彭宏玉，劉玉民，郝天鹿

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室內(nèi)定位技術(shù)綜述

彭宏玉，劉玉民，郝天鹿

（唐山學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河北 唐山 063000；唐山學(xué)院 唐山市室內(nèi)定位技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000）

綜述了目前典型的室內(nèi)定位技術(shù)，分析了每種典型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，同時(shí)給出了三角定位法的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)原理及推導(dǎo)，從而為室內(nèi)定位研究系統(tǒng)大范圍應(yīng)用部署提供支持。

物聯(lián)網(wǎng)；定位；室內(nèi)定位

定位技術(shù)融合了移動(dòng)技術(shù)以及實(shí)時(shí)方向判斷技術(shù)[1-2]。定位服務(wù)需要借助GIS地圖實(shí)時(shí)獲取坐標(biāo)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)。定位系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算當(dāng)前位置與信標(biāo)的距離和角度就可以獲得當(dāng)前位置的具體坐標(biāo)值[3-4]。近年來(lái)，已經(jīng)有大量的室內(nèi)定位系統(tǒng)被研發(fā)出來(lái)[5-7]。本文總結(jié)了室內(nèi)定位系統(tǒng)中慣性導(dǎo)航法、感知探測(cè)法、三角測(cè)量法以及模式識(shí)別法等關(guān)鍵定位技術(shù)。

1 慣性導(dǎo)航定位法

慣性導(dǎo)航是室內(nèi)定位中一種主動(dòng)定位技術(shù)，根據(jù)定位物體當(dāng)前位置預(yù)估定位物體下一個(gè)位置。當(dāng)定位物體移動(dòng)時(shí)，慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)程法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚集運(yùn)算來(lái)預(yù)測(cè)定位物體的下一個(gè)位置。測(cè)程法所需數(shù)據(jù)可以通過(guò)傳感器例如加速器、磁力傳感器、羅盤(pán)以及陀螺儀等共同獲得[8-10]，或者通過(guò)定位物體的平均行走速度來(lái)獲取[11]。定位物體的初始位置，可以通過(guò)GPS、RFID標(biāo)簽、或者移動(dòng)電話定位系統(tǒng)獲取[12]。

定位物體位置估算是個(gè)遞歸過(guò)程，隨著時(shí)間的積累，預(yù)估的不精確會(huì)導(dǎo)致定位誤差，定位誤差會(huì)逐步累積，但是可以通過(guò)環(huán)境實(shí)時(shí)信息[13]、RFID標(biāo)簽[14]、超聲波信標(biāo)[15]以及地圖匹配技術(shù)進(jìn)行矯正[16,17]。直接定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于：只需安裝少量的識(shí)別器，因此安裝費(fèi)用低廉。

慣性導(dǎo)航法的主要缺點(diǎn)在于：不精確、并且需要和其他定位技術(shù)結(jié)合使用。如果主動(dòng)定位系統(tǒng)使用RFID標(biāo)簽對(duì)精確度進(jìn)行矯正，系統(tǒng)將會(huì)具有RFID定位系統(tǒng)的所有缺點(diǎn)，包括：架構(gòu)的變化以及用戶需要隨身攜帶RFID閱讀器。如果地圖匹配或者路標(biāo)被用來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤矯正，那么定位環(huán)境的相關(guān)信息需要提前準(zhǔn)備及存儲(chǔ)，而這個(gè)準(zhǔn)備過(guò)程所需費(fèi)用很高。

2 感知探測(cè)定位法

感知探測(cè)定位通過(guò)事先部署的識(shí)別器以及標(biāo)簽感知來(lái)確定定位物體的位置。當(dāng)前有兩種感知探測(cè)法來(lái)確定定位物體的位置：一是將定位信息以及待定位物體相關(guān)信息存儲(chǔ)在定位標(biāo)簽中；二是將定位信息以及待定位物體相關(guān)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用的時(shí)候通過(guò)存儲(chǔ)在定位標(biāo)簽中唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)行檢索。通過(guò)標(biāo)簽感知足以定位一個(gè)人或者一個(gè)物體，而標(biāo)簽讀取器可以手持，也可以植入鞋中、或者拐杖中[14]。人或者物體的具體位置可以通過(guò)與標(biāo)簽相對(duì)位置的變化來(lái)計(jì)算[15]。按定位標(biāo)簽來(lái)劃分可以分為5種技術(shù)。

