可见光通信与MEMS惯性导航融合的新型应急定位系统研究

It is very important to monitor the fire fighter to make the rescue decision. MEMS inertial navigation and traditional wireless positioning technology are adapted in emergency situation, the defect of that method is that it will fail because of misidentification in different building layers. To solve this problem ,a novel method is proposed in the fire environment based on the fusion of visible light positioning and MEMS inertial navigation. The emergency positioning system will be studied based on emergency LED that is widely used. In this project, the physical law for the influence of smoke on the visible light channel will be analyzed , the theory model of visible light communication in the smoke will be set up. furthermore ,modulation and coding of LED , design of omnidirectional receiving optical antenna, adaptive detection system with large dynamic range will be studied. A novel mechanism will be proposed including differential modulation on single light source and detection on different region. High positioning algorithm will be studied about the matching between the characteristic points in different region and Inertial sensing parameters. The key technology about fusion of the visible light positioning and inertial navigation will be researched and the adaptive test platform and emergency positioning system will be build up to verify the model, theory, method and algorithm. Expected research results in this project will have great significance and potential application prospects in the emergency situation of indoor positioning.

火灾现场，如何准确定位消防救援人员对救援决策至关重要。MEMS惯性导航与无线通信室内定位组合应用于消防现场时，易出现楼层识别错误，并导致定位失效。为解决这个问题，本项目提出可见光定位与MEMS惯性导航融合的方法，采用广泛存在的消防应急LED灯，研究应用于消防现场的新型高精度室内定位系统。本项目首先研究烟雾影响可见光信道的物理机制，建立烟雾环境下可见光通信的信道模型，在此基础上开展应急LED灯的调制和编码、全向接收光学天线设计和大动态范围自适应探测系统的研究；提出单节点光源差异化调制及分区检测的定位机制；研究匹配应急灯照明区域特征点与惯性传感特征的高精度组合定位算法；攻克融合可见光定位与MEMS惯性导航的关键技术，建立高精度应急定位系统和试验平台，验证相关模型、原理、方法和算法。预期取得的研究成果将对应急场景下消防员的室内定位导航具有重要意义和潜在的应用前景。

随着信息化程度的提高，智能终端小型化和集成化和5G通信的迅猛发展，室内定位需求与日俱增。可见光定位伴随着可见光通信的发展成为室内定位领域研究的热点之一。但可见光定位的不足之处在于，信道易受到干扰而失效。消防领域的定位需求是室内定位最迫切的需求领域之一，本项目围绕这一重要需求，开展了干扰信道下室内可见光定位信道模型及系统、可见光失效场景下与MEMS惯性导航融合定位等方面的研究。论文主要研究内容包括烟雾场景下可见光通信信道建模与实验、光学天线设计与分析、融合定位系统与算法、基于成像探测器的可见光定位技术、大视场角定位系统及算法、广域定位ID扩展编码设计等六个方面。首次通过理论和实验验证了烟雾信道下可见光通信的传输模型，并提出一种抗干扰接收方法。提出了一种自由曲面的可见光定位天线方案，可以简化定位算法，并使定位精度提高44%。基于可见光定位和MEMS惯性系统，对比了3种不同融合算法的精度及鲁棒性。提出了结合光源采样与角度识别的成像型可见光定位算法。通过图像采集和识别，通过惯性器件获取方位角、俯仰角和滚转角，选取椭圆的标识点，通过给定高度，求解坐标，该系统的平均二维误差1.5cm，平均三维误差2.67cm。为了提高视场角获取更多有用信息，研究单目鱼眼视觉SLAM系统。在公开数据集上的实验表明，提出的鱼眼系统的定位误差在小型环境中小于0.1%，在大型环境中小于1.5%。提出的鱼眼系统相比原版系统，在定位精度和鲁棒性上均有更好的性能。设计了一种可广域扩展的特征二维码，包括特征识别区，内容区。在特征图形中插入编码，形成特征二维码，特征二维码的内容为二维码自身的位置信息。用曼彻斯特码编码。使用基于四个已知共面点定位的比例正交投影迭代变换算法来计算摄像机的位置。最大误差是0.012m，平均误差为0.0067m。其中80%的误差在0.01m之内。通过本项目的研究，深入的研究了可见光定位抑制误差的机理，提出了几种提高可见光定位的精度的方法，并在鲁棒性扩展性方面展开了研究，为可见光定位早日应用奠定了基础。