智能燈光照明導引系統(tǒng)
(一)項目背景
由于高層建筑物和房屋墻壁等對衛(wèi)星定位信號的遮擋作用,全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法穩(wěn)定地工作于高層建筑物較多的城市或其他較為密閉的環(huán)境中 [29];美國全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)無需使用許可的民用標準定位服務的定位精度不足 10 米,已經不能滿足日常生活中對定位精度越來越高的要求,特別是智能交通系統(tǒng)對車載定位系統(tǒng)車道級別的定位精度要求。現(xiàn)有的無線定位技術主要使用紅外線、電磁波、磁場、聲波、超聲波等形式發(fā)送定位信號,或通過實時圖像信息,實現(xiàn)高精度的無線定位。但這些定位技術需要安裝額外的信號發(fā)射源,增加了系統(tǒng)的復雜性和實現(xiàn)成本,其中基于電磁波信號的射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)定位技術、無線局域網)定位技術、無線傳感器網絡定位技術、超寬帶信號(Ultra Wideband,UWB)定位技術,還會占用一定的通信帶寬,降低通信系統(tǒng)的帶寬利用效率,而且由于電磁干擾效應不能應用于醫(yī)院、機場等射頻信號嚴格受限的環(huán)境?;趯崟r圖像分析的定位技術(如微軟公司的 Easy Living 研究項目)一般需要對定位環(huán)境預先建立一個龐大的圖像數(shù)據(jù)庫,而且應用時會有一個復雜的圖像搜索匹配過程,實時性較差。
本項目以可見光通信理論為基礎,利用現(xiàn)有 LED 照明光源,研究開發(fā)基于智能燈光照明的室內無線定位導引技術,相比現(xiàn)有室內定位導航技術,本項目利用現(xiàn)有照明指示光源作為信號源,并充分發(fā)揮信息融合優(yōu)勢,具有定位精度高、可靠性好、穩(wěn)定性強的特點,以及節(jié)能高效、綠色環(huán)保、成本低廉、架設便捷等眾多優(yōu)勢。
(二)項目簡介
本項目通過研究基于現(xiàn)有照明指示光源的無線通信與定位技術,以及多源信息融合定位技術, 設計開發(fā)無線定位產品與相關的管理軟件系統(tǒng),用于實現(xiàn)室密閉內環(huán)境高精度、高可靠、低時延的無線定位與導航,并可以與現(xiàn)有衛(wèi)星導航系統(tǒng)對接,實現(xiàn)全空時的室內外無縫定位與導航。本項目可以解決地下停車場等密閉環(huán)境的停車導引、反向尋車問題,通過精細化車輛導引管理,提高車場車位使用效率,改善停車尋車體驗;同時,可以根據(jù)車輛行人的規(guī)劃路徑控制照明指示光源的開關亮暗,實現(xiàn)導航燈光指引和高效節(jié)能的智能照明;還可以推廣至物流倉儲庫房、地下隧道管廊等密閉場合,用于人員、物品與物流機器人的定位、跟蹤與導航等用途。
(三)關鍵技術
本項目旨在實現(xiàn)室內密閉環(huán)境高精度、高可靠、低時延的無線定位與導航,涉及的關鍵技術主要有:
1.基于照明指示光源的無線通信技術
基于照明指示光源的無線通信技術將現(xiàn)有照明指示光源作為信號源,將數(shù)據(jù)信息調制在照明信號上,在實現(xiàn)基本照明指示功能的同時,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線傳輸;具有通信速率高、抗干擾能力強、節(jié)能高效、成本低廉、架設便捷等眾多優(yōu)勢。然而,由于可見光信號不能穿透墻壁等障礙物傳播,容易受到遮擋效應的影響;同時,由于室內環(huán)境布局復雜多樣,可見光信號傳輸鏈路的有效性會受到極大的挑戰(zhàn)。因此,為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院头€(wěn)定性,研究設計相關的數(shù)據(jù)編碼調制算法和信號檢測接收算法, 是本項目首要研究的關鍵技術。
2. 基于照明指示光源的無線定位技術
基于照明指示光源的無線定位技術將現(xiàn)有照明指示光源作為“偽衛(wèi)星”,通過接收不同信號光源發(fā)射的定位信息,可以快速實現(xiàn)有效的無線定位與導航。然而,由于信號傳輸距離相對較短,以及現(xiàn)有光源布設位置的限制,用戶可以檢測接收到的信號光源個數(shù)十分有限;同時由于汽車、物流機器人的移動速度相對較高,信號傳輸路徑變化較快。因此,研究設計一種高精度、低時延的無線定位技術,是關系本項目有效性的難點問題和關鍵技術。
3. 面向多源信息融合的無線定位技術
由于現(xiàn)有智能手機等用戶終端大都集成了 WiFi、藍牙、攝像頭,以及六軸傳感器、地磁感應等模塊,如何充分發(fā)揮這些模塊在無線定位方面的優(yōu)勢,通過研究設計相關的多源信息融合算法,實現(xiàn)高精度、高可靠、低時延的無線定位與導航,也是本項目研究的創(chuàng)新點和關鍵技術。
西安電子科技大學
2023-07-20