室內(nèi)定位技術(shù)研究

1、西北工業(yè)大學(xué)先進(jìn)測試控制技術(shù)導(dǎo)論大作業(yè)室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究姓名： XXX 班級： XXXXXXXX 學(xué)號： XXXXXXXXXX 摘要目前,人們對室內(nèi)定位與導(dǎo)航的需求越來越大,如在展廳、圖書館、倉庫、超市等室內(nèi)環(huán)境中,用戶希望持有可移動設(shè)備能夠自由定位并導(dǎo)航,雖然室外定位技術(shù)發(fā)展越來越完善,但是室內(nèi)定位仍在起步階段。本文研究了室內(nèi)定位系統(tǒng)的背景和國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，闡述了室內(nèi)定位系統(tǒng)的相關(guān)概念和原理，列述了室內(nèi)定位所用到的一些定位算法、定位結(jié)構(gòu)和模型。同時(shí)，在幾種定位算法的基礎(chǔ)上羅列了幾種室內(nèi)定位技術(shù)，包括：超聲波技術(shù)、紅外技術(shù)、頻射技術(shù)、WIFI與藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee與超寬帶技術(shù)等等。并通過比較

2、分析了解了每種技術(shù)的相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位、定位算法、定位技術(shù)目錄摘要II第一章 緒論V1.1 課題背景及研究意義V1.2 研究現(xiàn)狀及其趨勢V1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀VI第二章 室內(nèi)定位系統(tǒng)基本概念與原理VII2.1 定位算法VII2.2 室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型VIII第三章 室內(nèi)定位系統(tǒng)XI3.1 超聲波技術(shù)XI3.2 紅外技術(shù)XI3.3 藍(lán)牙技術(shù)XII3.4 射頻技術(shù)XII3.5 WIFI技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)XIII3.6 Zigbee與超寬帶技術(shù)XIII第四章 結(jié)束語XIV參考文獻(xiàn)XVI第一章 緒論1.1 課題背景及研究意義衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)生及發(fā)展，讓人們擁有了在廣闊的室外空間中以

3、前所未有的可靠性、精度獲取事物地理位置屬性的技術(shù)方法，已經(jīng)基本上解決了在室外空間中進(jìn)行準(zhǔn)確定位的問題，并且已經(jīng)在軍事、資源、交通、農(nóng)牧漁業(yè)、環(huán)境、測繪等領(lǐng)域以及人們?nèi)粘５纳钪械玫搅朔浅V泛的應(yīng)用。然而，雖然定位技術(shù)性能、精度都很高,但是其信號遇到障礙物衰減,無法穿透建筑物進(jìn)行室內(nèi)定位導(dǎo)航的局限性也日漸凸顯,它在室內(nèi)工作效果并不理想。社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及人們生活水平的提高,使得我們對室內(nèi)的定位導(dǎo)航需求越來越大,比如在博物館、超市、機(jī)場等場所消費(fèi)者需要快速了解自身所處位置,并到達(dá)目的地在礦井、火災(zāi)現(xiàn)場,為警察等工作人員提供精確的導(dǎo)航與定位。為了解決室內(nèi)這一特殊環(huán)境定位的問題，必須研究專門的定位方

4、法。與已經(jīng)非常成熟的室外衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)相比，室內(nèi)定位技術(shù)還處于剛起步階段，但是卻具有很大的應(yīng)用空間。室內(nèi)定位的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括導(dǎo)航和工程測量、位置服務(wù)和監(jiān)控以及智能空間。伴隨著人類對室內(nèi)定位需求的增大,科學(xué)技術(shù)也在高速發(fā)展,總結(jié)、分析、研究當(dāng)前的室內(nèi)定位技術(shù)有利于室內(nèi)定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活之中。1.2 研究現(xiàn)狀及其趨勢室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用的區(qū)域是封閉或半封閉空間，室內(nèi)不止是通常所說的一般建筑物內(nèi)部，它還包括地下礦井、密集的高層建筑區(qū)、樹林等。室內(nèi)環(huán)境相比戶外要復(fù)雜的多，根據(jù)不同的環(huán)境、應(yīng)用和需求，用于室內(nèi)定位的技術(shù)主要有:激光、紅外、藍(lán)牙、射頻、無線電、超聲波、計(jì)算機(jī)視覺、磁場等。其

