室內(nèi)定位

室內(nèi)定位簡介

　　在室內(nèi)環(huán)境無法使用衛(wèi)星定位時，使用室內(nèi)定位技術(shù)作為衛(wèi)星定位的輔助定位，解決衛(wèi)星信號到達(dá)地面時較弱、不能穿透建筑物的問題。最終定位物體當(dāng)前所處的位置。

　　定位技術(shù)

　　除通訊網(wǎng)絡(luò)的蜂窩定位技術(shù)外，常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)還有：Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波。

室內(nèi)定位百科

　　在室內(nèi)環(huán)境無法使用衛(wèi)星定位時，使用室內(nèi)定位技術(shù)作為衛(wèi)星定位的輔助定位，解決衛(wèi)星信號到達(dá)地面時較弱、不能穿透建筑物的問題。最終定位物體當(dāng)前所處的位置。

　　定位技術(shù)

　　除通訊網(wǎng)絡(luò)的蜂窩定位技術(shù)外，常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)還有：Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波。

　　l Wi-Fi技術(shù)

　　通過無線接入點（包括無線路由器）組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN），可以實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)。它以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（無線接入點）的位置信息為基礎(chǔ)和前提，采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結(jié)合的方式，對已接入的移動設(shè)備進(jìn)行位置定位，最高精確度大約在1米至20米之間。如果定位測算僅基于當(dāng)前連接的Wi-Fi接入點，而不是參照周邊Wi-Fi的信號強(qiáng)度合成圖，則Wi-Fi定位就很容易存在誤差（例如：定位樓層錯誤）。

　　另外，Wi-Fi接入點通常都只能覆蓋半徑90米左右的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

　　l 藍(lán)牙技術(shù)

　　藍(lán)牙通訊是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點后，將網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備。這樣通過檢測信號強(qiáng)度就可以獲得用戶的位置信息。

　　藍(lán)牙定位主要應(yīng)用于小范圍定位，例如：單層大廳或倉庫。對于持有集成了藍(lán)牙功能移動終端設(shè)備，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。

　　不過，對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。

　　l 紅外線技術(shù)

　　紅外線技術(shù)室內(nèi)定位是通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器，接收各移動設(shè)備（紅外線IR標(biāo)識）發(fā)射調(diào)制的紅外射線進(jìn)行定位，具有相對較高的室內(nèi)定位精度。

　　但是，由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，容易受其他燈光干擾，并且紅外線的傳輸距離較短，使其室內(nèi)定位的效果很差。當(dāng)移動設(shè)備放置在口袋里或者被墻壁遮擋時，就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，導(dǎo)致總體造價較高。

　　l 超寬帶技術(shù)

　　超寬帶技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)的定位方法有較大差異，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納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，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(jī)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(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能夠提高精確定位精度等優(yōu)點，通常用于室內(nèi)移動物體的定位跟蹤或?qū)Ш健?/p>

　　l RFID技術(shù)

　　RFID定位技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)移動設(shè)備識別和定位的目的。它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍大、成本較低；不過，由于以下問題未能解決，以RFID定位技術(shù)的適用范圍受到局限。

　　1． RFID不便于整合到移動設(shè)備之中

　　2． 作用距離短（一般最長為幾十米）

　　3． 用戶的安全隱私保護(hù)

　　4． 國際標(biāo)準(zhǔn)化

　　l ZigBee技術(shù)

　　ZigBee是一種短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它介于RFID和藍(lán)牙之間，可以通過傳感器之間的相互協(xié)調(diào)通信進(jìn)行設(shè)備的位置定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以ZigBee最顯著的技術(shù)特點是它的低功耗和低成本。

　　技術(shù)方案

　　目前我們已經(jīng)能夠看到一些室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用介紹了。據(jù)我所知的有谷歌、諾基亞、博通、IndoorAtals、Qubulus、杜克大學(xué)這幾個方案。下面筆者就把它們整理一下，歡迎大家在此基礎(chǔ)上進(jìn)行指正、補(bǔ)充。谷歌方案

