CN111835417B - 基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统及方法，系统包括多个发光二极管彩色阵列RGB‑LED、阵列CCD、中央微处理器MCU、生产固定设备、总服务器、生产移动设备等；每个发光二极管彩色阵列对应一个生产固定设备，所述生产固定设备的状态信息通过总线GPIB回传至MCU，通过实时编码控制RGB‑LED，通过MIMO‑VLC通讯系统实现数据实时共享至各个终端，利用RGB‑LED、CCD阵列实现对三维空间测量。本发明通过利用可见光通信(VLC)的频谱资源丰富、兼顾照明与通信、绿色、安全性高、免电磁干扰等优势，基于像素化MIMO‑VLC的优化方法，打造空间立体工业生产引导系统，不仅节省了资源，凭借可见光优势极大提高了智能工厂数据交互效率，安全可靠，节能环保，快速高效实时建模。

Description

基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统及方法

技术领域

本发明属于工业生产控制的技术领域，具体涉及一种基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统及方法。

背景技术

随着蜂窝移动通信技术、Internet和多媒体业务的不断发展，人们对无线通信信道容量的需求不断增加。由于频谱资源的日益匮乏，人们获得高数据传输速率的途径只能依赖高效的信号处理技术来实现。新一代移动通信技术可提供的数据传输速率越来越高，支持的业务从语音到多媒体业务(包括实时的流媒体业务)，数据传输速率可以根据这些业务需求不同进行调制，提高频谱利用率就成了亟待解决的问题。智能生产制造工厂也需要大数据实时交互可靠数据流，同样也急需解决。在无线通信系统中，提高频谱利用率的主要方法有正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术、多输入多输出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)技术、智能天线及自适应编码技术等。MIMO有时被称为空间分集(Space Diversity，SD)，它利用不同地点接受到的信号衰落互相独立这个特性来抵消衰落。在发送端或接收端采用多个天线，可以显著抑制信道的衰落，降低误码率。MIMO技术的应用，使空间成为一种可以用于提高通信性能的资源，可以显著提高通信容量。使用空时编码将多天线阵列与空间分集、时间分集相结合，如果接收端可以准确估计信道信息，则可使信道容量随发送和接受天线个数的最小值线性增长。空时编码可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用。

目前可见共通信是以可见光作为信息传输的载体、能够实现高速率数据传输的无线通信方式，它具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比等优点，可传输多种速率的数据、语音、图像等，已成为当今信息技术的一大热门技术。近年来，随着半导体激光器和光电探测器技术的发展，无线激光通信得到了长足发展，可见光通信技术也由此被重视，目前白炽灯和荧光灯正迅速被LED所取代，除了极高的能效外，LED还有其他优势，如使用寿命更长、发热更低、在不使用有害化学物质的情况下改善显色性。LED的另一个好处是它们能够以非常快的速度切换到不同的光强度，由于切换速度快，人眼无法察觉，所以在保留照明的前提下也可用于各种方式的编码，接收端用光电探测器或者图像传感器(光电二极管阵列)可以接受信号并解码数据。近期VLC研究表明在IEEE802.15.7标准中可以实现非常高的数据速率接近100Mbps，更有达到Gbps。

在迎来中国制造2025也要打造中国智造，基于数字化基础，利用网络化手段实现智能化，从需求出发有设备监控、设备数据、生产流程、质量追溯、进度跟踪、物流驱动、条码应用、计件统计、MES(生产信息化管理系统)等方面。在交互系统中，物料标识：条码或二维码、RFID、IC\ID卡、NFC标签等。控制系统：实时数据库、PLC/DCS、嵌入式系统、组态软件、WMS等。联接技术：串口、WIFI、有线网络、USB等。移动设备：PDA、RFID读写设备、计量设备&检验设备等。

2016年广东顺德中山大学卡内基梅隆大学联合研究院提出一种基于PDS的预编码MIMO-OOFDM-VLC成像式通信方法。该发明公开了一种基于PDS的预编码MIMO-OOFDM-VLC成像式通信方法,该方法结合成像式接收和接收天线选择技术,能显著降低同一用户终端或不同用户终端的PD间的VLC信道相关性,从而使多用户系统在典型室内环境中获得稳定的高性能增益,且使多个用户在典型的室内环境中具有更为鲁棒的传输链路,有效地提高了通信系统的链路误码率性能。

同年中国人民解放军信息工程大学公开了一种与信道相适应的VLC#MIMO星座设计方法及装置，该发明实施例提供一种与信道相适应的VLC#MIMO星座设计方法及装置,该方法包括：确定可见光信道矩阵；在发送端的总电功率约束在限值范围时,根据所述可见光信道矩阵确定最大化的接收端星座的最小距离对应的发送端星座；将所确定的发送端星座确定为星座结果,其中所述星座结果的各个维度代表发送端的各个LED。本发明实施例所确定的星座能够与VLC#MIMO的信道相适应,为提升可见光通信的传输可靠性,推广可见光的应用提供了可能。

2018年东莞大融合创新研究院与中国人们解放军战略支援部队信息工程大学提出一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，该发明公开了一种多色MIMO#VLC比特功率分配星座设计方案,该方案是在功率分配上,以最大化多用户频谱效率为目标函数,在给定CCT下,采用一定的凸优化算法计算得到多色LED芯片各个颜色之间的功率分配比例；该发明根据不同维度光功率的比例,采用比特功率分配的方法,设计了RGB三维多色MIMO#VLC的优化星座方案；本发明的优势在于,可以进一步提高通信效率,通过对多色MIMO#VLC信号进行针对性的信号设计有效地提高频谱效率,实现多色MIMO#VLC系统的通信速率提升。

2019年由中国科学院自动化研究所公开了一种基于彩色格雷码结构光的三维测量方法、系统、装置，通过时间编码法、彩色结构光、双目相机的配合，解决单一方法引起的缺陷，完成高分辨率、高速度、高精度的三维测量。

以上专利包括了基于MIMO-VLC，分别提出PDS预编码的OOFDM成像式通信方法、信道相适应以及多色比特功率分配的方法提高MIMO-VLC系统的通信速率、可靠性。但是，还存在一些缺陷和性能不足，譬如他们都是广播式的通信方式，并没有反馈校准回路，也不能多路发送多路接收，同时也有采用RGB的多色功率分配方法，但是对于不同的接收情况及复杂的信道影响没有针对安全及可靠性做出解决方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统及方法，解决某些制造磁性元器件公司易受无线通信电磁影响，以及在室内定位困难的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统，包括多个发光二极管彩色阵列RGB-LED、中央微处理器MCU、生产固定设备、总服务器、生产移动设备以及监控摄像头；每个发光二极管彩色阵列对应一个生产固定设备，所述生产固定设备的状态信息通过总线GPIB回传至MCU，通过实时编码控制RGB-LED，通过MIMO-VLC通讯系统实现数据实时共享至各个终端，通过PLC控制总线链接总服务器与中央微处理器MCU及各个生产设备，整体工艺流程通过PLC完成，各个终端设备运行过程中基本参数反馈至MCU通过现场编码、调制RGB-LED阵列发射矩阵，发送给移动终端、手持PDA、监控设备、生产固定设备、总服务器实现信息共享与校准；校准过程是通过RGB-LED与对应生产固定设备之间通信来校准设备信息，确保信息的准确性；总服务器还通过MCU编码RGB-LED阵列发送命令给任意一个设备，命令人员操作、控制监控设备监控异常设备状态、发送轨迹命令至生产移动终端。