5、中，有些技術(shù)經(jīng)過開發(fā)利用，形成了比較系統(tǒng)的定位服務(wù)解決方案或成形的商業(yè)產(chǎn)品，但仍有許多技術(shù)尚在研究試驗(yàn)中。如使用磁場壓力感應(yīng)的智能地板的研制試驗(yàn)，這種方法需依賴特定的設(shè)備，成本昂貴實(shí)用性低。進(jìn)行室內(nèi)定位的主要測距方法有到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)間差(TDOA)、到達(dá)角度(AOA), RSS技術(shù)等。這些方法都能在定位系統(tǒng)中計(jì)算有效的距離，其中到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差、到達(dá)角度技術(shù)都能提高定位精度，但是由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜可能會影響其定位精度。美國高通公司(QUALCOMM)及其子公司Snap Track在GPS定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了A-GPS解決方案。結(jié)合CDMA網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了移動終在室內(nèi)外端準(zhǔn)確的定位。由

6、于A-GPS是基于CDMA網(wǎng)絡(luò)，需要使用手機(jī)作為載體，所以可能需要用戶使用特制的手機(jī)設(shè)備。一般用戶很難接受為了不頻繁使用的位技術(shù)更換手機(jī)，并且這種特制的手機(jī)相對一般手機(jī)耗電量會增加，所以A-GP技術(shù)目前沒有得到廣泛推廣。 近幾年來一種基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)入到大家的視野中，各大媒體爭先報(bào)道，有的甚至稱WIFI將是室內(nèi)定位的最佳選擇。目前WIFI技術(shù)在現(xiàn)代生活中己經(jīng)被廣泛使用，無論是在政府公共場所還是咖啡廳等休閑場所都有非常廣泛的WIFI熱點(diǎn)部署，人們可以隨時(shí)隨地跟各大運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)像CMCC進(jìn)行連接。而且在移動終端方面，移動終端可以直接由智能手機(jī)替代，只需要開發(fā)一個(gè)APP就可以。由于智

7、能手機(jī)的大量普及，這方面的成本也幾乎可以忽略不計(jì)。WIFI進(jìn)行室內(nèi)定位的主要思想是充分利用現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)建立能提供目標(biāo)室內(nèi)定位的服務(wù)。雖然主流的室內(nèi)定位技術(shù)還有ZigBee, RFID、紅外線、藍(lán)牙，磁場甚至燈光都可以定位，不過這些新興室內(nèi)定位技術(shù)還是有各自的限制，其主要原因是必須個(gè)別部署它們專屬的定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣會耗費(fèi)非常大的建設(shè)成本。目前，室內(nèi)定位技術(shù)還處于起步階段，首先需要解決的是系統(tǒng)開發(fā)問題。雖然國外一些公司和研究機(jī)構(gòu)已在這一領(lǐng)域開展數(shù)年的研究，設(shè)計(jì)出許多系統(tǒng)，如RADAR, AT&T, Active Bat，Cricket等，并且有些已投入商業(yè)應(yīng)用，受成本、定位精度、可靠性以及易用

8、性等方面影響，室內(nèi)定位技術(shù)尚未廣泛用于人們的生產(chǎn)生活當(dāng)中，室內(nèi)定位系統(tǒng)仍然存在大量需要解決的問題。1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀近年來在WIFI室內(nèi)定位技術(shù)上己經(jīng)出現(xiàn)了很多具有代表性的研究成果，較為典型的是RADAR系統(tǒng)、Eorus系統(tǒng)、Nibble系統(tǒng)與Weyes 等室內(nèi)定位系統(tǒng)。1.3.1 RADAR系統(tǒng)RADAR定位系統(tǒng)是微軟公司在2000年提出來的，這個(gè)系統(tǒng)是基于RSSI的室內(nèi)定位方案。它的硬件是基于802.11協(xié)議的。RADAR定位系統(tǒng)定位算法主要分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段，離線建庫階段，就是在實(shí)時(shí)定位前，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)大量采集樣本，建立起地理位置和信號強(qiáng)度的關(guān)系映射表;第二個(gè)階段，在線定位階

