不同於北斗、GPS,解析室內定位背後的微慣導技術

作者 | 發布日期 2016 年 11 月 08 日 11:01 | 分類 網路 , 網通設備
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提起定位導航,大家首先想到的是 GPS,中國也推出了自己的衛星定位系統北斗衛星定位系統。但是衛星定位只能用在室外環境,一到室內,由於導航訊號衰減太快,衛星定位就無法使用。



那麼,室內定位當前有沒有「剛性需求」呢?答案是肯定的。今天我們不談現在很熱鬧的消費級市場應用,我們談室內定位技術在一些特殊但很重要的場景──消防救援、反恐、救災等應急任務中的應用。

消防救援等應急任務對室內定位技術的特殊需求

試想一下這樣的場景:大火現場,消防員衝進著火的大樓裡試圖搜救倖存者,火勢越來越猛烈,煙霧瀰漫,消防員迷路找不到出口,氧氣不夠,最終喪失了生命……

如果能精確定位消防員的位置,後方指揮人員掌握了進入火場施救的消防員實時動向,透過通訊設備準確指揮現場人員,避免消防員在火場中迷路,可以最大程度地減少人員傷亡。這對於室內定位技術來說,也是功德一件了。

目前業內主流室內定位技術普遍需要外部設施或先驗數據庫,比如 UWB、Wi-Fi、藍牙、地磁等,而消防救援等應急任務通常來不及、或環境不允許布置外部定位基地台或信標等設備,因此沒有一種可以滿足緊急任務下自主定位的要求,所以採用不依賴任何外部設備或先驗數據庫的慣導定位技術,是目前比較穩當的手段。慣導定位技術是一種完全自主式的導航技術,與普通的定位技術不同的是,它不依賴於導航衛星、無線基地台、電子標籤等任何輔助設備和先驗數據庫。

對於應急任務室內定位需求來說,定位產品是否能達到實戰效果應該從以下幾個方面評估或者實際測試:

  1. 是否可以適應多種步態,典型步態有小碎步走、小跑、側移、倒退、上下樓等。
  2. 沿長直線走 50 公尺以上,到末端轉 5 個以上圓圈(半徑 2 公尺以上),再沿原直線走回,評估偏移量,偏移量控制在 1% 以內的則為優秀產品(慣導存在無法消除的固定角度和位置飄移,只能盡可能降低。
  3. 反覆上下樓梯,評估高度準確度,尤其是樓層判定,看看會不會出現樓層錯誤,小誤差可以接受,但是樓層判錯會延誤救援甚至造成致命失誤。
  4. 在建築物內進行實地測試,磁場是慣導室內定位的一個重要資訊,可以用來控制慣導的飄移。但是也容易受到外界影響,尤其是建築物比較緊湊,金屬結構比較多,有大型顯示螢幕的環境,應評估定位產品磁場抗干擾特性。
  5. 有條件的可以進行點火試驗,大火會造成溫度和氣流的急劇變化,如果氣壓計數據融合沒有處理好,高度會有很大偏差,簡易測試方法是透過空調調節室內外溫差,經由出入室內外測試定位的穩定性。
  6. 使用是否便捷、是否需要外部基地台輔助都可以評估,在消防救援等應急任務中不能完全依賴於任何外部基地台,我們的微慣導定位產品 GNW-FOEM 在無外部基地台輔助情況下可以保持 45 分鐘左右的精度可用,在同類產品中比較出眾。
  7. 地圖融合演算法的優劣,無地圖和有地圖的情況使用評估,我們的 iNav 智慧定位引擎提供了地圖輸入接口,在有室內地圖資訊的條件下,可以長時間保持高精度不飄移,做過的典型試驗是在商場內,1 小時內精度穩定在 2 公尺。
  8. 數據通訊方式的選擇,大致分為兩類情況,一種是利用營運商網路外傳(利用基礎網路的覆蓋冗餘性和其穩健的通訊機制);一種是利用專用網路,但是目前還沒有一種可以快速部署又便捷可穿戴,能夠覆蓋消防救援的專用通訊網路(通常能達到覆蓋地下一層就已經算性能達標了),如果產品能兼容營運商網路和專用網路就已經是一種比較好的方式了。