作为优选的技术方案，将所述发光二极管彩色阵列的三个不同频段作为三个通信窗口，选用R&B不同阶的调制方式来并行对单个像素点自适应对每个比特进行校准；选用G通道作为设备信息通信频段；并利用像素化MIMO技术，在接收端对数字图像处理，解析信息。

作为优选的技术方案，包括下述步骤：

对工业生产引导系统搭建，对客户不同PLC程序适配调控，对可能调制编码程序配置MCU主控制板，对设备信息预加载到MCU内存；

配置每一个RGB-LED阵列矩阵，并且设置每个设备接收端摄像机启动程序，利用每一个静态设备对应一个RGB-LED阵列矩阵发射端，利用像素化MIMO技术进行分集复用来克服复杂的信道环境影响；

采用MIMO-VLC并行单像素自适应比特校准方法，通过选取高频红光通信窗口R和低频蓝光通信窗口B，自适应选取不同调制编码方式比特信息，不但提高频谱利用率，进一步提高系统误码率性能，对于中间频率绿光窗口G作为基本设备信息传输窗口，其余两个窗口作为执行等级高，要求误码率低的命令信息传输；

采用基于GA的VLC优化方法，获取有效的数字图像信息；

利用RGB-LED二维三色余三码结构光通过阵列CCD利用相位角差对有限范围内的形貌进行精确测量，针对一个坐标区域利用多个不同波长纵横光栅投影图像计算相位角差进行三维形貌深度计算，为自动化控制提供精确三维测量数据；

利用PDA在工厂监察各个工艺流程的具体状态，在某一工艺流程设备附近，通过RGB-LED发送的设备信息，根据工艺不同，将多种工艺信息反馈到MCU编码并通过RGB-LED发送到手持PDA、移动设备、生产设备，利用其前置摄像功能，本地解码程序解码得到该工艺流程的基本信息，同时该设备也同样接收RGB-LED发射的信息进一步校准，完成全方位工业生产引导。

作为优选的技术方案，所述像素化MIMO技术具体为：

将数据调制到空间子频率上传输，将一幅发送的数据帧得多个时刻的OFDM符号，并行同时通过发光二极管彩色阵列发送出去，在这之前对原始的二进制数据进行串并转换，得数据变成了N路并行数据，再对各个子载波数据进行正交振幅调制QAM，调制后为频率离散信号，将发光二极管阵列分为RGB三个通信窗口，三个窗口均采用OFDM调制方法，其中一个窗口多路QAM调制后频域离散信号映射到N*N的星座矩阵，i表示发送数据帧的序号，N为偶数。

作为优选的技术方案，多路QAM调制后复数域数据映射在N*N的星座矩阵Xi，i表示发送数据帧的序号，其中N为偶数，Xi表示为：

由于光信号的非负性，QAM调制后的复数域信号在进行二维傅里叶逆变换后输出为实数，QAM调制后的星座矩阵应保持其二维Hermitian共轭对称性，即保持数据必须映射在其偶数行，并且奇数行置为0，调整后QAM星座映射矩阵Xt为：

定义二维Hermitian共轭对称性为：

式中k1，k2为矩阵行列索引，*为共轭操作，在进行二维IFFT后，输出矩阵元素为实数，为了满足光信号非负的约束条件，对输出的实数信号矩阵，需要进行滤波处理，二维IFFT后滤去小于0的信号幅度数，之后将信号矩阵光强归一化，映射到[0,255]的像素区间中，得到在发送设备显示的发送数据帧；

光信号通过信道传输后，在接收端被CMOS或CCD二维检测矩阵接收，接收端进行与发送端相反的操作，通过数字图像处理DIP，FFT后提取奇数项，输入到QAM解调器中得到原始发送数据；

采用N*N RGB-LED阵列板，分别创造出三个通信窗口，用户可自定义数据窗口，且利用后期数字图像处理分解RGB三层互不影响，设置三个通道的不同的预编码，降低信道误码率。

作为优选的技术方案，采用MIMO-VLC并行单像素自适应比特校准算法，提升了系统传输可靠性的同时，保证系统的传输速率不变，具体为：

第一步，初始化R-Channel和B-Channel调制编码格式，通过调节RGB-LED控制电压，发送数据；

第二步，接收端DIP处理，预设了多次迭代次数以及信噪比余量门限，并且也算出最大传输数据量B；

第三步，通过对R-Channel，B-Channel每一个子载波计算信噪比，通过对比选取最优数据符号功率；

第四步，通过计算比特数c(i)，以及计算新的信噪比余量门限和分配总比特数Rtotal；

第五步，对总比特殊Rtotal与单个OFDM符号的最大数据传输量B比较判断，如果相等，并在最大迭代次数内，选择跳出循环节，继续判断整体误码率；如果不相等，如果大于最大数据传输量B，则子载波数目减1，迭代次数加1，跳到第三步继续循环，或者小于最大数据传输量，则子载波数目加1，迭代次数加1，跳到第三步继续循环；

第六步，对整体误码率SER判断是否小于10E-9，如果不满足，那么就要重新调整信道窗口调制编码方式，跳到第二步继续运行如果满足，结束该流程。

作为优选的技术方案，子载波计算信噪比的计算方法如下：

其中：Pi是第i个信道的光信号功率，Bm是等效噪声带宽，Ni是等效噪声带宽Bm范围内的噪声功率，Br是参考光带宽，典型值的取值为0.1nm。

作为优选的技术方案，通过衡量传输质量的终极值-误码率作为自适应选择调制格式的判断依据，公式如下：

C_error为传输中的误码，C_total为传输的总码数。

作为优选的技术方案，利用基于遗传GA得VLA优化方法，提高了当帧图像信息准确度，具体为：

第一步，种群初始化，连续采集数字图像集，利用每张图像信息的亮度离散度I以及相位偏移量P作为图像评估条件，个体的每一行作为一个染色体，每一个像素点作为基因；

第二步，适应值计算，首先对单个个体提取G层信息值，通过HIS转换得到色调、饱和度、亮度三个感知量；

第三步，每张数字图像每一行的亮度值得离散度计算，对每一行得像素点求方差，随后与最大方差做差，算出亮度适应值；

第四步，对相邻数字图像算出偏移量，利用互补功率谱傅里叶变化得到狄拉克函数，通过峰值坐标得到偏移量，随后与最小偏移量做差，算出偏移量适应值；

第五步，进入遗传算子，首先进行选择算子，根据计算每一个个体适应度总和，以及每个个体相对适应度大小，对每一个像素点基因判断，得到无效像素点位置，其次，进入交叉算子，根据种群相邻个体间，对比无效像素基因，设定交叉点位置，互换染色体间部分基因，最后，进入变异算子，对无效像素基因在阈值范围内对其随机取值，到达无效像素点屏蔽作用；

第六步，最后根据多次迭代，由最小偏移量，最优亮度矩阵作为种群评估条件，优化个体输出。

作为优选的技术方案，利用RGB-LED二维三色余三码结构光通过阵列CCD利用相位角差对有限范围内的形貌进行精确测量，针对一个坐标区域利用多个不同波长纵横光栅投影图像计算相位角差进行三维形貌深度计算，为自动化控制提供精确三维测量数据，具体为：

