發(fā)布時間：2018-06-29 22:22

  本文選題：可見光通信 + 室內定位系統(tǒng)　； 參考：《上海大學》2016年博士論文

【摘要】：室內定位技術在商業(yè)中心、大型公共建筑(地鐵、機場、圖書館等)、高危工業(yè)區(qū)、醫(yī)院及養(yǎng)老院等場所有著廣泛的應用前景,目前如何提高定位實時性及定位精度仍是研究難點,因此研究室內定位技術具有重要的理論意義和實用價值�；�于LED可見光通信(VLC)的室內定位技術可利用已有的照明LED燈具,用移動終端的攝像頭接收的方式實現(xiàn)光通信與室內定位。該技術與其他定位技術相比,有精度高、可移植性強和實施簡單等優(yōu)點,受到學者們重視。本文分析了現(xiàn)有用單攝像頭做接收端的LED VLC室內定位技術,針對其通信編碼效率、定位精度、視頻目標跟蹤算法有效性等問題展開研究,并通過構建實物原型系統(tǒng)進行實際效果驗證。本論文主要創(chuàng)新工作及研究成果如下:1)為了實現(xiàn)普通照明與光通信的兼容,根據(jù)混光原理設計了新型LED筒燈,該筒燈亮度、色溫獨立可調,可實現(xiàn)高性能白光照明,同時三基色獨立可控,可實現(xiàn)高效光通信。提出基于改進人工魚群算法的LED混光優(yōu)化算法。為加快人工魚群算法的收斂速度,引入相對基強化學習算法優(yōu)化人工魚群算法的種群;為加快收斂速度又保持解精度,引入3參數(shù)Lorentzian函數(shù)和正態(tài)分布函數(shù)作為自適應權重算子優(yōu)化視域和步長。用改進算法進行LED混光優(yōu)化,仿真結果表明,改進算法收斂速度及收斂率都優(yōu)于原始算法。優(yōu)化后的筒燈測試結果表明,LED顆粒利用效率、發(fā)光效率均高于用其他混光方法設計的燈具,并保持高的顯色指數(shù)。2)為了減小照度不均對定位精度的影響,提出采用改進人工魚群算法優(yōu)化室內燈具布局。由于燈具坐標略微變化,均勻度變化很小,因此解空間比較平坦,優(yōu)化算法易陷入局部最優(yōu)。引入多父體交叉算子、柯西變異算子和最小代溝模型使人工魚群算法的種群保持多樣性并兼顧收斂速度,避免早熟陷入局部最優(yōu)。使用前述LED筒燈作為光源,進行室內不同燈具布局條件下照度仿真,Matlab和Dialux輸出結果表明改進人工魚群算法比原算法有更快的收斂速度,更高的收斂率,優(yōu)化后均勻度提高了53%。3)針對現(xiàn)有LED VLC通信編碼方法存在編碼效率低的問題,提出了變字長顏色編碼(VLCC)技術。設計了編、解碼方法,從理論上定義了VLCC一系列性質。和現(xiàn)有的幾種編碼方法相比,新編碼技術編碼效率最高。變字長顏色編碼技術能夠用一幀圖像完成完整的數(shù)據(jù)傳輸,包含字節(jié)頭且數(shù)據(jù)位足夠長,而其他編碼方法需要傳輸多幀圖像才能完成。使用前述LED筒燈進行了實驗驗證,表明該算法切實可行,具有實用價值。4)研究了根據(jù)燈具位置信息對靜態(tài)目標進行定位的方法�，F(xiàn)有單攝像頭目標位置計算方法是用針孔相機模型推導出來的,且未考慮燈具尺寸問題,精度較差,需要多次校準。為此采用普通相機成像原理,研究了用單攝像頭進行目標定位新算法。結合燈具形狀的及顏色編碼特點,提出先用形態(tài)學濾波,再用輪廓搜索來尋找圓的方法來尋找燈具圖像,提取包含顏色區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的條紋,進行顏色頭的提取與驗證。依據(jù)變字長顏色編碼技術的解碼規(guī)則,對數(shù)據(jù)區(qū)條紋進行濾波與解碼,根據(jù)推導的新定位公式最終實現(xiàn)定位。實測結果表明目標定位誤差在5cm以內。5)研究了動態(tài)目標的跟蹤定位技術。針對跟蹤目標幾何特征和顏色編碼特點,提出了粒子目標跟蹤算法。新算法用顏色代替顏色直方圖作為目標特征,引入啟發(fā)式搜索方法;在預測目標區(qū)多放粒子,周邊區(qū)少放粒子,并根據(jù)搜索區(qū)域的大小調整粒子數(shù)目;在預測目標區(qū)如未搜索到,進行啟發(fā)式全局搜索。實驗測試表明,新算法在日光燈干擾、局部遮擋等情況下魯棒性良好,在目標有加速度的情況下反應速度遠優(yōu)于粒子濾波跟蹤算法。實測40個點的坐標位置,程序計算值的跟蹤誤差在5cm以內。結果表明新定位系統(tǒng)有很好的魯棒性、較高的準確度、以及良好的實時性,可產生很高的社會價值和經濟價值。
[Abstract]:Indoor positioning technology is widely applied in commercial center, large public building (subway, airport, library, etc.), high risk industrial area, hospital and nursing home. It is still a difficult problem to improve the positioning real-time and positioning accuracy. Therefore, it is of great theoretical significance and practical value to study indoor positioning technology. Based on L ED visible light communication (VLC) indoor positioning technology can make use of the existing lighting LED lamps and the cameras received by the mobile terminal camera to realize optical communication and indoor positioning. Compared with other positioning techniques, the technology has the advantages of high precision, strong portability and simple implementation. This paper has been paid attention to by scholars. This paper analyzes the existing single camera. In the receiver, LED VLC indoor positioning technology is used to study the communication coding efficiency, positioning accuracy, and the effectiveness of the video target tracking algorithm. The actual results are verified by building a prototype system. The main innovation work and research results in this paper are as follows: 1) in order to realize the compatibility of ordinary lighting and optical communication, based on The principle of mixing light is designed for a new LED tube lamp. The light brightness and color temperature are independent and adjustable, and high performance white light can be realized. At the same time, three basic colors are independent and controllable, and high efficiency optical communication can be realized. A LED hybrid optimization algorithm based on improved artificial fish swarm algorithm is proposed. The optimization of the algorithm is optimized to speed up the convergence speed of artificial fish algorithm, and the relative base reinforcement learning algorithm is introduced. The population of artificial fish swarm algorithm; in order to speed up the convergence speed and maintain the solution precision, the 3 parameter Lorentzian function and normal distribution