室内定位技术研究

2017-01-20 09:23龚峰宋熠
软件 2016年4期
关键词:定位技术室内定位

龚峰 宋熠

摘要:近年来,随着科技的进步和发展,人们对室内定位的需求越来越多,各种室内定位技术蓬勃发展起来。本文对现有的几种室内定位技术的工作原理进行了阐述,每种技术选取了一个典型系统进行研究,包括其系统结构、定位原理、定位精度,阐述了各个定位技术的优缺点和局限性,最后对各定位技术进行了对比,分析了各个定位技术的应用场景,并指出需要根据不同的使用环境选择不同的定位技术。

关键词:室内定位;定位技术;定位方法

中图分类号:TP391.41 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1003-6970.2016.04.003

0 引言

随着美国全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GlobalOrbiting Navigation Satellite System,GLONASS)、我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite svstem,BDS)以及欧盟伽利略卫星定位系统(GalileoSatellite Navigation System,GALILEO)的蓬勃发展,室外定位技术已经非常成熟,人们可以很容易地在室外进行路线导航、地址定位,精度非常高。然而,上述四种定位系统采用的是卫星定位技术,在室内卫星信号受到屋顶以及其他障碍物的遮挡,无法进行定位,因此需要发展其他的室内定位技术。室内定位的应用非常广泛。在医院,需要对某些特殊病人进行实时定位,以确保其安全;在商场或超市,如果能对小孩进行定位,就不用再担心走丢;在展览馆,对参观者进行定位,可以做到讲解的有的放矢;在发生火灾或其他突发事件时,还可以对被困者进行定位以实施有效救援。

本文针对目前已有的室内定位技术进行了研究,每种技术选取一种典型系统进行分析,阐述了该系统的定位原理,分析了已有室内定位技术的优缺点,对已有室内定位技术进行了对比,提出要根据不同的使用环境选择不同的定位技术。

1 已有室内定位技术介绍

室内定位是指在室内环境中进行位置定位,从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。目前的室内定位技术主要有基于红外线的室内定位技术、基于超声波的室内定位技术、基于超宽带(Ultra-wideband,UWB)的室内定位技术、基于射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)的室内定位技术、基于无线局域网(Wireless Local AreaNetwork,WLAN)的室内定位技术和基于蓝牙的室内定位技术。

1.1 基于红外线的室内定位技术

红外线是波长介于微波和可见光之间的电磁波,具有可见光的特征,即沿直线传播,会被障碍物遮挡。基于红外线的室内定位技术一般包括两种组件:红外线发射器和光学接收器。

典型的基于红外线的室内定位系统是Roy等人在1992年提出的Active Badge系统。该系统设计了一种特殊的标签,周期性地发射红外线信号,待定位者携带这种标签,其发射的周期性的信号会被室内布置的光学接收器传感网络接收到,传感器将这些信息发送给中央控制器进行数据处理,就可以得到待定位者的位置信息。

该系统的定位精度取决于光学接收器的分布密度,在权衡成本和定位精度的要求后,该系统每隔6米设置—个光学接收器。但是,由于红外线可以通过反射被传感器捕捉到,因此该定位系统不能判断待定位者的方向信息。出于对标签能量供应的考虑,系统每隔15秒发射一次红外线,然而在15秒的时间内物品的位置可以发生很大变化,做不到实时定位,因此该系统只适用于位置变化很缓慢的情况。另外,系统要求能定位在同一位置的多个待定位者,因此,设置持续时间为0.1秒的红外线可以有效降低两个红外线可能发生干扰的概率。

1.2 基于WLAN的室内定位技术

WLAN是在有线局域网的基础上发展而来的。在无线局域网中,终端设备通过电磁波进行数据传输,不再需要固定的连接方式,网络非常灵活便捷。WLAN系统的基本结构如图1所示。智能手机、笔记本电脑等移动终端通过电磁波与无线接入点进行通信,无线接入点通过有线方式接入到以太网中,从而实现各个网络设备之间的信息传输。