9、段，也就是實(shí)時(shí)定位階段，移動終端把接收到的無線接入點(diǎn)的RSSI信號值，通過己有的RSSI與地理位置映射數(shù)據(jù)庫相比較，查找出最有可能的結(jié)果，完成定位。RADAR定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它的平臺比較成熟，無需開發(fā)一個(gè)新的應(yīng)用平臺。它的缺陷是:室內(nèi)環(huán)境一旦改變，那么原有的射頻數(shù)據(jù)庫就會失效，數(shù)據(jù)庫必須隨著時(shí)間的推移定期更新。1.3.2 Eorus系統(tǒng)Eorus定位系統(tǒng)同樣選用RSSI作為參考點(diǎn)的指紋數(shù)據(jù)，與RADAR定位系統(tǒng)不同的是其使用概率模型來創(chuàng)建信號數(shù)據(jù)庫。Eorus系統(tǒng)在收集參考點(diǎn)上的的RSSI數(shù)據(jù)時(shí)，并不像RADAR系統(tǒng)中那樣把接收到的信號取其中值或均值，而是通過大量的數(shù)據(jù)構(gòu)建成每個(gè)基站的接收R

10、SSI值在指紋參考點(diǎn)上的概率分布，并利用生成的概率分布來建立位置指紋數(shù)據(jù)庫。在實(shí)時(shí)定位階段中，為減少計(jì)算量、提高定位算法的速度，Eorus系統(tǒng)提出了一種位置指紋數(shù)據(jù)庫分類的方法。由于單個(gè)基站的覆蓋范圍有限，在實(shí)際定位過程中，沒有必要在整個(gè)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中進(jìn)行匹配搜索，而只需要在定位時(shí)，縮小搜索范圍，只搜索相對應(yīng)的區(qū)域，從而提高定位算法的速率與實(shí)時(shí)性。1.3.3 Nibble系統(tǒng)Nibble定位系統(tǒng)跟上面的兩個(gè)系統(tǒng)的最大不同點(diǎn)在于其采用信噪比(SNR)作為信號樣本，并用接收信號的信噪比值來建立參考點(diǎn)的位置指紋數(shù)據(jù)庫。開發(fā)Nibble定位系統(tǒng)的人認(rèn)為信號的SNR比RSSI能更好的提取出位置特征信息。跟上

11、面的Eorus系統(tǒng)一樣，Nibble系統(tǒng)也使用概率模型來建立位置指紋數(shù)據(jù)庫，但與Eorus不同的是Nibble定位系統(tǒng)使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來創(chuàng)建SNR的概率分布圖與參考點(diǎn)的位置指紋數(shù)據(jù)庫。Nibble系統(tǒng)把較大的一個(gè)區(qū)域(比如整個(gè)房間)當(dāng)成一個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行定位，所以比較適用于對定位精度要求不高的環(huán)境中。第二章 室內(nèi)定位系統(tǒng)基本概念與原理2.1 定位算法目前的定位算法，從原理上來說，大體上可以分為3種：鄰近信息法、場景分析法以及幾何特征法。2.1.1 鄰近信息法利用信號作用的有限范圍，可以確定待測點(diǎn)是否在某個(gè)參考點(diǎn)的附近。但只能提供大概的定位信息，能滿足某些應(yīng)用的要求。例如利用手機(jī)基站定位，可以確定來電歸

12、屬地，但精度也只能確定在某一地區(qū)。2.1.2 場景分析法 對于指定位置的可測量特征定位。比如測量接收信號的強(qiáng)度，與實(shí)現(xiàn)測量的、存在數(shù)據(jù)庫的該位置的信號強(qiáng)度作對比。理想的場景分析法可以利用視頻識別，看到某一景物就能確定位置，但這需要龐大的信息知識庫做支撐。2.1.3 幾何特征法幾何特征法是利用幾何原理進(jìn)行定位的算法，是目前應(yīng)用最廣泛的定位算法，通常需要多個(gè)點(diǎn)和邊作為已知條件進(jìn)行計(jì)算定位，具體又分為以下幾種。（1）三邊定位法:在平面上，三邊定位法就是測量待測點(diǎn)到3個(gè)不在同一直線上的參考點(diǎn)的距離。根據(jù)估計(jì)的三邊距離，再結(jié)合參考點(diǎn)的位置，待測點(diǎn)的位置就在3個(gè)圓的交點(diǎn)上。(2)三角定位法:利用了這樣一個(gè)