一種比較可行的產品配置方案是 1 個主控端 + 4-8 個單兵節點配置,如圖:

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▲ 圖 1:應急任務現場指揮系統方案圖。

每個單兵配備一個定位模組(足部)和手持終端,模組獲取人員運動數據後,透過藍牙通訊傳給手持裝置,手持裝置透過遠場通訊設備將數據傳遞給指揮中心。系統可融入室內地圖,水平精度達到 0.3%,能準確進行樓層辨識。現場、後場多個指揮端可同步顯示,有利於消防員現場指揮調度、減少人員傷亡現場,事後可達到任務回放、進行教學和經驗總結。

微慣導室內定位技術在應急任務中具有無可替代的優勢

在應急任務場合,業內主流室內定位技術普遍需要外部設施,大多數無法滿足緊急情況下自主定位的要求。在這種情況下,首先想到的就是慣導室內定位技術。基於此,市場上也湧現了一批做慣導定位的公司。

國外的代表公司有 Honeywell、SEER Technology,產品的定位精度基本上為 2%-5%,也就是說用戶行走 1km,位置誤差為 20 公尺,這是無法滿足實際應用需求的,會延誤逃生、救援等和位置精度密切相關的應急任務,整個產品沒有達到真正實戰的技術指標。因此這部分產品也因技術不成熟而未能打開市場。

中國也有幾家公司在做,如微邁森,和筆者所在的格納微科技等。其中,我們的產品定位精度達到了 0.3%,相當於走 1 公里誤差不到 3 公尺,可以適應 <15km/h 的走路、小跑、側移、後退等任意步行姿態,基本可以滿足實際應用需求了。

一般人對於 0.3% 精度仍有質疑,其實產品採用的是普通的低成本 MEMS 方案,就是智慧手機中的 G-sensor,而且不依靠任何基地台等輔助資訊。這種低成本的 MEMS 器件,通常會有極高的方向飄移誤差(≥100°/h)和加速度誤差,如果僅採用普通的航位推算演算法,加速度積分帶來的速度和位移誤差將高達 10 %以上。

微慣導室內定位技術目前發展比較快,主要是用於緊急救援或者軍事用途,大概分為兩種:

  1. 配戴於腰部的慣導模組,採用傳統 PDR 航位推算方案。
  2. 配戴於足部的慣導模組,基於足部運動模型開發,精度較高。

腰上的方案實用性更強,但是對於側移、轉彎、原地踏步等步態就會產生明顯的誤差積累。目前我們的腰部慣導產品的實驗結果是 2% 的精度,走 100 公尺誤差達到 2 公尺。業內比較知名的 Honeywell 的 DRM4000(圖 2)和 SEER Technology 的 NAViSEER(圖 3)都是採用這類技術方案,實測精度大約在 2%~5%。腰部慣導定位模組無法適應特殊步態,實戰應用受限,希望後期能看到更為優秀的產品和技術出現。

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▲ 圖 2:DRM4000 航位推算模組;圖 3:NAViSEER人員精確追蹤系統。

足部的方案精度高,相對穩定,如果能夠穩定在 0.3% 以內的精度,基本能滿足應急任務的需求了,消防、反恐、救援任務在建築物內行走距離不長,行走 1 公里誤差累計 3 公尺,用戶基本都可以接受。

「微慣導 +」融合定位解決方案

純慣導定位在室內小場景,經過長時間的行走後,角度和位置飄移並不明顯,因此在很多使用場景中並沒有使用其他輔助定位手段。但是這種純慣導定位產品依然有兩個弱點:

一是輸出為相對軌跡,需要將多個人員的軌跡統一到一個坐標系中,目前使用較多的做法是所有應急任務人員在出發時經過同一段長直線,在應用層將軌跡旋轉到統一坐標。第二種做法大概是部署兩個腳墊(相隔至少 10 公尺以上),所有隊員依次踩兩個腳墊,可以透過後台自動旋轉將多個隊員統一到一個坐標。