基于WLAN技术的典型室内定位系统是微软公司在2000年提出的RADAR系统。RADAR系统中,在特定的位置布置无线接入点,待定位者携带可以接收无线信号的设备进行定位。由于室内环境复杂,无线信号受到多径、反射、障碍的干扰,其信号强度的传播模型很难建立。针对这一问题,RADAR系统采用了基于RSSI(Received SignalStrength Indication,接收信号强度)的指纹定位法,即在待定位区域内选取一系列的参考节点,收集待定位者在每一个参考节点接收到的所有无线接入点的信号强度,并存储在数据库中。当待定位者进入WLAN覆盖区域时,根据其接收到的所有基站的信号强度,与数据库中的数据进行对比,就可以得到待定位者的位置。这种方法可以有效解决室内无线信号因为多径、反射、障碍而产生的噪声干扰问题。RADAR系统的定位精度可以达到2-3米。

RADAR系统也存在缺陷。当待定位区域的环境改变导致无线信号的传播路径发生改变时,各参考节点的信号强度就会发生改变,只能重新进行测量建立新的信号强度数据库,定位系统才不会失效。

1.3 基于蓝牙的室内定位技术

蓝牙是一种基于短波特高频的无线通信技术,可以用来在短距离设备之间传递数据。蓝牙4.0是蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)于2010年推出的新规范,大大降低了使用蓝牙进行通信的功耗,提高了传播速度和通信距离。

文献提出了一种基于蓝牙4.0技术的室内定位系统,其基本原理如图2所示。在室内特定位置安装蓝牙信号发射器,每隔一定时间发射一次信号,待定位者携带可以接收蓝牙信号的设备,当接收器接收到不同发射器的信号后,通过接收到的信号强度以及相应的算法就可以计算出待定位者的位置。系统的定位精度可以达到2-4米。

1.4 基于RFID的室内定位技术

RFID采用电磁波进行数据传输。RFID技术主要包括两种组件,标签(tag)和阅读器(Reader)。标签内存储着一定的信息,阅读器可以读取标签内的信息,也可以向标签内写入信息。它们是通过内置于阅读器中的天线发射的电磁波来进行通信的,因此RFID技术具有非接触、非视距的特点。RFID标签体积小、制作成本低、使用寿命长,因此在室内定位方面得到了广泛应用。

最经典的基于RFID技术的定位系统为LANDMARC系统,其原理如图3所示。在待定位区域内设置位置已知的阅读器和参考标签,系统对阅读器检测到的待定位标签与参考标签的RSSI(Received Signal Strength Indication,接收到的信号强度)值进行比较,找出与待定位标签位置相近的参考标签,赋予其不同的权重,与待定位标签信号强度越接近的参考标签权重越大。最后,根据近邻参考标签的实际位置和权重值计算出待定位标签的位置。该系统的定位精度受到阅读器数量、参考标签密度、算法中选择的近邻标签数以及室内环境的影响,基本的定位精度在1-2 m范围内。

1.5 基于UWB的室内定位技术

UWB是一种无载波通信技术,它不使用正弦信号来传送数据,而是利用脉冲信号来传送。它具有以下特点:高数据速率、功耗低、穿透力强、成本低。UWB可以有效减少非视距和多径传播所带来的误差。UWB定位系统通过附着在物体上的小型UWB标签实现对物体的三维动态定位。

Ubisense公司的UWB定位系统原理如图4所示。该系统主要由两部分组成,包括UWB传感器和UWB标签。UWB传感器以蜂窝方式组网,布置在待定位区域内,以确保待定位区域被完全覆盖。每个传感器包含一个射频信号收发器以及UWB信号接收器的相控阵。UWB标签由待定位者携带,包含一个射频信号收发器以及一个UWB信号发射器。待定位的UWB标签向周围发射UWB脉冲,UWB传感器接收到信号以后结合TDOA(TimeDifference of Arrival,到达时间差)方法和AOA(Angle of Arrival,到达角度)方法来进行定位。利用UWB技术仅用两个传感器就可以实现对待定位标签的三维定位。系统定位精度可以达到15cm。

