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室内定位技术发展与应用研究

日期: 2018-01-29     来自: 泰伯网    作者: Admin

随着人类社会的进步,人们越来越关注自身的精确位置信息,以及兴趣点的定位与导航。GNSS提供了有效的室外定位手段,成为很多人的必备工具。但是卫星导航也有它的不足:在高楼林立的城市区域以及大型场馆的室内环境,卫星定位的精度会大幅降低,甚至无法定位。随着人们对精准性和速度的要求越来越高,对室内定位的需求也十分迫切,定位与位置服务“最后一公里”问题日益突出,室内定位凸显了其作用与价值。

常规的室内定位技术手段是:通过在室内有效布置基站,用户凭借手机等工具在基站中产生包括距离和信号强度等指纹特征,再根据多个基站的指纹交叉确定用户的位置。目前,已经投入应用的基站类型包括Wi—Fi、蓝牙、室内LED灯、有源RFID、UWB等多种方式。此外,有研究机构正积极开展基于多媒体的室内定位技术研究,并获得初步成果。完善的室内定位技术,将是整合Wi—Fi、蓝牙等基站数据的解算,配合手机或平板设备的陀螺仪、摄像头、麦克风等自身硬件姿态参数,得出最终用户位置,通过多种途径,实现室内条件下的精准定位。

1 室内定位及应用关键技术

1.1 主要室内定位方法

目前,室内定位技术百花齐放,除主流的Wi—Fi、蓝牙定位技术,还有红外线定位技术、超声波室内定位技术、射频识别(RFID)室内定位技术、ZigBee室内定位技术、超宽带室内定位技术。另外,基于计算机视觉、图像、磁场以及信标等定位方式也已处于开发研究试验阶段,常规定义下的室内环境实时定位系统架构图,如图1所示。

室内定位技术发展与应用研究

图1 常规定义下的室内环境实时定位系统架构图

从精确度、穿透性、抗干扰性、布局复杂程度、投入成本5个方面,对可wi—Fi、蓝牙、传感器3种主流室内定位技术进行对比(见表1)。

室内定位技术发展与应用研究

表1 3种主流室内定位技术对比表

1.1.1 Wi—Fi室内定位技术

基于Wi—Fi的室内定位技术,是通过Wi—Fi路由器与智能终端设备进行Wi—Fi信号互相感知,依据Wi—Fi信号场强确定终端所在位置。按定位方式可分为两种:网络室内定位与终端室内定位。网络室内定位与终端室内定位技术对比见表2。

室内定位技术发展与应用研究

表2网络室内定位与终端室内定位技术对比表

wi—Fi定位可在广泛的应用领域实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务,总体精度较高。wi—Fi路由器和移动终端的普及,使得定位系统可与其他客户共享网络,硬件成本较低,且wi—Fi的定位系统可以降低射频(RF)干扰的可能性。

1.1.2蓝牙室内定位技术

蓝牙室内技术是利用在室内安装的若干蓝牙局域网接入点,把网络维持成基于多用户的基础网络链接模式,并保证蓝牙局域网接人点始终是这个微网(piconet)的主设备,然后,通过测量信号强度对新加入的盲节点进行三角定位。该技术最大的优点是设备体积小、距离短、功耗低,容易集成在手机等移动设备中。只要设备开启蓝牙功能,就能够对其进行定位。蓝牙传输不受视距的影响,但对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。

1.1.3传感器室内定位技术

基于计算机视觉、图像、磁场以及信标等定位方式也在室内定位中发挥了不可估量的作用,但目前处于开发试验阶段,技术有待完善。其中,可见光通信定位技术已有初步技术成果。该技术将需要传输的信息编译成一段调制信号,用脉宽调制的方法附加到LED灯具的驱动电流上,利用室内无处不在的光源作为发射载体,当用户进入灯具照明区域,以不增加任何硬件的智能手机接收并识别光信号,解析出灯具发送的唯一身份识别信息。利用所获取的身份识别信息在地图数据库中确定对应位置信息,完成定位。

1.2室内定位地图数据制作

基于室内定位的应用对网络端和移动平台均有地图数据依赖。应用于室内定位的地图目前包括二维地图、三维地图和室内全景3种形式,其制作方式均与常规室外地图有所不同。此外,针对室内应用的导航地图数据制作也具有一定特殊性。

1、二维地图

二维地图由于其制作相对简便、成本更低,且运行效率、所占空间受移动设备终端制约较小等特点,目前,仍是室内定位地图主流表现方式。采用室内CAD平面数据和对应属性信息作为原始数据源,进行GIS化处理并配以地图符号,配准后生成与室外地图统一坐标体系的室内二维地图数据,并进行在线发布或离线数据。地图需满足Web端与移动端一体化调用条件,以符合节约地图制作成本和系统开发成本原则。

2、三维地图

目前,室内地图中三维地图主要来自人工简易建模和激光扫描建模两种途径。人工简易建模以建筑平面CAD数据为基础,成本低,效率高,但无法接近实际效果;三维激光扫描建模通过三维激光扫描仪及智能3D传感器快速捕捉室内物体和室内环境的三维信息,生成高精度、高密度的三维模型,真实展现现实世界的物理信息,但该方式成本高,数据量大的同时带来巨大的处理工作量,考虑到三维模型在手机APP效果中存在室内地图楼层间跳跃、卡顿等显示问题,目前尚无较好的解决方案。

