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主流的室內(nèi)定位技術(shù)介紹

目前室內(nèi)定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點法、指紋定位法和航位推算法。

不同的室內(nèi)定位方法選擇不同的觀測量，通過不同的觀測量提取算法所需要的信息。下表對主要的觀測量進行簡要的介紹。

根據(jù)上面介紹的定位原理和觀測量，衍生出了多種室內(nèi)定位技術(shù)，下面將對主流的室內(nèi)定位技術(shù)進行簡要介紹。

1.WiFi定位技術(shù)

目前WiFi是相對成熟且應(yīng)用較多的技術(shù)，這幾年有不少公司投入到了這個領(lǐng)域。WiFi室內(nèi)定位技術(shù)主要有兩種。

WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷，即最靠近哪個熱點或基站，即認為處在什么位置，如附近有多個信源，則可以通過交叉定位(三角定位)，提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此不需要再鋪設(shè)專門的設(shè)備用于定位。用戶在使用智能手機時開啟過Wi-Fi、移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術(shù)具有便于擴展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢，因此最先實現(xiàn)了規(guī)模化。

不過，WiFi熱點受到周圍環(huán)境的影響會比較大，精度較低。為了做得準一點有公司就做了WiFi指紋采集，事先記錄巨量的確定位置點的信號強度，通過用新加入的設(shè)備的信號強度對比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，來確定位置。

由于采集工作需要大量的人員來進行，并且要定期進行維護，技術(shù)難以擴展，很少有公司能把國內(nèi)的這么多商場定期的更新指紋數(shù)據(jù)。

WiFi定位可以實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位，但精度只能達到2米左右，無法做到精準定位。因此適用于對人或者車的定位導(dǎo)航，可以于醫(yī)療機構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導(dǎo)航的場合。

2.FRID定位

RFID定位的基本原理是，通過一組固定的閱讀器讀取目標RFID標簽的特征信息(如身份ID、接收信號強度等)，同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定標簽所在位置。

       這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。

目前，射頻識別研究的熱點和難點在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。優(yōu)點是標識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中，無法做到精準定位，布設(shè)讀卡器和天線需要有大量的工程實踐經(jīng)驗難度大。

3.紅外技術(shù)

紅外線是一種波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外定位主要有兩種具體實現(xiàn)方法，一種是將定位對象附上一個會發(fā)射紅外線的電子標簽，通過室內(nèi)安放的多個紅外傳感器測量信號源的距離或角度，從而計算出對象所在的位置。

這種方法在空曠的室內(nèi)容易實現(xiàn)較高精度，可實現(xiàn)對紅外輻射源的被動定位，但紅外很容易被障礙物遮擋，傳輸距離也不長，因此需要大量密集部署傳感器，造成較高的硬件和施工成本。此外紅外易受熱源、燈光等干擾，造成定位精度和準確度下降。

該技術(shù)目前主要用于軍事上對飛行器、坦克、導(dǎo)彈等紅外輻射源的被動定位，此外也用于室內(nèi)自走機器人的位置定位。

另一種紅外定位的方法是紅外織網(wǎng)，即通過多對發(fā)射器和接收器織成的紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標進行定位。

      這種方式的優(yōu)勢在于不需要定位對象攜帶任何終端或標簽，隱蔽性強，常用于安防領(lǐng)域。劣勢在于要實現(xiàn)精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發(fā)射器，成本非常高，因此只有高等級的安防才會采用此技術(shù)。

4.超聲波技術(shù)

超聲波定位目前大多數(shù)采用反射式測距法。系統(tǒng)由一個主測距器和若干個電子標簽組成，主測距器可放置于移動機器人本體上，各個電子標簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。

定位過程如下：先由上位機發(fā)送同頻率的信號給各個電子標簽，電子標簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個電子標簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標。

目前，比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有兩種：一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進行定位。由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠高于射頻速率，那么可以利用射頻信號先激活電子標簽而后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法測距。這種技術(shù)成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)采用全局定位，可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標，總體把握數(shù)據(jù)，抗干擾性強，精度高，而且可以解決機器人迷路問題。

超聲波定位精度可達厘米級，精度比較高。缺陷是超聲波在傳輸過程中衰減明顯從而影響其定位有效范圍。

5.藍牙技術(shù)

藍牙定位基于RSSI(Received Signal Strength Indication，信號場強指示)定位原理。根據(jù)定位端的不同，藍牙定位方式分為網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位和終端側(cè)定位。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位系統(tǒng)由終端(手機等帶低功耗藍牙的終端)、藍牙beacon節(jié)點，藍牙網(wǎng)關(guān)，無線局域網(wǎng)及后端數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。其具體定位過程是：

1)首先在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)beacon和藍牙網(wǎng)關(guān)。

2)當(dāng)終端進入beacon信號覆蓋范圍，終端就能感應(yīng)到beacon的廣播信號，然后測算出在某beacon下的RSSI值通過藍牙網(wǎng)關(guān)經(jīng)過wifi網(wǎng)絡(luò)傳送到后端數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過服務(wù)器內(nèi)置的定位算法測算出終端的具**置。