2.1 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)

RFID標(biāo)簽是當(dāng)前室內(nèi)定位系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種定位標(biāo)簽。基于RFID技術(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)中的RFID標(biāo)簽可是以主動(dòng)的[16]、可以是被動(dòng)的、也可以部分主動(dòng)、部分被動(dòng)[17]。主動(dòng)RFID標(biāo)簽包含電池并且能自主傳輸信號(hào)。由于主動(dòng)RFID標(biāo)簽具有更大的傳輸距離，因此可以大大降低為達(dá)到定位目的而部署RFID標(biāo)簽的數(shù)量。主動(dòng)標(biāo)簽的缺點(diǎn)是電池需要定期更換。被動(dòng)標(biāo)簽不需要電池并且通過(guò)讀取器遠(yuǎn)程充電進(jìn)行信號(hào)傳輸。與主動(dòng)標(biāo)簽相比，被動(dòng)標(biāo)簽更便宜、傳輸距離更短、存儲(chǔ)空間更小[18]。同時(shí)增加了部署費(fèi)用，因?yàn)镽FID標(biāo)簽中存儲(chǔ)一個(gè)ID以及相關(guān)定位信息。主動(dòng)RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)空間可以存儲(chǔ)128 KB的數(shù)據(jù)，被動(dòng)RFID標(biāo)簽存儲(chǔ)空間中可以存儲(chǔ)不超過(guò)128 bytes的數(shù)據(jù)[19]。通常情況下，RFID標(biāo)簽本身是比較便宜的，但是RFID標(biāo)簽的安裝費(fèi)用比較昂貴，因此這些RFID標(biāo)簽需要安裝在地板上或者墻上用來(lái)定位人或者物[20]。比如，在進(jìn)行室內(nèi)定位部署時(shí)，如果需要將RFID標(biāo)簽部署在地板上，當(dāng)?shù)匕迳箱佊械靥簳r(shí)，部署花費(fèi)會(huì)比較低，當(dāng)?shù)匕宓牟馁|(zhì)是水泥或者大理石時(shí)，部署RFID標(biāo)簽的費(fèi)用會(huì)非常高昂。RFID室內(nèi)定位技術(shù)的另外一個(gè)缺點(diǎn)是：人體會(huì)阻擋射頻信號(hào)，從而導(dǎo)致定位精度降低[21]。便宜的RFID標(biāo)簽（被動(dòng)RFID標(biāo)簽）信號(hào)傳輸距離短，因此必須大量部署，如果部署密度不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)不到定位物體[22]。相比之下，主動(dòng)RFID標(biāo)簽傳輸距離長(zhǎng)，但是必須有源。

2.2 紅外技術(shù)

基于紅外室內(nèi)定位技術(shù)，需要在已知位置安裝紅外發(fā)射器，每一個(gè)紅外發(fā)射器在一個(gè)圓錐形區(qū)域都會(huì)廣播一個(gè)唯一的ID[23]。定位人或者物體需要攜帶紅外接收器用于在圓錐形信號(hào)覆蓋區(qū)獲取紅外發(fā)射器發(fā)射的信號(hào)。在典型的紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)中，不但廣播定位對(duì)象的位置信息，而且提供環(huán)境相關(guān)信息以及圖形化移動(dòng)軌跡信息[24]。紅外室內(nèi)定位相比RFID有一定難度，由于傳輸角度窄的問(wèn)題，紅外室內(nèi)定位技術(shù)需要瞄準(zhǔn)線。紅外室內(nèi)定位技術(shù)的缺點(diǎn)在于：自然光以及人造光會(huì)對(duì)紅外室內(nèi)定位造成干擾[25]。由于通過(guò)紅外技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，需要部署大量定位標(biāo)簽，因此安裝費(fèi)用比較昂貴。

2.3 超聲波定位技術(shù)

