物联网之室内定位

摘要:室内定位正处于百家争鸣、技术爆发的阶段,尤其近年随着UWB、Wi-Fi以及5G等通信技术的应用。
 
1、定位需求
物联网时代,位置服务已成为人们工作生活必不可少的服务之一,网约车、外卖、导航等都依赖定位服务。这些常用的就是GPS卫星导航定位,可以对地表任意位置进行跟踪定位,但缺点是定位需要在室外露天场合,有遮挡物覆盖、影响无线电波的情况下无法定位或者定位不准。比如在地下停车场寻车,仓储资产设备监管,隧道内车辆导航,卫星定位就无能为力,这些需求促进了室内定位技术的发展。
 
2、室内定位原理
比如甲会见朋友乙,但没找到对方,这时乙电话告知,自己可以看见街边名为“嵌入式系统”的小商铺,而甲也知道“嵌入式系统”商铺的地方,那甲就可快速定位乙的大概位置。
 
室内定位的原理差不多,目标对象的位置不清楚,但是知道它附近相关参考点的位置,即可间接确定目标对象的位置范围,如果有3个参考点就可以定位目标位置。
如上图,大数据平台已知3个定位基站的坐标或经纬度,目标对象只需要提供其与定位基站的距离,就可以换算出目标对象的坐标或经纬度,即完成对目标的定位。
 
3、室内定位的限制
室内定位不是独立的设备就能完成,需要一定范围的预置辅助装置作为参考点,类似上图中的定位基站,预置的参考点的覆盖范围和密度,决定了定位的精度和范围。就技术角度而言,室内定位的指标主要包括定位精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、响应时间几个方面。
 
1、精度,不同类型的应用对于精度的要求大有不同,比如超市或仓库管理中,需要亚米级的定位精度迅速锁定物品;而商场或者购物中心中,寻找一个特定的品牌店则需要5米甚至10米的精度即可;楼层之间可能还要高度差。
 
2、覆盖范围,定位需要特定的设备或终端辅助,其相应的覆盖范围有所限制,定位也只能在特殊范围有效。
 
3、可靠性,室内环境有着比外部环境更强的动态性,定位所依赖的基础考考点也会经常发生变化,参考点的位置变化会定位精度有很大影响。
 
4、成本,参考点的覆盖范围和密度,也就是数量,定位需求影响布局成本。
 
5、功耗,功耗是导致用户成本提升的一个关键因素,特别是使用电池的移动设备。
 
6、响应时间,目标对象移动时系统更新其位置所需的时间是响应时间,不同应用场景对于响应时间的需求也不相同,比如移动用户和导航应用需要更快的位置更新,而静态的资产定位则不需要。
 
4、基于参考点的定位技术
针对定位原理,不同的定位技术就是对参考点与目标对象距离的判断的方式不同,一般是参考点发送特定的信号,目标接收其信号,集合多个参考点信号强度进行特殊处理后,再采用基本的三角定位,确定目标对象与参考点的相对位置关系。
根据参考点信号发射源的不同衍生为不同的定位技术。
 
1、基站定位LBS是根据移动通信基站的信号,优点是无需布网,因为运营商已完成参考基站的建设,缺点是误差较大,部分地区基站间距离可达20km以上,市区定位误差也存在1km的误差。
 
2、wifi定位则是周围无线路由器的广播信号强度,应用较多、相对成熟的定位技术。如果能有效定位则定位精度较高,因为wifi信号太远无法接收,能接收表示和参考点已很接近,缺点是wifi热点的参考位置难收集完整,而且热点是可能发生位置改变的。
 
3、蓝牙定位是基于特殊蓝牙信标广播信号,优势是易于普及,功耗低、成本较低,缺点和wifi定位一样。
 
4、超宽带UWB定位则不同,目标设备不只是接收,根据收发对应脉冲的时间差来计算距离,也是采用三角定位。定位精度高、安全抗干扰等,但建设成本也高。
 
其中基站定位和wifi定位可以基于公用网络,也就是无需自身布置参考点,运营商的基站都有其唯一小区码(MCC+MNC+LAC/TAC_CELLID),wifi热点有唯一的MAC。一般支持定位导航的百度、高德有收集国内基站和wifi热点的位置信息,可以将设备获取的基站信息或wifi信息,包括接收信号强度,请求地图商服务器转换为经纬度,不过这些也需设备支持网络通信功能。
 
5、惯性导航
惯性导航和前面的不一样,主要利用终端惯性传感器采集的运动数据,一般是加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息,基于航位推测法,经过各种运算得到物体的位置信息。
 
但随着时间的累计,惯性导航定位的误差也在不断累积,需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以惯性导航一般和GPS卫星定位或者其他高精度定位方案结合,每隔一段时间进行误差修正。商用成熟的有扫地机器人和车载导航。
 
6、总结
其他如超声波定位、红外定位、视觉定位等,与前面的定位技术一样,每种定位都有其好的应用场景,选择推广按其商业价值来判定。室内定位并不限在室内,一般与GPS卫星定位或者多种定位方式组合使用,不同定位精度和功耗、成本需求下选择不同方式。
 
对于一般的物联网终端产品,除GPS卫星定位外,基站定位、wifi定位、蓝牙定位、UWB定位应用偏多,其他定位技术可能在特殊行业使用。
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2021/12/15 2417 次