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iBeacon技术通过低功耗蓝牙来实现。这也是为什么iBeacon设备靠纽扣电池就能运行很长时间。现在的iBeacon应用主要包括两种,一种是进入iBeacon区域后,进行消息推送;另一种是部署好基站,利用信号强度进行定位。这两种都与位置感知有关。iBeacon进行位置感知的依据是其信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication),通过RSSI值的变化来判断用户距离iBeacon设备的远近。如已知某距离(1米)的RSSI,那么大于该值则距离小于1米,小于该值则距离大于1米。通过部署多个基站,则可以通过与两个或多个基站的相对距离来找到用户的位置大致区域。举一种方法作为例子,比如选离用户最近的两个基站,通过一个基站和用户收到该基站信号RSSI值可以确定一个圆环(圆环是因为有误差范围),两个基站形成的两个圆环的交叠区域,可判定为用户所在的位置。
如果有多个基站,则能够进一步缩小区域范围。这种通过RSSI强度进行室内定位的方法并不是蓝牙的专属,但在能够测得蓝牙信号强度的情况下,RSSI强度是室内定位的一种依据。同样基于蓝牙技术的室内定位方法还有Nokia的HAIP,高通的iZAT和Gimbal。基于蓝牙的室内定位优点在于设备体积一般比较小,功耗低,建立连接时间短,主要可以应用于小范围的定位。缺点是蓝牙系统稳定性较差,受噪声的干扰比较大。
所以不论是以上哪种基于RSSI的方法,都需要预先对待定位区域有详细的了解。也可以通过计算电波在室内的传播规律,用TOA(time of arrival)、TDOA(time difference of arrival)等参数来进行定位,但在智能机上难以获取这些信号,所以不如基于RSSI的方法应用范围广泛。基于Wi-Fi方法进行室内定位的公司有WifiSLAM(被苹果收购)、Wifarer、智慧图等。Wi-Fi方法的优势在于无线网络的覆盖范围大,易于安装,成本低,但其也仅能用于事先了解Wi-Fi环境的建筑或场地内,且精度未达到很高。
上图中,左图为无源标签,右图为有源标签。 RFID用于室内定位已经在物流和供应管理、生产制造和装配等场景下有了比较广泛的应用,但它更多还是作为一个标签,待定位物体处于被动定位的状态,所以更多的应用于商品和货物上。而且其作用距离很近,且标签密度高时会产生较大的干扰。
UWB是超宽带的缩写。这是一张UWB与RFID定位精度的对比图。可以发现其定位精度明显高于RFID,可以说是弥补了高精度定位领域的空白。
UWB最初用于军事用途,2002年才发布商用化规范。
UWB主要采用极短脉冲信号传送数据,能保证高速通信的同时,发射功率却非常之小。
UWB定位方法主要基于TOA、TDOA等传输时间参数,或信号到达角度参数AOA。
基于TOA的方法依靠移动点(待定位点)和多个基站间信号的传输时延,得到移动点与基站间的估计距离,可以基站为圆心画多个圆,这些圆的交点理论上就是移动点的位置。这样的思想在RSSI中也用到了,只是RSSI是信号强度指标,而TOA是信号传输时延。
这种基于TOA的方法需要基站在时间上精确同步,但实际中由于多径干扰、噪声干扰,上图中的圆不会相交于一点,而是一个区域。
TDOA则利用移动点到两个基站的距离差确定双曲线,多个基站时,就可以确定多个双曲线,其交点作为移动点的估计位置。
基于AOA的方法则是在基站通过已知点接收机天线阵列测出移动台发射电波的入射角,构成方位线,由多个基站提供的方位线交点,可以用于估计移动点的位置。
TOA和TDOA都对时间同步有较高的要求,如果移动点与基站之间(TOA)或基站与基站之间(TOA、TDOA)时间不同步,则会导致精度不高。
UWB的精度和抗干扰性都性能良好,目前也有比较广泛的应用,不足之处在于其成本较高。
目前UWB室内定位最出名的公司是Ubisense,做精确实时定位产品业务和位置查询业务,已在物流、体育、医疗保健、人员监控等领域有所应用。
最后放一张网上的不同室内定位技术对比的图,
确实室内定位的精度是一直以来追求的一项指标,但精度同时也意味着成本。纵使在一些研究中的室内定位精度达到了厘米级,能否大规模应用到实际生活中也还未曾可知,而且在很多室内定位需求中,实际并不需要很精确的定位精度。所以室内定位的商业价值与其精度的关系,不一定总是成正比的。
参考资料
1.iBeacon工作原理(How do iBeacon work?)
