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室内定位技术

来源:本站    发布时间:2018/10/23 17:11:12    点击量:

人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中,先后发明罗盘、指南针等工具,卫星定位的问世,解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天,室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然,却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。

东晋高僧法显西行求法乘船回国时写道:大海弥漫无边,不识东西,唯望日、月、星宿而进。大意就是说,大海辽阔无边,分不清东西南北,只能看星星,盼月亮来进行定位。

人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中,先后发明罗盘、指南针等工具,卫星定位的问世,解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天,室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然,却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。

在医院,即使有楼层分布图以及引导标志,但看病的大部分时间仍然会浪费在寻找科室上。在停车场,找不着停车位而四处乱转的人也比比皆是。在越来越迫切的需求下,近年室内定位引起了高度的关注。室内定位顾名思义就是在室内环境中实现定位。其意义,诺基亚在多年前阐述他们为什么要做室内定位时,把问题说得很明白了。

卫星无法在室内定位,人们大部分的时间又在室内度过,而相关服务并未普及,可以说室内定位隐藏着巨大商机。商业应用中,根据不同的应用场景,室内定位技术又分消费级和工业级。

消费市场应用有:商场导购、停车场反向寻车、家人防走散等。对定位精度要求不高,1m的精度已经可以满足大多数应用,不过它要求系统兼容现已普及的移动智能终端。

企业市场应用有:人流监控和分析、智能制造、紧急救援和人员资产管理等。工业级技术的定位精度要求更高,要区分操作对象、人群中的个人等,与专用标签和传感器配套使用,一般不考虑与现有智能终端的兼容性。

技术门派

与室外卫星定位一统天下的情况不一样,室内定位各种技术呈现出百花齐放的场景。

室内定位百花齐放

室内定位的商业价值跟精度成正比。当精度是3-5米的时候,能判定你是站在7-11便利店门口还是杰克琼斯门口。当精度是1米的时候,则能判定你是站在可口可乐的货架前还是杜蕾斯的货架前。

目前,室内定位常用的定位方法,从原理上来说,主要分为:邻近探测法、质心法、极点法、多边定位法、指纹法和航位推算法。


定位方法

描述

应用案例

特点

邻近探测法

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。

基站定位

操作简单,精度不高,依赖参考点分布密度

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位置,计算其质心坐标作为移动设备的坐标

基站定位

精度不高,依赖参考点分布密度

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。

超声波

精度高,应用广

极点法

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

激光扫描

测量简单,精度高,应用不广

指纹定位

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

地磁

精度高,前期工作大,不适合环境变化区域

航位推算法

根据预先确定的位置、估计或已知的速度和时间来估计当前的位置

惯性导航

数据稳定,无依赖,误差随时间积累

主要室内定位方法对比

各种原理各有优劣,在不同应用场景、不同预算要求下,也可将不同的原理组合使用。主流技术有以下几种:

WiFi定位技术

目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术,这几年有不少公司投入到了这个领域。WiFi室内定位技术主要有两种。

WiFi定位一般采用“近邻法”判断,即最靠近哪个热点或基站,即认为处在什么位置,如附近有多个信源,则可以通过交叉定位(三边定位),提高定位精度。

由于WiFi已普及,因此不需要再铺设专门的设备用于定位。用户在使用智能手机时开启过WiFi、移动蜂窝网络,就可能成为数据源。该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低的优势,因此最先实现了规模化。

不过,WiFi热点受到周围环境的影响会比较大,精度较低。为了做得准一点有公司就做了WiFi指纹采集,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。

由于采集工作需要大量的人员来进行,并且要定期进行维护,技术难以扩展,很少有公司能把国内的这么多商场定期的更新指纹数据。

WiFi定位可以实现复杂的大范围定位,但精度只能达到2米左右,无法做到精准定位。因此适用于对人或者车的定位导航,可以于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。地磁定位技术是利用室内不同位置的地磁场差异,来确定室内位置。与WiFi指纹类似,故不再作介绍。

