。
     
   • 高鲁棒性：在稀疏LED环境下（9m²/组）仍保持厘米级精度，适用于商场、仓库等场景。

六、研究亮点
1. 创新方法：
- 双LED共面几何约束模型，将最小LED需求从3个降至2个。
- 融合椭圆投影特征与优化算法，同步解算位置、姿态和焦距。

1. 性能优势：
   
   • 相比同类研究（表III），在6-DOF输出、LED密度和实时性上综合领先。例如，对比文献[16]的16cm误差，本方案精度提升50%以上。

七、其他贡献
- 开源解码方案（见作者网站）支持快速ID识别，增强系统实用性。
- 未来计划结合惯性测量单元（IMU）和扩展卡尔曼滤波（EKF）进一步扩大定位范围。

（注：全文引用格式遵循IEEE模板，实验数据均通过重复测量验证。）