室内导航技术发展及其现状

2016-09-02 15:48:14 sophie

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 PositioningSystemGPS)。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:微信截图_20160826163545

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:

室内定位技术分类 定位精度 响应时间 穿透性 抗干扰性 手机应用 耗电量 部署难度 成本
UWB 厘米级  
RFID 厘米级  
ZigBee 10米级  
超声波 10米级
惯导 米级
光定位 亚米级
iBeacon 亚米级
Wi-Fi 米级 高/低
地磁 100米

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几类:

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。

五、如何实现室内定位导航精准定位

  实现精确的室内定位导航需要解决哪些问题?

1.室内定位精度实现较难,各种算法各有各缺陷。近邻法定位精度得不到保证;三角测量法理论上精度较高,但对于普通设备来说,时间、角度这些参数较难获取;基站覆盖范围大,角度偏一点就会造成很大误差,更何况各种非视距和多径环境的影响,精度误差大。所以现在手机室内高精度定位大多使用多种算法融合。

2.难点主要还是信号处理的问题:
1)基于交汇的算法对时间,角度很敏感,手机的传感器不一定能达到要求。所以定位精度不高。
2)指纹匹配技术虽然已经很成熟,但是对Wi-Fi信号的分布,楼层之间的影响。没有一个系统权威的标准。还处在研究阶段。比如,在不同楼层的定位问题,目前还没有很好的解决方案。

3.室内定位需要布设信号网,测定信号源位置。这都是需要成本的。成本问题也是一个难点。Wi-Fi定位成本较低,尤其是在大型商场,但其信号强度容易受到干扰,不稳定,从而使信号处理难度加大。

六、上海微肯室内导航解决方案

6.1   蓝牙定位技术与算法

iBeacon蓝牙方案采用低功耗的蓝牙传输方式,仅需钮扣电池即可运行,因此省去布电源线的麻烦,此外本身BTLE成本较为低廉,因此大量布建也不会有太高的部署费用。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。因此很容易推广普及。

蓝牙定位技术—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。再加上利用手机内部的惯性传感器如加速度计、陀螺仪、电子罗盘来加强定位的准确度,这种技术称为多种定位算法融合。顾名思义,就是将所有的传感器融合起来,得到一个精确且平滑的定位效果。这个技术可将原本5-10m的定位误差进一步缩小到1-2m。采用该技术作为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。

蓝牙定位技术主要分为三角定位法和指纹计算法。

  • 三角定位算法是一种常规的定位算法,通过获取相关基站的坐标以及手机到每个基站的距离来计算用户位置。单纯的三角定位算法的准确性是不高的,需要引入一些其他算法例如高斯滤波、卡尔曼滤波算法来进行补充。
  • 指纹计算法是一种利用余弦定理来计算相似度的方法,此方法并不需要知道每个基站的坐标,但是需要提前对现场进行指纹采集,即记录现场每个点位扫描到的基站信号数据并存储到专门的指纹库中。而用户使用过程中,将手机扫描到的基站信号上传到服务器,服务器在指纹库中匹配出和该上传数据最为接近的点位,作为定位坐标返回给用户。

指纹计算由于前期采集指纹的工作量非常浩大,每隔一段还需更新一遍指纹,而且指纹算法必须采用服务端计算方式,定位延时大。综合比较采用蓝牙三角定位算法,效果优良的。

6.2   系统结构


蓝牙定位系统的架构如上图所示,数据库中存储了线下每个蓝牙基站的坐标信息,云服务器主要负责存储地图文件和定位算法。手机开启定位页面之后,从服务器获取地图、定位算法以及相关蓝牙基站的坐标。然后手机每扫描到一组蓝牙基站,通过基站的信号强度算出距离每个基站的距离,并加入蓝牙基站的坐标数据,进行三角定位算法计算,将实时计算的位置在地图上进行呈现。使用手机端而不是服务端来计算位置的优点是:1. 不需要进行数据上传,定位的实时性更加,几乎没有延时;2. 定位过程中不再产生任何流量。

6.3   系统流程

蓝牙室内定位系统如下图所示:

微信截图_20160826163932   6.4   蓝牙三角定位实际项目部署流程

1、基站部署过程

基站部署之前要完成地图绘制,通常用作室内定位导航的地图均为矢量地图,这种地图无论怎么缩放都不会影响地图的展现效果。矢量地图本身是带坐标信息的,地图上的每个点相对参考点都有一个相对坐标。

基站部署需要借助部署工具,即一个手机App软件,部署人员使用部署工具从服务器获取矢量地图。部   署人员部署基站时,在地图上选择和实际位置对应的点,App会自动从地图中抓取该点位的坐标,加上部署人员记录的基站编号,将数据一并上传到服务器。用户开启应用时,就会从数据库获

手机定位过程:用户打开应用开启蓝牙扫描后,会获取周围蓝牙基站的ID和信号强度等数据,根据信号强度和高频信号的衰减公式可以计算出手机到周围每个基站的距离。但是由于蓝牙是2.4G HZ高频信号,信号本身的稳定性很差,再加上室内环境的各种反射和折射,所以单次的信号强度是不能直接拿来使用的,否则会产生巨大的误差,所以必须引入相应的滤波和加权算法,来尽量减少信号噪音的干扰。

滤波算法可以采用简单的高斯滤波法,将不符合要求的信号数据直接过滤掉,剩余的有效数据按照时间先后顺序进入数据列表,并采用先进先出的队列数据刷新方式。在设定的队列长度范围内,时间尺度上越近的数据获得越高的权重。同时采用多角定位算法,并不局限于使用三角定位。

这样带来的优势是:

  • 由于进行了数据平滑,定位点不会因为信号突变而发生大范围飘动;
  • 由于采用了多角定位,当少数蓝牙基站发生信号跳变时,有其他基站的信号数据来做中和;
  • 更近时间尺度的数据带有更高权重,可以在一定程度上保证定位的实时性。
  •  

从技术层面来说,上海微肯微信H5室内导航的八大优势:

1.技术方案成熟,实际落地案例多。世博园,长泰广场,成都太古里,上海一妇婴等十几个商场和医院的实际场景部署。

2.定位精度高,达到2-3米。

3.响应速度快 1秒刷新一次,实时导航平滑。

4.目前为止,国内唯一可落地的微信H5导航方案公司,不需要安装APP。当然也支持多平台多入口,支持iOS和Android设备,支持APP、微信、摇一摇。

5. 接口丰富,可对接各种系统,包括停车场,商场会员等。

6.配套工具丰富,部署设备简单易操作。包括配置工具、巡检工具、系统升级。

7.寿命长,设备支持长达4年以上续航。

8.可同时支持丰富的营销功能和基于LBS的游戏等。