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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
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