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室内定位深度剖析之(二)

2019-07-24 15:48 编辑:采集侠

关键词 : 基于位置服务,室内定位,定位技术

“摘要

近年来,随着基于位置服务日益增大的需求,同时基于卫星定位的全球导航卫星系统无法在室内定位,针对复杂室内场景的室内定位技术发展迅速,逐步在各行各业中发挥作用,从各个方面影响着人们的日常生活。本文首先对目前主流的室内定位技术分类体系、定位原理和方法进行了详细介绍,然后对国内外室内定位技术的研究现状进行了分析和对比,最后对室内定位技术的应用和难点进行了总结。

1、室内定位技术

室内定位是指在室内环境中实现位置定位,主要采用无线通信、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系,从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。

随着通信技术和电子制造工艺的不断发展和普及,室内定位技术层出不穷,定位精度从几米到几十米都有,并在一些行业中得到了应用。

PART04 主流的室内定位技术

根据前面介绍的定位方法,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。

1.1 视觉定位

视觉定位系统可以分为两类,一类是通过移动的传感器(如摄像头)采集图像确定该传感器的位置,另一类是固定位置的传感器确定图像中待测目标的位置。根据参考点选择不同又可以分为参考三维建筑模型、图像、预部署目标、投影目标、他传感器和无参考[18]。参考3D建筑模型和图像分别是以已有建筑结构数据库和预先标定图像进行比对。而为提高鲁棒性,参考预部署目标使用布置好的特定图像标志(如二维码)作为参考点;投影目标则是在参考预部署目标的基础上在室内环境投影参考点。参考其他传感器则可以融合其他传感器数据以提高精度、覆盖范围或鲁棒性。

Hile和Borriello使用照相手机比对图像和楼层平面图,达到了30cm的定位精度[19]。Sj使用一个低分辨率相机基于参考图像实现SLAM(Simultaneous LocalizationAnd Mapping)算法,达到了亚米级的定位精度[20]。Mulloni使用条形码作为参考点标记,实现了厘米到分米级的定位精度[21]。Tilch和Mautz使用一个移动相机和激光仪作投影,定位精度可达到亚毫米级[22]。LiuT.使用一个6自由度惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)和两个激光扫描器获取位置,平均定位精度达到行走距离的1%[23]。

1.2 红外线定位

红外线是一种波长在无线电波和可见光波之间的电磁波。基于红外线的定位系统可以主要分为两类:有源信标、红外成像[4]。

有源信标是在室内放置若干红外接收机,同时待测物携带一个装有红外发射机的电子标签。该标签周期发送该待测物的ID,接收机接收到信号后将数据发送到数据库进行定位。该方法具有代表性的是AT&T实验室和剑桥在1992年联合发布的Active Badge系统。该系统可以达到6米的平均定位精度[24]。

红外成像则是通过传感器采集环境中自然红外辐射生成图像实现检测行人或其他待测目标。2011年德国Ambiplex提供基于自然环境热辐射的“IR.Loc”定位系统,基于AOA确定热源的位置,可实现10m范围内20cm至30cm的定位精度[25]。

1.3 Polar Systems 极点定位

该系统通过仪器测量到达角或者到达时间进行定位,仪器通常有激光跟踪仪、全站仪和经纬仪。全站仪的可覆盖范围通常为2km到10km,但其设备高成本、大体积以及对可视距的要求使其不适用于在室内定位中推广。

NikonMetrology 2011年发布的iGPS(indoor Global Positioning System)实现了基于激光的室内工业级高精度三维定位。其原理与GPS不同,包括不少于两个固定位置的发射器发射扇形激光束和参考红外脉冲,基于TDOA原理实现对接收机的定位。NikonMetrology宣称该系统可实现在布设4至8个发射器的1200平方米的典型测试环境中实现0.2mm的三维定位精度[26]。但其造价十分昂贵,可用于工业级定位需求,不适合于大众市场研究和推广。

1.4 超声波定位

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[27]。

Ward于1997年建立的ActiveBat是超声定位的先驱,通过大量部署接收设备(720个标签),达到3cm的定位精度[28]。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。

1.5 WLAN定位

基于IEEE802.11b标准的无线局域网已在人们的生活场所大量部署,使用WLAN信号定位的优势在于不需要部署额外设备,定位成本低,信号覆盖范围大,适用性强,利于普及推广[9]。

基于RSSI的指纹定位法是目前主流的WLAN定位方法[29],定位精度取决于校准点的密度,从2m到10m不等。同时基于TOA测距的定位方法由于多径效应和时钟分辨率低定位效果较差[30],而基于RSSI测距的定位方法由于信号衰减与距离的关系在不同环境和设备条件下都有改变,定位结果也不理想。

1.6 RFID定位

射频识别(RFID)是一种操控简易,适用于自动控制领域的技术,它利用电感和电磁耦合的传输特性,实现对被识别物体的自动识别。RFID定位系统通常由电子标签、射频读写器以及计算机数据库构组成。最常应用的定位方法是邻近检测法。利用RSSI实现多边定位算法也可一定程度上实现范围估计。根据电子标签是否有源可以分为有源RFID和无源RFID。

1) 有源RFID

有源RFID的电子标签包含电池,因此信号传输范围相比于无源RFID更大,达到30米以上。同时可以实现基于RSSI测量的指纹定位[31]。Seco使用高斯过程描述RSSI在室内的传播结合指纹定位的方法,在1600平方米的实验环境中采用71个RFID标签实现50%定位误差1.5m[32]。

2) 无源RFID

无源RFID系统只依赖电感耦合,因此没有电池。相比有源RFID,体积更小,耐用性更高,成本更低。无源RFID定位系统多使用邻近探测法实现定位。

1.7 超宽带定位

超宽带定位系统通常包括UWB接收器、参考标签和其他标签。超宽带技术通过发送纳秒级及其以下的超窄脉冲来传输数据,可以获得GHz级的数据带宽,发射功率较低,无载波[33]。因为其高带宽,理论上基于TOA或TDOA方法实现厘米级的定位。Ubisense是发布于2011年采用TDOA和AOA的室内定位系统,定位精度可达15cm,测距范围达到50m[34]。但UWB系统较高的系统建设成本阻碍了其普及推广。

1.8 惯性导航

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