引用本文:

秦岭,刘哲,王凤英,等. 基于双BP神经网络的室内可见光定位算法[J]. 光通信技术,2021,45(2):1-5.

基于双BP神经网络的室内可见光定位算法

秦 岭,刘 哲,王凤英,史明泉,胡晓莉*

(内蒙古科技大学 信息工程学院,内蒙古 包头 014010)

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摘要:为提高室内可见光定位的精度,提出了一种基于双反向传播(BP)神经网络的单发光二极管(LED)灯室内定位算法。首先在定位区域内使用BP神经网络确定待测目标粗略的位置范围,然后以该位置范围为限制条件,再次使用BP神经网络实现更精确的定位。室内定位系统采用单个LED灯作为发射器,3个水平光电探测器作为接收器接收光功率,避免了使用多个LED灯在定位时引起的光源符号间干扰。仿真结果表明:在3 m×3 m×3.5 m的定位区域内,提出算法的平均定位精度可达0.0042 m,比传统的室内可见光定位算法高。

关键词:可见光;接收光功率;室内定位;反向传播神经网络

中图分类号:TN929.12 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)02-0001-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.02.001

0 引言
       近年来,随着社会经济和科学技术的快速发展,人们对于自己所处环境精确位置的服务需求也越来越大。全球定位系统(GPS)目前已经被广泛应用于交通、测绘等室外场景中,主要包括:车辆导航和大地测量等[1]。然而,在大型商场、矿井、医院和停车场等室内场景中,由于GPS信号会被障碍物阻挡,所以GPS在室内的定位误差会变得很大[2]。传统的室内定位技术有蓝牙定位、无线局域网(WLAN)、射频识别(RFID)和超宽带(UWB)等[3-6],但是这些技术普遍存在定位成本高和定位精度低等缺点。针对上述室内定位技术存在的问题,研究人员提出了利用可见光来进行室内定位,与上述定位技术相比,可见光定位技术具有设备成本低、无电磁干扰、部署简单、保密性强和定位精度高等优点,成为现阶段研究人员研究的热点[7]。

       传统的室内可见光定位方法主要有基于到达时间(TOA)法、基于到达时间差(TDOA)法、基于信号到达角度(AOA)法、基于接收信号强度指示(RSSI)法以及传感器与成像法等[8-11]。近年来,随着机器学习的研究及应用的不断发展,越来越多的研究人员开始将可见光定位技术与机器学习算法相融合,以提高室内定位的精度和鲁棒性[12]。文献[13]提出了一种基于人工神经网络的漫反射可见光定位算法,利用经过训练的神经网络实现漫反射信道的定位,该算法的定位误差比传统的接收信号强度(RSS)算法降低了13倍左右。文献[14]提出了一种基于机器学习分类与回归的室内可见光系统改进算法,首先使用机器学习分类功能将房间地板划分成2个独立区域(中心区域和边缘区域),然后利用机器学习回归函数对接收机的位置进行预测,该算法的定位精度可达厘米级。文献[15]提出了一种将重复单元和机器学习相结合的室内可见光定位算法,分别讨论了二阶回归机器学习算法和多项式三边机器学习算法,都获得了厘米级的定位精度。为进一步提高室内可见光定位的精度和鲁棒性,本文提出一种基于双反向传播(BP)神经网络的单发光二极管(LED)灯室内定位算法。

4 结束语
       本文提出了一种新颖的单LED灯室内定位算法,采用单个LED灯作为发射器,3个水平PD作为接收器接收光功率,结合双BP神经网络定位算法实现室内高精度定位。仿真结果表明:在3 m×3 m×3.5 m的定位区域内,本文算法的平均定位精度可达0.0042 m。与可见光的多灯定位系统相比,本文定位系统避免了多个 LED 灯在定位时引起的光源符号间干扰;与传统的室内可见光定位算法相比,本文算法的定位精度和鲁棒性都显著提高。