終端側(cè)定位系統(tǒng)由終端設(shè)備(如嵌入SDK軟件包的手機)和beacon組成。其具體定位原理是：

1)首先在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)藍牙信標

2)beacon不斷的向周圍廣播信號和數(shù)據(jù)包

3)當(dāng)終端設(shè)備進入beacon信號覆蓋的范圍，測出其在不同基站下的RSSI值，然后再通過手機內(nèi)置的定位算法測算出具**置。

終端側(cè)定位一般用于室內(nèi)定位導(dǎo)航，精準位置營銷等用戶終端;而網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位主要用于人員跟蹤定位，資產(chǎn)定位及客流分析等情境之中。藍牙定位的優(yōu)勢在于實現(xiàn)簡單，定位精度和藍牙信標的鋪設(shè)密度及發(fā)射功率有密切關(guān)系。并且非常省電，可通過深度睡眠、免連接、協(xié)議簡單等方式達到省電目的。

6.慣性導(dǎo)航技術(shù)

這是一種純客戶端的技術(shù)，主要利用終端慣性傳感器采集的運動數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經(jīng)過各種運算得到物體的位置信息。

隨著行走時間增加，慣性導(dǎo)航定位的誤差也在不斷累積。需要外界更高精度的數(shù)據(jù)源對其進行校準。所以現(xiàn)在慣性導(dǎo)航一般和WiFi指紋結(jié)合在一起，每過一段時間通過WiFi請求室內(nèi)位置，以此來對MEMS產(chǎn)生的誤差進行修正。該技術(shù)目前的商用得也比較成熟，在掃地機器人中得到廣泛應(yīng)用。

7.超寬帶(UWB)定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是近年來新興一項全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。目前，包括美國，日本，加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。

UWB技術(shù)是一種傳輸速率高，發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。

超寬帶(UWB)定位技術(shù)利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

8.LED可見光技術(shù)

可見光是一個新興領(lǐng)域，通過對每個LED燈進行編碼，將ID調(diào)制在燈光上，燈會不斷發(fā)射自己的ID，通過利用手機的前置攝像頭來識別這些編碼。利用所獲取的識別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對應(yīng)的位置信息，完成定位。

根據(jù)燈光到達的角度進一步細化定位的結(jié)果，高通公司做到了厘米級定位精度。由于不需要額外部署基礎(chǔ)設(shè)施，終端數(shù)量的擴大對性能沒有任何的影響，并且可以達到一個非常高的精度，該技術(shù)被高通公司所看好。

目前，可見光技術(shù)在北美有很多商場已經(jīng)在部署。用戶下載應(yīng)用后，到達商場里的某一個貨架，通過檢測貨架周圍的燈光即可知曉具**置，商家在通過這樣的方法向消費者推動商品的折扣等信息。

9.地磁定位技術(shù)

地球可視為一個磁偶極，其中一極位在地理北極附近，另一極位在地理南極附近。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分?；敬艌鍪堑卮艌龅闹饕糠?，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場部分。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相對比較微弱。

現(xiàn)代建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會在局部范圍內(nèi)對地磁產(chǎn)生擾亂，指南針可能也會因此受到影響。原則上來說，非均勻的磁場環(huán)境會因其路徑不同產(chǎn)生不同的磁場觀測結(jié)果。而這種被稱為IndoorAtlas的定位技術(shù)，正是利用地磁在室內(nèi)的這種變化進行室內(nèi)導(dǎo)航，并且導(dǎo)航精度已經(jīng)可以達到0.1米到2米。

不過使用這種技術(shù)進行導(dǎo)航的過程還是稍顯麻煩。你需要先將室內(nèi)樓層平面圖上傳到IndoorAtlas提供的地圖云中，然后你需要使用其移動客戶端實地記錄目標地點不同方位的地磁場。記錄的地磁數(shù)據(jù)都會被客戶端上傳至云端，這樣其它人才能利用已記錄過的地磁進行精確室內(nèi)導(dǎo)航。

百度于2014年戰(zhàn)略投資了地磁定位技術(shù)開發(fā)商IndoorAtlas，并于2015年6月宣布在自己的地圖應(yīng)用中使用其地磁定位技術(shù)，將該技術(shù)與Wi-Fi熱點地圖、慣性導(dǎo)航技術(shù)聯(lián)合使用。精度高,宣傳商業(yè)應(yīng)用中，可以達到米級定位標準，但磁信號容易受到環(huán)境中不斷變化的電、磁信號源干擾，定位結(jié)果不穩(wěn)定，精度會受影響。

10.視覺定位

視覺定位系統(tǒng)可以分為兩類，一類是通過移動的傳感器(如攝像頭)采集圖像確定該傳感器的位置，另一類是固定位置的傳感器確定圖像中待測目標的位置。根據(jù)參考點選擇不同又可以分為參考三維建筑模型、圖像、預(yù)部署目標、投影目標、參考其他傳感器和無參考。

參考3D建筑模型和圖像分別是以已有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和預(yù)先標定圖像進行比對。而為了提高魯棒性，參考預(yù)部署目標使用布置好的特定圖像標志(如二維碼)作為參考點;投影目標則是在參考預(yù)部署目標的基礎(chǔ)上在室內(nèi)環(huán)境投影參考點。參考其他傳感器則可以融合其他傳感器數(shù)據(jù)以提高精度、覆蓋范圍或魯棒性。

除了以上提及的，目前來看定位技術(shù)的種類有幾十甚至上百種，而每種定位技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點和適合的應(yīng)用場景，沒有絕對的勝負之分。根據(jù)不用的需求因地制宜的部署解決方案，方為上策。

文章編輯：CobiNet(寧波)  
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