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室内定位技术详解

定位技术作为感知层重要技术之一,具有举足轻重的地位。机器人、智能控制、VR等技术几乎都需要定位技术的支持,室外定位我们主要依赖于GPS、北斗等卫星定位技术。

然而,人的一生当中有80%的时间是在室内度过的,个人用户、服务机器人、新型物联网设备等大量的定位需求也发生在室内;而室内场景受到建筑物的遮挡,GNSS信号快速衰减,甚至完全拒止,无法满足室内场景中导航定位的需要。

近年来,位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展,以提供无所不在的基于位置的服务,其主要推动力是室内位置服务所能带来的巨大的应用和商业潜能。许多公司包括OS提供商、服务提供商,设备和芯片提供商都在竞争这个市场。

室内定位技术原理

目前的定位技术多要借助辅助节点进行定位, 通过不同的测距方式, 计算出待测节点相对于辅助节点的位置,然后与数据库中事先收集的数据进行比对, 从而确定当前位置,如图所示。

室内定位技术详解

首先在室内环境设置固定位置的辅助节点, 这些节点的位置已知,有的位置信息是直接存在节点中, 如RFID 的标签,有的是存在电脑终端的数据库中, 如红外线、超声波等。

然后测量待测节点到辅助节点的距离, 从而确定相对位置。使用某种方式进行测距通常需要一对发射和接收设备,按照发射机和接收机的位置大体可以分为两种: 发射机位于被测节点, 接收机位于辅助节点,例如红外线,超声波和 RFID; 另一种是发射机位于辅助节点, 接收 机 位 于 被 测 节 点, 例如 WiFi、超宽带、ZigBee和蓝牙。

室内定位技术原理

最后分析计算位置, 利用计算机终端的数据库进行匹配,从而得出具体位置。具体流程如上图所示, 除了用到之前已知的辅助节点位置和计算得出的距离外,还需要一定的模型来提高精度。

室内定位的技术分支多样

下图是各种室内定位方案的对比图:

室内定位的技术分支多样

目前室内定位常用的定位方法,从原理上主要分为七种:邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。

定位原理描述特点
临近探测法通过一些有范围限制的物理信号的接收,从而判断移动设备是否出现在某一个发射点附近。该方法虽然只能提供大概的定位信息,但其布设成本低、易于搭建,适合于一些对定位精度要求不高的应用,例如自动识别系统用于公司的员工签到。
质心定位法根据移动设备可接收信号范围内所有已知的信标(beacon)位置,计算其质心坐标作为移动设备的坐标。该方法易于理解,计算量小,定位精度取决于信标的布设密度。
多边定位法通过测量待测目标到已知参考点之间的距离,从而确定待测目标的位置。精度高、应用广。
三角定位法该方法是在获取待测目标相对2个已知参考点的角度后结合两参考点间的距离信息可以确定唯一的三角形,即可确定待测目标的位置。精度高、应用广。
极点法通过测量相对某一已知参考点的距离和角度从而确定待测点的位置。该方法仅需已知一个参考点的位置坐标,因此使用非常方便,已经在大地测量中得到广泛应用。
指纹定位法在定位空间中建立指纹数据库,通过将实际信息与数据库中的参数进行对比来实现定位。指纹定位的优势是几乎不需要参考测量点,定位精度相对较高;但缺点是前期离线建立指纹库的工作量巨大,同时很难自适应于环境变化较大的场景。
航位推算法是在已知上一位置的基础上,通过计算或已知的运动速度和时间计算得到当前的位置。数据稳定,无依赖,但该方法存在累积误差,定位精度随着时间增加而恶化。

