关于室内定位

因为项目需求,对于室内定位做了响应的调查和研究,然后总体分析了下方案。最后发现其实这些对于项目都不合适,毕竟产品和老板的想象力都是很丰富的,- - 有些东西也是在能力之内和技术范围内开发,要么我们自己就去搞第三方支持了,不过废话少说吧,起码可以了解下,拓展下技术知识吧。

下面是网上查资料出来的很多方案,以及各种方案的对比,以及最后的思路总结等。

Wifi 室内定位

按定位原理不同,分为三边定位和指纹定位两种。
在WIFI三边定位方案中,因为复杂度的原因,并没有采用飞行时间法测距,而是先测 量终端的RSSI(Received Signal Strength Indication接收信号强度),再根据RSSI和 距离的关系公式来估算距离。而无论这个关系公式本身,还是RSSI的测量,都有较大 误差,最终造成WIFI定位精度较低。即便在某固定点连续两次测量RSSI,测量值也会 有不同,更换不同的手机也会有差异,且基站和终端的距离越远,距离测量误差越 大。所以一般要提高WIFI定位精度,往往要提高基站的部署密度。
定位精度:典型5米。WIFI指纹定位的精度比三边定位略高些。
优点:
可以直接用手机定位。
可以部分共享室内现有的WIFI AP,部署成本较低。
缺点:
苹果已经在IOS 上关闭了WIFI RSSI读取接口,造成手机不能主动使用定位

蓝牙定位

蓝牙定位主要基于三边定位的原理。与WIFI定位类似,蓝牙定位通常也采用测量蓝牙RSSI来推算距 离,因而也存在测量误差大的劣势。
定位精度:典型3米
优点:
可以直接用手机定位(要求有蓝牙4.0硬件+相应软件版本)。 定位精度比WIFI定位略高,且没有IOS或Android的限制。 不用插网线或电线,iBeacon部署比较方便。
缺点:
iBeacon部署密度高才能实现更高的定位精度,所以基站总体部署成本比WIFI等其它方案要高。
iBeacon方案不易做反向定位(后台服务器查询手机的位置),需要特殊设计,增加复杂度和成本。

LED定位

利用天花板上安装的特殊LED灯泡,高频闪烁传递编码信息,手机前置摄像头接收灯光信号,解析定位.
定位精度:典型约1米
优点:
可以直接用手机定位。
可以比WIFI和蓝牙定位精度更高
缺点:
室内灯具的升级改造成本高,工作量大,灯有各种各样的规格不一定匹配。 要定位必须要开灯。 需要手机开启前置摄像头,较费电,有泄露隐私风险。
不易做反向定位。

地磁定位

现代建筑使用的钢筋混凝土等结构会对地磁场造成扰动,导致室内各个位置的地磁特性各不相同。地磁定位技 术,通过测量室内某位置的地磁场,与预先人工采集的室内磁场分布数据库做比对,从而大致判断所处位置。
定位精度:约1米量级 优点:
可以直接用手机定位(使用手机磁力传感器)。 不需要在室内部署基础设施。
缺点:
室内各处的磁力数据需要预先人工覆盖式采集,工作量大。一旦室内的装修和布局变化,甚至室内用电器的电磁场变化,都可能影响磁力分布,磁力数据需要定时人工测试更新,维护工作量很大。定位不稳定,容易受干扰。一旦因为室内装修布局或电器变化造成磁场变化,而并未来得及人工更新地磁数据库,此时室内定位就是不准的。

超声波

超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器,发出能被定位终端麦克
风检测到的超声波信号。通过不同声波的到达时间差,推测出终端的位置。
定位精度:分米级
优点:
可以直接用手机定位
精度较高
缺点:
超声波信号传输距离近,所以需要密集布置扬声器,才能覆盖足够的面积。
超声波信号易受室内多径效应(信号反射)的影响,给定位带来不稳定性。

激光雷达

激光雷达(h5DAR)通过自身旋转进行水平或竖直平面的激光扫描。发射激光到目标,接收反射信号,计算飞行时间, 从而精确测距。
精度:毫米级
优点:
测距精度目前是各种方法中最高的。
几乎不需要在室内部署基础设施。
缺点:
激光雷达的激光强度没有穿透性,只能用于视线内(LOS – h5ne of Sight)测距。意味着在人多有彼此遮挡的场景下,不太好用。
激光雷达成本较高,用于服务机器人的最普通型号也普遍在上千元
RMB10,用于无人驾驶汽车上的激光雷达甚至超过万RMB元。因为手机上没有激光雷达,所以激光定位目前主要用于机器人、无人车等成本相对不很敏感的设备对自身精确
定位。
仅靠激光雷达定位的机器人是有些缺陷的,例如在下列场景容易丢失位置:
当机器人在重复场景中运行,例如相似的长廊或房间;
当机器人运行中被搬走,或被人群围观;
当机器人在大的开阔区域运行,超出激光雷达范围(例如一款服务机器人常用
探测距离仅米)

UWB(Ultra-Wideband超宽带)

因为手机未集成UWB收发器,所以UWB定位目前主要应用在B端,在特定领域对佩 戴了UWB标签的人员和设备进行定位,例如对厂区人员和资产的定位。将UWB应用
到机器人、无人机、VR/AR等新兴领域做为辅助定位手段,也是逐渐兴趣的研究热 点。
定位精度:<30厘米
优点:
精度高,稳定性高。抗多径效应。
抗电磁干扰能力强,不易受常见无线电信号影响,对其它无线电信号的干扰也小。
因为不用发射载波,所以功耗可以做低,定位终端可以使用电池长期供电。
选择合适的算法下,同时定位的终端设备可以很多(至少2KK个)。 缺点:
不能直接用于手机定位。

