藍(lán)牙測(cè)向如何解鎖精準(zhǔn)室內(nèi)定位

借助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 技術(shù)，我們大多數(shù)人現(xiàn)在認(rèn)為能夠準(zhǔn)確定位戶(hù)外物體或人的位置是理所當(dāng)然的?？梢詫?shí)現(xiàn)的精確定位水平——特別是當(dāng)您使用 GNSS 增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)——正在解鎖真正的轉(zhuǎn)型用例，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)和其他設(shè)備。

在我們對(duì)可能的戶(hù)外藝術(shù)睜開(kāi)眼睛之后，現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越渴望創(chuàng)造出類(lèi)似的突破性室內(nèi)應(yīng)用。

一個(gè)例子是高精度的工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)資產(chǎn)跟蹤，或“查找我的項(xiàng)目”服務(wù)。另一種是室內(nèi)導(dǎo)航，其中某人（或某物）被引導(dǎo)通過(guò)復(fù)雜的設(shè)施，例如醫(yī)院或大型交通樞紐，并提供逐向?qū)Ш?。?dāng)移動(dòng)設(shè)備到達(dá)特定興趣點(diǎn)時(shí)，對(duì)此的變化可以看到顯示在移動(dòng)設(shè)備上的信息。這可能是在博物館或畫(huà)廊中啟用智能指南，能夠在有人接近特定展覽時(shí)提供有關(guān)特定展覽的信息。

為了提供設(shè)計(jì)人員渴望的各種用戶(hù)體驗(yàn)，諸如此類(lèi)的應(yīng)用需要結(jié)合高精度的室內(nèi)定位、低功耗和可承受的成本。這是傳統(tǒng)的短距離無(wú)線電技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

傳統(tǒng) Wi-Fi 和藍(lán)牙定位解決方案的缺點(diǎn)

例如，Wi-Fi 指紋只能提供低至 10m 左右的精度。Wi-Fi 飛行時(shí)間，也稱(chēng)為往返時(shí)間 (RTT) 或 802.11mc，達(dá)到 1-2m，但功耗較高。雖然它已經(jīng)有一段時(shí)間了，但這項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有在現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模部署。

與此同時(shí)，使用藍(lán)牙定位設(shè)備傳統(tǒng)上使用“接收信號(hào)強(qiáng)度指示器”（RSSI）?；?RSSI，可以估計(jì)所謂的“錨點(diǎn)”參考站與設(shè)備之間的距離，盡管不是設(shè)備相對(duì)于錨點(diǎn)的角度。通過(guò)使用三個(gè)或更多錨點(diǎn)，您可以計(jì)算設(shè)備的位置，但精度只能在三到五米之間。

藍(lán)牙測(cè)向：室內(nèi)定位細(xì)化

藍(lán)牙規(guī)范 5.1 版引入了“測(cè)向”。這代表著在精確室內(nèi)定位能力方面向前邁出了非常重要的一步——如此之多，以至于它有望解鎖當(dāng)今工程師正在尋求創(chuàng)造的一些改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品和服務(wù)。測(cè)向不依賴(lài)于藍(lán)牙設(shè)備發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定其位置。相反，它使用帶有多天線陣列的固定錨點(diǎn)來(lái)計(jì)算角度使用到達(dá)角 (AoA) 或出發(fā)角 (AoD) 技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算來(lái)自/到至少三個(gè)錨點(diǎn)的信號(hào)的角度，并確定它們相交的位置，您可以獲得附近設(shè)備的亞米級(jí)位置讀數(shù)。

圖 1. 通過(guò)計(jì)算信號(hào)到達(dá)三個(gè)固定錨點(diǎn)的角度，并計(jì)算它們相交的位置，您可以確定設(shè)備位于一米內(nèi)的位置。

讓我們簡(jiǎn)要地看一下這些角度是如何計(jì)算的。

在 AoA 設(shè)置中，移動(dòng)設(shè)備會(huì)發(fā)出藍(lán)牙測(cè)向信號(hào)。這到達(dá)錨點(diǎn)陣列中的每個(gè)天線，相對(duì)于該錨點(diǎn)中的其他天線有輕微的相移。假設(shè)信號(hào)傳播平面波，這些相位差可用于計(jì)算信號(hào)的到達(dá)角。AoA 可用于跟蹤或?qū)崟r(shí)定位服務(wù) (RTLS)。

