摘要：文章主要从室内可见光定位技术与方法出发，重点阐述了、LED可见光定位系统的原理以及室内定位技术，旨在与广大同行共同探讨学习。
关键词：LED照明；室内定位；定位技术
一、室内可见光定位技术与方法
1.室内定位技术的基本原理
（1）依据距离的定位方式
它是通过间接测量并计算得到多个信号源到达同一接收端的距离，进而估计出接收端所在的位置，它一般是包括测量信号源发射信号的发射时间与到达的接收端的接收时间的时间差；或者是通过建立信号源发射的信号衰减程度与传输距离的模型，通过这种严格的对应关系从而计算出信号源与接收端的距离等方案。然而基于这种原理的技术方法目前的研究仅侧重于仿真和优化，因为它对实验的设备要求特别高，需要保证信号的传输时间高度的同步，而且在实际应用中信号在传输的过程中衰减的变化很难与传输距离严格对应，就会导致无法根据信号的衰减程度精确的计算出信号的传输距离。
（2）非测距的方式
它是利用信号源循环发送位置信息，接收端通过接收到的多个位置信息，判断后对接收端的位置进行估计。相比前一类方法，它有着易于实现、复杂度低、稳定性强的优点。
2.典型室内可见光定位方法
（1）距离的几何定位法
几何定位法实质上是使用三角形的几何性质来估计位置的定位技术，通常也叫做三边定位法。三边定位法的理论依据在于：通过某种方法得到三点以上参考点与目标位置之间的距离，则可以经过解数学方程组的方法将目标位置确定，基于距离的几何定位法的原理如图1-1所示。因为在实际情况下几乎不可能直接获得物体与参考点之间的距离，因此需要通过测量到达时间（TOA），到达时间差（TDOA），接收信号强度（RSS）等技术方法，利用这些方法可以间接获得目标物体与参考点的距离。一旦已知三个以上参考点与目标物体之间的相对距离，就可以利用参考点的坐标值和目标位置的坐标值组建超定方程组，求解该方程组的解就可以得到所要的目标位置的坐标值。
图1-1 测距的几何测量原理
（2）到达时间（TOA）定位
考虑到光速在空气中是恒定的，故待定位物体到参考点的距离与光信号的传播时间成正比，该方法是在几何定位的原理中利用无线通信技术间接获得参考点与目标位置的距离。它是依据多个参考点在一定的时间周期内与目标物体进行无线通信，三个信号源发射信号所以就会形成如图所示的三个圆，他们在空间中将会相较于一点０，该位置就是目标位置所在的位置，通过求解即可获得目标位置的坐标。假设Ａ点坐标为（Aa，Ya），Ｂ点坐标为（Xb，Yb），C点坐标为（Xc，Yc），０点的坐标为Xx，Yx）。则各个参考点与目标位置之间的距离则可以通过公式1.1计算获得：
R1²=（Xx-Xa）2+（Yx-Ya）2
R2²=（Xx-Xb）2+（Yx-Yb）2
R3=（Xx-Xc）2+（Yx-Yc） 式（1.1）
从式1.1可知在基于几何定位方法的基础上，目标位置与至少三个参考点的距离如果己知的话就可以通过求解超定方程组的形式估计出目标位置。
二、LED可见光定位系统的原理以及室内定位技术比较分析
在满足基本照明和通信双重实现的基础上，将当前室内的位置信息加载到LED光源上，通过无线光链路传输到移动终端，根据终端接收到的信息解析出其在环境中的相对位置并将位置映射到地图上，即可实现基于标签技术的定位系统。
1.室内LED可见光定位系统原理
本文设计的LED可见光定位系统结构模型如图2-1所示，上方的四盏LED光源采取中心对称的方式均匀布置，并使不同的ＬＥＤ光源形成的光照福射区相互重叠，这样的布局能够确保辐射区内的光电探测器可以收到多盏不同的LED发来的位置信息。
图2-1 系统定位结构和模式
首先确定出目标位置所在的初步区域，将该区域继续划分为多个子区域，再根据这些信息转换的不同的电压值，通过比较和判定，按照逐步去除能量最弱的一路坐标信息，进而逐渐缩小并锁定目标位置所在的子区域，从而实现了可见光的定位功能。
2.室内定位技术的比较
（1）红外线技术
红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型的红外线室内定位系统Activebadges使待测物体附上一个电子标识，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术与超声波技术优势互补。
（2）超声波技术
超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成，主测距器可放置于移动机器人本体上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。定位过程如下：先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签，电子标签接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。
目前，比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种：一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。这种技术成本低，功耗小，精度高。另一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标，总体把握数据，抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。
（3）蓝牙技术
蓝牙技术是一种无线传输技术，使用不需申请执照的ISM波段2.4GHz，将2.4GHz这个波段分为79个频道，并利用跳频技术将数据平分传入这79个频道中，这样不仅可以有效地避开干扰，而且波段的利用率也可以达到最高。蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，传输距离为10m（理论值为100m）。
蓝牙室内定位技术的代表是 Nokia，推出了 HAIP 的室内精确定位解决方案，采用基于蓝牙接收器的三角定位技术，最高可达到亚米级精度。蓝牙技术主要优点是设备体积较小、易于集成在手机等移动设备中。但缺点是设备的价格较高，功耗较大。同时若应用环境复杂，稳定性会随着各种噪声的存在而下降。
（4）LED可见光技术
LED可见光定位通过室内天花板上LED光源实现，由于室内大都布置LED光源，此方案可节省投入成本。LED可见光动态范围大，可实现很高速率通讯，相对定位精度较高。
参考文献：
[1]彭睿.定位技术及室内定位方案探讨[J].广东通信技术，2014（5）
[2]张奔.基于LED照明的室内定位技术研究[J].工业控制计算机[J].2018（15）
论文作者:李廷宏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/26
标签：技术论文; 位置论文; 室内论文; 可见光论文; 距离论文; 目标论文; 超声波论文; 《基层建设》2019年第11期论文;