视觉

用手机摄像头或双目摄像头拍摄周边画面,并和已经预先储存的环境图像进行匹
配,确定自己的位置。
定位精度:<1米
优点:
可以直接用手机定位。
不需要在室内部署基础设施。
缺点:
技术不成熟,稳定性不高。
图像处理耗费大量和电量资源,定位操作方式怪异,用户体验不好。
理论上有不可避免的问题,例如在环境单一的长走廊或类似场景中,仅靠机器视觉
是难以准确定位的。

Google VPS

VPS并不是全新的技术。Google是在5月份的Google I/O 2K017大会上公布的 VPS(Visual Positioning Service)技术。虽然Google给这技术新起了个很牛 的名字,但VPS实际上是普通视觉定位技术的一种。
VPS适用的领域 -- 手机AR。开发者用Google这套封装好的技术,采用符合Google Tango标准的手机(有多摄像头),可以更快更好的开发手机AR应用,把Google技术 平台再做大。我认为这是Google的主要目的。当然现在Tango手机还很少
VPS不适用的领域。Google发布会上举了个例子,利用VPS找到百货店里的螺丝刀。 VPS技术,实质是通过手机摄像头拍摄比对地图数据库来实现定位。要求:摄像头能清晰
拍摄、要有数据库、顺利完成比对。前者需要举起手机正对着环境、光线适宜能拍摄、距
离关键特征点不能太远要能拍清楚;中者需要提前采集好室内精确数据、数据库要经常更
新(以免装修、陈设一变就不能定位);后者需要手机网速要快(能把照片上传服务器进
行比对)、环境中特征点要足够多可以比对(在两个一样的房间里、在长走廊里基本无法
定位)。这些制约条件中,数据库的定期采集更新应该是制约VPS走向更多应用的最大问 题,成本太高了以致不可行。所以VPS当前还是局限在固定场景内做AR应用,


更加大众化的ARCore终将取代Tango

Google Maps+Google Lens
谷歌给地图加了更丰富的地点相关概念,利用AI和卫星图像技术,可以了解新地址和商家, 另外推荐最近的路程和附近最适合你的餐厅。其实类似功能目前高德,百度地图等也有尝试。
谷歌地图这次跟手机摄像头结合了,例如你不知道在哪,打开镜头,它会采集街头画面,之后
将实景与地图结合,告诉用户该想哪走。


IndoorAtlas地磁场室内定位

地磁场室内定位的灵感来自于自然界中一些动物的特有技能——鸟类、蜜蜂等动物依靠自身感应地磁场而做到对
方向的正确把握。
同样的,我们可以用智能手机中的传感器感应地磁场,借此来进行定位。
地磁场能用于室内定位的根本原因在于每个建筑物内都有自己独特的磁性“纹路”,纹路的产生基于建筑材料对 地磁场的“扭曲”。
和不少人的想法相反的是,建筑材料非但不会影响地磁场定位的精度,反而由于钢筋混凝土对于空间中磁场的扭 曲,会让磁场变得更为独特从而提高了定位的精度。
每一小块空间内的磁场纹路都是独一无二的,所以当手机获取了该区域的磁场情况后,就能得到精确地定位信 息,目前的精度在1-3米,足够胜任室内的定位需求。


SLAM高精度地图室内定位导航

● 地磁场室内定位实际上是靠着一张磁场的分布图,使用者通过智能手机的磁力计获取磁场情况,比对云端的磁场地图,查找得到自己的准确位置。
● 我们用同样的思路,把磁场图换成SLAM获取的高精度的室内地图,我们就能通过类似的原理实现室内定位。
● 北京华泰天宇科技有限公司提出了一种基于于Re-localization(重定位) SLAM技术的三维数据获取和室内定位方案。
● 重定位SLAM是在实时构建算法的基础上,结合测量平差技术、惯性导航系统、航空摄影测量、SLAM+IMU以及多传感器的辅助,可以解决大面 积大场景的高精度连续特征匹配,高效而精确地采集数据。
● 在SLAM技术的帮助下,可以快速而精确地获取室内的3D地图。
● 接下来的定位操作和地磁场定位可以说是异曲同工——有了高精度地图,那么室内的每一个位置都能在已经构建好了的地图上找到坐标,位置可以说
是非常精确。
● 在手持智能手机定位导航的过程中,导航系统结合手机自带的IMU单元运算持有者的实时位置。考虑到IMU在手机移动中会产生误差,手机可以通
过精确的三维地图和扫描到的特征点实时矫正。
● 和地磁场室内定位相同,构建好了地图之后,无需安装设备,手持智能手机就可以在室内定位和导航了。

比较

就地磁场和SLAM高精度地图两种方案比较而言:
数据采集方面,IndoorAtlas不需要专业设备和专业人员,普通人手持安装特定APP的智能手机 便能采集地磁数据,高精度地图方案前期则需要专人和专业设备进行空间的扫描重构。
定位精度方面,通过SLAM构建的三维高精度地图能够获取比地磁场定位更为精确的定位信息。 后期维护方面,虽然SLAM和IndoorAtlas的地磁场方案同样没有硬件需要维护,但是如果空间
布局发生了变化,需要对数据更新的时候,SLAM则又需要专人专业设备再来一遍。相比之下地磁 场的信息更新方便的多。
相比之下IndoorAtlas的地磁场方案更为简单易行,适合作为一种“基础”的室内定位技术,而对 于精度要求更高的使用场景则可以使用SLAM高精度地图定位。
尽管这两种技术都相对独立而完整的实现了室内定位导航,但是或许互相结合会是一个更好的思 路,就像室外定位中的GPS、基站、WIFI结合提高定位效果那样。

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