惯性导航技术

这是一种纯客户端的技术,主要利用终端惯性传感器采集的运动数据,如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息,基于航位推测法,经过各种运算得到物体的位置信息。

随着行走时间增加,惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起, 每过一段时间通过WiFi请求室内位置,以此来对MEMS产生的误差进行修正。该技术目前的商用得也比较成熟,在扫地机器人中得到广泛应用。

蓝牙信标技术

蓝牙信标技术目前部署的也比较多,也是相对比较成熟的技术。蓝牙跟WiFi的区别不是太大,精度会比WiFi稍微高一点。

该技术最先由诺基亚最先发起,但影响不大。2013年,苹果发布了基于蓝牙4.0低功耗协议(BLE)的iBeacon协议,主要针对零售业应用,引起广泛关注。

iBeacon蓝牙信标技术的正常运作,需要蓝牙信标硬件、智能终端上的应用、云端上的应用后台协同工作。

信标通过蓝牙向周围广播自身的ID,终端上的应用在获得附近信标的ID后会采取相应行动,如从云端后台拉取此ID对应的位置信息、营销资讯等。终端可以测量其所在处的接收信号强度,以此估算与信标间的距离。因此,只要终端附近有三个或以上信标,就可以用三边定位方法计算出终端的位置。

在苹果强大的号召力影响下,大量创业公司争先恐后涌入iBeacon应用的开发和推广。目前主要问题在于beacon电池更换,如果一个厂家部署了几万个beacon装置,一年之后或者电池耗尽之后的电池更换工作量是很繁重的。

RFID技术

RFID定位的基本原理是,通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等),同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。

射频识别室内定位技术作用距离很近,但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且由于电磁场非视距等优点,传输范围很大,而且标识的体积比较小,造价比较低。但其不具有通信能力,抗干扰能力较差,不便于整合到其他系统之中,且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。

目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技术,广泛应用于紧急救援、资产管理、人员追踪等领域。

红外技术

红外定位主要有两种具体实现方法,一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签,通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度,从而计算出对象所在的位置。

这种方法在空旷的室内容易实现较高精度,可实现对红外辐射源的被动定位,但红外很容易被障碍物遮挡,传输距离也不长,因此需要大量密集部署传感器,造成较高的硬件和施工成本。此外红外易受热源、灯光等干扰,造成定位精度和准确度下降。

该技术目前主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位,此外也用于室内自走机器人的位置定位。

另一种红外定位的方法是红外织网,即通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间,直接对运动目标进行定位。

这种方式的优势在于不需要定位对象携带任何终端或标签,隐蔽性强,常用于安防领域。劣势在于要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器,成本非常高,因此只有高等级的安防才会采用此技术。

超声波技术

超声波定位主要采用反射式测距法,通过多边定位等方法确定物体位置,系统由一个主测距器和若干接收器组成,主测距仪可放置在待测目标上,接收器固定于室内环境中。定位时,向接收器发射同频率的信号,接收器接收后又反射传输给主测距器,根据回波和发射波的时间差计算出距离,从而确定位置。

超声波定位整体定位精度较高,结构简单,但超声波受多径效应和非视距传播影响很大,且超声波频率受多普勒效应和温度影响,同时也需要大量基础硬件设施,成本较高。

超宽带技术

超宽带(UWB)定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点,与新加入的盲节点进行通讯,并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

从技术上看,无论是从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等角度来分析,UWB无疑是最理想的工业定位技术之一。 

不过UWB的劣势也很突出,一方面难以实现大范围室内覆盖,另一方面系统建设成本远高于RFID、蓝牙信标等技术,这也限制了该技术的推广和普及。

LED可见光技术

可见光是一个新兴领域,通过对每个LED灯进行编码,将ID调制在灯光上,灯会不断发射自己的ID,通过利用手机的前置摄像头来识别这些编码。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息,完成定位。