第一步，制备投影光栅，利用4组RGB-LED阵列为一个单元，生成相邻矩阵相互正交，对角矩阵相同产生不同的相位角，随时序旋转进行对每个RGB-LED编循环余三码产生不同码信息以及波长的投影光栅，分别生成X方向λ1的投影光栅，坐标分别为(1，1)，(2，2)；生成Y方向λ2λ3的投影光栅，坐标分别为(1，2)，(2，1)，保证了相邻投影光栅正交，同时将波长按照顺时针转移，达到在一定的时间序列里获得同方向不同波长的投影光栅；

第二步，同时将四组投影光栅到被测物体，在物体表面形成变形的光栅条纹，一个单元里有四个CCD阵列组成，利用CCD摄像机对每一个时序拍摄，摄像机之间夹角为90°，利用单个摄像机获取相邻波长光栅叠加形成的结构光，同样的，两两相邻之间也获取叠加结构光，一个时序得到四幅照片，之后随波长顺时针转换，继而得到四幅照片，一个单元CCD一个周期获得4*8＝32张照片，利用前16张解析相同波长相同光栅方向的对角区域，同样后16张解析剩余区域；

第三步，通过解码余三循环码消除了边缘相位模糊，利用一个时间序列的四幅投影图像，解析对角光栅以及相邻光栅相位角差计算投影图像的相位角展开，再利用多频投影光栅矫正，综合得到被测物体空间信息，针对整个单元三维形貌利用相邻正交光栅投影间的CCD对图像进行畸变矫正；

第四步，基于CCD阵列标定参数和深度视差值，得到区域深度视差图。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明通过利用可见光通信(VLC)的频谱资源丰富、兼顾照明与通信、绿色、安全性高、免电磁干扰等优势，基于像素化MIMO-VLC的改进方法，打造空间立体工业生产引导系统，采用RGB-LED阵列矩阵作为发送端，提供了三个通信窗口，为了提升系统通信可靠性的同时，保证系统传输速率不变，提出了MIMO-VLC并行单像素自适应比特校准的方法；为了获取有些图像信息，屏蔽无效发射端，判断亮度以及偏移量参数评估采集种群，获取最优图像集，本申请提出了一种基于遗传算法(GA)的VLC网络优化方法；利用RGB-LED阵列构造可重构投影光栅，提出三色二维循环余三码结构光相位角差重建3D形貌，像素化Array-VLA用于MIMO通信、可重构投影光栅、阵列CCD重构3D形貌，将一系列基于Array-VLA集成于工业生产引导系统，不仅节省了资源，凭借可见光优势极大提高了智能工厂数据交互效率，安全可靠，节能环保，快速高效实时建模，提供了一种实现全场景智能制造新的思路。

(2)本发明采用了MIMO-VLC多色RGB-LED多个矩阵，提出了并行的单像素自适应比特校准方法以及与设备、MCU、LED构成了闭环回路，进一步提高了通信可靠性，该自适应方法同时根据信道情况采用适合外界环境的光电调制方法，随后提出了基于遗传算法GA的系统优化方法，根据光强、相位等信息对接收到的像素图像信息进行优化而后解析，进一步提高了通信系统的可靠性，同时我们定义了RGB三个通信窗口根据频段特点赋予不同功能区，极大优化了频谱利用率，提高并行多命令同时发送。

(3)本发明采用了循环余三码进行光编码，循环余三码既具有格雷码的优点，相邻码之间仅一位不同，也是一种没有固定的大小变权码，之后采用新的时序相位角展开的方法，利用4*4CCD阵列与4*4RGB-LED阵列为一单元，采用相邻正交光栅，对角平行光栅的编码规则，以及不同方位三中频率数字图像采集，根据不同时序的结构光变化CCD阵列采集数据集，提出三色二维循环余三码结构光相位角差重建3D形貌，像素化Array-VLA用于MIMO通信、可重构投影光栅、阵列CCD重构3D形貌，将一系列基于Array-VLA集成于工业生产引导系统，不仅节省了资源，凭借可见光优势极大提高了智能工厂数据交互效率，安全可靠，节能环保，快速高效实时建模，提供了一种实现全场景智能制造新的思路。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统模型图；

图2为本发明公开的工业生产引导系统流程图；

图3为本发明公开的一种MIMO-VLA方法流程图；

图4为本发明的并行单像素自适应比特校准方法流程图；

图5为本发明基于遗传算法(GA)的VLA网络优化方法流程图；

图6为本发明工业生产引导实践例示意图；

图7为本发明一种RGB-LED二维矩阵主动式空间测量方法流程图；

图8为本发明彩色结构光CCD阵列空间测量方法系统示意图；

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

近年来，可见光通信(Visible light Communication,VLC)因其在无线通信技术拥有的众多优势：频谱资源丰富、兼顾照明与通信、绿色通信、安全性强、免电磁干扰等，已经成为室内无线通信技术领域中极具潜力的研究方向。通常可见光通信时将信号在发射端经过编码、调制等处理后通过发光二极管(Light Emitting Diode,LED)转换成为光信号，在接收端通过光电探测器(Photo Diode,PD)来感知可见光，并使其转换成数字信号，再经过解调和解码等处理后获得最终接受信号的过程。

可见光通信技术最早是由日本KEIO大学的Nakagawa提出来的。由于室内可见光通信可以方便地将无线电话、PDA(Personal Digital Assistant)、笔记本电脑等便携设备接入数据通信系统，所以该项目技术也得到Cyber Solution实验室、邮政署的高级长途通信实验室、Nippon电报电话公司和Sony计算机科学实验室的大力支持。鉴于VLC技术的良好前景，IEEE成立了VLC标准的研究小组，即IEEE802.15 WPAN(Wireless Personal AreaNetworks)可见光通信兴趣小组。

三维测量技术在计算机视觉的研究中有重要的地位与意义，在计算机图形学、虚拟现实、逆向工程方面都有广泛的应用。在工业生产中，对于一些无人移动端对现场形貌需求以及机械臂实时动态监控等等需求，三维测量技术在工业生产中也尤为重要。利用结构光时间编码提供较高的分辨率与鲁棒性，目前最为流行的利用格雷码彩色结构光，通过双目相机标定移相法重建物体。

本发明“一种用于工业生产引导的Array-VLA系统”利用了MIMO-VLC(Multiple-Input Multiple-Output；Visible Light Communication)多入多出技术可见光通信改进技术配合可重构编码结构光快速重建3D形貌方法构建一套智慧工厂全景工艺制造引导系统，实现设备信息实时与手持PDA交互指引及无人移动设备引导。近年来可见光通信(Visible light Communication,VLC)因其在无线通信技术拥有的众多优势：频谱资源丰富、兼顾照明与通信、绿色通信、安全性强、免电磁干扰等，已经成为室内无线通信技术领域中极具潜力的研究方向。本实施例采用新型的MIMO矩阵方法，发射机设计：将一个设备与一个RGB-LED发射源构成一个单元，组成RGB-LED阵列光源布局，接受机设计：利用PDA前置摄像头功能实时处理数字图像，解析信息实现人机实时交互，移动设备同样利用摄像功能实时处理数字图像解析交互信息，以及配合快速三维重建方法，极大的解决了大型工厂生产制造中实时监控、人机交互困难、无人设备指引差错率大等问题，在一些无尘车间需要24Hours照明，利用这种可见光通信集照明与通信的方式节省了资源。

