基于VLC的高精度室内定位系统设计与实现

摘要

随着无线网络的快速发展和移动终端的普及，基于位置服务(LBS，Location Based Service)有了广阔的应用市场，定位导航的需求不仅仅满足于室外，室内定位技术成为研究热点。可见光通信(VLC，Visible Light Communication)由于其保密环保、无电磁辐射且使用寿命长等原因，受到广泛关注。基于可见光通信的定位技术可以应用在电磁敏感区域，不占用任何无线电频谱资源，实现高精度的室内定位。本学位论文为实现室内的高精度定位，提出了基于可见光通信与惯性导航传感器融合的室内定位算法，设计并搭建了基于VLC的高精度室内定位系统平台，利用融合室内定位算法对目标物体进行定位，实现了高精度室内定位功能。
　　论文的主要工作如下:
　　首先对室内定位的背景和重要意义进行了简单说明，介绍了基于可见光通信的室内定位技术和基于惯性导航传感器的室内定位技术的国内外研究现状，并分析了融合定位技术与单一定位技术相比的优势。接着对基于可见光通信的室内定位系统总体设计方案进行了阐述，根据论文选择的室内定位方式设计了室内定位系统的总体实现方案。
　　提出了基于可见光通信的高精度室内定位算法，该算法中建立了可见光新传播模型与惯性导航校准模型，对误差因子进行自适应卡尔曼滤波以优化模型参数，并根据获取的可见光接收信号强度(RSS，Received Signal Strength)值的数量，分情况对可见光数据与惯性导航数据进行融合计算，经过加权无迹卡尔曼滤波(WUKF，Weighted Unscented Kalman Filter)得到最终的定位结果。
　　设计与实现了基于VLC的高精度室内定位系统，完成了室内定位系统四个主要模块的软件和硬件实现。该定位系统主要包括锚节点、盲节点、定位服务器和终端应用程序，在定位服务器中实现算法得到定位结果，盲节点和终端应用程序通过无线局域网与定位服务器连接。文中对系统的四个主要模块的实现功能、硬件组成与软件设计进行了详细介绍。
　　最后对基于VLC的高精度定位系统平台进行联调，设置移动物体按不同速度沿不同路线进行定位测试，比较分析了不同定位算法的定位结果和定位误差。结果表明论文所提出的基于可见光通信与惯性导航融合的室内定位算法精度高于单一定位方式，能够扩展可见光定位范围，对惯性导航定位的累积误差进行校准，通过加权无迹卡尔曼滤波对运动轨迹进行优化。
　　论文中基于可见光通信的高精度室内定位系统平台在中国通信学会举办的第三届全国大学生物联网技术与应用“三创”大赛(2017)中获得全国二等奖。

目录

声明

摘要

图表索引

缩略语

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 室内定位技术的研究现状

1．2．1 可见光定位技术

1．2．2 惯性导航定位技术

1．3 论文研究内容和章节安排

第2章 基于可见光通信的室内定位系统总体方案

2．1 现有的室内定位技术与方法

2．1．1 基于无线通信的室内定位技术

2．1．2 现有的室内定位方法

2．2 常见的融合定位方法

2．3 室内定位系统的平台设计

2．4 室内定位系统的总体实现方案

2．5 本章小结

第3章 基于可见光通信的高精度室内定位算法

3．1 可见光与惯性导航融合的定位算法

3．2 可见光传播模型

3．3 惯性导航校准模型

3．4 自适应卡尔曼滤波校准

3．5 融合定位计算

3．6 加权无迹卡尔曼滤波

3．7 本章小结

第4章 基于可见光通信的高精度室内定位系统实现

4．1 系统平台

4．2 锚节点

4．2．1 可见光接收器

4．2．2 锚节点硬件实现

4．2．3 锚节点软件架构

4．3 盲节点

4．3．1 可见光接收器

4．3．2 惯性导航传感器

4．3．3 网关

4．4 定位服务器

4．4．1 数据通信

4．4．2 定位计算

4．4．3 结果显示

4．5 终端应用程序

4．6 本章小结

第5章 系统测试与定位结果

5．1 系统配置

5．1．1 锚节点

5．1．2 盲节点

5．1．3 系统平台

5．2 定位测试

5．3 结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

附件