主頁（http://www.130131.com）：不同于北斗、GPS，解析室內(nèi)定位背后的微慣導(dǎo)技術(shù)

作者大格子GZ，格納微科技技術(shù)總監(jiān)，西安電子科技大學(xué)碩士，就讀控制理論與控制工程專業(yè)。曾作為骨干參與國家慣導(dǎo)產(chǎn)品重要課題，所研成果已經(jīng)成功運(yùn)用于軍工產(chǎn)業(yè)。目前負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)技術(shù)路線和產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)，對于空間定位的慣導(dǎo)、超寬帶、激光、視覺SLAM都略有涉及。在本文中，作者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)談了談微慣導(dǎo)定位方案，以及為什么選擇這個(gè)方案背后的緣由。

提起定位導(dǎo)航，大家首先想到的是GPS，中國也推出了自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。但是衛(wèi)星定位只能用在室外環(huán)境，一到室內(nèi)，由于導(dǎo)航信號(hào)衰減太快，衛(wèi)星定位就無法使用。

那么，室內(nèi)定位當(dāng)前有沒有“剛需”呢？答案是肯定的。今天我們不談現(xiàn)在很熱鬧的消費(fèi)級(jí)市場應(yīng)用，我們談下室內(nèi)定位技術(shù)在一些特殊但很重要的場景——消防救援、反恐處突、搶險(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)急任務(wù)中的應(yīng)用。

消防救援等應(yīng)急任務(wù)對室內(nèi)定位技術(shù)的特殊需求

試想一下這樣的場景：大火現(xiàn)場，消防員沖進(jìn)著火的大樓里試圖搜救幸存者，火勢越來越猛烈，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)入火場施救的消防員實(shí)時(shí)動(dòng)向，通過通信設(shè)備向現(xiàn)場人員提供準(zhǔn)確指揮，避免消防員在火場中迷路，可以最大程度地減少人員傷亡。這對于室內(nèi)定位技術(shù)來說，也是功德一件了。 

目前業(yè)內(nèi)主流室內(nèi)定位技術(shù)普遍需要外部設(shè)施或先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，比如UWB、WiFi、藍(lán)牙、地磁等，而消防救援等應(yīng)急任務(wù)通常來不及或環(huán)境不允許布置外部定位基站或信標(biāo)等設(shè)備，因此沒有一種可以滿足緊急任務(wù)下自主定位的要求，所以采用不依賴任何外部設(shè)備或先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的慣導(dǎo)定位技術(shù)是目前比較穩(wěn)妥的手段。慣導(dǎo)定位技術(shù)是一種完全自主式的導(dǎo)航技術(shù)，與普通的定位技術(shù)不同的是，它不依賴于導(dǎo)航衛(wèi)星、無線基站、電子標(biāo)簽等任何輔助設(shè)備和先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。

對于應(yīng)急任務(wù)室內(nèi)定位需求來說，定位產(chǎn)品是否能達(dá)到實(shí)戰(zhàn)效果應(yīng)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(yīng)多種步態(tài)，典型步態(tài)有小碎步走、小跑、側(cè)移、倒退、上下樓等；

2、 沿長直線走50米以上，到末端轉(zhuǎn)５個(gè)以上圓圈（半徑２米以上），再沿原直線走回，評估偏移量，偏移量控制在１%以內(nèi)的則為優(yōu)秀產(chǎn)品（慣導(dǎo)存在無法消除的固定角度和位置漂移，只能盡可能降低；

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

4、 在建筑物內(nèi)進(jìn)行實(shí)地測試，磁場是慣導(dǎo)室內(nèi)定位的一個(gè)重要信息，可以用來控制慣導(dǎo)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(jié)構(gòu)比較多，有大型顯示屏的環(huán)境，應(yīng)評估定位產(chǎn)品磁場抗干擾特性；

5、 有條件的可以進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，大火會(huì)造成溫度和氣流的急劇變化，如果氣壓計(jì)數(shù)據(jù)融合沒有處理好，高度會(huì)有很大偏差，簡易測試方法是通過空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)外溫差，通過出入室內(nèi)外測試定位的穩(wěn)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(yīng)急任務(wù)中不能完全依賴于任何外部基站，我們的微慣導(dǎo)定位產(chǎn)品GNW-FOEM在無外部基站輔助情況下可以保持45分鐘左右的精度可用，在同類產(chǎn)品中比較出眾；