2. iBeacon
3. WIFI定位原理分析
4. 基于RFID的定位技术有几种?哪种最成熟? - RFID(射频识别)
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32线的Lidar。嗯,对的,就是和谷歌无人车上那玩意一样的东西。价格大约是几万欧元到十几万不等。太贵了?我也觉得贵啊,可是人家有钱啊。题主问有没有精确到1cm成熟的解决方案,这个精度上算是基本达标了。他们实现的过程我都有仔细观察,实现起来非常迅速,需要一个激光测距仪做对室内扫描并进行3D建模,然后就可以定位了。这个方案不受路人的影响,其实周围有多少人在他们的app上都有清楚的显示,可以看到下图的红点。不过这玩意太大了,而且价格有点太离谱了,激光对眼睛不好呀!!所以这个方案利弊非常明显,只能在有限的地方使用。
(此图来自于他们的ppt)
关键问题是,他们是属于infrastructure-free组的,这不是坑爹嘛,搞得这个组的所有人先自动下降一位。答主的方案也是这一类的,被坑了。比赛中他们的最终精度是20cm。和1cm还是有些差距的。不过我们得知道,这些个测试的点的坐标,也是组织者用激光测距仪手动测出来的,不一定完全精确,并且最后人站立的位置也有一定的误差。考虑到比赛完全是在陌生环境中,有理由相信在熟悉环境中是有可能达到1cm的精度的,当然我也没有试过,我也买不起呀。
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总成绩的第二名是来自CMU。他们说是他们的第五代产品了。而且在他们演讲的最后发现有博世和因特尔的赞助,感觉吊吊的。去年其实他们也参加了,不过好像成绩不太好。他们的方案是基于超声波测距的。用的是TDOA。在整个测试的地方用了十个左右的anchors,anchor长这样:
内部长这样子:
(此图来自于他们的ppt)
看起来还是挺成熟的。这个的精确度也是挺稳定的,最后的测试结果显示精确度在31cm。 是infrastructure-based组的第一名。这个方案精确度和成熟度也是不错了,问题在于超声波的接收器并没有和蓝牙,WiFi一样普及。而且超声波有没有危害也是一个问题。这个方案是会受到行人的影响的,当时他们组测试的时候正好赶上吃饭的时间,我们那层楼是用来给大家用餐的,测试的时候他们导师一看到人就可紧张了,看来压力不小啊。让我们看看有了这些厂商的支持这个方案最终能不能得到推广。
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总成绩的三四名都是用的ultra wide band方案,他们都是采用的deca wave的芯片。deca wave现在是uwb领域很出名的公司了。价格也不贵,而且精度很不错。排名总成绩第三的公司叫做time domain,从事uwb也挺久的了,挺出名的公司,有不少专利。第四名的是密歇根大学的方案。采用的Time of Flight 测距加上三角定位。板子如下:
应该是用了其他的rf信号来做时间同步。他们采用了多次测距取平均值的方法。获得了很高的精度。值得注意的是,在测试点中有一个点他们预测的很糟糕,不然他们就是冠军了。从下图还可以看出,他们还考虑了天线的影响。
UWB技术挺不错的,个人比较看好。虽然不一定能进入消费级市场,不过在专业的领域应该有不小的发展空间。
---------------------------------------------------当然还有很多逗逼的方案--------------------------------------
比如用灯的。这个不是通过led灯频率哦,他是通过图像识别灯的角度,来估计相对于灯的距离和
角度,图如下:
每次定位必须躺在地上拍照,实用性不强,不过想法挺新颖的,实验室有钱了就能实现个人理想啊。运来了好几箱的灯~~~~~~
还有通过磁场的。使用下面的装置产生固定的磁场频率。然后通过磁场频率与强度来定位。也是一种方法就是了。坑爹的是楼主的方案使用了地磁来校准,有了这个东西,整层楼的磁场都出问题了,只好半夜里改方案,都是泪啊。
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上个月去Banff参加了IPIN,竞赛环节亮点不太多,可能因为在加拿大吧,感觉有挺多犀利的实验室和公司并没有前来,不过恭喜中国的小伙伴获得了手机组的冠军。他的算法主要是使用手机上的惯性传感器,使用PDR算法来测算用户的行进距离和朝向,再结合Wi-Fi指纹来做修正。还有一组是脚上绑着传感器的方案,韩国童鞋拿了第一(不太服气啊,这个比赛都是韩国人资助的,听说这哥们在准备的时候各种让算法学习测试人员的走路方式,学习了好久,那自然是准的)。不酸了,第一还是说明挺有水平的。
