[发明专利]基于LED可见光通信的高精度移动车辆定位方法

说明书

本发明公开了一种利用LED路灯和移动车辆上的摄像头图像传感器，实现基于LED可见光通信的高精度移动车辆定位方法。由道路两边LED路灯发送包含其自身位置信息的调制信号，如OOK或Manchester信号。经过自由空间传输，接收端为安装在移动车辆内的摄像头，以卷帘快门工作模式进行接收，接收端的数据是包含多个LED路灯的图像序列。采用数字图像处理算法，实现对连续帧图像中LED信号源的定位，获得目标LED路灯的图像。采用数字信号处理方法，恢复出目标LED路灯发送的调制信号。此外，基于小孔成像的几何测距算法，计算移动车辆相对目标LED路灯的横向距离和纵向距离，结合恢复的目标LED路灯发送的调制信号，实现移动车辆的高精度定位。本发明提出的方法采用摄像头图像传感器进行接收，具有空间可分性，可有效消除噪声光源的干扰，成本低，实现简单，且在白天和夜晚均可实现移动车辆的高精度定位。

(一)技术领域

本发明属于可见光通信(Visible-Light-Communication,缩写为VLC)系统中基于LED可见光通信的移动车辆定位方法。

(二)背景技术

智能交通系统(ITS)通过使用先进的通信技术，以减少交通事故和相关伤亡人数。此外，ITS提供对相关交通信息的实时访问，对交通进行有效的监视和管理，从而可以根据交通情况帮助减少拥堵并提供优化的替代路线，提高交通系统的效率。车对车(V2V)、车对基础设施(V2I)、车对云(V2C)、车对传感器(V2S)和车对个人设备(V2P)在内的车对所有(V2X)通信系统是ITS至关重要的部分，在减少道路交通事故和提高交通效率方面发挥着重要的作用。可见光通信(VLC)作为一种通信机制，相比射频(RF)通信，其具有宽带宽、抗电磁干扰、易于应用的优点，在ITS的研究中得到关注。VLC包括用于发送数据的发光二极管(LED)和用于接收LED信息的光电二极管(PD)或图像传感器(IS)。VLC使用可见光谱，其视线(LOS)传输的要求确保了信息的安全性，且不存在RF通信的多径或电磁干扰。如果采用图像传感器为接收端，其具有空间可分性，可以区别不同的LED信号源，同时也能消除环境噪声的干扰。

精准的车辆定位是智能交通系统不可或缺的一部分，对于提供安全措施和自主导航来说至关重要。目前，最常见的定位技术是全球定位系统(GPS)，由于高层建筑物阻挡的影响，GPS信号并非准确可靠，另外，当车辆在地下或隧道中，采用GPS定位，可靠性存在不足。对于智能交通系统，除GPS外，基于传感器的激光探测与测量(LiDAR)系统与无线电探测和测距(RADAR)系统是车辆定位中两种可行的技术，其具有高定位精度，低延迟等特点，然而这两个系统需要昂贵且复杂的设备，难以得到广泛的应用。近年来，作为一种新兴技术，基于LED的可见光通信可同时提供通信与照明，此外，还能用来提供定位服务。采用车辆的LED尾灯或前灯传输调制信号，该信号由安装在另一车辆中的两个光电二极管接收，利用到达时间差(TDOA)算法可确定两辆车辆之间的相对位置。但是，在TDOA算法中，时间测量中的小误差会导致较大的定位误差，因此，TDOA算法在实践中很难实现高精度定位。此外，利用接收信号强度(RSS)算法也可确定车辆的位置，同样存在定位精度不高的问题。由于光电二极管无法区分不同的光源，这些系统容易受到环境光，尤其是日光的影响。