超聲波室內(nèi)定位技術(shù)需要部署大量的超聲波發(fā)射器來(lái)廣播短波超聲波。超聲波發(fā)射器需要事先部署好，并且定位對(duì)象需要隨身攜帶超聲波接收器。由于接收器接收到最近的兩個(gè)發(fā)射器廣播發(fā)射來(lái)的超聲波信號(hào)傳輸時(shí)間不同，利用這個(gè)不同即可以計(jì)算出定位對(duì)象的位置。通過(guò)發(fā)射器與接收器進(jìn)行超聲波交互，可確定定位對(duì)象的初始方位[26]。其他的典型超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)是將超聲波發(fā)生器以及接收器反過(guò)來(lái)進(jìn)行部署[27]。超聲波室內(nèi)定位技術(shù)的缺點(diǎn)是墻等障礙物會(huì)反射或者阻擋超聲波信號(hào)，這將會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)定位精度下降。超聲波室內(nèi)定位技術(shù)的另外一個(gè)缺點(diǎn)是：在定位時(shí)，需要信標(biāo)（與接收器直接進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)）。

2.4 藍(lán)牙信標(biāo)

藍(lán)牙信標(biāo)也是一種廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位領(lǐng)域的定位技術(shù)。在采用藍(lán)牙信標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，由于藍(lán)牙設(shè)備的延遲問(wèn)題，定位對(duì)象移動(dòng)速度不能太快[28]。藍(lán)牙信標(biāo)必須是有源的，因此藍(lán)牙信標(biāo)存在電池續(xù)航問(wèn)題。在基于藍(lán)牙信標(biāo)室內(nèi)定位系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要配備電池電量檢測(cè)系統(tǒng)，主要目的是查看其電池電量?；谒{(lán)牙信標(biāo)的室內(nèi)定位的主要缺點(diǎn)是：需要在天花板、墻上、或者地面部署發(fā)射器以及接收器，會(huì)改變?cè)瓉?lái)的基礎(chǔ)設(shè)施，增加部署費(fèi)用。

2.5 條碼技術(shù)

在基于條形碼技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，定位對(duì)象需要攜帶一個(gè)條形碼閱讀器。當(dāng)定位對(duì)象需要路徑導(dǎo)航時(shí)，定位對(duì)象需要沿途掃描條形碼，基于該定位對(duì)象唯一的ID就可以對(duì)其進(jìn)行定位。基于條碼技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)可以根據(jù)定位對(duì)象的ID為其提供定位信息、環(huán)境周圍信息以及定位對(duì)象的移動(dòng)位置是否正確[29]。基于條碼技術(shù)的室內(nèi)定位的優(yōu)點(diǎn)在于：花費(fèi)低、容易安裝及維護(hù)。這種室內(nèi)定位技術(shù)的缺點(diǎn)在于：定位對(duì)象需要沿途找到并且通過(guò)條碼閱讀器掃描每一個(gè)條碼，因此這個(gè)過(guò)程是繁瑣的，容易降低導(dǎo)航速度，并且視覺(jué)有障礙的用戶可能會(huì)難以使用這種室內(nèi)定位系統(tǒng)。

此外，也有研究者采用多種技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)定位信標(biāo)[30]，這些技術(shù)包括傳感器、羅盤(pán)以及粒子濾波技術(shù)等。

3 三角測(cè)量定位法

采用三角測(cè)量法進(jìn)行室內(nèi)定位的系統(tǒng)，需要事先安裝定位標(biāo)簽，室內(nèi)定位標(biāo)簽安裝后可以進(jìn)行室內(nèi)定位、也可以進(jìn)行室外定位。定位標(biāo)簽可以采用RFID定位標(biāo)簽，也可以是用紅外標(biāo)簽或者超聲波標(biāo)簽[31]。