不同的室内定位方法选择不同的观测量,通过不同的观测量提取算法所需要的信息。下表对主要的观测量进行简要的介绍。

观测量简介
RSSI(接收信号强度指示)测量它是通过计算信号的传播损耗,可以使用理论或者经验模型来将传播损耗转化为距离,也可以用于指纹定位建立指纹库。
TOA(到达时间)测量该方法主要测量信号在基站和移动台之间的单程传播时间或来回传播时间。前者要求基站与移动台间的时钟同步。
TDOA(到达时间差)测量该方法同样是测量信号到达时间,但使用到达时间差进行定位计算,可利用双曲线交点确定移动台位置,故可以避免对基站和移动台的精确同步。
AOA(到达角度)测量该方法是指接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度,包括测量基站信号到移动台的角度或者移动台信号到达基站的角度。每种方式均会产生从基站到移动台的方向线。2个基站可以得到2条方向线,其交点即为移动台位置。因此,AOA方法只需要2个基站即可确定移动台位置。
方向和距离获取方向和距离多用于航位推算定位,采用自包含传感器记录载体的物理信息,计算得到方向和距离,从而在已知上一位置的基础上计算得到当前的位置。

多种室内定位技术

根据上面介绍的定位原理和观测量,衍生出了多种室内定位技术,下面将对主流的室内定位技术进行简要介绍。

1、超宽带(UWB)技术

超宽带技术是近年来新兴一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。目前,包括美国,日本,加拿大等在内的国家都在研究这项技术,在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB技术是一种传输速率高(最高可达1000Mbps以上),发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术,无载波。正是这些优点,使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法,就是通过信号到达的时间差,通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。

而超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号,通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰,得到含有效信息的信号,再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

多种室内定位技术

UWB室内定位结构图

超宽带可用于室内精确定位,例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。

定位精度:根据不同公司使用的技术手段或算法不同,精度可保持在0.1 m~0.5 m。

2、蓝牙技术

蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点,把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式,并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备,就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位,例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC 以及手机中,因此很容易推广普及。理论上,对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户,只要设备的蓝牙功能开启,蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。

采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵,而且对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。

蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。

定位精度:根据不同公司使用的技术手段或算法不同,精度可保持在3 m~15 m。

缺陷:信号传输距离短。

3、超声波定位技术

超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成,主测距器可放置于移动机器人本体上,各个电子标签放置于室内空间的固定位置。定位过程如下:先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签,电子标签接收到后又反射传输给主测距器,从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离,并得到定位坐标。目前,比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种:一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速,远高于射频速率,那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号,利用时间差的方法测距。这种技术成本低,功耗小,精度高。另一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器,将待定位空间区,由超声波传感器测距形成坐标,总体把握数据,抗干扰性强,精度高,而且可以解决机器人迷路问题。

超声波定位技术

定位精度:超声波定位精度可达厘米级,精度比较高。

缺陷:超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围,且易受干扰。

4、红外线定位技术

红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。红外线室内定位技术定位的原理是,红外线标识发射调制的红外射线,通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度,但是由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作,需要在每个房间、走廊安装接收天线,造价较高。因此,红外线只适合短距离传播,而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰,在精确定位上有局限性。

红外线定位技术

典型的红外线室内定位系统Activebadges使待测物体附上一个电子标,该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID,接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔,实用性较低。如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波,应用TOA基本算法,通过计时器测距定位。一方面降低了功耗,另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术与超声波技术优势互补。

定位精度:红外线定位精度可5 m ~10 m。

缺陷:红外线在传输过程中易于受物体或墙体阻隔且传输距离较短,定位系统复杂度较高,有效性和实用性较其它技术仍有差距。

5、射频识别技术(RFID)

射频定位技术实现起来非常方便,而且系统受环境的干扰较小,电子标签信息可以编辑改写比较灵活。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短,一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成本较低。 RFID技术原理:射频识别(RFID)技术是一种操控简易,适用于自动控制领域的技术,它利用了电感和电磁耦合或雷达反射的传输特性,实现对被识别物体的自动识别。射频(RF)是具有一定波长的电磁波,它的频率描述为:kHz、MHz、GHz,范围从低频到微波不一。

RFID室内定位系统的基本结构:该系统通常由电子标签、射频读写器、中间件以及计算机数据库组成,结构如下图所示。射频标签和读写器是通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换的。在定位系统应用中,将射频读写器放置在待测移动物体上,射频电子标签嵌入到操作环境中。电子标签上存储有位置识别的信息,读写器则通过有线或无线形式连接到信息数据库。

