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微软室内定位大赛是国际盛名的室内定位大赛

来源知乎

    微软室内定位大赛是国际盛名的室内定位大赛(MS Indoor LOC Competition),从2014年开始举办,每年都能吸引大量的公司和高校团队参加。各个团队在同一块场地,利用各自不同的看家本领,来达到他们力所能及的最高定位精度。

    2016年4月奥地利维也纳,定位大赛如期举行,我代表北京识途科技,有幸参加了此次比赛。2天的赛程中,30多只参赛队的近100多人拥挤一个500平米大小的19世纪维也纳宫殿中,要在其中完成定位采集、上传、测试及最终的评测,对所有的参赛团队来说,都是一个有趣的挑战。经常地,你需要跨过别人的基站、绕开地上的电线,还要从人群中小心闪避那穿行于其中的近百万的激光雷达。

    这次的比赛主办方将所有的参赛组分成了3D组和2D组,对于2组的定义,官方给出的标准是:3D组允许在场地中部署额外的辅助定位硬件,并且允许使用特质的设备作为被定位的终端,上报坐标时需要x、y、z三轴坐标;2D组不允许部署任何额外硬件,仅利用场地现有设施来进行定位,且必须使用智能手机、平板电脑或笔记本电脑作为被定位终端;在定位过程中,仅需x和y即可。

    总的来说,3D组的技术基本上由激光、UWB、超声波构成;而2D组则基本上由惯性导航、Wi-Fi结合各种传感器为主。

    对于3D组中的几乎所有定位技术,基本都是使用TOA/TDOA/AOA三种原理中之一(大家可以自行百度,这里不再赘述)来实现。

    激光定位

    整个环境里,最吸引人的明星,莫过于几台价值昂贵的激光定位装置。其基本上都由一个不停旋转的雷达以及处理终端构成。工程师把这些设备背在身后,激光雷达通常高于人头,并会不停的从360度发射激光。不停在建筑物内行走,就能完成整个场所的3维建模,同时可利用这些数据进行精确的室内定位。通常,这样的设备能达到极高的室内定位精度,误差基本在厘米级别,最优秀者甚至达到了0.05米的精度。

 

    UWB

    3D组中,今年UWB技术占据了大半江山。UWB是Utral Wide-Band的缩写,是利用无线脉冲信号来定位。UWB技术需要部署额外的UWB基站,用来标定位置,定位时使用专有的UWB的信标,所以整个宫殿内随处可见高耸的UWB基站,与素雅的宫殿内景一起形成了独特又矛盾的风景。

    从整个比赛的结果上看,UWB的定位误差精度基本上都在1米以内,国内也有优秀的UWB公司取得了不错的成绩。从使用模式来看,UWB更适合高精度的行业应用。

 

    超声波定位

    超声波定位的定位原理基本同激光及UWB,只不过信号的载体变成了超声波。一般而言,也能到达1米以内的精度。

    iBeacon定位

    原理类似WiFi指纹,只不过产生信号的源头由WiFi AP变成了iBeacon信标,Wi-Fi信号变成了蓝牙信号。iBeacon定位比起Wi-Fi定位的好处在于,其可以完美的支持iOS系统,并且可以在微信中使用,结合诸如位置营销、优惠劵分发等产生额外价值。其也是当前国内商用定位技术的主流,各大公司都在部署或试图部署自己的iBeacon网络。但就技术层面,原理大抵也和Wi-Fi指纹相似,这个后面会更加详细的描述。通常宣称iBeacon定位的精度在1-2米左右,因为iBeacon的载体是低功耗蓝牙,信号发射范围比较小,且信号较为稳定。但我们在市面上通常看到的iBeacon定位,并不能达到如此精度,这主要是由于目前市场上iBeacon设备的功控实现并不理想,不能保证信号处于一个较稳定的范围。

    2D组不允许部署额外硬件设备,要求必须使用智能手机、平板电脑等个人终端作为定位装置。这样的组合更加贴近于实际场景,这也使得这样的定位技术更加具有挑战性,也更难以获得高精度。

    主流技术

    利用RSSI的定位技术(Wi-Fi定位)

    利用现有场所的Wi-Fi 路由器来进行定位,如果没有iOS的强制限制,将会是绝佳的定位信号来源。现代的建筑大都部署了Wi-Fi,用来提供人们联网服务,虽然路由器严格来说也属于额外部署的硬件设施,但由于其上述的性质,使得Wi-Fi本身已经成为了建筑环境的一部分。但由于iOS系统未开放获取无线Wi-Fi信号强度的API,使得Wi-Fi定位技术的应用前景并不乐观。