请参见图1，本实施例提供的一种基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统，基于MIMO-VLA通信方法建立工业生产引导系统，打造工业生产安全可靠高效的交互模式，利用可见光全面交互到制造设备、人员工位、无人移动终端、监控设备、总服务器等；该工业生产引导系统包括多个发光二极管彩色阵列RGB-LED 1、中央微处理器MCU 2、生产固定设备3、总服务器4、生产移动设备5以及监控摄像头6；每个发光二极管彩色阵列对应一个生产固定设备，所述生产固定设备的状态信息通过总线GPIB回传至MCU，通过实时编码控制RGB-LED，通过MIMO-VLA通讯系统实现数据实时共享至各个终端，通过PLC控制总线链接总服务器与中央微处理器MCU及各个生产设备，整体工艺流程通过PLC完成，各个终端设备运行过程中基本参数反馈至MCU通过现场编码、调制RGB-LED阵列发射矩阵，发送给移动终端、PDA7、监控设备、生产固定设备、总服务器实现信息共享与校准；校准过程是通过RGB-LED与对应固定设备之间通信来校准设备信息，确保信息的准确性；总服务器还通过MCU编码RGB-LED阵列发送命令给任意一个设备，命令人员操作、控制监控设备监控异常设备状态、移动终端运行轨迹命令操作。

本实施例的工业生产引导系统实现的场景描述如下：PLC控制总线链接总服务器与中控MCU及各个终端设备，整体工艺流程通过PLC完成，各个终端设备运行过程中基本参数，譬如：反应釜压力、温度、物料重量，设备位置等信息，反馈至MCU通过现场编码、调制RGB-LED阵列发射矩阵，发送给移动终端、人员PDA、监控设备、固定设备、总服务器等等实现信息共享与校准。校准过程是通过RGB-LED与对应固定设备之间通信来校准设备信息，确保信息的准确性。总服务器也可通过MCU编码RGB-LED阵列发送命令给任意一个设备，命令人员操作、控制监控设备监控异常设备状态、移动终端运行轨迹等命令操作。工作人员现场监察流程跳转、各工艺的具体操作和注意事项、物料库存信息、生产领料和投料、从而做到防呆防乱防错，实现生产过程实时动态改进，严格控制过程品质，大程度上减少安全和环保问题。

更进一步的，在本实施例的工业生产引导场景中，创新性应用RGB-LED阵列，通过对RGB三个不同频段作为三个通信窗口，选用R&B不同阶的调制方式来并行对单个像素点自适应对每个比特进行校准，降低误码，提高通信质量。选用G通道作为设备信息通信频段。利用像素化MIMO技术，在接收端对数字图像处理，解析信息，遗传算法对整体通信系统接收有效像素点做以优化，提供了相邻发射LED矩阵之间的影响，提高了后端图像解析难度，同时提高了信道质量。

请参见图2，本实施例基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，包括下述步骤：

S1、提出的MIMO-VLA通信方法，利用光MIMO方式进行分集复用来克服复杂的信道环境影响，在传统的非成像光MIMO系统由于信道相关性大，很难提供足够的分集增益，利用透镜的成像MIMO系统可以有效克服上述问题。而随着显示阵列与成像设备的不断普及，人们提出新的可见光像素化MIMO系统并对该系统的可行性进行了验证，其发送端由RGB-LED光源阵列组成，每个单元RGB-LED，是由RGB三个LED组成，混合形成白光照明，分别分为共阴极和共阳极，本发明展示的是共阳极。通过编码调制每一路的电流大小，从而使得RGB-LED阵列在不同的空间位置发出不同的光强信号，从而使输出的光强空间分布，从而形成包含大量不同像素值的图像，接收端利用CCD或CMOS感光阵列板，得到数字图像集，通过对每个像素信息处理产生对应的电信号完成信息的还原。这种像素化的MIMO-VLA方式使该系统实现了更大的分集复用增益，更能满足高数据量，高性能，适应各种环境的通信场景。

由于工业生产过程中，每一道工艺步骤都尤为重要，环环相扣，对不同的复杂环境中，MIMO-VLA的可靠性需要进一步的提升。在像素化的MIMO-VLA系统中，影响系统可靠性的因素有如下几类：第一类，信道的复杂多变，灰尘颗粒、湿度、遮挡、重影等等，特别是造成的光吸收，颗粒散射，实际中要求接收端与发射端需在空间上对准，本实施例采用空间正交频分复用调制(S-OFDM)，降低系统对收发机对准的要求，并创新的提出并行单像素自适应比特校准的方法提高误码率性能；第二类，相邻发射端之间影响，造成接收端获取的图像会形成多个覆盖像素点，导致解码错误，本实施例采用N*N大小的多像素阵列，用重复编码方式进行编码，从而改善系统可靠性，利用遗传算法(GA)针对目标基因光强I以及相移P不断迭代优化，得到最优图像个体。

更进一步的，本发明针对减小复杂信道衰减影响，优化多发射源网络之间的互相干扰为目的，使用MIMO-VLA并行像素自适应比特校准的方法，动态校准提升系统可靠性，利用遗传算法，多代调优的网络优化方法，使得系统误码率性能提升。

请参见图3，为可见光像素化MIMO-VLA流程图，与传统得一维OFDM不同，像素化MIMO系统是将数据调制到空间子频率上传输，将一幅发送得数据帧得多个时刻的OFDM符号，并行同时通过RGB-LED发送出去，在这之前对原始的二进制数据进行串并转换(S/P)，此时使得数据变成了N路并行数据，在对各个子载波数据进行正交振幅调制(QAM)，调制后为频率离散信号，本实施例采用RGB-LED，分为RGB三个通信窗口，三个窗口均采用OFDM调制方法，一个窗口多路QAM调制后频域离散信号映射到N*N的星座矩阵，i表示发送数据帧的序号，N为偶数。

OFDM调制是一种新型的多载波调制技术，在无线通信系统中经常被采用。在频域中如图4所示，将RGB每一个窗口频段信道分成若干个正交子信道，每一个子信道只采用一个载波进行信号的调制，实现每个子载波之间并行信号输出，OFDM传统调制技术在VLC中应用，可以克服多径效应带来的码间干扰，同时采用了并行像素自适应比特校准方法，提高每个频带利用率以及自适应校准，极大的证明该系统的可行性。

由于可见光通信与射频通信系统存在差异，传统的空时编码不能直接应用到可见光通信中。在射频中，Alamouti码中信号的形式有负数和复数，而在可见光通信编码中只有实数，复共轭和负数无法用“ON”和“OFF”表示。目前的可见光通信通常采用强度调制方式。本实施例中同样利用强度调制以及感光单元阵列直接检测，通过后期数字图像处理解析信息。