13、事實(shí):在一個(gè)三角形中，如果已知一條邊的長度和兩個(gè)角的大小，那么可以確定第3個(gè)點(diǎn)的位置，且該點(diǎn)是三角形另外兩條邊的交點(diǎn)。(3)雙曲線定位法:形成雙曲線的幾何原理是:到兩個(gè)固定點(diǎn)距離差為常數(shù)的動點(diǎn)軌跡，是以這兩個(gè)固定點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線。由3個(gè)不在一條直線上的參考點(diǎn)可以確定兩條雙曲線，兩條雙曲線的交點(diǎn)就是待測點(diǎn)。2.2 室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型2.2.1 結(jié)構(gòu)原理 目前的定位技術(shù)多要借助輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，通過不同的測距方式，計(jì)算出待測節(jié)點(diǎn)相對于輔助節(jié)點(diǎn)的位置，然后與數(shù)據(jù)庫中事先收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而確定當(dāng)前位置，如圖4所示。圖4 室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)原理圖 首先在室內(nèi)環(huán)境設(shè)置固定位置的輔助節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的位

14、置已知，有的位置信息是直接存在節(jié)點(diǎn)中，如RFID的標(biāo)簽，有的是存在電腦終端的數(shù)據(jù)庫中，如紅外線、超聲波等。然后測量待測節(jié)點(diǎn)到輔助節(jié)點(diǎn)的距離，從而確定相對位置。使用某種方式進(jìn)行測距通常需要一對發(fā)射和接收設(shè)備，按照發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置大體可以分為兩種:發(fā)射機(jī)位于被測節(jié)點(diǎn)，接收機(jī)位于輔助節(jié)點(diǎn)，例如紅外線，超聲波和RFID ;另一種是發(fā)射機(jī)位于輔助節(jié)點(diǎn)，接收機(jī)位于被測節(jié)點(diǎn)，例如WiFi、超寬帶、ZigBee和藍(lán)牙。最后分析計(jì)算位置，利用計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，從而得出具體位置。具體流程如圖5所示，除了用到之前已知的輔助節(jié)點(diǎn)位置和計(jì)算得出的距離外，還需要一定的模型來提高精度。圖5 室內(nèi)定位流程圖2.

15、2.2 模型分析隨著人們對定位精度要求的不斷提高，測距后利用幾何定位已不能滿足要求，因此目前的室內(nèi)定位方法都使用計(jì)算模型，具有更高精度和可靠性。目前比較成熟的模型包括傳播模型和指紋模型，這兩種模型在WiFi定位技術(shù)上應(yīng)用廣泛。(1)傳播模型。依靠分析信號傳播過程中的特性來推算傳播距離。常用的特性包括:RSSI ( ReceivedSignal Strength Indication)，AOA (Angel of Arrival)，TOA(Time of Arrival)。由于所有參數(shù)難以在同一模型內(nèi)考慮，所以精度有限。傳播模型得益于已知無線電信號的傳播和AP接入點(diǎn)的位置。但不能很好地處理信號的

16、不確定性。RSSI的數(shù)值不是常數(shù)，即使發(fā)送和接收雙方都不移動，也可能出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩。這是由信道的快速衰落和無線信號傳輸環(huán)境的迅速變化造成的。另外，一般使用的簡單的、便宜的無線信號收發(fā)器通常沒有經(jīng)過校準(zhǔn)，在不同的設(shè)備上即使相同的信號強(qiáng)度也可能導(dǎo)致不同的RSSI值。 (2)指紋模型。是一種基于學(xué)習(xí)的模型，運(yùn)用模式匹配的技術(shù)，根據(jù)所在位置的測量值跟已經(jīng)觀測到的所有位置的測量值作比較，然后根據(jù)匹配情況確定位置?？梢詫⑿盘柕牟淮_定性考慮在內(nèi)，在定位效果方面令人滿意。主要缺點(diǎn)是需要大量的工作量去給一個(gè)給定的環(huán)境建立定位模型并進(jìn)行校準(zhǔn)。而且環(huán)境改變之后，之前建立的模型將不再適用，需要修改。WiFi室內(nèi)定位技

