使用LED光源的可見光室內(nèi)定位裝置*

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(安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院，蕪湖 241000)

引 言

基于位置識別的服務(wù)(Location Based Services，LBS)正受到越來越多的關(guān)注，其中定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)LBS的關(guān)鍵。由于室內(nèi)無法使用GPS衛(wèi)星信號定位，所以在室內(nèi)定位方向上展開了大量的研究，產(chǎn)生了很多新興的方案，如基于紅外光、超寬帶、藍(lán)牙、WiFi、可見光等室內(nèi)定位技術(shù)。其中基于可見光的定位技術(shù)具有能效高、抗干擾、又兼具照明及定位多種功能，因此與其它方式相比具有良好的發(fā)展前景。

1 總體結(jié)構(gòu)

該可見光定位裝置模型主要由LED照明設(shè)備、LCD顯示設(shè)備、嵌入式開發(fā)板與圖像傳感器組成，該模型方案整體框架圖如圖1所示。

通過圖像傳感器不斷采集LED照明設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，嵌入式開發(fā)板經(jīng)過軟件算法處理得到傳感器的相對位置，并將坐標(biāo)信息及區(qū)域信息發(fā)送到LCD上顯示。

圖1 方案整體框架圖

定位裝置模型部分(如圖2所示)由一個(gè)不小于80 cm×80 cm×80 cm 的立方空間(包含頂部、底部和3 個(gè)側(cè)面)構(gòu)成，頂部平面放置3個(gè)白光 LED，其擺放位置位于圖3黃色圓點(diǎn)處，由 LED 控制電路進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)；底部平面繪制縱橫坐標(biāo)線(間隔5 cm),并分為A、B、C、D、E五個(gè)區(qū)域(如圖3所示)。測量電路及LCD顯示設(shè)備與定位裝置隔離，僅將圖像傳感器放置于裝置底部進(jìn)行采集。

圖2 可見光室內(nèi)定位裝置模型示意圖

圖3 模型底部平面坐標(biāo)區(qū)域圖

2 組件分析

2.1 樹莓派嵌入式開發(fā)板

嵌入式開發(fā)板部分采用Raspberry Pi作為開發(fā)板。開發(fā)板外形只有信用卡大小，卻具備很強(qiáng)大的功能，能滿足該定位裝置模型的開發(fā)需求。

本次選用的是其3代B型產(chǎn)品，其采用Broadcom BCM2837 64位核心處理器，主頻頻率為1.2 GHz，內(nèi)存部分采用1 GB LPDDR2，以及40針腳的GPIO擴(kuò)展口。

2.2 圖像傳感器

采用樹莓派專用CSI接口5MP攝像頭，同時(shí)在鏡頭部分加裝無畸變廣角鏡頭，增加攝像頭的可視角度，能基本達(dá)到在測試環(huán)境下圖像傳感器處于任意位置都能夠采集到頂部平面三個(gè)白光LED的位置信息這一目標(biāo)。

2.3 LED電源控制部分

LED電源控制部分采用L298N驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。L298N驅(qū)動(dòng)電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和PWM調(diào)控功能，可以通過PWM波控制其輸出占空比,從而調(diào)節(jié)三個(gè)白光LED的發(fā)光強(qiáng)度。

2.4 LCD顯示設(shè)備

顯示部分采用通用7英寸1024×600分辨率HDMI電容顯示屏，采用HID協(xié)議，在配合Raspberry Pi使用時(shí)，支持單點(diǎn)觸控，且免裝驅(qū)動(dòng)，支持背光控制。

3 理論分析

3.1 定位方法

通過圖像傳感器每隔700 ms捕獲一次頂部白光LED的圖像，通過軟件處理計(jì)算出三個(gè)LED的位置信息，根據(jù)圖像傳感器成像法，計(jì)算出傳感器的相對位置。圖像傳感器采集LED位置示意圖如圖4所示。

圖4 圖像傳感器采集LED位置示意圖

得到具體坐標(biāo)位置A(x1,y1)、位置B(x2,y2)、位置C(x3,y3)后，根據(jù)三角形質(zhì)心算法得到坐標(biāo)((x1+x2+x3)/3)，(y1+y2+y3)/3)，再與原始中心點(diǎn)(x0,y0)做差，按照一定比例進(jìn)行縮放得到真實(shí)傳感器位置，從而實(shí)現(xiàn)定位。

