基于多传感器融合的可见光实时高精度定位.pdfVIP

基于多传感器融合的可见光实时高精度定位

摘要

随着移动互联网时代的发展，人们对实现更高精度无缝定位的需求日益增长，人们

对位置服务的需求已经不仅限于室外场景，室内位置服务的要求日渐增多，室内定位技

术也因此得到了迅速发展。基于WiFi、蓝牙、地磁信号的传统室内定位技术，都存在各

自的缺点，比如室内定位误差较大，容易受到外界因素的干扰等。基于超宽带（UWB,

Ultra-WideBand）的室内定位技术，尽管定位精度较高，但硬件设备投入可观且部署难

度较大。随着发光二极管（LED,LightEmittingDiode）技术的成熟和发展，在兼顾照明

的同时还可以实现位置服务（LBS,LocationBasedService）。LED具有光源信号稳定，传

输过程中不易受外界干扰的优势。因此，基于可见光的室内定位技术是未来室内定位的

发展趋势之一，系统搭建也较为简单。本文对基于可见光传播模型的测距定位及传感器

融合进行了深入的研究，主要工作如下：

（1）基于外部频率调控的可见光定位系统的搭建：首先使用单片机驱动多个LED

光源端，使用稳定的MOS管开关电路实现LED灯以特定频率闪烁，通过光传感器以及智

能手机自带的3.5mm音频口进行信号接收，在Android智能手机端利用FFT算法及朗伯模

型进行测距估计，然后采用最小二乘算法进行定位估计。在搭建完整的硬件定位平台后，

通过信号接收端接收光信号，编写了手机端的实时定位应用程序（APP,Application），

该系统在光照条件下实现平均定位精度小于0.3m。

（2）基于多传感器融合的位置估计：通过深入研究基于可见光的室内定位技术发

现，可见光的覆盖范围是有限的，本平台还采用了基于加速度峰值检测的计步算法，再

结合基于三轴加速度、陀螺仪、磁力计信号的梯度下降算法改进后的航向角估计，进一

步利用卡尔曼滤波融合可见光与行人轨迹推算（PDR,PedestrianDeadReckoning）数据

进行最优的位置估计，实现实时的无缝定位显示。研究结果表明可见光信号可以很好地

修正PDR的累积误差，实时定位APP的系统稳定性较好，可进行位置推算并在主界面实

时显示。

经过实际室内定位场景实验的验证，本文搭建的基于可见光的实时定位系统精度低

于0.3m。步行导航推算定位精度为1.95m，基于可见光与步行导航推算的融合定位精度

达到了0.89m。

关键词：可见光实时定位、最小二乘、卡尔曼滤波、融合定位、梯度下降

Real-TimeHighPrecisionLocalizationBasedonVisibleLightand

Multi-SensorFusion

Abstract

Withthedevelopmentofthemobileinternetera,peoplesdemandforseamless

positioningwithhigheraccuracyisincreasingdaybyday.TheLocationBasedService

requiredbypeopleisnotlimitedtooutdoorbutindoor,soindoorpositioningtechnologies

havealsobeendevelopedrapidly.TraditionalindoorpositioningtechnologiesbasedonWiFi,

BluetoothandGeomagneticsignalhavetheirowndisadvantages,suchaslargeindoor

positioningerrorandinterferedbyexternalfactorseasily