　　谷歌手機(jī)地圖6.0版的時候已經(jīng)在一些地區(qū)加入了室內(nèi)導(dǎo)航功能，此方案主要依靠GPS（室內(nèi)一般也能搜索到2～3顆衛(wèi)星）、wifi信號、手機(jī)基站以及根據(jù)一些“盲點”（室內(nèi)無GPS、wifi或基站信號的地方）的具體位置完成室內(nèi)的定位。目前此方案的精度還不是很滿意，所以谷歌后來又發(fā)布了一個叫“Google Maps Floor Plan Marker”的手機(jī)應(yīng)用，號召用戶按照一定的步驟來提高室內(nèi)導(dǎo)航的精度。谷歌一直在努力解決兩個問題：獲取更多的建筑平面圖；提高室內(nèi)導(dǎo)航的精度。建筑平面圖是室內(nèi)導(dǎo)航的基礎(chǔ)，就如同GPS車用導(dǎo)航需要電子導(dǎo)航地圖一樣。谷歌目前想通過“眾包”的方式解決數(shù)據(jù)源的問題，就是鼓勵用戶上傳建筑平面圖。另外，用戶在使用谷歌的室內(nèi)導(dǎo)航時，谷歌會收集一些GPS、wifi、基站等信息，通過服務(wù)器進(jìn)行處理分析之后為用戶提供更準(zhǔn)確的定位服務(wù)。諾基亞方案

　　諾基亞采用的是HAIP技術(shù)，具體是什么筆者也沒能查到更多的資料，不過諾基亞正在努力使它成為藍(lán)牙協(xié)議的一部分，這樣只要你的設(shè)備帶有藍(lán)牙模塊，就能夠使用這種技術(shù)進(jìn)行定位。當(dāng)然，僅有一個藍(lán)牙模塊還不能完成定位，還需要在室內(nèi)安裝一種定位發(fā)射臺，通過這兩者之間的通信完成定位。這種發(fā)射臺可以覆蓋100m×100m的范圍，定位精度在30cm～100cm，據(jù)說這種發(fā)射臺還有成本低、功耗低等特點，一臺或多臺都能完成定位。博通方案

　　博通公司研制了一種用于室內(nèi)定位的新芯片（BCM4752），具備三維定位功能（即你所在位置的高度也算出來）。這種芯片可以通過wifi、藍(lán)牙或NFC等技術(shù)來提供室內(nèi)定位系統(tǒng)支持。更強(qiáng)大的是，該芯片可以結(jié)合其它傳感器，例如手機(jī)里的陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等，將你位置的變化實時計算出來，甚至做到?jīng)]有死角。博通公司的如意算盤是將這種芯片內(nèi)置到智能手機(jī)里。IndoorAtlas方案

　　IndoorAtlas是一家專注于室內(nèi)導(dǎo)航解決方案的公司，剛成立不久。IndoorAtlas的方案基于地球磁場，依據(jù)是每一個具體位置的磁場信息都不一樣。不過使用這種技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航比較麻煩，首先用戶需要上傳建筑平面圖，然后還需要你拿著移動設(shè)備繞室內(nèi)一圈，記錄下各個位置的地磁信號特征，這些信息需要上傳到IndoorAtlas的服務(wù)器。最后，你需要使用IndoorAtlas提供的工具包開發(fā)一個應(yīng)用才能使用定位功能（IndoorAtlas的開發(fā)工具包可以在線申請，不過筆者申請了兩次都沒結(jié)果）。Qubulus方案

　　跟IndoorAtlas不同的是，Qubulus公司根據(jù)無線電信號（Radio Signature）來定位。每一個位置的無線電信號數(shù)量、頻度、強(qiáng)度等也是不同的，Qubulus根據(jù)這些差異計算出你的具體位置。使用Qubulus的方案，你同樣需要收集室內(nèi)的無線電信號。Qubulus也提供了開發(fā)工具包，很容易申請下來。開發(fā)工具包里有一個例子，可以使用Eclipse直接編譯通過。杜克大學(xué)方案

