2017国赛优秀作品——I题 可见光室内定位装置 大连海事大学

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一、系统方案
1.方案比较与选择
1）定位方法逃取
目前主流的可见光定位方法有儿何测最法、场联测最法（指纹测数法）、近以感知法和像传感器法。其中，几何测量法主要是通过目标位置与光源（ED之间的几何距离或者角度来定位，方法而染、易于操作。场景测量法主要是面过对目标位置的各项参数如光强等建立数据库，然后通过比对当范做与数据库中的参教来定位，需要大量数据，较适合于小范围定位，近似感细法类似于无线范信中的缘席通信方法，需要大量的LED灯来实现对场景的锋离划分，因而不太适合干本题。因像传路器法概向于通过图像处理来实现定位，而且本题对接收端的大小有限制，因而图像传滤器法不太符合题目的要求。

至此，适合本题目且易于操作的是几何测量法和场景测量法，本设计中受到外界白光的影响和接收端的电路影响可能会比较大，小组分别设计了这两种定位方法，最终发现基于K近邻分类算法（KNN）的场景测量法精度更高。

2）信道复用方法选取
在这里主要考虑3种通信模型，分别是模拟频分复用通信系统、数字频分通信系统和数字时分通信系统。
对于模拟频分复用通信系统，信道中传输的是模拟信号，在进行语音通信时，系统提供了极大的便利性，但是本题目中要求需要传偷数字字符信息，因而模拟通信系统较难实现。

对于数字频分通信系统来说，因为发送端不用考虑太过复杂的帧结构，接收端也并非通过控制帧结构来进行信息的接收，发送端和接收端的控制部分都相应的较为简单，即软件部分的难度大大降低。但是发送端产生3种不同频率的载波，同时需要增设3种不同的调制设备，接收端也对应地需要3种不同频率的滤波器电路以及3种解调设备，整体的硬件复杂度大大提高，因此考虑到成本以及时间因素，放弃这种方案。

对于数字时分通信系统来说，可以通过设计帧结构，来分时测量目标位置与3个LED的几何距离来实现定位。系统的可操作性强、成本低，非常适合本次题目的要求。
因此通过3种方案的分析和各方因素的衡量，采取数字时分通信系统。

2.方案描述
本系统采用STM32作为收发端控制芯片，分别测试了改进的RSS测量算法以及基于K近邻算法的指纹库测量法的定位效果，最终通过建立近300个点的指纹数据库，将目标位置的A/D值与降中A/D值进行比对，找到3个邻近的点坐标，取其平均之后得到日标位置坐标。通过设计数据顿结构，实现定位功能之后，开始传送三路音频信号的A/D采样值，通过接收端的跨阻放大加偏置以及比较器整形输出并且接到功放电路，播放之后可以实现数据音频等信号的传输。

二、理论分析与计算
1.信息发送
系统整体采用时分复用方法进行信息发送。对于发送端的控制电路来说，先让LED1发送100帧数
据，然后对100帧数据进行A/D采样，将采样后的A/D值取平均，作为目标位置相对于LED1的光强值。同理，LED1发完数据帧之后，LED1便暂时不发数据帧，LED2与LED3依次类推再发100帧数据。
发送数据的帧结构如图1所示。



可以在发送端对STM32进行编程实现上述的帧结构发送。待定位帧发完并实现定位之后，发送端3个LED开始发送语音信号的A/D数据。

2.信息接收
在信息接收端，根据同步头对各个LED灯的0FFH进行A/D采样后求平均，然后根据事先得到的距离A与光强A/D值x之间的关系得到目标位置距离3个圆心的R1、R2、和R3值。代入P点坐标之内，得到定位点坐标P，再进行音频信号的采集、放大、滤被，最后输出给功放电路进行选择播放。