射频识别技术(RFID)

RFID基本结构图

室内定位技术详解插图17

6、WIFI技术

无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台,可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务,而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11b的无线以太网已经成的一种定位解决方案。

无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台,可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位

在无线局域网中的AP接入点或是无线网卡都可以方便测得无线信号的强度,利用这一点可以通过匹配信号强度的方法进行定位。位置指纹法是一种常用的无线局域网室内定位技术,典型的系统是RADAR原型系统,由微软研发。基于RSSI技术的RADAR室内定位系统运行分两个过程,分别是先在系统覆盖区域对设置的若干个AP固定点离线采集其位置信息以及信号强度,通过有线网络传输给数据中心形成位置指纹数据库,再对实时待测物所测算得到信号强度利用最近邻居法分析匹配出其位置。

某公司开发了能够利用Wi-Fi进行室内定位的软件。Wi-Fi绘图的精确度大约在1米至20米的范围内,总体而言,它比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。但是,如果定位的测算仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近,而不是依赖于合成的信号强度图,那么在楼层定位上很容易出错。目前,它应用于小范围的室内定位,成本较低。但无论是用于室内还是室外定位,Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域,而且很容易受到其他信号的干扰,从而影响其精度,定位器的能耗也较高。

精度:2 m ~10 m。

缺陷:采集数据工作量大,而且为了达到较高的精度,固定点AP的位置测算设置比较繁琐。

7、ZigBee技术

ZigBee(IEEE 802.15.4)是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它介于射频识别和蓝牙之间,也可以用于室内定位。主要面向无线个人区域网(PAN),网络系统在应用中表现出近距离,低功耗,低成本等特征,这些都可以满足室内定位系统的要求和条件。应用ZigBee技术的室内定位系统是通过在传感器网络中布置参考节点,移动节点构成系统的,参考节点为静态节点,它们发送位置信息和RSSI值给移动待测节点,该节点将数据写入定位模块,分析计算得到自身位置。该系统常采用分布式节点设置,可以减少网络数据工作量和通信延迟的问题。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。

精度:2 m ~5 m。

缺陷:网络稳定性还有待提高,易受环境干扰。

除了以上提及的定位技术,还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外,还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段,如基于磁场压力感应进行定位的技术。

技术对比

在精度、定位方法、实例和优缺点等方面对当前比较成熟的几种室内定位技术进行对比,从宏观上掌握室内定位技术领域发展的方向和目前研究的瓶颈问题。

室内定位技术详解插图21

室内定位面临的挑战

和室外定位相比,室内定位面临很多独特的挑战, 比如说室内的环境动态性很强,可以说是多种多样,不同的大厦会有不同的室内布局;室内的环境更加精细,由此也需要更高的精度来分辨不同的特征。

那么实用的室内定位解决方案都需要满足那些要求呢?主要包括以下几个方面:精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间。

精度:

对精度的要求不同的应用差别很大,比如在超市或仓库找一个特定的商品可能需要1米甚至更低的精度,如果在购物中心寻找一个特定的品牌或餐馆,5-10米的精度就能满足要求。

覆盖范围:

覆盖范围主要是指一个技术和解决方案可以在多大的范围内提供满足精度的覆盖。有些技术需要相应或专用的基础设施支撑并结合相应的定位终端使用,这样它的覆盖就只是布局了相应技术的环境范围。

可靠性:

前面提到室内环境动态性很强,会经常发生改变,比如商场的设置和隔断会经常发生变化。另一方面,定位所依赖的基础设施也会经常发生变化。举个例子,一些大型的会议,参展商会架设自己的WiFi 热点, 这些设施会动态变化位置,甚至有时开有时关,如果定位技术是基于WiFi的,可靠的系统应该不会受到这些因素的影响。

成本和复杂度:

成本和复杂度指标涵盖两个方面。一个是定位终端的成本,是不是可以用终端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和维护的成本及其复杂度,包括布局与维护定位所需要的设施和采集相关的数据库。

功耗:

定位所产生的功耗是一个很重要的指标尤其对使用电池的移动设备,如果功耗大很快使设备没电了,就限制了用户的使用。有调查表明,电池消耗过快是很多用户不开启定位功能的一个主要因素。所以,如果要实现随时随地的位置感知,必须降低定位所增加的设备额外功耗。

可扩展性:

可扩展性指一个解觉方案扩展到更大的覆盖范围使用的能力,和方便地移植到不同的环境和应用的能力。

响应时间:系统给出一个位置更新所需的时间是响应时间,不同的应用需求不同,比如移动用户和导航应用需要快的位置更新。

室内定位技术的应用场景

室内定位的需求越来越广泛,包括消防、学校、商场、医院、停车场、轨道列车、物流仓储、地下作业等场合,尤其是涉及到公共安全、地铁、矿洞作业等领域,室内定位技术的需求更为迫切。

室内定位技术详解插图23

1、室内位置服务

室内位置服务在大型商超、机场、酒店、博物馆、会展中心等大型室内场景中得到了应用。在布局比较复杂的大型超市中,用户能够查找感兴趣商品的所在位置;在大型购物商场,用户也可以查找想要去的店铺和娱乐场所,同时商家也可以针对性地进行广告推送,提供个性化营销。在博物馆或会展中心,室内定位也可以方便地提供定位导航服务。

2、公共安全

室内定位对应急救援、消防、安全执法等方面具有重要作用。当发生地震、火灾等紧急事件时,救援的必要条件是快速确定人员位置。特别是当建筑物由于紧急事件布局发生变化时,凭借经验很难快速定位人员位置。室内定位技术可以为救援提供强有力的技术支持,更好地保障救援人员和受困人员的安全,更快地开展有效救援。

3、人员物品管理

室内定位可以为特殊人群如学生、病人、犯人等提供室内的定位监护服务。具体地,为学生父母提供学生的到校情况;为公司员工提供签到服务;为监狱提供犯人活动情况汇报;为幼儿园设立电子围栏提供实时监护。

同时,室内定位也可以为仓储提供物品的定位服务,方便物品的防盗、整理、运输,提供全程的位置记录。

4、智能交通

室内定位技术结合传统定位技术可提供室内外无缝定位导航服务,可为车辆提供从道路到停车场的全程导航服务,同时也解决了大型复杂地下停车场的寻车难题。

5、大数据分析

室内定位可以记录用户的活动轨迹,对这些数据进行大数据分析,将用户的位置与行为及其背后的兴趣偏好联系起来。因此,对室内定位数据进行挖掘和分析具有极大的商业价值和应用前景。例如对某商场的消费者活动进行分析,可以分析出消费者对某个店铺的光顾频率和停留时间,从而得出消费者的兴趣和偏好以及店铺热度,为商业分析提供有力帮助。

6、社交网络

社交网络在人们的生活中扮演着重要的角色,位置是社交网络的核心,在占人们生活时间80%左右的室内环境下,真实准确的位置能把朋友与活动关联起来。

室内定位技术是当前热门研究领域, 有着广泛的应用前景,下一步的研究工作可以从以下几个方面进行:

( 1) 提出新的定位方法。当前的定位技术都是建立在邻近信息、场景分析和几何特征三种定位方法之上的,假如可以提出新的定位方法, 那必然是一篇全新的领域,对室内定位技术起到巨大的推动作用。

( 2) 使用新的无线介质。目前的定位技术都是建立在传统无线介质之上的, 各有优缺点。假如能提出一种新的无线介质,可以克服之前的缺点,则会大幅促进室内定位技术的发展。

( 3) 多技术融合。鉴于目前的主流技术各有优缺点, 各技术的融合将是取长补短的有力方法。但面临的问题有通用标准化的问题,各技术无缝连接的问题,以及技术融合后的功耗问题等。

( 4) 现有技术优化。主要是针对目前技术存在的缺点进行优化。从之前的对比可以看出,目前技术的主要缺点集中在精度低、作用距离短、易受干扰、功耗大、依赖辅助设施、造价高等方面, 针对某一技术的某一缺点进行优化改进, 将大幅提高该技术的实用性。

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