　　杜克大學(xué)則借助現(xiàn)實生活中路標(biāo)（landmarks）的思想，正在開發(fā)一個叫做UnLoc的應(yīng)用。此應(yīng)用通過感知wifi、3G信號死角，以及一些運動特征，如電梯、樓梯等，并根據(jù)這些位置已知的路標(biāo)來計算你的位置。當(dāng)你移動的時候，就根據(jù)其他感應(yīng)器（ 陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等）來跟蹤你的位置。這一過程精度會逐漸降低，但當(dāng)你到達(dá)下一個路標(biāo)時，位置就會被校準(zhǔn)。智慧圖方案

　　北京智慧圖科技有限責(zé)任公司通過檢測Wi-Fi、藍(lán)牙節(jié)點（iBeacon）的信號強(qiáng)度進(jìn)行定位，目前智慧圖定位產(chǎn)品包括終端側(cè)定位與網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位兩種［4］ 。終端側(cè)定位通過手機(jī)檢測無線網(wǎng)絡(luò)信號，進(jìn)行手機(jī)自主定位導(dǎo)航，在手機(jī)app中提供了部分室內(nèi)場館（機(jī)場及商業(yè)廣場）的室內(nèi)位置服務(wù)功能（定位、導(dǎo)航、POI搜索、優(yōu)惠查詢等）。網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位由Wi-Fi的無線AP檢測移動設(shè)備的信號，進(jìn)行定位，主要應(yīng)用于建筑內(nèi)的客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，該模式主要為大型商業(yè)廣場、店鋪、公共文化建筑提供服務(wù)。

　　l 超聲波技術(shù)

　　超聲波定位主要采用反射式測距（發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波后，根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出兩者之間的距離），并通過三角定位等算法確定物體的位置。

　　超聲波定位整體定位精度較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但容易受多徑效應(yīng)和非視距傳播的影響，降低定位精度；同時，它還需要大量的底層硬件設(shè)施投資，總體成本較高。

　　室內(nèi)定位的主要種類

　　這里要講的室內(nèi)定位，主要針對我自己做過或者理解的內(nèi)容，主要是基于手機(jī)平臺的行人的室內(nèi)定位。至于機(jī)器人的SLAM通過的激光雷達(dá)等部分暫時不敢妄議。

　　目前來看，從定位信號來源大致可以分為：

　　1.基于無線信號發(fā)射設(shè)備的WiFi，藍(lán)牙（iBeacon），RFID，UWB

　　這一類定位方式，主要通過手機(jī)或者特定接收端，WiFi和藍(lán)牙普通的手機(jī)具有接受模塊，RFID部分手機(jī)具有，UWB需要專門的接收設(shè)備，當(dāng)然也有號稱把UWB設(shè)備集成到手機(jī)里面的硬件公司，這個目前就不再我討論的范圍里面了。通過接收以上設(shè)備發(fā)射的無線信號進(jìn)行定位，就好像GPS定位一樣。

　　2.基于慣性導(dǎo)航的（IMU，MEMS）的室內(nèi)定位

　　大家都知道慣導(dǎo)隨著時間誤差會不斷積累，所以這個方法往往不會單獨使用，而是和其他技術(shù)一起進(jìn)行融合。由其他的絕對定位技術(shù)提供校正信息，而慣導(dǎo)的信息提供連續(xù)的定位和起到對其他位置的平滑作用。針對行人而言，如果以手機(jī)作為定位平臺，基本上就是所謂的微機(jī)械的MEMS，基本所有手機(jī)都具備。

　　3.基于圖片（視頻）的計算機(jī)視覺定位

　　這個方法，實話說到目前為止我還沒有真正做過。但是Google2017 I/O上面，通過Tango實現(xiàn)了這個通過機(jī)器學(xué)習(xí)及計算機(jī)視覺的VPS（Visual positioning service）據(jù)說理論精度可達(dá)厘米級別，不可謂不可怕。關(guān)于我對這個技術(shù)的理解，我會放在后面定位方法里面來講，因為我覺得那樣更能看出其特點。

