基于LED光的室内定位系统的设计与分析

秦 兴，戴 泓

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

基于LED光的室内定位系统的设计与分析

秦 兴，戴 泓

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

参考目前几种基于PSD的可见光定位方案，结合实际需求，提出了一种基于LED矩阵多光源的PSD定位系统，通过原型分析和光信号传输实验验证了系统在工作范围的定位能力，并提出了提高系统抗杂光干扰能力和位置测量精度的措施.

室内定位；可见光；位置敏感探测器；信号处理

0 引 言

光电探测法是精密位置测量中普遍采用的一种非接触式测量方法.到目前为止，国内外对采用位置敏感探测器(Position-Sensitive Detector，PSD)进行定位以及相关的信号处理方法的研究仍然比较少，因此还有许多方面值得探讨.文献[1]采用时分多路的方案设计数据帧结构来实现有效数据的高效传输，同时，文献[2]结合频分多用、相位定位法等方式来提高精度，文献[3-4]采用单个或者多个图像传感器来分析LED的位置信息.

本文在参考目前主流的可将光定位技术的基础上，提出一种基于LED多光源并采用PSD的室内高精度定位方案.相对其他技术来说，本方案可以动态伸缩可定位区域，同时不会造成信号间的互相串扰，并采用结构化的数据帧来避免模拟电信号处理中的不稳定性.相对于一些基于图像传感器的方案，本文采用了单个PSD作为光信号接收传感器并明确了相应光学器件的设计参数，利用多组可行性数据构建了一个相对完整的室内定位原型装置系统，并在LED部署高度、环境光等方面具有一定的可适应性，能够满足多种工业生产作业环境下的需求.

图1 系统框架

1 系统框架

本系统大致分为3个模块，分别为：作为光信息发射端的LED矩阵、参数匹配的光学系统、二维PSD及后续的硬件处理电路，系统框架如图1所示.LED矩阵通过光学系统聚焦到PSD靶面形成光斑，使得PSD传感器输出4路微弱的电流信号，经后续电路进行放大等处理并转换为供位置运算的电压信号，送入A/D采集模块处理.同时，PSD处理电路输出光斑的触发信号，从而对当前光斑的编号信息进行解码.最后，根据本文提出的定位方法，通过连续获得的2个有效LED光斑坐标信息，结合在室内架设整套系统时的空间信息，推算出PSD靶面(即待定位物体)的二维坐标[5]和方向性.

图2 LED布局矩阵

2 LED矩阵及工作原理

2.1 LED光源选择

选择市面上较为常见的3 W白光LED灯珠，默认发光角度140°，光通量为200～240 lm.

2.2 LED矩阵设计

LED矩阵布设在预设高度上，布局方式如图2所示.图2中，每一个方块表示一个LED及其控制模块.按照本文所提出的定位算法，最少需要2个点进入光学系统的可视范围，按照PSD在地面自由运动后可能存在的最极端的几种情况，比如图2中上方的虚线框所示的正对着LED矩阵的视场，可知视场的边长必须大于等于2倍的相邻LED间距，同时可以看到在2倍系数下的视场，倾斜45°之后，最多覆盖3行的LED.

图3 LED矩阵工作时序图

2.3 LED控制电路设计

每一个LED都有一个独立的完全相同的控制电路，通过电路上8位拨码开关设置不同的编号，并作为每盏灯的识别信息和依次点亮的顺序；将周期稳定的方波信号作为LED矩阵的全局时钟信号，接入到每一个LED模块，以此来协调LED矩阵的发光顺序.在某个LED模块进入发射顺位后，将对应的编码信息通过约定的方波周期依次将编码发出.最后的整个LED矩阵的工作时序图如图3所示，将所有LED一直循环点亮并保证没有重叠.

3 光学系统设计

在本系统中，光学镜头的作用是将视场范围内正在传输光信号的LED成像在PSD靶面，使得光斑大小、光强、能量分布、形状等参数满足PSD的检测要求[6].这些参数都会影响整个系统的定位精度，因此，对此光学系统的设计需求和参数规格如下：像方远心系统、视场角2w≈24°、弥散斑有较好的质心对称性.

图4 PSD的光谱响应曲线图

4 定位系统硬件电路设计

4.1 PSD特性

本系统选用滨松公司的二维PSD，型号为S5991-01，其光谱响应曲线图如图4所示.由图4可知，其峰值响应频段在900 nm～1 000 nm之间，峰值灵敏波长为960 nm，处于红外的波段.另外，该型号PSD的光敏度为0.6 A/W、位置探测误差为±150 μm、饱和光电流为500 μA、位置分辨率为1.5 μm.PSD器件厂家建议的有效靶面区域为从中心到边缘的80%的区域，光斑尺寸大于直径0.2 mm.

4.2 电信号处理电路

在PSD信号处理电路中，4个弱电流信号I1～I4分别经过4个相同的放大电路处理后，产生相应的输出4个电压信号，分别送入AD采样后被单片机读取.同时这4个电压信号被送入时滞放大器为主的触发判断模块，输出光斑触发信号送入单片机，作为判断数据位的依据.