1.6 基于超声波的室内定位技术

超声波是指频率超过人耳可听到的最高频率达到20 kHz的声波,可以在固态、液态、气态介质中传播。

最早的基于超声波的室内定位系统是由AT&T实验室开发,其系统结构如图5所示。该系统在屋顶上每平方米安装一个超声波接收器,这些接收器通过物理连接线形成一个网络,并且与中央控制器相连。待定位者携带超声波发射器,利用三角定位法,通过计算待定位者发射的超声波到达接收器的时间来进行定位。

由于系统是通过时间来进行定位的,超声波发射器与接收器的时间同步就至关重要。中央控制器通过无线电波控制待定位者携带的超声波发射器,因此中央控制器可以同时通过有线和无线的方式分别控制超声波接收器和发射器,从而实现时间同步。该系统可以识别用户的方向信息,定位精度可达到3 cm。系统每20毫秒更新一次位置信息,实时性非常好。但是,由于需要数量众多的超声波接收器进行有线连接,成本比较高,且不易于扩展。

2 各种室内定位技术的对比

每种定位技术都有其特点,相应的定位系统的定位精度、成本及其本身的局限性都有所不同,如表1所示。

由于红外线沿直线传播,并且容易受到灯光干扰,一般应用于物体运动线路比较固定的定位过程中。红外线传感器成本比较低,因此一般布局比较密集。考虑到其定位精度不高的缺点,常常与其他定位技术一起使用。例如,在文献中提出了一种结合红外线与超声波技术的定位系统。该系统中,物体运动轨道固定,沿着其运动轨道布置红外线发射器,运动物体携带红外线接收器,当其接收到红外线信号时再利用超声波进行定位。

基于WLAN的定位技术通常利用已有的Wi-Fi设备来收集待定位物体的信息,通过定位引擎进行计算,计算量比较大,因此需要一个强大的定位引擎。华为等设备公司均提出了相应的解决方案。

蓝牙4.0技术大大降低了蓝牙通信的功耗,解决了传统蓝牙定位功耗高的问题,因此得到了广泛应用。目前针对蓝牙室内定位技术的研究主要在减少噪声干扰、改进定位算法方面,以提高定位精度。

由于RFID的通信距离较短,因此适用于待定位物体与传感器距离较近的情况。例如清华大学刘云浩团队设计的“人工行李分拣辅助系统”,通过在行李传送带两边设置RFID传感器来进行定位。他们通过研究,提出“差分增强全息图”(Differential Augmented Hologram,DAH)定位方法,将基于RFID的室内定位技术精度提高到毫米级;

基于UWB的室内定位技术抗多径效应和电磁干扰能力都很强,因此精度较高,但是由于硬件要求高,其成本也比较高。

超声波定位的精度也比较高,同样由于硬件设备复杂,成本偏高。

可以看出,每种定位技术都有其自身的特点,在实际的使用过程中,需要根据不同的情境选择不同的室内定位技术,或者将几种定位技术结合使用。还有一部分学者提出了新的定位技术,例如使用可见光进行室内定位,利用陀螺仪、加速度计等多种传感器进行室内定位。相信通过国内外学者的不懈努力,室内定位技术会越来越成熟。

3 结束语

室内定位在人们的生产生活中发挥着非常重要的作用,研究定位精度更高、成本更低的室内定位技术有利于国家发展和社会进步。本文介绍了现有的几种室内定位技术,并且每种技术选取了一种典型系统对其定位原理、系统结构、定位精度进行了描述,对比了各种定位技术的优缺点,指出了每种技术的局限性,分析了每种技术的应用场景。希望通过本文能使读者对室内定位技术有一个基本的了解,在此基础上为室内定位技术的发展添砖加瓦。

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