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基于成像传感器的可见光定位理论与技术研究

赵响  
【摘要】:LED(Light-Emitting Diode)可见光定位技术是在可见光通信基础上,利用LED的位置码及其发出光信号所携带的信息,对目标接收机进行定位。它具有定位精度高、实现简单、无电磁干扰等优点;可广泛应用于大型商场、地铁等公共场所及医院、科学实验室等射频敏感场所。成像传感器(Image Sensor,IS)的空间分离特性使其能够空间分离不同白光LED光源发出的信号,空间分离有用信号源与噪声源,从而有效地滤除噪声并检测出有用信号。并且随着移动终端及可穿戴设备上相机或成像传感器的广泛普及,使得研究基于IS的LED可见光定位技术具有了实际的应用需求。基于IS的LED可见光定位技术涉及LED可见光通信、计算机视觉与摄影测量等多个学科。其中,如何确定成像传感器接收机(简称成像接收机)的位置及姿态,并提高其定位精度及定姿精度是研究的难点。因此,研究基于IS的LED可见光定位具有重要理论意义和应用价值。本文提出了成像接收机位置的参数估计算法,以及成像接收机姿态的参数估计算法;该研究为基于IS的LED可见光定位技术奠定了统计分析的理论基础。进而确定了定位估计精度与定姿估计精度的理论极限,即克拉美罗下界(Cramér-Rao Lower Bound,CRLB);理论极限的确定,为LED光源、成像传感器以及收发机之间的通信距离等参数优化设计指明方向;在此基础上,提出了I2V(Infrastructure-to-Vehicle)车辆定位算法、V2V(Vehicle-to-Vehicle)相邻车间距及相邻车方向估计算法,为室外场景下基于IS的可见光定位应用提供理论基础,并具有实际的指导意义。论文的主要研究工作及贡献如下:(1)针对LED成像点的观测值受高斯白噪声影响情况,提出了室内成像接收机位置的最大似然估计算法,该参数估计算法为基于IS的LED可见光定位技术奠定了统计分析的理论基础;然后,确定了室内成像接收机定位估计精度的理论极限,即克拉美罗下界(CRLB),CRLB提供了无偏估计的均方误差所能达到的绝对下限;最后仿真分析了典型室内场景下收发机参数对CRLB的影响,仿真结果表明:室内成像接收机的定位估计精度,与成像接收机距LED发射平面的垂直距离、成像接收机的透镜焦距、像素宽度以及帧速率等参数有关。可实现精确的室内成像接收机定位,定位精度一般处于毫米量级。(2)为了精确确定相机或成像传感器在三维空间中的空间状态,提出了室内成像接收机的位置与方位旋转角的联合最大似然估计算法,实现了成像接收机的姿态估计;进而确定了室内成像接收机定姿估计精度的理论极限,即CRLB;最后,通过数值仿真分析了典型室内场景下收发机参数对CRLB的影响,仿真结果表明:室内成像接收机的定姿估计精度,与所用LED的数目以及成像接收机的透镜焦距、像素宽度、帧速率等参数有关。可实现精确的室内成像接收机姿态估计,其中位置估计误差一般处于厘米量级,方位旋转角估计误差一般小于1度。(3)针对I2V室外场景下的基于IS的LED可见光定位,提出了I2V车辆定位的最大似然估计(MLE)与最小二乘估计(LSE)算法,利用交通路口的LED交通信号灯发出的信号以及LED光源在车载成像接收机中的图像对车辆进行定位;然后确定了车辆定位估计精度的CRLB,并将CRLB与MLE算法、LSE算法的均方定位误差性能进行了比较;最后仿真分析了典型室外场景中收发机参数对CRLB的影响,仿真结果表明通信距离恒定时,室外I2V车辆定位的估计精度取决于所用的LED数目,以及成像接收机的透镜焦距、像素宽度、帧速率等参数。当LED阵列发射机与成像接收机的通信距离为30米时,可实现精确的I2V车辆定位,定位估计误差一般小于0.1米。(4)针对V2V室外场景下的基于IS的LED可见光定位,提出了一种V2V相邻车间距估计方法,利用前车的LED光源在后车的车载成像接收机内的成像来估计前后相邻车之间的间距;进而利用最大似然姿态估计算法确定前后相邻车辆之间的方向旋转角度;最后进行了数值仿真,仿真结果表明前后相邻车之间的距离估计精度取决于LED成像中心的估计精度,且前后相邻车方位旋转角的估计精度与相邻车间距有关,当前后相邻车间距小于35米时,相邻车方位旋转角估计误差一般小于1度。


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