二是就純慣導定位的精度來說,目前業內 0.3% 的精度相對比較高,但在大場景長距離情況下,由於慣導固有的飄移率,仍然會有較大的累積誤差(如圖 4 所示),需要外部的資訊進行校準。

針對這兩大問題,這裡分享我們的兩種解決方案,給大家做個參考:

  1. 透過地圖匹配輔助微慣導定位。
  2. 採用外部藍牙基地台輔助微慣導定位。

如果可以獲取應急任務場景的建築物室內地圖資訊,結合地圖匹配技術,利用基於地圖資訊的粒子濾波自動學習路徑演算法,校準慣導定位中的殘餘誤差並標定多個,達到長時間穩定定位,可進一步減少輔助定位基地台數量,降低定位系統複雜度。

採用外部藍牙基地台輔助定位,我們目前是以微慣導定位為主,透過間或獲取的基地台藍牙訊號校準,被定位人員在建築物內結合自身的慣導數據和間或獲取的基站資訊,來獲取一個穩定的高精度定位結果,同時完成多人軌跡標定,實際測試結果體驗就會比較好。這裡需要考慮一個問題,就是輔助基地台布設的靈活性和快捷性。

藍牙也可用於室內定位,但是訊號發射範圍比較小,而且容易受到環境包括人體的遮擋和干擾,定位精度不高,一般在 3 公尺左右;但藍牙設備輕巧,成本低,布設起來較為方便,這對於應急任務來說是一大優勢。所以以高精度慣導定位為主,輔以便於臨時布設的藍牙信標,有望解決應急任務場合的室內定位現場快速部署的問題。

下面是採用高精度的微慣導定位模組結合藍牙信標做的外場試驗,透過自主開發的i Nav 智慧定位引擎進行數據融合。

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▲ 圖 4:純慣導定位的結果;圖 5:慣導 + 藍牙定位的結果。

在一個大型百貨商場中,面積約 200 公尺×300 公尺的範圍內總共只部署了 3 個藍牙信標,圖 5 中紅色所標示信標的位置。進行了約 1 個半小時的自由行走,總計行程約 6 公里,沒有藉助任何地圖資訊,可以達到長時間的高精度定位,定位誤差最大的地方達到 3.6 公尺,90% 以上時間定位誤差均在 2 公尺內。慣導定位精度再高也是有飄移的,尤其在這種大場景下,1~2° 的角度偏差就可以造成 6~8 公尺的位移偏差,藍牙信標和慣導的數據經過 iNav 引擎融合優化後,將多人相對軌跡迅速統一到第一個人的坐標系,並且完成穩健的高精度定位。

其實講到這裡,我們選擇提出「微慣導 + 藍牙」室內定位解決方案的原因就很簡單了──部署簡便,間或校準慣導飄移,自動完成多人軌跡方向對齊,無需任何地圖資訊融合,長時間維持在一個穩定、可接受的精度範圍,是非常適合應急任務室內場景的。

實際使用時,第一個進入室內的應急任務人員,在室內一些關鍵位置(大門、樓梯拐角等)隨意放置 3~4 個藍牙,即可完成部署,後續隊員的定位結果都可以依靠這幾個藍牙小標籤發揮作用。

室內定位技術種類較多,但單靠一種技術無法完全解決實際問題,也無法同時滿足成本低、精度高、覆蓋廣的需求。在未來相當長一段時間內,微慣導定位將是應急任務室內定位解決方案中的核心技術。

作者大格子 GZ,格納微科技技術總監,西安電子科技大學碩士,就讀控制理論與控制工程專業。曾作為骨幹參與國家慣導產品重要課題,所研究成果已經成功運用於軍工產業。目前負責團隊技術路線和產品技術研發,對於空間定位的慣導、超寬頻、雷射、視覺 SLAM 都略有涉略。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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