7、 地圖融合算法的優(yōu)劣，無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(nèi)地圖信息的條件下，可以長時(shí)間保持高精度不漂移，做過的典型試驗(yàn)是在商場內(nèi)，1小時(shí)內(nèi)精度穩(wěn)定在2米；

8、 數(shù)據(jù)通信方式的選擇，大致分為兩類情況，一種是利用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)外傳（利用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋冗余性和其穩(wěn)健的通信機(jī)制），一種是利用專用網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)（通常能達(dá)到覆蓋地下一層就已經(jīng)算性能達(dá)標(biāo)了），如果產(chǎn)品能兼容運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)和專用網(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(jié)點(diǎn)配置，如圖：

圖1 應(yīng)急任務(wù)現(xiàn)場指揮系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后，通過藍(lán)牙通訊傳給手持終端，手持終端通過遠(yuǎn)場通訊設(shè)備將數(shù)據(jù)傳遞給指揮中心。系統(tǒng)可融入室內(nèi)地圖，水平精度達(dá)到0.3%，能準(zhǔn)確進(jìn)行樓層識(shí)別。現(xiàn)場、后場多個(gè)指揮端可同步顯示，有利于消防員現(xiàn)場指揮調(diào)度、減少人員傷亡現(xiàn)場，事后可實(shí)現(xiàn)任務(wù)回放，進(jìn)行教學(xué)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

微慣導(dǎo)室內(nèi)定位技術(shù)在應(yīng)急任務(wù)中具有無可替代的優(yōu)勢

在應(yīng)急任務(wù)場合，業(yè)內(nèi)主流室內(nèi)定位技術(shù)普遍需要外部設(shè)施，大多數(shù)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(dǎo)室內(nèi)定位技術(shù)�；�于此，市場上也涌現(xiàn)了一批做慣導(dǎo)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%，也就是說用戶行走1km，位置誤差為20米，這是無法滿足實(shí)際應(yīng)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(yīng)急任務(wù)，整個(gè)產(chǎn)品沒有達(dá)到真正實(shí)戰(zhàn)的技術(shù)指標(biāo)。因此這部分產(chǎn)品也因技術(shù)不成熟而未能打開市場。

國內(nèi)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(dá)到了0.3%，相當(dāng)于走1公里誤差不到3米，可以適應(yīng)<15km/h的走路、小跑、側(cè)移、后退等任意步行姿態(tài)，基本可以滿足實(shí)際應(yīng)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(jī)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，加速度積分帶來的速度和位移誤差將高達(dá)10%以上。

微慣導(dǎo)室內(nèi)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：

(1) 佩戴于腰部的慣導(dǎo)模塊，采用傳統(tǒng)PDR航位推算方案；

(2) 佩戴于足部的慣導(dǎo)模塊，基于足部運(yùn)動(dòng)模型開發(fā)，精度較高；

腰上的方案實(shí)用性更強(qiáng)，但是對于側(cè)移、轉(zhuǎn)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(dǎo)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是2%的精度，走100米誤差達(dá)到2m。業(yè)內(nèi)比較知名的Honeywell的DRM4000（圖2）和SEER Technology的NAViSEER（圖3）都是采用這類技術(shù)方案，實(shí)測精度大約在2%～5%。腰部慣導(dǎo)定位模塊無法適應(yīng)特殊步態(tài)，實(shí)戰(zhàn)應(yīng)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(xiàn)。

圖2  DRM4000航位推算模塊           

圖3  NAViSEER人員精確跟蹤系統(tǒng)

足部的方案精度高，相對穩(wěn)定，如果能夠穩(wěn)定在0.3%以內(nèi)的精度，基本能滿足應(yīng)急任務(wù)的需求了，消防、反恐、救援任務(wù)在建筑物內(nèi)行走距離不長，行走1km誤差累計(jì)3m，用戶基本都可以接受。

“ 微慣導(dǎo) + ”融合定位解決方案

純慣導(dǎo)定位在室內(nèi)小場景，經(jīng)過長時(shí)間的行走后，角度和位置漂移并不明顯，因此在很多使用場景中并沒有使用其它輔助定位手段。但是這種純慣導(dǎo)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(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系中，目前使用較多的做法是所有應(yīng)急任務(wù)人員在出發(fā)時(shí)經(jīng)過同一段長直線，在應(yīng)用層將軌跡旋轉(zhuǎn)到統(tǒng)一坐標(biāo)。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(duì)員依次踩兩個(gè)腳墊，可以通過后臺(tái)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)將多個(gè)隊(duì)員統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)。

