可见光定位装置的设计开题报告

1. 研究目的与意义

随着近年来人们对室内定位和导航服务的需求日益增加，实现低成本、高精度的室内定位，具有越来越重要的现实意义。目前，常用的室内定位技术主要有以下几种[WIFI，蓝牙，ZigBee，超宽带，RFID等定位方案，算法有基于时间到达（TOA），到达时间差（TDOA），接收信号强度指示（RSSI），指纹等定位算法。然而这些定位方案都有部署难、设备复杂、成本高等缺点。针对这些不足和近年来可见光通信技术的发展，国外研究人员开始提出基于可见光的室内定位方案。与传统方案相比，基于可见光的室内定位无电磁污染，部署容易，既满足照明要求，又降低了功耗和成本。随着下一代绿色LED照明技术的发展，基于可见光的室内定位将是一种很有前景的室内定位备选方案。随着智能通信及无线网络技术的兴起与发展,室内定位技术在人们的日常生活中具有广泛的潜在应用。与此同时,日益增长的宽带接入需求及绿色通信理念对现有无线射频通信提出了新的挑战。采用环保节能LED作为光源的可见光通信(VisibleLight Communication,VLC)技术被认为是极具发展潜力和应用背景的技术。基于可见光通信的室内定位系统由于具有传统室内定位方法所不具备的优势,成为近来一个热门的研究课题。

2. 国内外研究现状分析

室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中。日本是VLC技术的先行者，室内白光LED无线通信的研究在日本首先开展。日本KEIO大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama，在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。他们以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，并认为LED光源满足朗伯(Lambertian)照射形式，且以强度调制直接检测(IMDD)为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系。认为当传送数据率在10Mbps以下的系统是可行的，码间干扰(InterSymbol Interference，ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年，Tanaka等人在原来的基础上分别采用OOK-RZ调制方式与OFDM调制方式对系统进行了仿真，结果表明：当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技术都是可行的，当数据率大于100Mbps时，OFDM 调制技术优于OOK-RZ调制技术。2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光无线通信系统展开了具体分析，分别以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM 调制方式进行仿真分析，得到了不同条件下的误码率大小 。同年Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应 对可见光无线系统造成的影响，分别以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM调制方式进行仿真，结果表明：在数据率小于60 Mbps， 采用8-PPM调制方式可有效克服墙壁反射引起的多径效应。 同年，Komine等提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统 。 2005年， Komine等利用基于最小均方误差算法的自适应均衡技术来克服码间干扰(ISI)，仿真表明在数据率为400 Mbps以下时，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效减少ISI的影响，当数据率高于400 Mbps时，DFE均衡器更能有效克服ISI。 2006年，Sugiyama提出了SCI-PPM调制方法；2007年，他通过脉冲宽度调制(PWM)，研究了光源的亮度控制对通信性能的影响。同年Int Univ Bremen大学的Afgani对基于单LED强度调制OFDM技术进行了研究，理论和实验表明在一米范围内，OFDM技术能够有效消减峰平比(peak-to-average)。 2007 年，Haas 研究了基于正交相移键控(QPSK)调制COFDM(coded OFDM)技术。在90cm范同内，系统可达到2x10-6的误比特率。牛津大学的O'Brien 研究了均衡技术，将系统速率提至75Mbps。飞利浦实验室提出一种新的调制技术多址技术即CTDMA-PPM。 2008年Gruber 首次实验白光LED可见光通信系统101Mbps的通信速率。 2012年Wen-Yilin等实现了10m/500Mbps的可见光通信体统，将数据传输能力提到一个新的高度。2013年迟楠所带领的团队成功实现了下行链路575Mbps上行链路225Mbps的通信速率，走在了我国在此领域的前列。同年Wu F M等实现了最高3.22Gbps 的通信速率。 2014年，信息工程大学宏毅教授所带领的团队提出单载波多相延时叠加调制。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：设计并制作可见光室内定位装置，设计者自行搭建80cm*80cm*80cm的立方体空间。顶部放置3个白光LED，其位置和角度自行设计，由LED控制电路进行控制和驱动；底部平面绘制横纵坐标线（间隔5cm）并分别为A、B、C、D、E五个区域，要求在三个LED正常照明的情况下，测量电路根据传感器检测的信号判定传感器的位置。

研究计划：在分析完设计要求之后，决定：将底平面的坐标划分成100个方格，然后使用摄像头在每个方格的中心进行采样，将采样回的图像进行二值化处理，黑色背景上的3个LED不对称放置，将240*320像素的图像上所有的白点以左下角为零点求均值，然后将这个均值作为特征值，将特征值之间的关系做一定的分析判定，取一定的范围，在程序中建立一个匹配数组，实现特征值和坐标的一一对应的关系。下次将摄像头采样的特征值进行查表，即可输出当前的区域和坐标。这个办法的难点在于如何将特征值和坐标之间的关系找到。将经过漫长的采样、分析数据、建立匹配关系、不断优化程序、反复测试。

4. 研究创新点

本次设计对可见光信道模型和几种定位方法进行了系统的分析。

分别提出了基于led标签和基于接收信号强度的室内定位系统的设计和实现方案,具体包括算法选择、定位环境分析、系统硬件结构实现和软件程序设计等。

基于led-id的室内定位系统利用可见光通信系统发送定位信息,通过合理配置led,确保发送定位信息能够覆盖整个房间,最终实现以房间为定位精度的粗略定位功能,基于rss算法的室内定位系统通过测量可见光信号在接收端的信号强度估计通信距离,实现了在特定的定位空间内计算物体位置坐标的功能。