基于红外光信标技术的室内定位系统设计与研究

摘要

基于位置服务的需求不断提升，自主定位的研究刻不容缓。然而现如今国内外对室内定位研究都存在设计成本较高的问题，使得室内定位技术不能得到普及。本文以服务机器人为研究背景，通过一种改进的成像定位算法，对基于红外光信标的室内定位进行了设计与研究。以 STM32F407 为控制核心构建了一套低成本的定位装置。 首先，借鉴成像传感器的可见光通信方式，设计了一种主动式红外信标。每一个红外信标都有唯一的16位ID码。ID码的每一位是由0或1构成，0代表低电平，1代表高电平，参照异步通信的数据格式，设定起始位10101，然后是数据位，没有校验位，最后是000停止位。每个信标的编码都将有8位表示其 ID号，最多可以实现 256个不同 ID 信号的发射。该信标的设计简单易行，成本低廉，可扩展性好，能够满足大小不同的室内环境，同时信标识别相对简单。 其次，通过将红外信标的闪烁频率与摄像机的曝光时间匹配，使得摄像机能够捕获信标亮灭变化。每一帧图像都使用场中断与行中断采集需要的像素，然后合成一幅信标ID图，最后进行图像处理，解读信标的ID值。 然后，通过建立定位模型与噪声模型，分析影响成像定位的主要因素，提出一种改进的成像定位原理——基于像素距离加权的室内成像定位。该定位方法原理简单，定位结果较为理想，在4平方米的仿真实验中，定位误差不超过10cm，误差波动不超过5cm。 最后，基于嵌入式平台设计了室内定位装置，进行了定位误差实验，通过实验验证了红外信标设计是可行的，同时表明了基于像素距离加权成像定位与红外信标相结合，能够实现室内定位的功能。

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第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 室内定位的技术与方法

1.2.1 定位技术分类

1.2.2 定位方法分类

1.3 基于信标的室内成像定位技术

1.4 本文的主要研究内容及结构安排

第2章 红外信标的设计

2.1 红外成像简介

2.2 红外光源与滤光片的选择

2.2.1 红外光源简介

2.2.2 红外光源的测试与选择

2.2.3 滤光片的测试与选择

2.3 红外信标的设计

2.3.1 红外信标的驱动

2.3.2 红外信标的编码

2.4 本章小结

第3章 基于红外信标的成像定位算法

3.1 模型设计

3.1.1 定位模型

3.1.2 噪声模型

3.2 定位算法

3.2.1 成像定位算法

3.2.2 引入加权因子的成像定位

3.2.3 仿真结果分析

3.3 信标的识别

3.3.1 信标图像的形成

3.3.2 图像二值化

3.3.3 信标ID号的解码

3.4 本章小结

第4章 定位系统设计与实现

4.1 系统总体功能

4.2 定位系统软硬件设计

4.2.1 红外信标布设

4.2.2 定位平台硬件组成

4.2.3 定位系统软件实现

4.3 系统测试与误差分析

4.3.1 测试环境与测试目的

4.3.2 定位误差测试

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