那么，室內定位當前有沒(méi)有“剛需”呢？答案是肯定的。今天我們不談現在很熱鬧的消費級市場(chǎng)應用，我們談下室內定位技術(shù)在一些特殊但很重要的場(chǎng)景——消防救援、反恐處突、搶險救災等應急任務(wù)中的應用。

 

 

 

試想一下這樣的場(chǎng)景：大火現場(chǎng)，消防員沖進(jìn)著(zhù)火的大樓里試圖搜救幸存者，火勢越來(lái)越猛烈，煙霧彌漫，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，后方指揮人員掌握了進(jìn)入火場(chǎng)施救的消防員實(shí)時(shí)動(dòng)向，通過(guò)通信設備向現場(chǎng)人員提供準確指揮，避免消防員在火場(chǎng)中迷路，可以最大程度地減少人員傷亡。這對于室內定位技術(shù)來(lái)說(shuō)，也是功德一件了。 

 

目前業(yè)內主流室內定位技術(shù)普遍需要外部設施或先驗數據庫，比如UWB、WiFi、藍牙、地磁等，而消防救援等應急任務(wù)通常來(lái)不及或環(huán)境不允許布置外部定位基站或信標等設備，因此沒(méi)有一種可以滿(mǎn)足緊急任務(wù)下自主定位的要求，所以采用不依賴(lài)任何外部設備或先驗數據庫的慣導定位技術(shù)是目前比較穩妥的手段。慣導定位技術(shù)是一種完全自主式的導航技術(shù)，與普通的定位技術(shù)不同的是，它不依賴(lài)于導航衛星、無(wú)線(xiàn)基站、電子標簽等任何輔助設備和先驗數據庫。

 

對于應急任務(wù)室內定位需求來(lái)說(shuō)，定位產(chǎn)品是否能達到實(shí)戰效果應該從以下幾個(gè)方面評估或者實(shí)際測試：

 

1、 是否可以適應多種步態(tài)，典型步態(tài)有小碎步走、小跑、側移、倒退、上下樓等；

 

2、 沿長(cháng)直線(xiàn)走50米以上，到末端轉５個(gè)以上圓圈（半徑２米以上），再沿原直線(xiàn)走回，評估偏移量，偏移量控制在１%以?xún)鹊膭t為優(yōu)秀產(chǎn)品（慣導存在無(wú)法消除的固定角度和位置漂移，只能盡可能降低；

 

3、 反復上下樓梯，評估高度準確度，尤其是樓層判定，看看會(huì )不會(huì )出現樓層錯誤，小誤差可以接受，但是樓層判錯會(huì )延誤救援甚至造成致命失誤；

 

4、 在建筑物內進(jìn)行實(shí)地測試，磁場(chǎng)是慣導室內定位的一個(gè)重要信息，可以用來(lái)控制慣導的漂移。但是也容易受到外界影響，尤其是建筑物比較緊湊，金屬結構比較多，有大型顯示屏的環(huán)境，應評估定位產(chǎn)品磁場(chǎng)抗干擾特性；

 

5、 有條件的可以進(jìn)行點(diǎn)火試驗，大火會(huì )造成溫度和氣流的急劇變化，如果氣壓計數據融合沒(méi)有處理好，高度會(huì )有很大偏差，簡(jiǎn)易測試方法是通過(guò)空調調節室內外溫差，通過(guò)出入室內外測試定位的穩定性；

 

6、 使用是否便捷、是否需要外部基站輔助都可以評估，在消防救援等應急任務(wù)中不能完全依賴(lài)于任何外部基站，我們的微慣導定位產(chǎn)品GNW-FOEM在無(wú)外部基站輔助情況下可以保持45分鐘左右的精度可用，在同類(lèi)產(chǎn)品中比較出眾；

 

7、 地圖融合算法的優(yōu)劣，無(wú)地圖和有地圖的情況使用評估，我們的iNav智能定位引擎提供了地圖輸入接口，在有室內地圖信息的條件下，可以長(cháng)時(shí)間保持高精度不漂移，做過(guò)的典型試驗是在商場(chǎng)內，1小時(shí)內精度穩定在2米；

 

8、 數據通信方式的選擇，大致分為兩類(lèi)情況，一種是利用運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )外傳（利用基礎網(wǎng)絡(luò )的覆蓋冗余性和其穩健的通信機制），一種是利用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，但是目前還沒(méi)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(zhuān)用通訊網(wǎng)絡(luò )（通常能達到覆蓋地下一層就已經(jīng)算性能達標了），如果產(chǎn)品能兼容運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )和專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )就已經(jīng)是一種比較好的方式了。