3、室内全景引擎

室内全景数据是专门针对室内地图展示的一种新型地图样式,以3600无缝广角展现室内全景,实现虚拟现实场景的自由化切换,给用户比较真实的场景体验。该数据主要由百度、腾讯等大型公司制作完成,通过SDK方式接入,实现增强现实技术在室内地图领域的应用。

4、导航数据

由于室内位置的特殊性,其导航数据的制作无法采用类似室外导航路网形式实现,而是需要构建室内导航数据模型,以满足室内导航和位置服务的需要,支持路径规划、地图显示、路线引导及兴趣点查询等功能。

1.3室内路线规划与导航

室内路线规划与导航在室内地图应用中意义重大。实时导航主要通过利用手机内置多种传感器如陀螺仪等,通过惯性导航算法可以检测出用户的运动状态,如用户是否静止、行车、行走,用户的朝向等,对用户不同的运动状态有针对性地处理定位结果,通过Wi—Fi网络环境传递给服务器,通过具体算法完成路径实时导航及路线纠正,作为基于室内地图的路径规划进一步补充,提升用户实时体验。

1.4室内定位应用开发

考虑到目前室内定位技术与室内地图制作尚无通用标准,因此,有众多室内定位应用者采用自主研发形式,开展室内地图的制作与应用展示。该方式针对个体需求,功能灵活,从数据生产、路径规划到实时导航要求自行研究开发算法,对第三方依赖性少,数据可达到安全独享,但研发难度大,涉及大量算法研究,开发周期长,人员精力投入多。

此外,地理信息行业公司也逐步意识到室内定位应用的重要性,纷纷开展室内外定位技术研究和试验,目前,常规GIS公司以及部分有代表性的室内定位应用新兴公司,均提供室内地图接口及较为完整的功能。采用其提供的开发平台,可实现室内地图数据制作与接入、路径规划和实时导航等功能需求。该方式从数据生产到开发都较易实现,开发周期更短,通用性更强,技术支持便捷,但由于接口能力的不确定性及数据制作的排他性,借助第三方开发成果在性能、稳定性及数据安全与独享方面,易受其制约。主要室内定位技术研究公司应用开发情况对比见.表3。

室内定位技术发展与应用研究

表3主要室内定位技术研究公司应用开发情况对比表

2 室内定位应用前景

2.1 主流应用场景

室内定位的主流应用场景主要分为两类:针对消费级的服务和针对专业领域的服务。前者主要包括商场导购、停车场寻车、家人防走散、LBS交友、展厅自助导游等;后者则包括人流监控和分析、智慧仓储和物流、人员资产管理、紧急救援和应急应需等。随着技术日臻完善,室内定位技术将在日常消费、展馆导航等生活领域、智能景区及智慧社区等行业应用领域,以及地铁等地下廊道公共安全领域发挥重要作用。

2.2创新应用方向

通过室内定位技术示范区逐步构建与技术不断拓展,室内定位结合数据仓储与数据挖掘技术,将进一步实现基于位置数据方向的规划分析能力,构建更深层面的智慧位置平台。

1)基于北斗的室内外定位一体化无缝转换

通过室内外定位一体化无缝转换过渡技术,建立基于北斗的室内外无缝定位及位置服务平台,充分实现不同场所下的定位方式切换,提升平台定位精度的同时,扩展定位广度,从而达到位置服务应用在高精度定位、持续无缝定位上的双向拓展。

2)多源异构数据融合、更新技术

目前,室内定位应用已实现二三维地图数据、全景数据、导航数据的地图接入,倾斜摄影数据相关应用也在研究当中。随着数据内容的丰富,利用多源异构数据融合与更新,以实现室内地图的坐标体系相互转换、室内定位数据与室外数据的结合与表达一致性、不同数据间的无缝切换将成为下一步研究热点。

3)室内数据仓储与挖掘

室内定位系统的构建不仅仅是为了定位,将位置信息与多种数据相结合才能有效挖掘室内定位技术的巨大价值,通过更高精度、更大量级的大数据分析,将用户的位置与行为及行为背后的兴趣偏好紧密联系,为多种位置趋势分析提供科学依据,将成为室内定位最终的目标驱动。因此,对室内定位数据的挖掘与分析具有极大的商业价值和应用前景。

3 结束语

虽然作为LBS“最后一米”的室内定位备受关注,但技术的不够成熟依然是不争的事实,室内定位系统依然没有形成一个有力的组织来制定统一的技术规范。通用的地图标准、数据格式及生产工具,现行的技术手段都是在各个企业各自定义的私有协议和方案下发展,各室内定位厂商均本着通过数据生产占领主动权的态度,或通过众包模式实现数据搜集共享,或通过数据生产合作伙伴形式快速建立室内地图数据。随着市场的规范化、规模化,各种室内定位产品将相映生辉,促进室内定位技术与应用的高速发展,在不断的应用探索中,共同推进室内定位技术相关标准的统一。

 

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