　　4.基于地磁

　　由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，通常各個不同的位置點的地磁場強(qiáng)度也不一樣。但是一個磁場信號源顯然不足以定位，所以通常方式是在行走道路上對磁場變化軌跡進(jìn)行匹配，如下圖所示為我持手機(jī)在不同時間走過同一段路徑時候的磁場數(shù)據(jù)，橫軸為時間，可以看出來，在同一條路徑上存在變化一致性。通過這種匹配，也可以進(jìn)行定位，通常采用的方法為DTW.具體算法細(xì)節(jié)就不細(xì)講了，感興趣的童鞋請自行實現(xiàn)。

　　2. 室內(nèi)定位的主要方法論

　　2.1.基于無線信號的三邊（三角定位）

　　這個方法來自于傳統(tǒng)的定位方法，類似GPS，假如我們能夠獲得我們待定位點相對于其它基站的距離或者角度，通過交會列多元方程組求解的方法可以求出我們所在的位置，當(dāng)然了，實際情況中往往不是求解剛好夠定位的方程組，而是用多余的觀測值然后利用最小二乘估計方法來估計位置。以下圖為例，對于三個基站，我們?nèi)绻軌颢@得信號發(fā)射和接受的時間差，那么就可以通過時間差和光速傳播來求取距離從而獲得定位。

　　但是，對于普通的WiFi，藍(lán)牙信號，要想求出從信號發(fā)射到信號接收之間的時間差，基本是不可能的。因為你要保持兩邊的時間同步，才能通過發(fā)射時間和接收時間來求取時間差，考慮到c光速的巨大，時間差一點點距離就能差非常遠(yuǎn)。所以基本不可能通過時間差的方法來進(jìn)行定位。

　　那么室內(nèi)定位里面的三邊定位是怎么實現(xiàn)的呢？

　　我們知道，只要求取當(dāng)前目標(biāo)和各個基站的距離，就能求解目標(biāo)位置。而這個距離既然不能通過時間和光速之積來獲得，我們可以通過另一個方法來獲得，那就是信號衰減模型，如下圖所示，我們知道在離線狀態(tài)下，無線信號強(qiáng)度在空間中傳播隨著距離衰減！ 而這個無線信號強(qiáng)度對于手機(jī)上的接收器來說是可測的！那么根據(jù)測試到的信號強(qiáng)度，是不是可以根據(jù)下圖的衰減模型（公式）來反推出距離呢，那么這樣不就又可以用三邊定位了。

　　當(dāng)然，這個問題的實際在于：這種信號衰減是針對理想狀況啊（真空，無反射）。那么在實際的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，信號在不斷的折射反射（多路徑效應(yīng)）下，這個模型可能就出現(xiàn)了波動了。也就是說你通過測量信號強(qiáng)度來反推距離很大可能帶有很大誤差，同時由于不同傳感器的信號特征不同，模型參數(shù)也不一而足，導(dǎo)致這個方法的定位效果其實不太理想。

　　2.2 MEMS的定位方法

　　傳統(tǒng)的捷聯(lián)式慣導(dǎo)中，通過慣性器件測量各個方向上的加速度然后再時間上進(jìn)行積分，就可以求取目標(biāo)的移動。但是在行人中，mems比較差的精度和姿態(tài)隨意性，會導(dǎo)致積分快速發(fā)散，精度完全不可用。

　　所以，在行人的室內(nèi)定位中的mems使用，基本都基于航位推算（PDR），也就是現(xiàn)在基本很多手機(jī)都具有的，通過加速度計算你行走的步數(shù)，然后通過估計你每步的長度從而獲得行人的移動距離。怎么計算行人的步數(shù)呢，如下圖所示，行人攜帶手機(jī)在行走過程中，由于重心隨著前進(jìn)的節(jié)奏呈現(xiàn)周期性變化。通過這個變化的監(jiān)測，自然可以知道行人的前進(jìn)步伐。

　　當(dāng)然有距離還不夠，還需要知道移動方向才能定位，MEMS中自然是還有陀螺儀和地磁傳感器，通過這兩個傳感器和加速度的結(jié)合，可以獲得前進(jìn)方向的推算，通常通過濾波組合。不過方向的推算不是很準(zhǔn)，所以也有人在使用pdr時，只使用其距離來組合其他的定位方法。