更进一步的，多路QAM调制后复数域数据映射在N*N的星座矩阵Xi，i表示发送数据帧的序号，其中N为偶数，Xi表示为。

由于光信号的非负性，QAM调制后的复数域信号在进行二维傅里叶逆变换(IFFT)后输出为实数，QAM调制后的星座矩阵应保持其二维Hermitian共轭对称性，即保持数据必须映射在其偶数行，并且奇数行置为0。调整后QAM星座映射矩阵Xt为：

定义二维Hermitian共轭对称性为：

式中k1，k2为矩阵行列索引，*为共轭操作。在进行二维IFFT后，输出矩阵元素为实数。为了满足光信号非负的约束条件，对输出的实数信号矩阵，需要进行滤波处理。二维IFFT后滤去小于0的信号幅度数。之后将信号矩阵光强归一化，映射到[0,255]的像素区间中，可以得到在发送设备显示的发送数据帧。

光信号通过信道传输后，在接收端被CMOS或CCD等二维检测矩阵接收，接收端进行与发送端相反的操作，通过数字图像处理DIP，FFT后提取奇数项，输入到QAM解调器中得到原始发送数据。在DIP过程中，添加一系列优化算法提高系统质量。

本实施例采用N*N RGB-LED阵列板(N为偶数)，分别创造出三个通信窗口，用户可以自定义数据窗口，且利用后期DIP(数字图像处理)分解RGB三层互不影响，本实施例设置了三个通道的不同的预编码，降低信道误码率。

请参见图4，本实施例采用自适应并行比特校准方法，实时选择最优调制格式以及编码方式，利用两个不同频率窗口信噪比对比判断，降低误码率也可以根据接收端信息比较，反馈回发送端选择合适的调制编码方式，由于信道的随机性，对信号的衰落状态不同，采用差异性的调制编码方式，利用高频通信窗口低阶的调制编码方式，确保数据准确性，低频通信窗口采用高阶的调制编码方式，以调高系统的传输速率和容量，相应的也可以通过接收端的信噪比以及校准后的信噪比判断是否改进发射端的调制方式以选择最优的调制方式提高系统误码率。

请再次参见图3中的Feedback线条，本实施例采用了反馈机制，由于采用一个RGB-LED阵列对应一个固定的设备，而且设备除了有线链接，设备本身也有可见光接收CMOS模块，通过这样的直接反馈的方式对发射端整体进行一定的适应调整，譬如增强特定区域光照强度，利用预编码达到自我屏蔽的作用，减少了其他RGB-LED阵列对边缘的叠加影响。

进一步的，为了确保移动端PAD或者无人物流车接收到信息不被其他发射端影响。本实施例也采用瞬时GA算法，根据移动端采集信息相位改变，对采集的数字图像信息做以优化选择，对其他发射端的信息在DIP过程中做以有效优化，即时搜索最优的网络空间位置及最优数字图像信息，确保得到信息快速准确。

S2、MIMO-VLC并行单像素自适应比特校准方法；

根据RGB-LED阵列RGB三个选用窗口，在通信过程中，会有一定的环境影响，湿度，能见度等等工厂环境，会导致高频或者低频通信时候对相应的子载波产生不同影响。由于高低频率对于绕射能力，发射距离都有相对不一样的性能，本实施例通过选取高频红光通信窗口(R)和低频蓝光通信窗口(B)，自适应选取不同调制编码方式比特信息，不但提高频谱利用率，进一步提高系统误码率性能。对于中间频率绿光窗口(G)作为基本设备信息传输窗口，其余两个窗口作为执行等级高，要求误码率低的命令信息传输。

基于需求，本实施例提出了MIMO-VLC并行单像素自适应比特校准算法，提升了系统传输可靠性的同时，保证系统的传输速率不变，设单个OFDM符号的数据量B(bit)，可以表示为：

N代表子载波数，c(i)代表第i个子载波传输的比特数。

发送端采用多个OFDM符号组成阵列矩阵，在空间分布相邻的符号间归零处理，信道影响的差异较小。并行处理多个符号间自适应通信窗口分配方法。首先在接收端计算出每个OFDM符号中携带被调制符号的子载波光信噪比OSNR，具体为：

其中：Pi是第i个信道的光信号功率，Bm是等效噪声带宽，Ni是等效噪声带宽Bm范围内的噪声功率，Br是参考光带宽，典型值的取值为0.1nm。

通过计算调制或解调每个数据符号的子载波光信噪比作为判断单个比特功率优良，利用不同调制格式的子载波光信噪比作为判断依据，并行进行不同调制格式单比特校准操作。

本实施例也通过衡量传输质量的终极值-误码率(BER)作为自适应选择调制格式的判断依据。

其中，C_error为传输中的误码，C_total为传输的总码数。

请参见图4，为本实施例并行单像素自适应比特校准方法流程图，该流程图分为如下几个步骤，具体为：

第一步，初始化R-Channel和B-Channel调制编码格式，通过调节RGB-LED控制电压，发送数据；

第二步，接收端DIP处理，预设了10次迭代次数以及信噪比余量门限，并且也算出最大传输数据量B；

第三步，通过对R-Channel，B-Channel每一个子载波计算信噪比，通过对比选取最优数据符号功率；

第四步，通过计算比特数c(i)，以及计算新的信噪比余量门限和分配总比特数Rtotal；

第五步，对总比特殊Rtotal与单个OFDM符号的最大数据传输量B比较判断，如果相等，并在最大迭代次数内，选择跳出循环节，继续判断整体误码率；如果不相等，如果大于最大数据传输量B，则子载波数目减1，迭代次数加1，跳到第三步继续循环，或者小于最大数据传输量，则子载波数目加1，迭代次数加1，跳到第三步继续循环；

第六步，对整体误码率SER判断是否小于10E-9，如果不满足，那么就要重新调整信道窗口调制编码方式，跳到第二步继续运行如果满足，结束该流程。

通过该方法，本实施例确保传输速率最大化的同时，有效利用频谱资源，降低了系统整体误码率，提升了系统可靠性。

S3、基于GA的VLC优化方法；

要进行有效的并行单像素比特校准的前提就是获取有效的数字图像信息，由于信道的一些不确定的因素以及各个模块之间的相互影响，获取的数字图像信息中参杂了一些无效信息情况，为了降低了本实施例后期继续处理信息的难度，所以提出了基于GA的VLA优化方法。

当PDA或其他移动端CMOS接收端被复杂环境影响，Image Sensor产生了无效像素点，应该实时将无效的像素点通过交叉变异的方法做亮度值归零，根据关键的两个参量作为评价函数，一是强度I离散度以及相位偏移量P作为基本参量，更具遗传算法(GA)对数字图像集优化。

请参见图5，为基于遗传(GA)的VLA网络优化方法流程图，该流程图分为如下几个步骤，具体为：

第一步，种群初始化，连续采集数字图像集(100～500张)利用每张图像信息(个体)的亮度离散度I以及相位偏移量P作为图像评估条件，个体的每一行作为一个染色体，每一个像素点作为基因；