 

一種比較可行的產(chǎn)品配置方案是1個(gè)主控端 + 4-8個(gè)單兵節點(diǎn)配置，如圖：

 

圖1 應急任務(wù)現場(chǎng)指揮系統方案圖

 

每個(gè)單兵配備一個(gè)定位模塊（足部）和手持終端，模塊獲取人員運動(dòng)數據后，通過(guò)藍牙通訊傳給手持終端，手持終端通過(guò)遠場(chǎng)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(jìn)行樓層識別?，F場(chǎng)、后場(chǎng)多個(gè)指揮端可同步顯示，有利于消防員現場(chǎng)指揮調度、減少人員傷亡現場(chǎng)，事后可實(shí)現任務(wù)回放，進(jìn)行教學(xué)和經(jīng)驗總結。

 

 

在應急任務(wù)場(chǎng)合，業(yè)內主流室內定位技術(shù)普遍需要外部設施，大多數無(wú)法滿(mǎn)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(shù)?；诖?，市場(chǎng)上也涌現了一批做慣導定位的公司。

 

國外的代表公司有Honeywell、SEER Technology，產(chǎn)品的定位精度基本上為2%-5%，也就是說(shuō)用戶(hù)行走1km，位置誤差為20米，這是無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應用需求的，會(huì )延誤逃生、救援等和位置精度密切相關(guān)的應急任務(wù)，整個(gè)產(chǎn)品沒(méi)有達到真正實(shí)戰的技術(shù)指標。因此這部分產(chǎn)品也因技術(shù)不成熟而未能打開(kāi)市場(chǎng)。

 

國內也有幾家公司在做，如微邁森，和筆者所在的格納微科技等。其中，我們的產(chǎn)品定位精度達到了0.3%，相當于走1公里誤差不到3米，可以適應<15km/h的走路、小跑、側移、后退等任意步行姿態(tài)，基本可以滿(mǎn)足實(shí)際應用需求了。

 

一般人對于0.3%精度仍有質(zhì)疑，其實(shí)產(chǎn)品采用的是普通的低成本MEMS方案，就是智能手機中的G-sensor，而且不依靠任何基站等輔助信息。這種低成本的MEMS器件，通常會(huì )有極高的方向漂移誤差（≥100°/h）和加速度誤差，如果僅采用普通的航位推算算法，加速度積分帶來(lái)的速度和位移誤差將高達10%以上。

 

微慣導室內定位技術(shù)目前發(fā)展比較快，主要是用于緊急救援或者軍事用途，大概分為兩種：

 

 

腰上的方案實(shí)用性更強，但是對于側移、轉彎、原地踏步等步態(tài)就會(huì )產(chǎn)生明顯的誤差積累。目前我們的腰部慣導產(chǎn)品的實(shí)驗結果是2%的精度，走100米誤差達到2m。業(yè)內比較知名的Honeywell的DRM4000（圖2）和SEER Technology的NAViSEER（圖3）都是采用這類(lèi)技術(shù)方案，實(shí)測精度大約在2%～5%。腰部慣導定位模塊無(wú)法適應特殊步態(tài)，實(shí)戰應用受限，希望后期能看到更為優(yōu)秀的產(chǎn)品和技術(shù)出現。

 

 

圖2  DRM4000航位推算模塊    圖3  NAViSEER人員精確跟蹤系統

 

足部的方案精度高，相對穩定，如果能夠穩定在0.3%以?xún)鹊木?，基本能滿(mǎn)足應急任務(wù)的需求了，消防、反恐、救援任務(wù)在建筑物內行走距離不長(cháng)，行走1km誤差累計3m，用戶(hù)基本都可以接受。

 

 

純慣導定位在室內小場(chǎng)景，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的行走后，角度和位置漂移并不明顯，因此在很多使用場(chǎng)景中并沒(méi)有使用其它輔助定位手段。但是這種純慣導定位產(chǎn)品依然有兩個(gè)弱點(diǎn)：

 

一是輸出為相對軌跡，需要將多個(gè)人員的軌跡統一到一個(gè)坐標系中，目前使用較多的做法是所有應急任務(wù)人員在出發(fā)時(shí)經(jīng)過(guò)同一段長(cháng)直線(xiàn)，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(gè)腳墊（相隔至少10米以上），所有隊員依次踩兩個(gè)腳墊，可以通過(guò)后臺自動(dòng)旋轉將多個(gè)隊員統一到一個(gè)坐標。