3.2 信息發(fā)送接收方法

利用脈沖寬度調(diào)制原理控制白光LED的發(fā)光強(qiáng)度，通過圖像傳感器分析采集到的三個(gè)白光LED的灰度信息，從而判斷并處理信息。

3.3 點(diǎn)光源位置獲取方法

圖5 圖像傳感器捕獲圖像

可見光的光譜波長范圍為380～760 nm，通過攝像頭采集到的圖像會得到明顯光斑效應(yīng)。捕獲圖像如圖5所示。

實(shí)時(shí)獲取圖像信息代碼如下：

BufferedImagebuffImage=new BufferedImage(width, height, BufferedImage.TYPE_BYTE_BINARY);

for (inti = 0; i < width; i++){

for (int j = 0; j < height; j++) {

intrgb = image.getRGB(i, j);

buffImage.setRGB(i, j, rgb);

}

}

圖6 處理后圖像

對于這種圖像來說，計(jì)算三點(diǎn)坐標(biāo)是極其困難的，所以在這里進(jìn)行色域轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行濾波及二值化操作?？梢园l(fā)現(xiàn)該圖像具有中心亮度偏大，而后以發(fā)光點(diǎn)為圓心逐漸擴(kuò)散。為了確認(rèn)這三個(gè)位置，可以逐行掃描圖像，記錄圖像高亮區(qū)域，并設(shè)置一定閾值，記錄亮度連續(xù)處于一定大小的區(qū)域，通過加權(quán)平均算法計(jì)算出光斑坐標(biāo)。處理后圖像如圖6所示。代碼如下：

for (inti = 0; i < width; i++){

for (int j = 0; j < height; j++){

intrgb = buffImage.getRGB(i, j);

if (rgb == -1){

System.out.println(i + "," + j);

if (flag == 0 | i - recode <= 1) {

flag = 1;

recode = i;

times++;

widthadd += i;

heightadd += j;

}

else{

xPoint[xy] = widthadd / times;

yPoint[xy] = heightadd / times;

xy++;

flag = 0;

times = 0;

widthadd = 0;

heightadd = 0;

recode = 0; }

}

}

當(dāng)遇到攝像頭采集失敗或并未在圖像中正確找到三點(diǎn)坐標(biāo)的情況時(shí)進(jìn)行異常處理，代碼如下：

xPoint[xy] = widthadd / times;

yPoint[xy] = heightadd / times;

if(times==0){

System.out.println("error!!! No light");

System.exit(0);

}

3.4 定位誤差分析及解決方案

在未安裝廣角鏡頭的情況下，在可視角度為65°的情況下很容易出現(xiàn)采集頂部LED不完全的情況，在加裝無畸變廣角鏡頭后，可視角度變大，但當(dāng)圖像傳感器處于邊界部分時(shí)仍可能出現(xiàn)丟失一個(gè)白光LED的情況，這時(shí)定位會出現(xiàn)較大偏差，需要在算法中補(bǔ)充丟失定位點(diǎn)的情況，這里采用模糊算法，在丟失一點(diǎn)的情況下根據(jù)剩余兩點(diǎn)所處邊根據(jù)一定角度進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)。在圖像傳感器只捕獲到一個(gè)點(diǎn)或者未捕捉到點(diǎn)的情況下進(jìn)行報(bào)錯(cuò)處理，提高程序健壯性。

同時(shí)，在擺放傳感器時(shí)會出現(xiàn)測量正方向與實(shí)際正方向不重合的問題，圖像得到的三點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際會有一定的偏差，這需要人為干預(yù)將圖像傳感器擺放至坐標(biāo)系方向，提高定位精度。

在不同環(huán)境下，由于光照條件不同，以及LED驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力不同，在計(jì)算對應(yīng)點(diǎn)時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場情況更改程序中的比例系數(shù)值，以提高定位精度，若室內(nèi)光照強(qiáng)度較高時(shí)，可以適當(dāng)提高LED驅(qū)動(dòng)電路亮度，以對抗自然光的干擾。

4 程序及定位架構(gòu)

4.1 程序整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

程序整體流程圖如圖7所示。

通過嵌入式開發(fā)板處理圖像傳感器采集到的圖像，經(jīng)過濾波處理得到較為良好的圖像，圖像成功識別后進(jìn)行十字坐標(biāo)的建立，并通過多次采集取均值的方法校正所得到的點(diǎn)，并與原坐標(biāo)系進(jìn)行對比，達(dá)到定位的目標(biāo)，最后將信息發(fā)送到顯示屏上，完成此次定位并開始下次定位。