第二步，适应值计算，首先对单个个体提取G层信息值，通过HIS转换得到色调、饱和度、亮度三个感知量；

第三步，每张数字图像每一行(染色体)的亮度值得离散度计算，对每一行得像素点求方差，随后与最大方差做差，算出亮度适应值；

第四步，对相邻数字图像算出偏移量，利用互补功率谱傅里叶变化得到狄拉克函数，通过峰值坐标得到偏移量，随后与最小偏移量做差，算出偏移量适应值；

第五步，进入遗传算子，首先进行选择算子，根据计算每一个个体适应度总和，以及每个个体相对适应度大小，对每一个像素点基因判断，得到无效像素点位置。其次，进入交叉算子，根据种群相邻个体间，对比无效像素基因，设定交叉点位置，互换染色体间部分基因；最后，进入变异算子，对无效像素基因在阈值范围内对其随机取值，到达无效像素点屏蔽作用；

第六步，最后根据多次迭代，由最小偏移量，最优亮度矩阵作为种群评估条件，优化个体输出。

本实施例利用基于遗传GA得VLA优化方法，提高了当帧图像信息准确度，提高系统可靠性。

S4、RGB-LED二维矩阵主动式空间测量方法；

针对制造工厂中的移动设备以及机械臂的精确控制引导，对区域三维形貌的需求，本文提出了利用RGB-LED二维三色余三码结构光通过阵列CCD利用相位角差对有限范围内的形貌进行精确测量，针对一个坐标区域利用多个不同波长纵横光栅投影图像计算相位角差进行三维形貌深度计算，为自动化控制提供精确三维测量数据。请参见图8，为二维可见结构光测量方法示意图，由四个RGB-LED阵列发射端以及相邻间的高速CCD组成，通过预设循环余三码光栅投影至物体，通过图像采集条纹图形解析出设备空间信息。

基于系统的Array-VLA中RGB-LED阵列，利用四块RGB-LED阵列以及4个CCD为一个重构单元，保证对角光栅方向相同，产生x轴光栅投影，结合了结构光法和立体视觉法，通过光栅投影在设备表面形成结构光，被测设备的空间信息经过结构光编码成条纹图形，同样的方法，相邻的RGB-LED阵列发射端，预编码产生y轴光栅投影如图8所述条纹编码示意图，随时间对每个RGB-LED阵列编码循环余三码，投射一系列时序投影光栅，通过阵列CCD，对同一物体不同方向光栅投影产生的条纹图形进行解码，解析投影光栅方向，波长信息，以及每个点相对相位角信息，通过正交光栅投影得到的结构光投影图案矫正并获取视差值和深度值模块。

在已公开的方法中，通常利用彩色格雷码结构光实现三维测量系统，需要投射一系列时序图案，利用双目结构光扫描。本发明利用RGB-LED三色形成相邻正交的光栅条纹单元，并且利用余三循环码消除相位模糊，通过多角度CCD阵列采集不同相位角不同波段的光栅投影图，通过多频相差方法进行高速三维空间信息测量。

利用可见光测量空间信息，更好的控制移动设备及机械臂运动检测，本实施例一种RGB-LED二维矩阵结构光空间测量方法，其步骤包括：

第一步，制备投影光栅，本实施例创新性的利用4组RGB-LED阵列为一个单元，生成相邻矩阵相互正交，对角矩阵相同产生不同的相位角，随时序旋转进行对每个RGB-LED编循环余三码产生不同码信息以及波长的投影光栅，如图8所示，分别生成X方向λ₁的投影光栅，坐标分别为(1，1)，(2，2)；生成Y方向λ₂λ₃的投影光栅，坐标分别为(1，2)，(2，1)，本实施例保证了相邻投影光栅正交，同时本实施例将波长按照顺时针转移，达到在一定的时间序列里获得同方向不同波长的投影光栅。

第二步，同时将四组投影光栅到被测物体，在物体表面形成变形的光栅条纹，一个单元里有四个CCD阵列组成，利用CCD摄像机对每一个时序拍摄，摄像机之间夹角为90°，利用单个摄像机获取相邻波长光栅叠加形成的结构光，同样的，两两相邻之间也获取叠加结构光，一个时序得到四幅照片，之后随波长顺时针转换，继而得到四幅照片，一个单元CCD一个周期获得4*8＝32张照片，利用前16张解析相同波长相同光栅方向的对角区域，同样后16张解析剩余区域。

第三步，通过解码余三循环码消除了边缘相位模糊，本实施例利用一个时间序列的四幅投影图像，解析对角光栅以及相邻光栅相位角差计算投影图像的相位角展开，再利用多频投影光栅矫正，综合得到被测物体空间信息，针对整个单元三维形貌利用相邻正交光栅投影间的CCD对图像进行畸变矫正。

第四步，基于CCD阵列标定参数和深度视差值，得到区域深度视差图。

为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合具体的工业应用来对本发明的技术方案做进一步的阐述：

本申请的一个具体的工业应用示例中，公开了本实施例公开了一种基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，该控制方法结合了MIMO多输入多输出像素化可见光通信技术，以及结合了比特加载和遗传优化算法提出的提高系统可靠性的方法，构建了基于MIMO-VLA空间立体工业生产指引系统。该方法具体包括：

对工业生产引导系统搭建，对客户不同PLC程序适配调控，对可能调制编码程序配置MCU主控制板，对设备信息预加载到MCU内存，配置每一个RGB-LED阵列矩阵，并且设置每个设备接收端摄像机启动程序，利用每一个静态设备对应一个RGB-LED阵列矩阵发射端，两者不仅有无线可见光通信，也有有线连接反馈。该方法可以最大限度地提高物理资源的使用，如若工厂面积大，也可以选取区域拼接方法，多个MCU控制主板控制一片RGB-LED发射端。下面结合图6中本发明公开的一种工业生产引导实践例示意图以及图7通信编码解码总流程图，具体说明本发明的方案：

首先构建工业生产引导系统，必须结合客户需求，编写相应的PLC程序，控制每一个设备保证工艺流程顺利进行下去，而结合本实施例的引导系统，就可以使得员工利用PDA在工厂监察各个工艺流程的具体状态，在某一工艺流程设备附近，通过RGB-LED发送的设备信息，根据工艺不同，设备信息除了基本的位置、温度、反应釜压力等信息外，还应该有反应釜工作时间、物料量、物料本身性质等等多种信息反馈到MCU编码通过RGB-LED发送到手持PDA利用前置摄像功能，本地解码程序解码得到该工艺的基本信息，同时该设备也同样接收RGB-LED发射的信息，这样就构成了一层反馈层，为自适应比特调制编码以及校准提供了条件。针对移动设备，例如客户需求工厂内无人运输车，物料分类等等工序，也同样在本实施例交互系统中，利用像素化MIMO方法通信，通过总的数据服务器也可以下发命令，使得工厂内无死角交互。针对键控设备，通过全局监控设备状态，根据各个设备发送的信息做出及时有限的预警机制。本实施例通过分别控制每个像素点RGB三个波段通信窗口，保证通信速率的前提下，将频谱充分利用。这样就构成了基于像素化MIMO可见光通信工艺指引系统。

