[论文解读] High accuracy and error analysis of indoor visible light positioning algorithm based on image sensor

Shihuan Chen, Weipeng Guan+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于图像传感器的高精度室内可见光定位系统，通过详细误差建模分析双灯与三灯定位算法。提出两种优化技术——旋转法与散射圆法，实现在双灯配置下平均定位误差达0.82 cm，最大误差为1.93 cm，达到当前最先进水平。

ABSTRACT

In recent years, with the increasing demand for indoor positioning service, visible light indoor positioning based on image sensors has been widely studied. However, many researches only put forward the relevant localization algorithm and did not make a deep discussion on the principle of the visible light localization. In this paper, we make a deep discussion on the principle of the two-light positioning algorithm and the three-light positioning algorithm based on the image sensor, which includes how these positioning algorithms work and the errors analysis. Based on the discussion above, we propose two methods to improve the positioning accuracy, which is rotation method and dispersion circle method respectively. In our experiment, we have numerically and experimentally verified the two optimization methods and we obtained good positioning results. Especially, the positioning accuracy of the dual-lamp positioning algorithm based on dispersion circle optimization is up to 1.93cm, while the average positioning error is only 0.82cm, which is state-of-the-art of the same type of positioning system at present.

研究动机与目标

• 基于图像传感器，对双灯与三灯可见光定位算法进行深入的理论分析。
• 识别并分析基于图像传感器的可见光定位系统中的误差来源。
• 提出并验证两种新型优化方法——旋转法与散射圆法，以提升定位精度。
• 在真实室内环境中，利用低成本图像传感器实现厘米级定位精度。
• 通过数值仿真与实验验证，建立基于图像传感器的可见光定位系统的基准性能。

提出的方法

• 基于光源、传感器位置与图像强度分布之间的几何关系，分析双灯与三灯定位算法。
• 系统性地建模误差来源，包括传感器噪声、光强变化以及图像采集中的几何失真。
• 旋转法通过将传感器坐标系与光源布局对齐，以减小角度误差，从而优化定位性能。
• 散射圆法通过建模光强质心的分布，并利用迭代优化最小化其方差，从而提升定位精度。
• 在配备多个LED光源与CMOS图像传感器的受控室内环境中实现并测试算法。
• 通过数值仿真与物理实验联合评估性能，误差指标基于真实位置进行计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于图像传感器的可见光定位系统中的根本误差来源是什么？
• RQ2 几何因素与强度因素如何影响双灯与三灯定位算法的精度？
• RQ3 基于旋转的对齐方法是否能显著降低图像传感器定位中的角度误差？
• RQ4 散射圆法在多大程度上减少了质心方差并提升了定位精度？
• RQ5 在真实室内条件下，优化后系统的可实现定位精度如何？

主要发现

• 采用散射圆优化的双灯定位算法，最大定位误差为1.93 cm。
• 优化后的双灯系统平均定位误差降低至0.82 cm，达到基于图像传感器的可见光定位系统当前最先进水平。
• 旋转法通过将传感器坐标系与光源几何结构对齐，有效降低了角度误差。
• 散射圆法通过最小化光强分布方差，显著提升了质心估计的准确性。
• 两种优化技术均通过实验验证，在多个测试场景中表现出一致的性能提升。
• 系统在真实光照条件与传感器噪声环境下表现出强鲁棒性，证实了其实际可行性。