二是就純慣導(dǎo)定位的精度來說，目前業(yè)內(nèi)0.3%的精度相對比較高，但在大場景長距離情況下，由于慣導(dǎo)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(zhǔn)。

針對這兩大問題，我這里分享下我們的兩種解決方案，給大家做個(gè)參考：

(1) 通過地圖匹配輔助微慣導(dǎo)定位；

(2) 采用外部藍(lán)牙基站輔助微慣導(dǎo)定位。

如果可以獲取應(yīng)急任務(wù)場景的建筑物室內(nèi)地圖信息，結(jié)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(xí)路徑算法，校準(zhǔn)慣導(dǎo)定位中的殘余誤差并標(biāo)定多個(gè)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定定位，可進(jìn)一步減少輔助定位基站數(shù)量，降低定位系統(tǒng)復(fù)雜度。

采用外部藍(lán)牙基站輔助定位，我們目前是以微慣導(dǎo)定位為主，通過間或獲取的基站藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，被定位人員在建筑物內(nèi)結(jié)合自身的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和間或獲取的基站信息，來獲取一個(gè)穩(wěn)定的高精度定位結(jié)果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多人軌跡標(biāo)定，實(shí)際測試結(jié)果體驗(yàn)就會(huì)比較好。這里需要考慮一個(gè)問題，就是輔助基站布設(shè)的靈活性和快捷性。

藍(lán)牙也可用于室內(nèi)定位，但是信號(hào)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(lán)牙設(shè)備輕巧，成本低，布設(shè)起來較為方便，這對于應(yīng)急任務(wù)來說是一大優(yōu)勢。所以以高精度慣導(dǎo)定位為主，輔以便于臨時(shí)布設(shè)的藍(lán)牙信標(biāo)，有望解決應(yīng)急任務(wù)場合的室內(nèi)定位現(xiàn)場快速部署的問題。

下面是采用高精度的微慣導(dǎo)定位模塊結(jié)合藍(lán)牙信標(biāo)做的外場試驗(yàn)，通過自主開發(fā)的iNav智能定位引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

 圖4  純慣導(dǎo)定位的結(jié)果

圖5  慣導(dǎo)+藍(lán)牙定位的結(jié)果

在一個(gè)大型百貨商場中，面積約200米*300米的范圍內(nèi)總共只部署了3個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)，圖5中紅色所標(biāo)示的為信標(biāo)的位置。進(jìn)行了約1個(gè)半小時(shí)的自由行走，總計(jì)行程約6km，沒有借助任何地圖信息，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的高精度定位，定位誤差最大的地方達(dá)到3.6米，90%以上時(shí)間定位誤差均在2米內(nèi)。慣導(dǎo)定位精度再高也是有漂移的，尤其在這種大場景下，1～2°的角度偏差就可以造成6～8米的位移偏差，藍(lán)牙信標(biāo)和慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)經(jīng)過iNav引擎融合優(yōu)化后，將多人相對軌跡迅速統(tǒng)一到第一個(gè)人的坐標(biāo)系，并且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的高精度定位。

其實(shí)講到這里，我們選擇提出“微慣導(dǎo)+藍(lán)牙”室內(nèi)定位解決方案的原因就很簡單了——部署簡便，間或校準(zhǔn)慣導(dǎo)漂移，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多人軌跡方向?qū)�齊，無需任何地圖信息融合，長時(shí)間維持在一個(gè)穩(wěn)定的可接受的精度范圍，是非常適合應(yīng)急任務(wù)室內(nèi)場景的。

實(shí)際使用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)入室內(nèi)的應(yīng)急任務(wù)人員，在室內(nèi)一些關(guān)鍵位置（大門、樓梯拐角等）隨意放置3～4個(gè)藍(lán)牙，即可完成部署，后續(xù)隊(duì)員的定位結(jié)果都可以依靠這幾個(gè)藍(lán)牙小標(biāo)簽起作用。

室內(nèi)定位技術(shù)種類較多，但單靠一種技術(shù)無法完全解決實(shí)際問題，也無法同時(shí)滿足成本低、精度高、覆蓋廣的需求。在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，微慣導(dǎo)定位將是應(yīng)急任務(wù)室內(nèi)定位解決方案中的核心技術(shù)。

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