4.2 定位流程架構(gòu)

可見光定位整體流程圖如圖8所示。

圖7 程序流程圖

圖8 可見光定位整體流程圖

安裝在模型頂部的三路白光LED，在提供照明的同時(shí)也在控制電路的驅(qū)動(dòng)下發(fā)送光信息，圖像傳感器采集到這三個(gè)點(diǎn)并進(jìn)行質(zhì)心算法處理，得到焦點(diǎn)坐標(biāo)與原點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行處理，并將坐標(biāo)及附加的區(qū)域及正誤信息發(fā)送到LCD顯示屏上，完成整個(gè)定位過程。

5 裝置測試及結(jié)果分析

5.1 裝置測試顯示結(jié)果

顯示結(jié)果部分主要由4個(gè)部分組成。首先是由圖像傳感器捕獲到的三個(gè)白光LED具體的坐標(biāo)信息；接著是通過算法計(jì)算出傳感器坐標(biāo)位置，精度達(dá)到0.1 cm；然后是傳感器的位置信息，由于整個(gè)坐標(biāo)系被劃分成5大區(qū)域，分別標(biāo)識成A、B、C、D、E，這里可以直觀地顯示傳感器所在的大致區(qū)域，同時(shí)有上下左右指示，直觀顯示信息；最后是本次定位所花費(fèi)的時(shí)間，以ms為單位。若出現(xiàn)意外情況未獲取到正確的可見光坐標(biāo)點(diǎn)，會顯示本次定位出錯(cuò)。LCD顯示結(jié)果如圖9所示。

圖9 LCD顯示結(jié)果示意圖

5.2 裝置分組測試及結(jié)果

為了更好地測試該套裝置模型的定位性能，保證測試結(jié)果真實(shí)可靠，設(shè)置了5組測試方案，從定位區(qū)域、定位角度、定位精度等不同方向測試裝置。

為了確保該裝置能夠真實(shí)模擬實(shí)際環(huán)境，將測試環(huán)境設(shè)置為關(guān)閉照明燈，打開窗簾，自然采光，避免陽光直射的條件。

測試方案1：圖像傳感器放置在B、D區(qū)域，區(qū)分其位于橫坐標(biāo)軸的上、下區(qū)域。測試結(jié)果如表1所列。

表1 測試方案1結(jié)果

測試方案2：圖像傳感器放置在C、E區(qū)域，區(qū)分其位于縱坐標(biāo)軸的左、右區(qū)域。測試結(jié)果如表2所列。

表2 測試方案2結(jié)果

測試方案3：將圖像傳感器放置在A區(qū)域，顯示并記錄其位置坐標(biāo)值，且要求絕對誤差不大于10 cm。測試結(jié)果如表3所列。

測試方案4：將圖像傳感器放置在B、C、D、E區(qū)域，顯示并記錄其位置坐標(biāo)值，且要求絕對誤差不大于10 cm。測試結(jié)果如表4所列。

表3 測試方案3結(jié)果 單位/cm

表4 測試方案4結(jié)果 單位/cm

測試方案5：將圖像傳感器放置在底部平面的任意區(qū)域,顯示并記錄其位置坐標(biāo)值，且要求絕對誤差不大于3 cm。測試結(jié)果如表5所列。

表5 測試方案5結(jié)果 單位/cm

5.3 裝置測試結(jié)果分析

上述測試結(jié)果表明，該套可見光定位裝置能夠正確實(shí)現(xiàn)定位，顯示分辨率為0.1 cm的情況下實(shí)現(xiàn)了絕對誤差小于3 cm，每次定位時(shí)間基本控制在1000 ms以內(nèi)。在實(shí)際測試過程中，采用低功耗方案，在LED控制電路部分采用自制的12 V單電源供電系統(tǒng)，供電功率通過 儀器測試僅達(dá)3W，能夠在正常照明的情況下達(dá)到定位。總的來說該系統(tǒng)具有節(jié)能、高效、定位精度較高等特性。同時(shí)該裝置也存在一些缺陷，如抗干擾能力不夠強(qiáng)，在面對強(qiáng)烈太陽光干擾下會出現(xiàn)光源重疊、設(shè)備無法定位的情況。

圖像傳感器的分辨率及可視角度也會影響定位的精度，這需要后續(xù)硬件及算法的繼續(xù)優(yōu)化來提升整體裝置的性能。

結(jié) 語

[1] 張曉鋒,王敏,王瑾.基于可見光的室內(nèi)定位的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2017,54(10).

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