圖1 三角定位法

當(dāng)?shù)扔?時(shí)，三個(gè)球變?yōu)槿齻€(gè)圓在水平面上相交于一點(diǎn)，由公式(2)可以解出。

將公式(2)中的第一個(gè)公式的2代入第二個(gè)公式，再與第三個(gè)公式一起解出。

由以上可知，在使用三角測(cè)量法對(duì)一個(gè)定位對(duì)象進(jìn)行定位時(shí)，需要至少三個(gè)已知信標(biāo)，采用最小二乘法計(jì)算三個(gè)已知信標(biāo)點(diǎn)與定位目標(biāo)的距離來(lái)定位目標(biāo)的位置。系統(tǒng)也可以采用角度測(cè)量法計(jì)算至少三個(gè)新標(biāo)點(diǎn)與定位目標(biāo)的角度來(lái)確定目標(biāo)的位置。GPS是目前最典型的基于衛(wèi)星位置采用三角定位法實(shí)現(xiàn)室外定位[32]。使用高精度GPS定位系統(tǒng)可以將定位精度提高到10 cm以內(nèi)，由于GPS信號(hào)是單向的，因此通過(guò)GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)，有利于保護(hù)用戶的隱私。但在室內(nèi)或者高層建筑之間會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰減而使得定位和導(dǎo)航功能失效的問(wèn)題，這可以借助基站定位法和無(wú)線局域網(wǎng)定位法解決。這兩種方法由于多波反射問(wèn)題與GPS系統(tǒng)定位精度相比，定位精度較低[33]。

4 模式識(shí)別定位法

基于模式識(shí)別的定位算法需要定位目標(biāo)攜帶一個(gè)或者多個(gè)傳感器來(lái)感知數(shù)據(jù)，并且要與之前收集的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。感知數(shù)據(jù)地圖可以通過(guò)不同位置的傳感器采樣來(lái)產(chǎn)生。

4.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的定位技術(shù)要求用戶攜帶一架攝像機(jī)，或者攜帶一個(gè)手持設(shè)備并在該設(shè)備上嵌入一臺(tái)攝像機(jī)。在基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的定位系統(tǒng)中，隨著用戶的移動(dòng)，攝像機(jī)拍照并通過(guò)圖像匹配來(lái)確定用戶的位置和方向，以此達(dá)到定位目的。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的定位方法有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。一是需要大量的存儲(chǔ)設(shè)備存放匹配的圖片；二是需要強(qiáng)大計(jì)算處理能力來(lái)進(jìn)行圖片匹配。因此需要用戶佩戴一個(gè)較大的設(shè)備，這可能會(huì)給用戶行動(dòng)帶來(lái)不便[33]。

4.2 信號(hào)或指紋分布

基于信號(hào)分布或指紋分布的定位技術(shù)需要系統(tǒng)對(duì)一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)源發(fā)來(lái)的信號(hào)數(shù)據(jù)與事先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的信號(hào)數(shù)據(jù)地圖進(jìn)行比較。這種室內(nèi)定位系統(tǒng)在定位前需要進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)用戶定位時(shí)，接收到的定位節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度以及傳播時(shí)間將會(huì)被計(jì)算并且與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中最近的匹配進(jìn)行比較。來(lái)自無(wú)線局域網(wǎng)訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度就是一個(gè)基于信號(hào)分布定位的例子。無(wú)線局域網(wǎng)基站定位的一個(gè)特點(diǎn)就是用相對(duì)數(shù)量比較少的無(wú)線局域網(wǎng)基站就可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員定位[34]。隨著室內(nèi)環(huán)境無(wú)線局域網(wǎng)日益普及，已部署基站足夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)定位，而不需要投資新建基站來(lái)進(jìn)行室內(nèi)定位[35]。其他信號(hào)分布室內(nèi)定位技術(shù)都是將多種低成本傳感器結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，包括加速器、磁力感應(yīng)器、溫濕度傳感器以及光照傳感器[36]。創(chuàng)建一個(gè)包括大量傳感器地圖是非常耗時(shí)間的，而且這個(gè)地圖可能由于溫度光照以及受每天和季節(jié)更迭影響導(dǎo)致不可靠。

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A Survey of Indoor Positioning Technology

PENG Hong-yu1,2, LIU Yu-min1,2, HAO Tian-lu1,2

(Department of Computer Science and Technology, Tangshan College, Tangshan 063000, China; Tangshan Key Laboratory of Indoor Positioning Technology, Tangshan 063000, China)

Typical outdoor positioning technologies are introduced. The advantages and disadvantages are also summarized. At the same time, the realization of trilateration is introduced so as to promote the extensive deployment of indoor positioning systems.

internet of things; indoor positioning; path plan

TP39

A

1009-9115(2018)06-0082-05

10.3969/j.issn.1009-9115.2018.06.019

博創(chuàng)基金項(xiàng)目（1401801），西南交大合作智慧水務(wù)項(xiàng)目（1200305），唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目（220020502）

2018-07-30

2018-09-19

彭宏玉（1977-），男，滿族，河北唐山人，博士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。

（責(zé)任編輯、校對(duì)：田敬軍）