根据灯光到达的角度进一步细化定位的结果,高通公司做到了厘米级定位精度。由于不需要额外部署基础设施,终端数量的扩大对性能没有任何的影响,并且可以达到一个非常高的精度,该技术被高通公司所看好。

目前,可见光技术在北美有很多商场已经在部署。用户下载应用后,到达商场里的某一个货架,通过检测货架周围的灯光即可知晓具体位置,商家在通过这样的方法向消费者推动商品的折扣等信息。

技术融合是趋势

室内定位技术处在不断的发展中,是当前热门研究领域,有着良好的应用前景。不过,当前还缺乏特别大规模的商用案例。行业主要存在以下难点:

1. 室内环境复杂

室内环境布局复杂多变,障碍物很多,包括家具、房间和行人等。同时室内环境干扰源多,灯光、温度、声音等干扰源都会对定位造成一定影响。

各技术综合比较

技术

成本

优点

劣势

WiFi

网络广泛、通信能力强

易受环境干扰

RFID

成本不高、精度高

标识没有通信能力、距离短

蓝牙

设备体积小、易集成、易普及

传播距离短、稳定性差

惯性

不依赖外部环境

存在累计误差、不适合长期使用

红外线

精度高

直线视距、传输距离短、易干扰

超声波

精度高

受环境温度影响、传输距离短

UWB

精度高、穿透性强

成本高、覆盖范围小

可见光

通讯速率高、抗干扰能力强

覆盖范围小

2. 缺乏统一的规范

室内定位技术众多,各种技术都有自己的局限性,彼此间又在一定程度上存在互相竞争。市场相对混乱,极大地影响了室内定位行业的发展。如室外定位卫星定位成为事实上的标准,目前没有其他技术可以和卫星定位进行竞争。

3. 精度与成本难以兼顾

目前的高精度室内定位技术均需要比较昂贵的额外辅助设备或前期大量的人工处理,这些都大大制约了技术的推广普及。低成本的定位技术则在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基础上降低成本也是室内定位的一个方向。

天下大势,分久必合,合久必分。目前,室内定位技术实在太多,已严重阻碍行业发展,未来的趋势一定是多种技术融合使用,实现优势互补,以面对复杂环境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技术越容易普及。

七大室内定位技术PK哪种技术更适合你?

随着LBSO2O搅得火热,定位技术近年来也备受关注且发展迅速。虽然室外定位技术已经非常成熟并开始被广泛使用,但是作为定位技术的末端,室内定位技术发展一直相对缓慢。而随着现代人类生活越来越多的时间都处在室内,室内定位技术的前景也非常广阔。

但虽然作为LBS最后一米的室内定位饱受关注,但技术的不够成熟依然是不争的事实。不同于GPSAGPS等室外定位系统,室内定位系统依然没有形成一个有力的组织来制定统一的技术规范,现行的技术手段都是在各个企业各自定义的私有协议和方案下发展,也致使各种室内定位技术相映生辉。

下面我们就从精确度,穿透性,抗干扰性,布局复杂程度,成本5个方面全方位来比较一下市面上流行的几种室内定位手段。

红外线定位技术

红外线室内定位有两种,第一种是被定位目标使用红外线IR标识作为移动点,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;第二种是通过多对发射器和接收器织红外线网覆盖待测空间,直接对运动目标进行定位。

红外线的技术已经非常成熟,用于室内定位精度相对较高,但是由于红外线只能视距传播,穿透性极差(可以参考家里的电视遥控器),当标识被遮挡时就无法正常工作,也极易受灯光、烟雾等环境因素影响明显。加上红外线的传输距离不长,使其在布局上,无论哪种方式,都需要在每个遮挡背后、甚至转角都安装接收端,布局复杂,使得成本提升,而定位效果有限。