    Wi-Fi定位(iBeacon)的大概原理主要有2种技术方案,一种是需提前获知其AP的位置,然后通过无线信号衰减的物理理论公式,并加上三角定位算法或其他近距离算法,来计算出终端的位置;但由于无线信号在不同环境的衰减并不相同,使得这一方案获得的精度通常具有较高的误差;现在人们普遍使用的定位技术是指纹原理,大概思想是提前在室内的每个位置采集该点的坐标,以及当前能收到的Wi-Fi信号和强度,形成指纹数据库;在定位时,将终端实时到的信号及强度,与数据库中的指纹数据做匹配,相近者则为其大概位置。开发者只需对信号匹配公式进行数学建模,即可完成该算法的开发。各团队的差异基本来自于匹配算法的不同,以及与其他传感器的结合算法等。

    主流纯Wi-Fi定位技术的精度一般在3~5米左右。

    所有的基于无线信号强度的定位技术中,有2个因素非常关键,一个是信号源部署密度,另外一个就是无线信号的稳定程度。

    惯性导航(PDR)

    惯性导航是仅依据设备的惯性传感器(加速度、陀螺仪等)来进行的导航算法,理论上加速度计2次积分可获得距离、陀螺仪积分可获得角度,由距离及角度,即可知道在特定时间内的行走轨迹。但由于室内定位是人在持有设备,而人的行走姿态比较复杂,加上移动终端传感器的精度受限,加速度2次积分误差较大,所以依照上述方法,误差较大;另外一种替代方案是通过步态检测,检查一段时间中行走的步数,然后乘以人类的步长,即可获得行走距离;如果该设备绑定在鞋或脚上,这样由人手臂引起的误差即可消除,冠以较高精度传感器,可获得不错结果。但惯性导航的特点在于,短距离内能达到一个比较高的精度,在这过程中没有任何辅助的纠正措施,随着时间的推移,误差会累计增大;如果人行走姿态较为复杂,例如非匀速行走,频繁转身,无意识晃动导航设备等,都会增大误差;且惯性导航无法获知初始位置,所以一般往往用来做辅助导航手段,因此严格的来说,惯性导航并不属于定位技术,而是一种辅助。

    此次竞赛,主办方允许手动输入初始位置,这也使得有的团队会使用惯性导航来进行参赛,但由于惯性导航无法获取初始位置,技术上并不是严格的闭环,无法用来单独使用,所以主办方在最终未将其纳入最终的成绩测算。

    地磁定位

    地磁定位是目前新起的导航技术,我们也是采用纯地磁定位参赛,最终以平均精度1.86米取得了2D组的第三。

    地磁定位是利用建筑内独特的地磁场来作为信号源进行定位,相比起Wi-Fi、iBeacon等,地磁场天然存在,且较为稳定,如果建筑建构不发生大的改变,地磁分布也不会发生改变。建筑内的钢筋结构不同,为每个区域形成了其独特的磁场分布,地磁定位正是利用了这种分布来测算位置。地磁定位技术通常可以达到2米左右的精度。但地磁定位获取初始位置,需要持续行走5-8米左右,这给部分场景带来了一些限制。

 

    通过本次比赛中各个队伍的各种表现,对于现有各种技术及使用场景,有了一个较为清晰的认识:

    1、3D组总体来说,精度比2D组高较多,特别适用于某些对定位精度要求非常高的行业;但由于其需要部署额外的硬件或采用额外的终端,所以无法在大规模的个人市场中应用;

    2、基于无线信号强度的定位,例如Wi-Fi、iBeacon可以通过单点采集大量数据,并对这些数据进行滤波(如kalman滤波)以获得较高精度(1-2米);但此种方式仅适用于单点定位,实时导航的效果就较差;

    3、未来商业化的面向个人的定位技术,应该会是多种定位技术的智能融合方案,例如iBeacon+地磁或Wi-Fi+地磁+惯性导航等,这样能在获得较高精度的同时,也能获得较流畅的用户体验;

 

    除了复杂原理和算法,比赛的另一个乐趣之一,就是你总能遇上各种有趣的人:

    来自韩国的几位还在读研的学生,全程完全自费来参加此次比赛,对于学生来说,这笔费用并不便宜,但他们还是来了,为的就是来验证自己的想法;

    3D组的一个团队,用了仅一个月的时间就完成了一个基本的室内定位系统;但在比赛过程中,却出现了10米以上的较大误差,他们本可以放弃成绩,不让这样的结果出现在基本都是厘米级别的3D组别里,但他们仍然坚持完成了比赛,面对失误毫无畏惧;

    另外一个黑人小伙,其同伴未能赶上及时的飞机,而他们所需的所有ZigBee的设备都在同伴身上。不知道他们经历了怎样的焦急和不安,当准备日(比赛前一天只有7个小时准备,之后所有的部署采集工作必须全部结束)结束的1个半小时之内,他们奇迹般的完成了从安装设备、调试、标定及测试的所有工作......

许许多多的团队在技术上的热情和执着,感染着在场的许多人;比赛不是目的,交流和探讨,共同提高才是此次比赛的意义所在;相信未来,通过交流和沟通,更好的室内定位技术将会给人们的生活带来更多的便利。

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