室内定位方法的分析和对比.pdf

通信与信息处理 o D m m u n j m O na n dI n f b m l a t i o nP m o e s s I n g 自动化技术与应用2 0 1 7 年第3 6 卷第8 期 室内定位方法的分析和对比 朱明清吴冈 ( 黑龙江省科学院自动化研究所，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 9 0 ) 摘 要：惯性定位系统是利用安装在载体上的惯性敏感器件获取加速度和角速度等信息，只要与载体的初始位置信息相结合就可 自主递推出载体的运动方向、位置以及运动速度。惯性导航具有自主性强、隐蔽性好、可实时定位以及全天候工作等优点。 目前人们在不断探索提高惯性定位系统精度的同时，还在寻求形成组合式导航系统。本文概述了各种技术的性能及其应用， 阐述了几种主要的定位技术，就性能和精度比进行对比，最后对各种定位技术同惯性定位系统组合进行了研究。 关键词：室内定位，惯性导航系统 中图分类号：T N 9 2 5文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 7 2 4 l ( 2 0 1 7 ) 0 8 一0 0 6 卜0 4 A n a l y S i Sa n dC O m p a r i S O nO fI n d O O rP O S i t i O n i n gM e t h O d S Z H U 重m g - q i n g ，、UG a n g ( I n s t i n n eo f A u t o m a t i o n ，H e i l o 蛔i a n gA c a d e m yo fS c i e n c e s ，H 抽m15 0 0 9 0C h i n a ) A b s t r a c t ：I n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mo b t a i n st h ea c b e l e r a t i o na n da n g u l a rV e l o c i t yi n f o m a t i o nu s i n gt h ei n e n i a Is e n s i t i v e d e V i c em o l I n t c do nt h ec a r r i e r I fc o m b i n e dw i mm ei n i t i a lp o s i t i o ni n f o 皿a t i o nc a r r i e r i tc a ni n d 印e n d e n t l yd e d u c e t h ed i r e c t i o no fm o V e m e n t ，t h ep o s i t i o n 锄dV e l o c i t yV e c t o r I n e r t i a ln a v i g a t i o nh a sm a n ya d V a n t a g e s ，蛐c h 鹊s 臼o n g i n d e p e n d e n c e ，g o o dc o n c e a l m e n t ，r e a l t i m ep o s i t i o n i n g 柚da l l - w e a m e ro p e r a t i o n A tp r e s e n t ，p e 叩l ec o n s t a n t l ys e e k t oi I n p r o V et h ea c c u r a c yo fi n e r t i a lp O s i t i o n i n gs y s t e m ，龃dt of 0 咖ac o n l b i I l a t i o nO fn a V i g a t i O ns y s t e m s I nt l l i sp a p e r t h ep e r f b n n a n c e 锄da p p l i c a t i o no fv a r i o u st e c h n o l o g i e sa r es u m m 撕z e d S e V e r a lm a i n1 0 c a l i z a t i o nt c c h n o l o g i e sa r e d e s c r i b e d ，t h ep e r f b 咖蚰c e 缸I dp r e c i s i o nr a t i oa r ec o m p 盯e d F i n a l l y ，t h ec o m b i n a t i o no fV a r i o u sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y 蛆di I l e n i a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma r es t I l d i e d K e yw o r d s ：i n d 0 0 rp o s i t i o n i n g ；诚而a ln a V i g a 曲ns y s 衄 1 引言 随着科学技术的不断进步，多方面的需求使得室内 定位技术的应用不断扩展。我们一生当中7 5 的时间是 待在室内，多数时候人们对室内的封闭空间不是很熟悉， 为此，通过室内定位技术可以实时跟踪孩子的位置。目 前室外定位技术精度高，定位精度可达厘米级。可见， 室内导航定位随着定位技术的进一步完善，不久的将来 会为人们带来更多便利。 随着定位导航服务需求的日益完善，一些无线定位 系统在交通运输、现代物流、公共安全、旅游娱乐、安 全生产、军事国防等领域发挥着重要的作用。卫星定位 技术已在交通运输、大地测绘、国防等领域取得其成效， 收稿日期：2 0 17 一0 5 1 6 且有望成为手机终端的标准配置。