项目目标

项目以智能制造为主题，针对工业4.0、工业物联网、先进人机交互等领域对高速通信与精准定位的迫切需求，研发基于可见光技术的智能工业机器人室内通信与定位一体化系统。从LED芯片制造、可见光通信调制器芯片设计、大规模LED信标地图构建、多源融合可见光定位算法到智能工业机器人通信及协同定位，形成软硬件全面升级的智能工业机器人通信与定位技术方案，解决传统蓝牙、WIFI、RFID、UWB等室内定位技术在覆盖范围、部署成本、定位精度及抗干扰等方面的不足之处。同时在机器人操作系统（ROS）Android公共平台上开发一个高定位精度、低延迟的可见光通信与协同定位系统，协同控制多机器人系统，降低大型制造工厂的超大人力资源需求，促进智能制造相关产业高质量发展。

项目背景

伴随着新基建进程提速，工业物联网担负起传统制造业转型升级的重任，在人口老龄化加速与劳动力成本提升的背景下，智能工厂将是大势所趋，这也加速了工业机器人的普及进程。在工业4.0时代，机器人、工业设备和互联网的整合，可以提高工厂的生产率，节约人力资源。其中智能机器人的室内通信、协同定位及导航是人机交互的关键技术。而对于室内通信与定位，传统卫星、射频等定位技术在精度、延迟、范围及抗干扰等方面存在不足。得益于LED的高带宽、无多径效应等优势，可见光室内通信及定位技术有望支持机器人高速通信、高精定位及导航。因此，攻克可见光通信芯片核心技术，配套研发机器人协同算法，将为智能机器人在工厂的部署提供关键技术支持。

项目特色和创新点

1）芯片及硬件设计技术：

• 基于CMOS工艺，采用先进LED芯片、前后均衡技术，实现世界首个全集成的可见光通信发射器和接收器。此外，芯片能通过扩展接口利用以太网电源技术组建可见光通信网络。

2）机器人室内定位技术：

• 基于可见光通信技术及高精度定位算法，通过大规模LED信标地图的自动化构建，进行高精度定位，实现比传统射频和卫星定位技术更高的精度。
• 为自动地图构建，设计可装载于机器人的传感器，同时支持定位和建图。

3）多机器人协同技术

• 运用单摄像头实现三维空间的可见光视觉定位，降低算法的复杂性和量化误差且系统不受制于两个图像传感器之间距离的影响，稳定性更好，定位精度更高。
• 针对智能手机用户和同时配备光学相机和惯性传感器的移动机器人，开发可见光定位惯性融合算法，克服环境限制对可见光信号的干扰。
• 利用改进的匹配模板方法和降尺度方法获得CMOS捕获图像中LED感兴趣（ROI）的边界，并减少图像信息的冗余，从而降低计算复杂度及计算延迟。
• 基于模板的搜索方案，实时跟踪最常见形状（圆形、矩形和长灯管）的LED-ROI，由于在跟踪期间仅考虑相邻像素，因此该机制还可以增强抗干扰能力。

项目成果

整合产出：

本项目提出了一种光辅助航位推算（LiDR）系统，旨在解决传统可见光定位（VLP）和行人航位推算（PDR）存在的精度低，可移植性差，易受挡光障碍物影响等问题。本系统使用照明LED作为高精度位置地标，为 PDR 提供定期校准，并估计单个行人的步长以提高准确性。此外，本工作提出了一种基于光形的航向角校正算法，以减少航向角误差，进一步提高精度。该系统实现为基于 Android 的导航应用程序，具有数字地图和基于云的后端存储位置、设备和用户特定参数。该系统的实时性能在 450 平方米的实验室和 150 米的步行道上进行评估。实验结果表明，在最大光间距为 15 m 的情况下，整个系统的总体平均精度可以达到 < 0.7 m。整体系统架构如下图所示。本工作已发表于中科院分区一区期刊IEEE Internet of Things Journal。