17、術(shù)需要多個(gè)WiFi接入點(diǎn)。第一步是構(gòu)建指紋地圖，按照的形式在不同位置收集數(shù)據(jù)，并寫入指紋地圖的數(shù)據(jù)庫。其中指紋可以包括信號強(qiáng)度、方向以及接入點(diǎn)的MAC地址等信息。第二步是定位，被測物體上安裝WiFi信號接收器，在某一位置接收到信號之后，用當(dāng)前位置的指紋信息到指紋地圖庫中匹配，即可得出所在位置。2.2.3 技術(shù)對比在精度、定位方法、實(shí)例和優(yōu)缺點(diǎn)等方面對當(dāng)前比較成熟的幾種室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行對比，從宏觀上掌握室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的方向和目前研究的瓶頸問題。 通過表1的對比可以看出，目前的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展主要存在以下幾個(gè)共性問題需要解決: (1)精度問題。目前大部分定位技術(shù)的精度還不高，約在幾米之內(nèi)，這

18、個(gè)精度在室內(nèi)環(huán)境來說較大，要提高精度就必須提高抗干擾能力、解決信號衰減、多徑效應(yīng)、視距傳播和信號震蕩校準(zhǔn)等傳統(tǒng)問題。 (2)降低能耗和成本問題。目前大部分的定位技術(shù)都需要在環(huán)境中安裝輔助節(jié)點(diǎn)用于測距、返回位置信息等，要提高精度，就必須安裝大量的輔助節(jié)點(diǎn)，這大幅增加了成本和能耗。有些技術(shù)本身功率大，能耗高，有的技術(shù)需要大量的人力物力去收集指紋信息，完善指紋地圖，此外利用RSSI測距還需要周期性的人為校準(zhǔn)等，這些都在實(shí)用性方面大幅制約了技術(shù)的發(fā)展。通過構(gòu)建指紋地圖來提高WiFi定位的精度，其中利用移動設(shè)備使用位置的歷史來完善指紋地圖，降低了人工搜集指紋的工作量。利用多層建筑中各樓層結(jié)構(gòu)的相似性，提

19、出了一種算法來減輕收集指紋的工作量。提供了一種基于FM調(diào)頻的自校準(zhǔn)機(jī)制，克服了RSSI測距時(shí)電磁波震蕩產(chǎn)生的誤差。 (3)通用標(biāo)準(zhǔn)化問題。各種定位技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)，未來室內(nèi)定位的發(fā)展趨勢必然是多種技術(shù)的融合，取長補(bǔ)短。而體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化問題、各種技術(shù)的無縫整合問題都大大制約了這樣的發(fā)展趨勢。此外，室內(nèi)定位和室外定位的結(jié)合也是大勢所趨，同樣需要涉及到標(biāo)準(zhǔn)化問題。所以通用標(biāo)準(zhǔn)化的完善有助于促進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。目前的定位技術(shù)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)出臺，無疑限制了多技術(shù)融合的發(fā)展。 (4)未知環(huán)境的定位問題。目前的大多數(shù)定位技術(shù)都是基于熟悉環(huán)境的，環(huán)境中預(yù)先安裝了大量傳感器、標(biāo)簽等輔助基礎(chǔ)設(shè)施，但

20、是實(shí)際應(yīng)用場景并不都是熟悉環(huán)境，比如地震、火災(zāi)、反恐等緊急事件的處理問題，往往沒有條件安裝輔助基礎(chǔ)設(shè)施。所以基于未知環(huán)境的室內(nèi)定位技術(shù)有著巨大的應(yīng)用需求。提出了一種基于未知環(huán)境的定位技術(shù)，利用房間外不同位置的定向天線進(jìn)行定位，取得了一定突破。此外處理如上提出的緊急事件時(shí)，還要求定位系統(tǒng)部署簡單，反應(yīng)快，精度高。 (5)安全隱私問題。個(gè)人的實(shí)時(shí)位置屬于個(gè)人隱私的一部分，涉及到安全問題，目前的定位技術(shù)都會將被測物體的位置信息返回到主機(jī)進(jìn)行計(jì)算或者到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匹配，但主機(jī)或數(shù)據(jù)庫會留底，這樣就留下了一定的安全隱患。文獻(xiàn)15提出的基于RFID的室內(nèi)指導(dǎo)和監(jiān)控系統(tǒng)目的在于保護(hù)使用者隱私，不打擾使用者日