为了提高生产效率， 越来越多的敏感的煤矿、监狱、医院、危险场所、学校、 娱乐场所等地开始部署各种室内定位系统，以提高紧急 情况下的搜救效率以及应急管理水平。定位技术按照使 用基础设施的不同，分为基于卫星定位、基于惯导定位、 基于短距离无线技术定位以及基于图像定位等。 2 各种技术的介绍及目前应用 2 1 超声波技术 超声波定位由一个主测距器和若干个电子标签组 成，主测距器可放置于室内空间的固定位置。目前，比 较流行的是将超声波与射频技术结合进行定位。由于射 频信号远高于射频速率，那么可以利用时间差的方法测 万方数据 自动化技术与应用2 0 1 7 年第3 6 卷第8 期 通信与信息处理 加m u n i 酬o na n dI n f b r m a 廿0 nP n ) s s i n g 距。主测距器放置于室内空间的固定位置，通过确定电 子标签到主测距器之间的距离得到定位坐标。超声波定 位精度比较高。缺陷：因衰减明显会影响其定位有效范 围。基于超声波室内定位的技术应用前景广阔，主要用 于店铺的签到。超声波因衰减较大，不适用于大型场合。 2 2L E D 定位系统 L E D 定位要在L E D 灯具上增加芯片，主要是由用户 智能手机照相机接收光源并进行检测，且用户不需要固 定特定方向就可以接收到反馈过来的直接光源信号，只 需通过智能手机或平板电脑就随时随地实现室内精准定 位、导航、实景地图、公共信息查询等多种便捷服务。 L E D 室内定位技术作为全球室内定位技术的先锋，目前 已经实现了室内3 D 实景地图的光定位技术。该项技术无 论从政策还是市场层面来看都会呈现一个飞跃性的发展。 2 3 蓝牙技术 蓝牙作为短距离的无线输出技术，在短距离内可以 实现多种方式的无线互联，该技术可以用集合方法估算 出大致位置，可以在小范围内使用。 2 4R F I D 定位技术 R F I D 定位技术即射频识别技术：标识造价比较低， 且具有非接触和非视距等优点。因射频信号远高于射频 速率，我们可以利用射频信号接收超声波信号，利用时 间差的方法测距。这种技术精度高，可以解决机器人迷 路问题。定位精度高但是不具有通信能力，而且不便于 整合到其他系统之中。 2 5 无线定位技术 无线定位技术中每个微小的盲节点受多径效应和移 动的影响都很大，而且定位精度高，已经被很多大型的 工厂和车间作为人员在岗管理系统所采用。 2 6W i F i 定位技术 因w i F i 网络的普及，变得非常流行。W i F i 定 位系统具有强大的扩展功能，能够实现无线传感、语 音、视频等多种功能。同时具有很强的兼容性网络，能 够利用已铺设的W i F i 网络来保证网络集中管理能力。 W i F i 整个系统都采用基于8 0 2 11 a b g 等标准的硬 件设备，具有与其他客户的共享网络，不用另外安装单 独无线网络的必要性。由于不需要增加任何硬件而降低 了初始成本和长期支持成本，也降低了射频( R F ) 干扰 可能性。 2 7 Z i g B e e 定位技术 最显著的特点是通信效率非常高，非视距传输，易 受电磁噪声干扰。统是应用R F I D 的典型的室内定位系 统。该系统利用“最近邻居”算法和经验公式来确定坐 标。为了提高定位精度需要增加欧待定标签距离的计算， 因此计算量较大。 2 8 超宽带技术 超宽带室内定位技术是UW B 技术穿透能力较强并 且是基于极窄脉冲的无载波技术。其是通过信号到达的 时间差，利用双曲线交叉来定位的超宽带系统。通过过 滤电磁波传输过程中夹杂的噪声而得到含有效信息的 信号，最后通过中央处理单元进行测距定位计算分析。 基于超宽带技术的室内定位系统为三边定位，定位精度 为：5 。8 c m ，但是造价较高。 3 可以与惯性导航组合使用的定位技术 3 1W I F | 定位 3 1 1 定位方法 W I F I 定位在定位过程中首先初始化定位终端装置， 定位终端装置获得WIFI 无线信号并通过惯性导航系统 自主定位，同时对惯性导航系统自主定位中的步长信息 进行在线调整。最后将定位终端装置的实时位置信息上 传到数据库，并在定位终端装置的显示系统中展示所述 定位终端装置移动的轨迹。 3 1 2 距离确定 在获取目标的单视觉特征后，进行特征匹配或多目 视觉立体成像模型，并采用图像定位跟踪技术，在难以 探测的环境对目标进行被动跟踪。不过，由于图像定位 技术设备能耗大，成本较高。 3 1 3 信号技术 适用广域定位，只需使用移动网络无需任何额外设 备开销，具有训练数据采集工作量较大，可根据不同应 用需求选择不同的定位方法，目前与多种定位技术融合 取得了相互取长补短，已成为室内外全空间定位导航技 术的发展趋势。 3 2 U W B 技术 3 2 1 定位方法 是典型的基于超声波测距的高精度室内定位系统。 3 2 2 距离确定 U W B 是一种高精度、低功耗、短距离无线定位技术， 它采用T O A T D O A 等测距技术，可获得l5 c m 测距与 万方数据 通信与信息处理 C O m m 帅i c 甜O na n dI n f b m a a O nP m O e 豁i n g 自动化技术与应用2 0 1 7 年第3 6 卷第8 期 定位精度。UWB 定位技术的主要误差来源无线链路传 播时延带来的空间传播误差、接收噪声影响、参考点之 间不完全同步带来的误差。 3 2 3 信号技术 UW B 定位采用T D O A 测距技术，是典型的基于 U W B 的高精度定位系统。受发射功率的限制，U W B 定 位技术定位范围通过测量超声波的传播距离实现的，其 定位精度较高且有较强的方向性，一般应用于精密机械 加工或需要高精度定位的应用场合。 3 3R F l D 3 3 1 定位方法 R F I D 射频识别是通过射频信号自动识别的系统。 3 3 2 距离确定 R F I D 定位技术可轻易穿透物体读取到标签，不影 响读距。且抗干扰性强，其他频段技术易受环境湿度、 噪音、油污、电磁场、强震动等因素干扰，容易读卡 不稳定而导致数据丢包或读不到标签；读卡距离适中且 稳定，读