圖 2. 到達(dá)角 (AoA) 設(shè)置根據(jù)在多天線陣列中每個(gè)天線處觀察到的微小相位差計(jì)算傳入藍(lán)牙測(cè)向信號(hào)的角度。

使用 AoD，信號(hào)從錨點(diǎn)上的每個(gè)天線發(fā)送到附近的藍(lán)牙設(shè)備。這些信號(hào)以輕微的相移到達(dá)該設(shè)備。再加上天線幾何形狀的信息，這些相位差可用于計(jì)算信號(hào)與錨點(diǎn)的偏離角。AoD 是實(shí)施尋路和導(dǎo)航解決方案的有效方式。

圖 3. 出發(fā)角 (AoD) 設(shè)置讓接收設(shè)備根據(jù)從不同天線發(fā)送的信號(hào)之間的相位差計(jì)算信號(hào)離開(kāi)天線陣列的角度。

進(jìn)行測(cè)試

我們已經(jīng)在多個(gè)用例中廣泛測(cè)試了藍(lán)牙 5.1 測(cè)向技術(shù)。最近的一個(gè)例子是 AoA 概念驗(yàn)證，我們使用伺服器創(chuàng)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)頭，該頭將轉(zhuǎn)向面向我們正在跟蹤的移動(dòng)設(shè)備。這將提供可見(jiàn)的證據(jù)證明測(cè)向解決方案是有效的。

此特定設(shè)置中的移動(dòng)設(shè)備是一個(gè)帶有 NINA-B406 藍(lán)牙 5.1 低功耗模塊的 u-blox 應(yīng)用板。它的廣播范圍設(shè)置為 10m 左右，但如果需要可以擴(kuò)展。

在這個(gè) POC 中，我們有一個(gè)錨點(diǎn)，其中包括一個(gè)帶有 NINA-B411 藍(lán)牙低功耗模塊的 u-blox 天線板和我們的 u-connectLocate 軟件（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。天線板包含五個(gè)交叉極化天線元件，用于確定垂直和水平平面的輸入信號(hào)角度。然后板上的軟件計(jì)算到達(dá)角。然后使用此信息來(lái)實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)頭以面向移動(dòng)設(shè)備。

下面的視頻顯示了正在運(yùn)行的設(shè)置，當(dāng)設(shè)備在房間內(nèi)移動(dòng)時(shí)，頭部會(huì)不斷跟蹤設(shè)備。

我們還在工業(yè)倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，我們?cè)诒臼覂?nèi)定位白皮書(shū)中對(duì)此進(jìn)行了描述。

在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中啟用這些算法

使用 AoA 或 AoD 創(chuàng)建解決方案的最復(fù)雜和最耗時(shí)的方面之一是實(shí)施算法，以根據(jù)相位差計(jì)算信號(hào)角度，考慮到通常運(yùn)行這些的嵌入式系統(tǒng)固有的資源限制。

這就是我們?yōu)?NINA-B410 和 B411 模塊開(kāi)發(fā) u-connectLocate 測(cè)向軟件的原因。這提供了一個(gè) API，使工程師能夠獲得 AoA，處理數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理，并抑制每個(gè)單獨(dú)天線上的多路徑分量。該軟件運(yùn)行在藍(lán)牙模塊的嵌入式 MCU 中，這意味著無(wú)需外部處理。這降低了復(fù)雜性和材料清單。

對(duì)于任何希望創(chuàng)建需要高精度室內(nèi)定位功能的解決方案的人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在都是真正激動(dòng)人心的時(shí)刻。藍(lán)牙測(cè)向可以解鎖亞米級(jí)精度，為無(wú)數(shù)新用例打開(kāi)大門(mén)。無(wú)論您是想幫助人們找到穿過(guò)醫(yī)院的路，在大型倉(cāng)庫(kù)綜合體中查明一臺(tái)機(jī)器的確切位置，還是完全做其他事情，藍(lán)牙測(cè)向都可能是您需要的改變游戲規(guī)則的技術(shù)。

審核編輯 黃昊宇