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室内定位启动 创新位置服务新应用
精确判定位置

【作者: 王岫晨】2021年10月13日 星期三

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一般人常用的定位系统,是整合多种程序和服务的应用。至於室内定位系统(IPS)则是进一步将这些定位服务扩展到室内的关键。IPS是高度整合的系统,可以部署在家庭或一般商用建筑物中,并且可以与智能设备互连,为这些应用提供空间环境的分布。


室内定位系统

室内定位系统(IPS)是一种能够在室内环境中,定位一个或多个人和物体的系统。IPS通常由两个不同的元素所组成,包括固定锚点(anchor point)和行动标签(mobile tag)。锚点是放置在建筑物中的设备,而标签则是由与位置相关联的人或物体体所携带。


在现在的生活中,精确分析人或物体的确实位置,已经成为零售、物流、城市规划、休闲活动等许多应用领域规划其服务的必要条件。全球定位系统的成功,以及行动科技的革命,使得人们与物体的位置,在商业化环境和个人生活中有了全新的应用方式。



图一 : 在多层建筑物,特别是大型购物商场中,室内定位可以提供更好的应用体验。
图一 : 在多层建筑物,特别是大型购物商场中,室内定位可以提供更好的应用体验。

然而,当人们在建筑物内时,GPS就难以精确进行定位。这是因为GPS技术使用的是卫星的信号。当没有办法直接连结时,这些信号就会被遮蔽,导致室内定位变得相当困难。这个时候,室内定位系统就可以在室内环境中,即时提供人与物的精确位置讯息。室内定位系统就是用於在GPS讯号无法提供精确度或失效的情况下,用来精确定位人与设备的位置,应用场合包括如多层建筑物、机场、工厂、巷弄中、密闭车库以及地下场所等。


室内定位的重要特性

采用室内定位,最关键的技术特性包括了精确度与覆盖率。精确度被认为是大多数室内定位技术的关键特性,也是最难改进的部分。为了提高准确度,必须布建更多基础设施,这将会增加成本与复杂度。相反的,若不需要进行到过於精确的定位,则可以采用更便宜与简单的解决方案。


至於覆盖率,这是可以与准确性相媲美的第二个重要特性。覆盖范围是位置资讯可用的区域,室内定位的覆盖范围通常小到一个房间,大到可覆盖多房间环境或大面积区域(如仓库或商业中心)的可扩增系统。解决方案通常在覆盖范围和准确性之间进行取舍,其中覆盖范围较大的技术,通常意味着具备较小的准确性。


通常在选择室内定位技术时,还可以考虑其可扩展性,即透过添加更多锚点、接入点或读卡器,来覆盖更大的应用区域。另外,也需注意系统同时定位多个目标点的能力。


蓝牙定位技术

尽管全球导航卫星系统(GNSS)技术有效解决了室外的人员或设备的定位问题,但针对诸如仓储等室内环境中的人员或设备定位,目前还没有任何技术可达成有效的运用。为了因应市场对於更准确的室内定位解决方案日益增加的需求,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)推出了蓝牙寻向功能,与过去基於接收器讯号强度指示器(receiver signal strength indicator;RSSI)的解决方案相比,可提供更显着的效能提升。


蓝牙寻向技术可用来决定无线讯号从行动标签传输到一个或多个固定锚点的方向。利用到达角(angle-of-arrival;AOA)技术,由连接到蓝牙接收器的天线阵列所组成的锚点,就可以侦测到用来传输蓝牙讯号的行动标签之方向或角度。当这样的多天线锚点系统部署完善之後,AoA技术就可用来针对行动装置或标签的精确位置进行三角测量。



图二 : 蓝牙寻向功能可以用来解决仓储环境的人员或设备定位问题。
图二 : 蓝牙寻向功能可以用来解决仓储环境的人员或设备定位问题。

随着蓝牙技术终於可以支援室内人物与设备定位的低功耗、高精准度解决方案,这也将为全球的蓝牙生态系统带来庞大的发展潜力。针对这样的市场,u-blox就推出了两款探索者套件(explorer kit),可协助产品开发人员设计蓝牙寻向和高精准度室内定位技术等相关应用。这两款包括u-blox XPLR-AOA-1和XPLR-AOA-2的套件,是专为低功耗、简易部署和低成本所设计,可用来测试利用蓝牙技术所开发的门禁控制、碰撞侦测、智慧家电、室内定位和资产追踪等各种应用。


高精度导航演算方案

在许多的智能化工厂应用中,我们也可以发现到室内机器人的应用越来越频繁。这些室内机器人的移动都需要更为精准的室内定位技术作为支援。市场研究机构ABI Research估计,室内自主机器人产业在未来五年的年复合成长率将达到达到20%。若能以更为简易的方式来为机器人提供精确定位,将可为企业省下不少设备建置的成本。


MotionEngine Scout所提出的解决方案,可以为室内自主机器人实现精确定位,无需昂贵的镜头或光学雷达(LiDAR)来进行导航,只需使用与感测器和处理器无关的嵌入式软体解决方案,其中整合了机器人的光感测器(optical flow sensor)、轮式编码器和惯性测量单元(IMU)来提供精确的位置侦测结果,并使用这些资料来提供更准确的导航推算精度,同时还可以避免个别感测器出现错误的高可靠性。目前这样的解决方案已经在几种具有挑战性的场景中,将定位轨迹误差降低了五倍,包括塑胶地板、瓷砖和各式各样不同材质的地毯等。


CEVA则是采用了这样的演算方案,推出Hillcrest Labs MotionEngine Scout,这是一款用於室内机器人智慧导航系统的高精度导航演算软体解决方案,适合为工业或商业环境中的扫地机器人和自主行动机器人(AMR)提供精确的移动定位。


到达角技术增强物联网资产管理

Quuppa的智慧定位系统,也是一套用於定位服务和应用的技术平台。透过其测向方法和定位演算法,可以即时追踪标签和设备,即使在更为复杂的环境中,也能提供达到??米等级的精确性。这种定位系统特色是可以达到每秒50次的发送讯号,如此可以提供更为可靠的多功能即时定位系统服务。


安森美半导体(ON Semiconductor)也将Quuppa智慧定位系统用於RSL10这款低功耗的快闪记忆体无线蓝牙系统单晶片上。这款解决方案以易於使用的CMSIS-Pack格式提供,让制造商能藉此设计超低功耗的室内资产追踪应用产品,使其具备测向特性和到达角(AoA)技术。


RSL10 Quuppa RTLS AoA标签CMSIS-Pack是安森美半导体和技术合作夥伴共同提供的全面资产管理开发生态系统的一部分。这套生态系统目的是为制造商提供更灵活的基础设施布建选择,并提供一系列的RSL10方案,包括感测器开发套件和软体资源。至於一站式方案方面,安森美半导体与Tatwah sa合作开发了蓝牙标签和信标(Bluetooth tags and beacons)组合,其中也包括了Quuppa可追踪标签技术。


结语

透过室内定位系统,就能够准确定位建筑物内设备或人员的位置。室内空间GPS相对不可靠,因此搭配其他定位方法才能使室内定位成为可能。例如透过常见的Wi-Fi或蓝牙低功耗技术,另外也有采用UWB或RFID的解决方案。在现代化的智能化建筑物或智能工厂中,搭配精确与广泛的室内定位技术,将可以让各种应用情境更为升级,达到真正智能化的目标。


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