本实施例也外加了可视化引导，利用RGB-LED阵列采用循环余三码结构光进行三维测量，本实施例以四个RGB-LED阵列以及四个CCD阵列作为一个单元，构造特殊投影矩阵，对于(1，1)，(2，2)对角LED矩阵以及(1，2)，(2，1)对角矩阵，设计位相同方向光栅，确保相邻矩阵之间波长不同，本实施例将保证一组对角矩阵波长相同，譬如(1，1)(2，2)对角矩阵，采用绿光，相邻矩阵采用红光以及蓝光，，随时序矩阵波长及光栅方向变化，通过余三循环码对每组矩阵编码，这样本实施例通过阵列CCD一个周期获取32张投影图像，前16张针对对角(1，1)(2，2)区域重建，后16张针对(1，2)(2，1)区域重建。本实施例重建的方法不同于三方相位展开法，本实施例利用一帧中四个方位CCD获取的4副投影图像，对每个像素点，针对不同的方位不同波长的光栅投影进行相位角差展开，获取对角区域的三维空间深度信息，利用时序波长旋转，同样的方法解析，根据不同的波长解析的结果对区域特征点进行校准，又因为本实施例利用了时序循环余三码进行编码，循环余三码拥有格雷码相同的特性，相邻之间保证一位不同，这样有效的消除了相位模糊，提高相位角解析精度，本实施例利用相邻正交的光栅投影校准区域的径向畸变以及切向畸变，对区域物体进行了矫正。这样本实施例利用Array-VLA构成了三维形貌测量监控，配合工艺引导，无人移动设备精确运作，机械臂运作监控等等，实现全场景智能制造引导系统。

其次，每一个固定设备CMOS接收矩阵与RGB-LED发射阵列构成一个闭环，通过闭环反馈利用本专利公开的并行单像素比特校准方法，确保RGB-LED发射端对移动设备信息传达的可靠性，中央控制器MCU根据反馈方法，进行不同的调制编码方法，对所有传输的链路预分配了可用的通信窗口和带宽。利用动态的自适应调制编码方法，提高系统对环境的适应能力，同时每一个区域MCU控制端，对下行链路多信道优化分配，也可以不止之前那样固定分配好通信窗口，利用比特校准方法，在最大单载波船速速率下确保了较小的误码率。通过MCU预分配信道信息，包括信道序号、带宽等等，确保每个信道的利用率以及可靠性。

最后，结合工业生产，本实施例方案设计包含产品生产周期的过程控制和操作引导，达到如下几点优越性：全方位引导、多层次校验、在线容错、异常自恢复等。

全方位工业生产引导系统支持、工位、工艺、流程等方位的智能引导，在生产过程中动态应变，条理清晰地指引人员进行操作。工作人员进入发射端辐射区域，自动获取覆盖区域设备的状态信息，以及终端发送的工艺操作流程命令，在每个工艺流程区域之间可以达到无缝衔接，去报工艺之间不干扰，提供生产的可靠性。通过PDA进行下一步综合分析，譬如配料精度、当前环境、设备状态、人员权限和产品要求等，动态调整流程，继而手动操作设备，从而达到防呆防乱防错，实现了生产过程实时动态改进，严格控制过程品质，大程度减少安全。工厂中的无人移动设备，也可以在多哥发射端覆盖区域无缝运作，确保单一区域做对应工序。

多层级校验确保了MIMO-VLC比特校准的通信方式，该系统也在产品周期内，储罐补料、生产领料、断续称量、生产投料、生产转缸、循环砂磨和产品储存等节点进行关键性校验，确保流程的顺畅和数据的精准。考虑到操作的便捷性和生产的连续性，部分校验方式可进行配置和权限跳过，除此之外，有些生产是在夜间进行，关键性的校验支持远程校验、事后校验和新增校验。这种多层校验功能，使得人机交互更加直接和精准，减少了工作量，提升效率。

工业生产指引系统支持了错误类型管理，可由客户自行定制错误所属类型，不同类型的错误进行不同的处理方式，机保证了操作的便捷性和顺畅性，也保证了安全和品质。类似包括人员通过可见光获取信息，手动错误操作设备，重复操作、录入错误，系统支持再次发送和重置操作并记录，类似投错料、用错设备、超量、少量等影响生产和品质的错误，系统会紧急提示，通过监控设备获取可见光信息，或者设备自动报警，通过发送多区域警报第一时间让工作人员知道警报，并且暂停当前生产，工作人员做进一步处理。

工业生产指引系统对于程序奔溃、软件重启或者设备死机等异常情况，该系统也支持配置异常自动恢复程序，在捕捉到在捕捉到异常时，多区域RGB-LED阵列协同控制整个工艺流程，暂存数据，按照自恢复程序自动重启，降低由于个别工序异常导致真个生产发生风险，也降低了系统运维的难度，缩短了系统的故障时间。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统，其特征在于，包括多个发光二极管彩色阵列RGB-LED、中央微处理器MCU、生产固定设备、总服务器、生产移动设备以及监控摄像头；每个发光二极管彩色阵列对应一个生产固定设备，所述生产固定设备的状态信息通过总线GPIB回传至MCU，通过实时编码控制RGB-LED，通过MIMO-VLC通讯系统实现数据实时共享至各个终端，所述各个终端包括移动终端、手持PDA、监控设备、生产固定设备、总服务器，通过PLC控制总线链接总服务器与中央微处理器MCU及各个生产设备，整体工艺流程通过PLC完成，各个终端设备运行过程中基本参数反馈至MCU通过现场编码、调制RGB-LED阵列发射矩阵，发送给移动终端、手持PDA、监控设备、生产固定设备、总服务器实现信息共享与校准；校准过程是通过RGB-LED与对应生产固定设备之间通信来校准设备信息，确保信息的准确性；总服务器还通过MCU编码RGB-LED阵列发送命令给任意一个设备，命令人员操作、控制监控设备监控异常设备状态、发送轨迹命令至生产移动终端，所述通过实时编码控制RGB-LED，通过MIMO-VLC通讯系统实现数据实时共享至各个终端，通过PLC控制总线链接总服务器与中央微处理器MCU及各个生产设备，具体为：

将所述发光二极管彩色阵列的三个不同频段作为三个通信窗口，选用R&B不同阶的调制方式来并行对单个像素点自适应对每个比特进行校准，选用G通道作为设备信息通信频段，并利用像素化MIMO技术，在接收端对数字图像处理，解析信息。

2.根据权利要求1所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

对工业生产引导系统搭建，对客户不同PLC程序适配调控，对可能调制编码程序配置MCU主控制板，对各个终端的信息预加载到MCU内存；

配置每一个RGB-LED阵列矩阵，并且设置每个设备接收端摄像机启动程序，利用每一个静态设备对应一个RGB-LED阵列矩阵发射端，利用像素化MIMO技术进行分集复用来克服复杂的信道环境影响；

采用MIMO-VLC并行单像素自适应比特校准方法，通过选取高频红光通信窗口R和低频蓝光通信窗口B，自适应选取不同调制编码方式比特信息，不但提高频谱利用率，进一步提高系统误码率性能，对于中间频率绿光窗口G作为基本设备信息传输窗口，其余两个窗口作为执行等级高，要求误码率低的命令信息传输；

采用基于GA的VLC优化方法，获取有效的数字图像信息；

利用RGB-LED二维三色余三码结构光通过阵列CCD利用相位角差对有限范围内的形貌进行精确测量，针对一个坐标区域利用多个不同波长纵横光栅投影图像计算相位角差进行三维形貌深度计算，为自动化控制提供精确三维测量数据；