21、常生活。第三章 室內(nèi)定位系統(tǒng)基于定位算法而衍生出來的室內(nèi)定位技術(shù)有:超聲波、紅外線、藍(lán)牙、射頻、Wi-Fi, Zigbee、超寬帶等技術(shù)。3.1 超聲波技術(shù)超聲波室內(nèi)定位技術(shù)目前大多采用反射式測距法，其工作原理:超聲波定位系統(tǒng)由固定安裝在室內(nèi)的若干參考節(jié)點(diǎn)和被定位的移動端組成。移動端向室內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射超聲波信號，參考節(jié)點(diǎn)接收到移動端發(fā)射的超聲波信號后發(fā)射超聲波信號作為響應(yīng)，移動端根據(jù)發(fā)射超聲波到收到參考節(jié)點(diǎn)響應(yīng)回波的時(shí)間差計(jì)算與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，當(dāng)移動端同時(shí)接收到3個(gè)或3個(gè)以上且不在同一直線上參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射的回波后，通過常用于GPS定位系統(tǒng)中的三角定位等算法計(jì)算出移動端當(dāng)前的位置信息。目前，

22、比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有下面兩種:一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進(jìn)行定位。由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠(yuǎn)高于射頻速率，那么可以利用射頻信號先激活電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號，利用時(shí)間差的方法測距。這種技術(shù)成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)采用全局定位，可在移動機(jī)器人身上4個(gè)朝向安裝4個(gè)超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標(biāo)，總體把握數(shù)據(jù)，抗干擾性強(qiáng)，精度高，而且可以解決機(jī)器人迷路問題。超聲波不受可視距離限制，能夠在介質(zhì)中遠(yuǎn)距離傳播，且超聲波發(fā)射的方向容易控制，定位精度可達(dá)到厘米級、精度較高、誤差較小。目前超聲波測距在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，

23、但在定位系統(tǒng)中通常需要其他技術(shù)如無線電輔助定位，增加硬件基礎(chǔ)設(shè)施成本。3.2 紅外技術(shù)紅外線是一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。典型紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng):首先在室內(nèi)安裝固定的光學(xué)傳感器，由紅外線(Infrared IR)發(fā)射器發(fā)射特定的紅外線，光學(xué)傳感器接收紅外線進(jìn)行定位。 如果將紅外線與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實(shí)現(xiàn)定位功能。用紅外線觸發(fā)定位信號使參考點(diǎn)的超聲波發(fā)射器向待測點(diǎn)發(fā)射超聲波，應(yīng)用TOA基本算法，通過計(jì)時(shí)器測距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超聲波反射式定位技術(shù)傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)。紅外線室內(nèi)定位技術(shù)定位精度在5-10m，精度相對較高，但

24、是由于紅外線無法穿透建筑內(nèi)的障礙物僅能在可視的直線距離內(nèi)傳播，使得紅外線傳輸距離短，且當(dāng)紅外發(fā)射器被遮擋物覆蓋時(shí)工作就會發(fā)生異常；紅外線不僅受室內(nèi)布局影響，熒光燈等室內(nèi)光線也會干擾紅外射線，影響定位精度；在硬件設(shè)施上，紅外定位技術(shù)需要在每個(gè)房間內(nèi)安裝光學(xué)傳感器等接收天線設(shè)備，成本較高。總之，紅外線適合在短距離內(nèi)傳播，受室內(nèi)布局及燈光環(huán)境影響較大，整體定位效果具有一定的局限性。3.3 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙室內(nèi)定位的工作原理:藍(lán)牙是一種無線傳輸技術(shù)，它具有傳播距離短、功耗低、支持點(diǎn)到點(diǎn)及點(diǎn)到多點(diǎn)無線互聯(lián)等特點(diǎn)。利用藍(lán)牙技術(shù)的這些特點(diǎn)，在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，配置多用戶的網(wǎng)絡(luò)連接模式，并且保證通過