function are introduced as the adaptive weighting operator to optimize the horizon and step length. The improved algorithm is used to optimize the LED mixed light. The simulation results show that the improved algorithm has better convergence rate and convergence rate than the original algorithm. The test results show that the efficiency of LED particles is higher than that of the luminaire designed by other light mixing methods, and the high color rendering index (.2) is maintained. In order to reduce the influence of uneven illumination on the positioning accuracy, an improved artificial fish swarm algorithm is proposed to optimize the layout of the interior luminaire. The solution space is flat and the optimization algorithm is easy to fall into the local optimal. The multi parent crossover operator, the Cauchy mutation operator and the minimum generation gap model make the population of the artificial fish swarm keep diversity and the convergence speed is taken into account, and the early maturing is avoided in the local optimum. The LED tube lamp is used as the light source to carry out the indoor lighting layout conditions. Degree simulation, Matlab and Dialux output results show that the improved artificial fish swarm algorithm has faster convergence speed than the original algorithm, higher convergence rate, and 53%.3) after optimization. In view of the problem of low coding efficiency in the existing LED VLC communication coding method, a variable word length color coding (VLCC) technology is proposed. A series of properties of VLCC are defined in theory. Compared with several existing coding methods, the new coding technology has the highest coding efficiency. The variable word length color coding technology can complete the data transmission with one frame, including the byte head and the long data bit, and the other coding methods need to transmit multi frame images to complete. The LED down lamp is used. Experimental verification shows that the algorithm is practical and practical and is of practical value.4). The method of locating the static target according to the position information of the lamps and lanterns is studied. The existing single camera target location calculation method is derived from the pinhole camera model, and does not consider the luminaire size problem, the precision is poor, and many calibration methods are needed. In general camera imaging principle, a new algorithm for target location using a single camera is studied. Combining the shape of the lamp and the feature of color coding, the method of morphological filtering and contour search is used to find the lamp image, and the stripes are extracted with the color area and data area, and the color head is extracted and verified. The decoding rules of the long color coding technology, filter and decode the stripes of the data area, and finally realize the positioning according to the new positioning formula derived. The measured results show that the target positioning error is within the 5cm.5) and studies the tracking and positioning technology of the dynamic target. The new algorithm uses color instead of color histogram as the target feature and introduces a heuristic search method. In predicting the target area, the particle number is placed, the surrounding area is few particles, and the number of particles is adjusted according to the size of the search area. The heuristic global search is carried out in the prediction target area if not searched. The experimental test shows that the new algorithm is in the fluorescent lamp. When the target has acceleration, the response speed is far superior to the particle filter tracking algorithm. The coordinate position of the measured 40 points and the tracking error of the calculated values are within 5cm. The results show that the new positioning system has good robustness, high accuracy, and good real-time performance. A high social and economic value.
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.1

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