　　2.3 指紋定位方法

　　這個方法還是針對無線信號定位的。2.1中有說道，無論是通過時間還是信號模型衰減求取距離來進(jìn)行三邊定位，都無法完全結(jié)果室內(nèi)信號的波動和環(huán)境的影響。

　　所以另外一個經(jīng)典的室內(nèi)定位方法，指紋定位方法被提出來了。所謂指紋定位，我的理解，好比公安部門采集了所有人的指紋數(shù)據(jù)，由于其獨一無二的特性，在破案時候通過匹配數(shù)據(jù)庫中的指紋和嫌疑人的指紋來進(jìn)行查找。

　　室內(nèi)定位中的指紋法也是這樣，首先在室內(nèi)中收集很多的指紋數(shù)據(jù)（無線信號數(shù)據(jù)，通常定義一個個格網(wǎng)點來采集無線強(qiáng)度：對應(yīng)每個人的指紋），當(dāng)需要定位的時候，通過手機(jī)采集到的無線信號和預(yù)先收集的指紋數(shù)據(jù)庫對比，找出最相似的指紋的位置作為定位的位置。就好比通過嫌疑人的指紋來尋找他的身份一樣。

　　前面提到Google在今年的tango里面提出了vrs，其實我的理解。也是一種指紋匹配，不過這里的指紋特點變成了視覺特征點，匹配過程的輸入變成了圖片（視頻），通過與數(shù)據(jù)庫中的視覺特征點+深度傳感器來進(jìn)行定位。其中用上了高大上的機(jī)器學(xué)習(xí)^_^。

　　當(dāng)然，這個理解如果有誤還請懂行的童鞋指出，畢竟這一塊我不是很熟。

　　2.4 模式識別方法

　　這個方法其實不在很多歸類中出現(xiàn)，不過我也簡單講一講。最早我在duke大學(xué)的一篇paper中看見。

　　剛才說道，單一定位方式各有優(yōu)缺點，所以通常采用融合的方法，通常采用kalman濾波 particle filter等融合幾種傳感器數(shù)據(jù)。所謂模式識別方法，就是某些行為過程中，手機(jī)mems數(shù)據(jù)會產(chǎn)生特定的特征，例如坐電梯時候的加速度顯然和走路以及靜止時候的加速度變化有非常明顯的差別。那么通過這種模式的識別，識別出你正在坐電梯（稱之為landmark），這個位置可以作為pdr的糾正或者起始位置。

　　2.5 融合定位

　　融合多種方式的定位，往往才是效果好的。但是融合方法很難普適，因為不同的地方的數(shù)據(jù)源，不同手機(jī)平臺的差異性。但是還是作為重要的方法，主要通過kalman ，particle filter進(jìn)行融合。這個方面后面如果有時間。我單獨開一篇講講融合定位，也可以把代碼放到github上。

　　融合定位中除了通過以上所述方法/信號源的融合，還會有加上地圖匹配的。也就是通過地圖限制行進(jìn)路徑的偏差。但是相對于車輛必須開在公路上，地圖匹配在室內(nèi)的情況則更為復(fù)雜。關(guān)于室內(nèi)地圖的簡單定義和制作，可以參見我博客中的另外兩篇文章《室內(nèi)地圖1》《室內(nèi)地圖2》

　　update：整理了一個卡爾曼濾波和粒子濾波的融合算法模擬器demo，感興趣的童鞋可以看這里，然后下載代碼自己試試看。

　　3.室內(nèi)定位相關(guān)知識圖譜

　　這一小節(jié)預(yù)計整理一下，室內(nèi)定位中涉及到的方法論和名字。當(dāng)然，也并非其中的全部樓主都有做了，比如說indoorGM的室內(nèi)地圖，其實光是定義和生產(chǎn)地圖就已經(jīng)是很大的一方面了。

　　只是為了全面，供有興趣的童鞋研究，我也將我所知的寫入了。