25、藍(lán)牙技術(shù)連接起的微微網(wǎng)(Pico net)主設(shè)備為室內(nèi)安裝的藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，可根據(jù)測量被定位的從設(shè)備信號強(qiáng)度，獲取被定位用戶的位置信息，從而達(dá)到藍(lán)牙技術(shù)在室內(nèi)定位的目的。利用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位，設(shè)備體積小容易集成在手機(jī)等便攜設(shè)備中，且不受可是距離影響。但是藍(lán)牙設(shè)備昂貴，且易受噪聲信號、復(fù)雜的空間環(huán)境干擾系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。3.4 射頻技術(shù) 3.4.1 RFID技術(shù)原理射頻識別(RFID)技術(shù)是一種操控簡易，適用于自動控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感和電磁禍合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。射頻(RF)是具有一定波長的電磁波，它的頻率描述為:kHz, MHz, GHz，范圍從低頻

26、到微波不一。3.4.2 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。射頻標(biāo)簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻讀寫器放置在待測移動物體上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器則通過有線或無線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫。3.4.3 RFID室內(nèi)定位技術(shù)典型系統(tǒng)LANDMARK圖7 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu) LANDMARK系統(tǒng)是應(yīng)用RFID的典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的信號強(qiáng)度RSSI的分析計(jì)算，利用“最近鄰居”算法和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出帶

27、定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。LANDMARK系統(tǒng)定位精度:平均1m。 缺陷:LANDMARK系統(tǒng)有幾方面缺陷，首先，系統(tǒng)定位精度由參考標(biāo)簽的位置決定，參考標(biāo)簽的位置會影響定位;第二，系統(tǒng)為了提高定位精度需要增加參考標(biāo)簽的密度，然而密度較高會產(chǎn)生較大的干擾，影響信號強(qiáng)度;第三，因?yàn)橐ㄟ^公式計(jì)算歐幾里德公式得到參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的距離，所以計(jì)算量較大。3.5 WIFI技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)Wi-Fi定位是目前比較流行的，適用于家用或者辦公室短距離內(nèi)的無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其定位原理是是根據(jù)定位目標(biāo)與各Wi-Fi接入點(diǎn)的距離來判斷目標(biāo)的位置，也可以根據(jù)事先合成的信號強(qiáng)度圖來判定，其定位精確度大約在1 m-20m。目前，我

28、國很多城市都擁有或者是正在建造Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)成本較低，這是Wi-Fi技術(shù)的一大優(yōu)勢，其缺點(diǎn)是功耗高，接收和發(fā)射器的覆蓋區(qū)域小，受其他信號干擾影響定位精度。藍(lán)牙技術(shù)與Wi-Fi技術(shù)同屬于家用或者辦公室內(nèi)短距離、低功耗的無線技術(shù)，通過無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)獲取信息，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測。其工作頻段是全球通用的2400-2483.SMHzISM。藍(lán)牙技術(shù)通常是結(jié)合RSSI方法使用，在室內(nèi)安裝藍(lán)牙接入點(diǎn)配置基于用戶的網(wǎng)絡(luò)模式，與藍(lán)牙信標(biāo)建立連接，利用RSSI進(jìn)行距離測量，得住定位目標(biāo)的位置。藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位的設(shè)備體積小便于攜帶，容易集成到手機(jī)等便攜設(shè)備中。它的缺點(diǎn)是:受可視距離影響傳播距

29、離短，受其他信號干擾影響定位精度。3.6 Zigbee與超寬帶技術(shù)Zigbee技術(shù)是根據(jù)接收機(jī)收到的信號強(qiáng)度，參照信號在傳播過程中的衰減模型，根據(jù)信號的損耗計(jì)算出接收機(jī)與信號發(fā)射點(diǎn)之間的距離，它也是結(jié)合RSSI方法實(shí)現(xiàn)對定位目標(biāo)位置的判定。超寬帶技術(shù)是近年來新興的一項(xiàng)無線技術(shù)，目前，包括美國，日本，加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項(xiàng)技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。UWB技術(shù)是一種傳輸速率高(最高可達(dá)1000Mbps以上)，發(fā)射功率較低，穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測距定位算法，就是通過信號到達(dá)的時(shí)間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng)。而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)(如圖5所示)則包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動UWB標(biāo)簽。定位過程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進(jìn)行測距定位計(jì)算分析。圖4 UWB室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)圖 基于超寬帶技術(shù)的