 

二是就純慣導定位的精度來(lái)說(shuō)，目前業(yè)內0.3%的精度相對比較高，但在大場(chǎng)景長(cháng)距離情況下，由于慣導固有的漂移率，仍然會(huì )有較大的累積誤差（如圖4所示），需要外部的信息進(jìn)行校準。

 

針對這兩大問(wèn)題，我這里分享下我們的兩種解決方案，給大家做個(gè)參考：

 

(1) 通過(guò)地圖匹配輔助微慣導定位；

 

(2) 采用外部藍牙基站輔助微慣導定位。

 

如果可以獲取應急任務(wù)場(chǎng)景的建筑物室內地圖信息，結合地圖匹配技術(shù)，利用基于地圖信息的粒子濾波自動(dòng)學(xué)習路徑算法，校準慣導定位中的殘余誤差并標定多個(gè)，實(shí)現長(cháng)時(shí)間穩定定位，可進(jìn)一步減少輔助定位基站數量，降低定位系統復雜度。

 

采用外部藍牙基站輔助定位，我們目前是以微慣導定位為主，通過(guò)間或獲取的基站藍牙信號進(jìn)行校準，被定位人員在建筑物內結合自身的慣導數據和間或獲取的基站信息，來(lái)獲取一個(gè)穩定的高精度定位結果，同時(shí)實(shí)現了多人軌跡標定，實(shí)際測試結果體驗就會(huì )比較好。這里需要考慮一個(gè)問(wèn)題，就是輔助基站布設的靈活性和快捷性。

 

藍牙也可用于室內定位，但是信號發(fā)射范圍比較小，而且容易受到環(huán)境包括人體的遮擋和干擾，定位精度不高，一般在3米左右；但藍牙設備輕巧，成本低，布設起來(lái)較為方便，這對于應急任務(wù)來(lái)說(shuō)是一大優(yōu)勢。所以以高精度慣導定位為主，輔以便于臨時(shí)布設的藍牙信標，有望解決應急任務(wù)場(chǎng)合的室內定位現場(chǎng)快速部署的問(wèn)題。

 

下面是采用高精度的微慣導定位模塊結合藍牙信標做的外場(chǎng)試驗，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的iNav智能定位引擎進(jìn)行數據融合。

 

圖4  純慣導定位的結果               圖5  慣導+藍牙定位的結果

 

在一個(gè)大型百貨商場(chǎng)中，面積約200米*300米的范圍內總共只部署了3個(gè)藍牙信標，圖5中紅色所標示的為信標的位置。進(jìn)行了約1個(gè)半小時(shí)的自由行走，總計行程約6km，沒(méi)有借助任何地圖信息，可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間的高精度定位，定位誤差最大的地方達到3.6米，90%以上時(shí)間定位誤差均在2米內。慣導定位精度再高也是有漂移的，尤其在這種大場(chǎng)景下，1～2°的角度偏差就可以造成6～8米的位移偏差，藍牙信標和慣導的數據經(jīng)過(guò)iNav引擎融合優(yōu)化后，將多人相對軌跡迅速統一到第一個(gè)人的坐標系，并且實(shí)現穩健的高精度定位。

 

其實(shí)講到這里，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(jiǎn)單了——部署簡(jiǎn)便，間或校準慣導漂移，自動(dòng)實(shí)現多人軌跡方向對齊，無(wú)需任何地圖信息融合，長(cháng)時(shí)間維持在一個(gè)穩定的可接受的精度范圍，是非常適合應急任務(wù)室內場(chǎng)景的。

 

實(shí)際使用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)入室內的應急任務(wù)人員，在室內一些關(guān)鍵位置（大門(mén)、樓梯拐角等）隨意放置3～4個(gè)藍牙，即可完成部署，后續隊員的定位結果都可以依靠這幾個(gè)藍牙小標簽起作用。

 

室內定位技術(shù)種類(lèi)較多，但單靠一種技術(shù)無(wú)法完全解決實(shí)際問(wèn)題，也無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足成本低、精度高、覆蓋廣的需求。在未來(lái)相當長(cháng)一段時(shí)間內，微慣導定位將是應急任務(wù)室內定位解決方案中的核心技術(shù)。

 

本文來(lái)源于雷鋒網(wǎng)。