红外线室内定位技术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。

超声波室内定位技术

超声波室内定位系统是基于超声波测距系统而开发,由若干个应答器和主测距器组成:主测距器放置在被测物体上,向位置固定的应答器发射同无线电信号,应答器在收到信号后向主测距器发射超声波信号,利用反射式测距法和三角定位等算法确定物体的位置。

超声波室内定位整体精度很高,达到了厘米级,结构相对简单,有一定的穿透性而且超声波本身具有很强的抗干扰能力,但是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。

超声波定位技术在数码笔上已经被广泛利用,而海上探矿也用到了此类技术,室内定位技术还主要用于无人车间的物品定位。

射频识别(RFID)室内定位技术

射频识别室内定位技术利用射频方式,固定天线把无线电信号调成电磁场,附着于物品的标签进过磁场后感应电流生成把数据传送出去,以多对双向通信交换数据以达到识别和三角定位的目的。(感应门禁卡和商场防盗系统用的就是这种技术)

射频识别室内定位技术作用距离很近,但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且由于电磁场非视距等优点,传输范围很大,而且标识的体积比较小,造价比较低。但其不具有通信能力,抗干扰能力较差,不便于整合到其他系统之中,且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。射频识别室内定位已经被仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。

蓝牙室内定位技术

蓝牙室内技术是利用在室内安装的若干个蓝牙局域网接入点,把网络维持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,然后通过测量信号强度对新加入的盲节点进行三角定位。

蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、短距离、低功耗,容易集成在手机等移动设备中。只要设备的蓝牙功能开启,就能够对其进行定位。蓝牙传输不受视距的影响,但对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大且在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵。

蓝牙室内定位主要应用于对人的小范围定位,例如单层大厅或商店。现在已经被某些厂商开始用于LBS推广。

WiFi室内定位技术

WiFi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的进行三角定位。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)

WiFi定位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,总精度比较高,但是用于室内定位的精度只能达到2米左右,无法做到精准定位。由于WiFi路由器和移动终端的普及,使得定位系统可以与其他客户共享网络,硬件成本很低,而且WiFi的定位系统可以降低了射频(RF)干扰可能性。

WiFi定位适用于对人或者车的定位导航,可以于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。

ZigBee室内定位技术

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。

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点,作为一个低功耗和低成本的通信系统,ZigBee的工作效率非常高。但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。

超宽带室内定位技术

超宽带定位技术是一种全新的、与传统通信定位技术有极大差异的新技术。它利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点,与新加入的盲节点进行通讯,并利用三角定位或者指纹定位方式来确定位置。

超宽带通信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纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,因此具有GHz量级的带宽。由于超宽带定位技术具有穿透力强、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点,前景相当广阔。但由于新加入的盲节点也需要主动通信使得功耗较高,而且事先也需要布局,使得成本还无法降低。

超宽带室内定位可用于各个领域的室内精确定位和导航,包括人和大型物品,例如汽车地库停车导航、矿井人员定位、贵重物品仓储等。

综合比较

除了以上提及的7种室内定位技术,还有基于计算机视觉、图像、磁场以及信标等等定位方式,但是大部分目前还处于开发研究试验阶段,暂没有成熟精确的产品投入市场。

从目前来看,蓝牙、WiFi、超宽带室内定位是最有可能普及于LBS的三种方式:WiFi室内定位有着廉价简便的优势,但在能力表现上不够强;而蓝牙室内定位各项指标较为平均;超宽带室内定位有着优秀的性能但成本较高,而且因为其现阶段因为大小功耗等原因,无法很好地与手机等移动终端融合,暂不利于普及。

但不管是哪种方法,未来的室内定位技术必定会随着物联网的发展越来越精确,越来越普及。在保证安全和隐私的同时,室内定位技术也将会与卫星导航技术有机结合,将室外和室内的定位导航无缝精准的衔接。谁将会补上LBS的最后一米,我们拭目以待!