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Low-Complexity Visible Light Positioning and Rotation Estimation Based on Eigenvalue Decomposition

发光二极管 计算机科学 光电二极管 可见光通信 旋转(数学) 陀螺仪 特征向量 矩阵的特征分解 计算复杂性理论 算法 方向(向量空间) 数学 光学 工程类 物理 人工智能 航空航天工程 量子力学 几何学
作者
Bingcheng Zhu,Zaichen Zhang,Jian Dang,Liang Wu,Lei Wang
出处
期刊:Journal of Lightwave Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:40 (21): 7072-7083 被引量:9
标识
DOI:10.1109/jlt.2022.3196913
摘要

Most existing visible light positioning (VLP) systems assume vertically placed receivers, or estimate the receiver rotations through gyroscopes. Although several recent VLP systems can deal with the arbitrary tilting of the receiver without the additional sensors, the positioning frequency, algorithm efficiency and stability are still to be improved. In this work, we propose a novel positioning and rotation estimation algorithm based on the eigenvalue decomposition of the covariance matrix of light direction vectors. Four or more light-emitting diodes (LEDs) serve as the anchors and three or more tilted photodiodes are equipped on the mobile receiver. The new algorithm's computational complexity only grows linearly with the number of LEDs, and it can distinguish and bypass the local optima by verifying if the objective function reaches its theoretical maximum. We use simulations to reveal the error patterns of the algorithm and build a low-cost prototype to verify its real performance. The measured average positioning error is 1.83 cm and the orientation estimation error is 0.04 rad. The proposed scheme can be used for positioning and navigation that require fast response, low power consumption, low cost, high accuracy and small device size.

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