5 室内空间定位算法及精度分析

5.1 光通信实验

发射端输出恒定周期的方波到LED作为工作电压，接收端以远小于发射周期的定时器周期作为计数单元去预估发射周期的时长，通过统计计数次数，读取预设的编码表得出当前的信息值.5组不同发射周期与不同的接收端定时时长组合的实验结果如表1所示.表1中，理论个数为该组组合情况下，接收端理论上输出的计数个数；实际个数为实验过程中观察到的计数个数.

表1 不同发射周期下，光通信传输实验结果

观察表1可以发现，接收端以40 μs作为定时器时长时，在发射周期为4 Ms和2 Ms时，实际个数与理论个数基本一致，但是发射周期为1 Ms时，数据波动开始变大.在实验中也观察到，随着频率的升高，LED距PSD成像面的距离要求更加严苛.

5.2 二维PSD定位系统的坐标计算方法

通过验证由PSD处理电路传过来的数据，解码得出LED编号，并通过PSD的输出信号与光点位置坐标之间的关系确定光源在PSD靶面内的位置信息.

(1)

(2)

其中，x，y为光斑在PSD靶面的坐标，L为靶面的边长，I1～I4分别为PSD输出的电流值，可由处理后的电压值换算得到.

图5 定位算法示意图

根据获取到的位置信息和LED身份信息，本文采用的定位方法如图5所示.图5中，PSD靶面的正方形标记的一角表示此为靶面的第一象限.假设第一次获取到的有效LED为图5中的LED-A，经光路A通过光学系统聚焦于靶面上的A点，由于LED-A在空间中的位置是确定的，以此信息可以推断，PSD靶面可能的位置如图5中潜在的轨迹所示的虚线弧，PSD靶面的中心在此弧线上，其角度保证了光路的一致性.那么，当系统得到第二个有效地LED信息源，假设为如图5中的LED-B，那么同理可得类似的弧线，与LED-A的弧线相交，一般能得到两个交叉点，一个是图5中上方的可能存在的位置，另一个是图5中下方PSD真实的位置.而根据LED-B对应的光斑点B的位置，明显可知此点位于第三象限，而在PSD可能的目标位置中，光点B会出现在第二象限，与已知条件不符合，所以可确定PSD的坐标信息和朝向角度.

5.3 定位精度分析

文献[7]分析了二维PSD的分辨率等参数，结果表明，光敏面为13 mm×13 mm的二维PSD的典型位置误差为±20 μm、非线性小于0.15%.

计算理论误差时，取PSD的固定的分辨率为1.5 μm、测量误差为50 μm，则根据分辨率换算，可以得到定位精度.在本系统中，选择了9 mm×9 mm的PSD，选定高度为10 m下，视场大小为3m×3m，则定位精度为0.5mm，典型误差为16.7 mm.

6 结束语

本文设计了基于LED多光源并采用PSD器件的定位系统，主要包含LED发射模块的参数规划和设定，通过初步测试，本系统能避免环境光的干扰，进行有效的光路通信，同时根据多组测试实验确定了合适的发射周期.因此，从理论和实验证明这种技术的可行性，为多光源可见光的定位技术提供了一种新方法.本方案目前只是进行了原型验证和各个模块的单独测试与收发系统的测试，下一步将进行整个系统的完整搭建.

[1]LIU X, YANG A, WANG Y, et al. Combination of light-emitting diode positioning identification and time-division multiplexing scheme for indoor location-based service[J]. Chinese Optics Letters, 2015,13(12):12-17.

[2]NADEEM U, HASSAN N U, PASHA M A, et al. Indoor positioning system designs using visible LED lights: performance comparison of TDM and FDM protocols[J]. Electronics Letters, 2015,51(1):72-74.

[3]MOON M, CHOI S, PARK J, et al. Indoor Positioning System using LED Lights and a Dual Image Sensor[J]. Journal of the Optical Society of Korea, 2016,19(6):586-591.

[4]KIM J, YANG S, SON Y, et al. High-resolution indoor positioning using light emitting diode visible light and camera image sensor[J]. IET Optoelectronics, 2016,10(5):184-192.

[5]严智文.PSD空间定位及抗干扰研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[6]孙先逵.PSD相位法多光束同步检测技术研究[D].重庆:重庆大学,2005.

[7]黄梅珍.位置敏感探测器的研究[D].杭州:浙江大学,2001.

The Development of the Indoor Positioning System Based on LED

QIN Xin, DAI Hong

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Considering some visible light positioning schemes based on position-sensitive detector(PSD), a PSD localization system based on LED matrix is proposed combined with the actual demand. By the prototype analysis and the experiment on optical information transmission, the ability of target range positioning is verified in the proposed system, and the methods are proposed to improve the performance of the anti-jamming of PSD and the position accuracy of measurement.

indoor positioning; visible light; position-sensitive detector; signal processing

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.002

2016-09-18

秦兴(1975-)，男，湖北红安人，副教授，电子学.

TN929.12

A

1001-9146(2017)04-0006-04