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室内导航技术发展及其现状
DANBACH ROBOT


  一、 为什么需要室内定位?

  当您看到这篇文章时,恭喜您,您正在关注目前全世界最新的技术之一室内定位,为何这样说呢?你知道我们一生当中80%的时间是待在室内,但GPS却不能在室内运作。人们对周遭环境不了解是会有恐惧感的,尤其在室内的封闭空间更加如此。想一想你曾在地下停车场花了多少时间找路?那种找不到出口出去的感觉是不是很糟?

  GPS解决了我们户外迷路的问题,但室内呢?

  当然了,室内定位导航是基本功能,室内定位真正吸引人的地方是它让所有在室内发生的事件多了一个空间的维度。想想看,你在看任何事件最会先看什么?这事件在“哪里”发生?“何时”发生的?记录事件发生的“位置”是非常重要的一件事情。

  例如:大型商场中的商户能够通过室内定位技术获知哪些地方人流量最大,客人们通常会选择哪些行动路线等,从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。

  商店希望消费者进店消费时可以主动发送一些促销折扣,可以应用到手机购物、移动电子商务、个性化广告/优惠信息。用户会希望能够直接获取商店或者所需产品的位置。其次,室内定位在机场、医院、大型商场、会展中心、大型停车场都可以有非常广泛的应用,另一个福音,家长不用再担心孩子在商场中走失,通过室内定位技术可以实时定位孩子的位置。

  最终回归到人与物、物与人以及人与人的连结,在这当中可想而知,有室内定位才可将这些连结快速结合起来,足以看得出室内定位扮演的关键角色。室内定位的应用其实还不限于这些,这项技术可以影响着你生活的方方面面。多方面的需求推动了室内定位技术的发展。

  二、 室外定位技术简介

  目前常用的室外定位方式有:一种是基于人造卫星的定位,一种是基于移动运营网的基站的定位。

  1.卫星定位

  卫星定位有四大系统,美国的GPS系统、欧盟的伽利略定位系统(Galileo)、俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗卫星导航定位系统。GPS又称为全球定位系统(Global Positioning SystemGPS)。GPS系统包括三大部分:空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。GPS的基本定位原理是:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。

  2.基站定位

  基站定位一般应用于手机用户,手机基站定位服务又叫做移动位置服务LBS,它是通过电信移动运营商的网络(如GSM网)获取移动终端用户的位置信息(经纬度坐标),在电子地图平台的支持下,为用户提供相应服务的一种增值业务。基站定位则是利用基站对手机的距离的测算来确定手机位置的。大致原理为:移动电话测量不同基站的下行导频信号,得到不同基站下行导频的TOA(Time of Arrival,到达时刻)或TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差),根据该测量结果并结合基站的坐标,一般采用三角公式估计算法,就能够计算出移动电话的位置。基站定位的精度较低,但是可以在室内定位。

  基于室外定位技术比较成熟,大家也比较了解,篇幅有限,不多介绍。

  三、室内定位技术简介

  上文简单介绍下室外定位技术,室外定位技术成熟、市场机制良好、应用广泛。然而室内无GPS信号无法进行定位,但人们大部分时间是处在室内,故对室内定位也有强烈的定位需求。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:

  再来看看各种室内定位方案的不同参数指标对比表,如下表格:

 

  简单介绍下各种室内定位方案:

  1. UWB(超宽带)脉冲信号,由多个传感器采用TDOA和AOA定位算法对标签位置进行分析,多径分辨能力强、精度高,定位精度可达厘米级。但UWB难以实现大范围室内覆盖,且手机不支持UWB,定位成本非常高。

  2. RFID的定位,采用刷卡方式,根据阅读器位置对刷卡人员或设备进行区间定位。主要应用在仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上、ETC、办公考勤等,无法进行实时定位,定位精确度低,不具有通信能力,抗干扰能力较差。

  3. ZigBee室内定位技术通过若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网,每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位。作为一个低功耗和低成本的通信系统,ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大,而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性,造成定位软件的成本较高,提高空间还很大。ZigBee室内定位已经被很多大型的工厂和车间作为人员在岗管理系统所采用。

  4. 超声波定位应用案例的代表是Shopkic,在商店内安装超声波信号盒,手机麦克风检测到声波,从而实现定位,主要用于店铺的签到。超声波在空气中的衰减较大,不适用于大型场合,加上反射测距时受多径效应和非视距传播影响很大,造成需要精确分析计算的底层硬件设施投资,成本太高。

  5. 惯导由于手机初始姿态的不确定性和手机惯性传感器精度问题,室内定位效果不佳。现在越来越多的人用自主惯性传感器定位导航进行辅助导航,特别是IOS手机不开放RSSI等接口的情况下。

  6. LED定位系统通过往天花板上的LED灯具实现,灯具发出像莫斯电报密码一样的闪烁信号,再由用户智能手机照相机接收并进行检测,定位精度可以在1米之内。LED定位需要改造LED灯具,增加芯片,增加成本,红外线只能视距传播,穿透性极差也极易受灯光、烟雾等环境因素影响明显。定位效果有限。比较适用于实验室对简单物体的轨迹精确定位记录以及室内自走机器人的位置定位。尽管如此,LED定位是一种很有潜力的室内定位技术。

  7. Wi-Fi定位由于Wi-Fi网络的普及,变得非常流行。Wi-Fi定位可以达到米级定位(1~10米),Wi-Fi定位技术有两种,一种是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度,通过差分算法,来比较精准地对人和车辆进行三角定位。另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度,通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库,来确定位置(“指纹”定位)。但是iOS不支持Wi-Fi室内定位(Apple把Wi-Fi底层的东西锁住了,开发者无法得知一些Wi-Fi重要讯息),无法做到精准定位且响应速度不高。Wi-Fi定位适用于对人或者车的定位导航,可用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。目前市场上已逐步用ibeacon定位。

  8. 地磁和计算机视觉定位的产品,目前这两类产品大多用于军事及科学探测,如军事上的水下导航常用的地磁导航,火星车的导航用到了计算机视觉导航。

  四、室内无线定位算法

  面对这么多技术解决方案大家可能有点眼花缭乱,总结下室内无线定位算法技术基本上归结于以下3类:

  1. 近邻法:最简单的方式,直接选定那个信号强度最大的AP的位置,定位结果是热点位置数据库中存储的当前连接的Wi-Fi热点的位置。

  2. 三角测量法:通过信号的各种参数得到目标与AP的距离或者角度,用几何方法计算出位置。包括到达时间法、相对到达时间法、到达角度法、基于信号强度的测距方法,及其混合算法。

  3. 指纹法:就是事先把各个位置上的信号特征(各Wi-Fi的信号强度)测量一遍,存入指纹数据库。定位的时候,将当前的信号特征与指纹库中的进行匹配,从而确定位置。

  从上面的叙述中可以看出,不管是室外定位还是室内定位,定位的基本原理是差不多的,就是在信号的传输上测算你的位置。不管是用时间,角度,衰减,还是别的方面,区别只是不同技术导致不同精度而已。从技术成熟与大规模应用的现实角度考虑,ibeacon蓝牙定位技术成为当前主流、也是未来最具发展潜力的室内定位技术手段之一。



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