IPIN有一些水文,也有不少好文。给我印象最深的(我并没有把所有的论文都听了)一个是用UWB做的仓库定位。是来自日本的大学,导师是个中国人。他们自己设计的UWB芯片以及板子。在仓库中对工作人员的轨迹密度进行分析,从而提高物品摆放的效率,把轨迹密度过高的地方的货物移到密度较低的地方。挺实用的方案,而且UWB的精确度确实还不错。有兴趣的可以去IEEE上找一找他的文章。
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就说这么多啦,方案很多,并没有统一的方案。不同的场景需求不一样,感觉是各个公司都能有一口饭吃,还没看到能一统天下的公司和方案。就算现在各种大公司都进来了,感觉也是每人分一杯羹,自家用自家的方案。我还没有工作,对各个公司商业化的方案了解不多,我个人比较看好的是UWB,Wi-Fi测距(Intel的芯片,有兴趣的可以自己查一下,估计明年或者后年可能可以上市),Wi-Fi指纹加传感器(目前最可行便宜的方案),蓝牙(都怪苹果)。说的不足的地方,欢迎指正。
除了这种微惯导模块,现在大部分智能手机都配有惯性元件,这就可以使得智能手机也可以搭载惯导算法进行定位。目前在国内做到这种在手机端的惯导定位有谦尊升科技的千云地图SDK,其方案就是在室内外连接处放置一个beacon用于切换室内外地图,然后在室内完全利用惯导算法在智能手机上进行定位,它可以植入到任何一种需求室内定位功能的app上,在室内以惯导作为最主要的定位方式,这样就大大减少了物联网基础设施的投入成本,为用户提供准确的定位和路线规划功能。目前其惯导定位精度可以做到亚米级。可以说千云地图的定位精度比WiFi的定位精度更好,并且性价比更高。目前千云地图已经在APP store上线,用于给现有的室内定位客户测试。
米级的定位方式如蓝牙定位,目前主流的是iBeacon技术,通过蓝牙广播的RSSI的场强值的强弱与距离的换算关系来定位,定位原理如下图所示:
区域定位的技术较多,像WIFI,RFID,ZigBee,先说RFID,RFID定位一般有两部分组成,RFID的定位技术又分为两种,一是采用2.4GHZ定位,需要读写器,在房间的出入口部署读写器,当定位标签经过时感知到标签的信号即认为标签从此处经过,一般的2.4G的定位方式会放在房间的出入口,大门口。这种定位方式只能是区域感知,无精度可言。
另一种RFID的定位更高,采用2.4GHZ+125KHZ的低频触发,此种定位方式需要定位基站(也称读写器),激活器、天线三部分组成, 激活器与天线相连,只需供电,会源源不断的广播125KHZ的低频信息。125KHz的低频信息感知距离在1~2米以内。定位标签中采用双模双频,也即2.4GHZ+125KHz;当定位标签到达125KHZ到达激活器天线附近时,被激活器天线感知,激活器天线是固定的,若被感知就认为在天线附近,若感知不到可通过2.4GHZ定位,这种定位模式能定位到房间级,是目前RFID厂商广泛采用的定位方式。
再说到WiFi定位,作为资深室内定位产品经理,小编认为这种定位方式正在逐渐被淘汰,为什么呢,因为WiFi的频段在2.4GHZ,WiFi设计的初衷并非为定位而是为了联网,传输网络数据。在2.4GHZ频段信号容易受干扰,并且耗电量极大,再有一个致命的就是WiFi的定位精度很差,一般能做到3~5米便是即理想的环境了,3~5米的范围根本做不到房间级,若两个房间挨在一起,会时不时的穿墙到达另一个房间,实际项目上的体验极差。说到WiFi定位所用到的技术原理,一般分为两种,一是指纹定位算法,另一种是三边定位算法。指纹算法每次定位前要采集WiFi的指纹数据,并且随着WiFi的使用时长以及周围WiFi信号的干扰,这种定位方式在实际使用中根本不实用。三边定位算法和蓝牙定位原理类似,但是WiFi信号容易受干扰的特性决定了它的定位精度只能做到3~5米。再有目前有一些做室内定位的厂商采用WiFi+125K低频触发的方式定位,这种定位方式和RFID定位类似,也是一种可取的定位方法。
至于超声和ZigBee定位,这两种属于小众的定位,在大型的项目中并不常见,尤其是超声,一般用在车载定位,室内定位用得少之又少。
最后,小编要做下总结,随着室内定位技术的发展,更高的精度更低的成本是所有室内定位用户的诉求,未来的定位方式将朝着低成本,高精度发展。随着蓝牙5.0协议的普及,采用蓝牙5.0芯片使用AOA定位将是未来室内定位的发展方向