利用PDA在工厂监察各个工艺流程的具体状态，在某一工艺流程设备附近，通过RGB-LED发送的设备信息，根据工艺不同，将多种工艺信息反馈到MCU编码并通过RGB-LED发送到手持PDA、移动设备、生产设备，利用其前置摄像功能，本地解码程序解码得到该工艺流程的基本信息，同时该设备也同样接收RGB-LED发射的信息进一步校准，完成全方位工业生产引导。

3.根据权利要求1所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，其特征在于，所述像素化MIMO技术具体为：

将数据调制到空间子频率上传输，将一幅发送的数据帧得多个时刻的OFDM符号，并行同时通过发光二极管彩色阵列发送出去，在这之前对原始的二进制数据进行串并转换，得数据变成了N路并行数据，再对各个子载波数据进行正交振幅调制QAM，调制后为频率离散信号，将发光二极管阵列分为RGB三个通信窗口，三个窗口均采用OFDM调制方法，其中一个窗口多路QAM调制后频域离散信号映射到N*N的星座矩阵，i表示发送数据帧的序号，N为偶数。

4.根据权利要求3所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，其特征在于，多路QAM调制后复数域数据映射在N*N的星座矩阵Xi，i表示发送数据帧的序号，其中N为偶数，Xi表示为：

由于光信号的非负性，QAM调制后的复数域信号在进行二维傅里叶逆变换后输出为实数，QAM调制后的星座矩阵应保持其二维Hermitian共轭对称性，即保持数据必须映射在其偶数行，并且奇数行置为0，调整后QAM星座映射矩阵Xt为：

定义二维Hermitian共轭对称性为：

式中k1，k2为矩阵行列索引，*为共轭操作，在进行二维IFFT后，输出矩阵元素为实数，为了满足光信号非负的约束条件，对输出的实数信号矩阵，需要进行滤波处理，二维IFFT后滤去小于0的信号幅度数，之后将信号矩阵光强归一化，映射到[0,255]的像素区间中，得到在发送设备显示的发送数据帧；

光信号通过信道传输后，在接收端被CMOS或CCD二维检测矩阵接收，接收端进行与发送端相反的操作，通过数字图像处理DIP，FFT后提取奇数项，输入到QAM解调器中得到原始发送数据；

采用N*N RGB-LED阵列板，分别创造出三个通信窗口，用户可自定义数据窗口，且利用后期数字图像处理分解RGB三层互不影响，设置三个通道的不同的预编码，降低信道误码率。

5.根据权利要求2所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，采用MIMO-VLC并行单像素自适应比特校准算法，提升了系统传输可靠性的同时，保证系统的传输速率不变，具体为：

第一步，初始化R-Channel和B-Channel调制编码格式，通过调节RGB-LED控制电压，发送数据；

第二步，接收端DIP处理，预设了多次迭代次数以及信噪比余量门限，并且也算出最大传输数据量B；

第三步，通过对R-Channel，B-Channel每一个子载波计算信噪比，通过对比选取最优数据符号功率；

第四步，通过计算比特数c(i)，以及计算新的信噪比余量门限和分配总比特数Rtotal；

第五步，对总比特殊Rtotal与单个OFDM符号的最大数据传输量B比较判断，如果相等，并在最大迭代次数内，选择跳出循环节，继续判断整体误码率；如果不相等，如果大于最大数据传输量B，则子载波数目减1，迭代次数加1，跳到第三步继续循环，或者小于最大数据传输量，则子载波数目加1，迭代次数加1，跳到第三步继续循环；

第六步，对整体误码率SER判断是否小于10E-9，如果不满足，那么就要重新调整信道窗口调制编码方式，跳到第二步继续运行如果满足，结束该流程。

6.根据权利要求5所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，子载波计算信噪比的计算方法如下：

其中：Pi是第i个信道的光信号功率，Bm是等效噪声带宽，Ni是等效噪声带宽Bm范围内的噪声功率，Br是参考光带宽，典型值的取值为0.1nm。

7.根据权利要求6所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，通过衡量传输质量的终极值-误码率作为自适应选择调制格式的判断依据，公式如下：

C_error为传输中的误码，C_total为传输的总码数。

8.根据权利要求2所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，利用基于遗传GA得VLA优化方法，提高了当帧图像信息准确度，具体为：

第一步，种群初始化，连续采集数字图像集，利用每张图像信息的亮度离散度I以及相位偏移量P作为图像评估条件，个体的每一行作为一个染色体，每一个像素点作为基因；

第二步，适应值计算，首先对单个个体提取G层信息值，通过HIS转换得到色调、饱和度、亮度三个感知量；

第三步，每张数字图像每一行的亮度值得离散度计算，对每一行得像素点求方差，随后与最大方差做差，算出亮度适应值；

第四步，对相邻数字图像算出偏移量，利用互补功率谱傅里叶变化得到狄拉克函数，通过峰值坐标得到偏移量，随后与最小偏移量做差，算出偏移量适应值；

第五步，进入遗传算子，首先进行选择算子，根据计算每一个个体适应度总和，以及每个个体相对适应度大小，对每一个像素点基因判断，得到无效像素点位置，其次，进入交叉算子，根据种群相邻个体间，对比无效像素基因，设定交叉点位置，互换染色体间部分基因，最后，进入变异算子，对无效像素基因在阈值范围内对其随机取值，到达无效像素点屏蔽作用；

第六步，最后根据多次迭代，由最小偏移量，最优亮度矩阵作为种群评估条件，优化个体输出。

9.根据权利要求2所述基于发光二极管彩色阵列的工业生产引导系统的控制方法，利用RGB-LED二维三色余三码结构光通过阵列CCD利用相位角差对有限范围内的形貌进行精确测量，针对一个坐标区域利用多个不同波长纵横光栅投影图像计算相位角差进行三维形貌深度计算，为自动化控制提供精确三维测量数据，具体为：

第一步，制备投影光栅，利用4组RGB-LED阵列为一个单元，生成相邻矩阵相互正交，对角矩阵相同产生不同的相位角，随时序旋转进行对每个RGB-LED编循环余三码产生不同码信息以及波长的投影光栅，分别生成X方向λ1的投影光栅，坐标分别为(1，1)，(2，2)；生成Y方向λ2λ3的投影光栅，坐标分别为(1，2)，(2，1)，保证了相邻投影光栅正交，同时将波长按照顺时针转移，达到在一定的时间序列里获得同方向不同波长的投影光栅；

第二步，同时将四组投影光栅到被测物体，在物体表面形成变形的光栅条纹，一个单元里有四个CCD阵列组成，利用CCD摄像机对每一个时序拍摄，摄像机之间夹角为90°，利用单个摄像机获取相邻波长光栅叠加形成的结构光，同样的，两两相邻之间也获取叠加结构光，一个时序得到四幅照片，之后随波长顺时针转换，继而得到四幅照片，一个单元CCD一个周期获得4*8＝32张照片，利用前16张解析相同波长相同光栅方向的对角区域，同样后16张解析剩余区域；

第三步，通过解码余三循环码消除了边缘相位模糊，利用一个时间序列的四幅投影图像，解析对角光栅以及相邻光栅相位角差计算投影图像的相位角展开，再利用多频投影光栅矫正，综合得到被测物体空间信息，针对整个单元三维形貌利用相邻正交光栅投影间的CCD对图像进行畸变矫正；

第四步，基于CCD阵列标定参数和深度视差值，得到区域深度视差图。

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