室内定位（最全的总结：种类，方法，特点）

Posted 2020-09-23

时间过得真快，从研究生开始到现在三年过去了。

也就是我做室内定位已经三年多了，不成器，没做出什么成果。

不过踩了不少坑，在这里做个总结，如果有人翻到这篇博客，就当科普也好，如果恰好你也是这个方向，能避免你踩些坑，有些方向的作用那也就值了。

 

ps.可能持续更新。。。

 

1室内定位的主要种类

　 这里要讲的室内定位，主要针对我自己做过或者理解的内容，主要是基于手机平台的行人的室内定位。至于机器人的SLAM通过的激光雷达等部分暂时不敢妄议。

     目前来看，从定位信号来源大致可以分为：

　 1.基于无线信号发射设备的WiFi，蓝牙（iBeacon）,RFID,UWB

　 这一类定位方式，主要通过手机或者特定接收端，WiFi和蓝牙普通的手机具有接受模块，RFID部分手机具有，UWB需要专门的接收设备，当然也有号称把UWB设备集成到手机里面的硬件公司，这个目前就不再我讨论的范围里面了。通过接收以上设备发射的无线信号进行定位，就好像GPS定位一样。

    2.基于惯性导航的（IMU,MEMS）的室内定位

    大家都知道惯导随着时间误差会不断积累，所以这个方法往往不会单独使用，而是和其他技术一起进行融合。由其他的绝对定位技术提供校正信息，而惯导的信息提供连续的定位和起到对其他位置的平滑作用。针对行人而言，如果以手机作为定位平台，基本上就是所谓的微机械的MEMS,基本所有手机都具备。

   3.基于图片（视频）的计算机视觉定位

   这个方法，实话说到目前为止我还没有真正做过。但是Google2017 I/O上面，通过Tango实现了这个通过机器学习及计算机视觉的VPS(Visual positioning service)据说理论精度可达厘米级别，不可谓不可怕。关于我对这个技术的理解，我会放在后面定位方法里面来讲，因为我觉得那样更能看出其特点。

   4.基于地磁

 

2. 室内定位的主要方法论

　2.1.基于无线信号的三边（三角定位）

     这个方法来自于传统的定位方法，类似GPS，假如我们能够获得我们待定位点相对于其它基站的距离或者角度，通过交会列多元方程组求解的方法可以求出我们所在的位置，当然了，实际情况中往往不是求解刚好够定位的方程组，而是用多余的观测值然后利用最小二乘估计方法来估计位置。以下图为例，对于三个基站，我们如果能够获得信号发射和接受的时间差，那么就可以通过时间差和光速传播来求取距离从而获得定位。

　　但是，对于普通的WiFi,蓝牙信号，要想求出从信号发射到信号接收之间的时间差，基本是不可能的。因为你要保持两边的时间同步，才能通过发射时间和接收时间来求取时间差，考虑到c光速的巨大，时间差一点点距离就能差非常远。所以基本不可能通过时间差的方法来进行定位。

　　那么室内定位里面的三边定位是怎么实现的呢？

　　我们知道，只要求取当前目标和各个基站的距离，就能求解目标位置。而这个距离既然不能通过时间和光速之积来获得，我们可以通过另一个方法来获得，那就是信号衰减模型，如下图所示，我们知道在离线状态下，无线信号强度在空间中传播随着距离衰减！ 而这个无线信号强度对于手机上的接收器来说是可测的！那么根据测试到的信号强度，是不是可以根据下图的衰减模型（公式）来反推出距离呢，那么这样不就又可以用三边定位了。

　　当然，这个问题的实际在于：这种信号衰减是针对理想状况啊（真空，无反射）。那么在实际的室内复杂环境下，信号在不断的折射反射（多路径效应）下，这个模型可能就出现了波动了。也就是说你通过测量信号强度来反推距离很大可能带有很大误差，同时由于不同传感器的信号特征不同，模型参数也不一而足，导致这个方法的定位效果其实不太理想。

　　2.2 MEMS的定位方法

　　传统的捷联式惯导中，通过惯性器件测量各个方向上的加速度然后再时间上进行积分，就可以求取目标的移动。但是在行人中，mems比较差的精度和姿态随意性，会导致积分快速发散，精度完全不可用。

　　所以，在行人的室内定位中的mems使用，基本都基于航位推算（PDR）,也就是现在基本很多手机都具有的，通过加速度计算你行走的步数，然后通过估计你每步的长度从而获得行人的移动距离。怎么计算行人的步数呢，如下图所示，行人携带手机在行走过程中，由于重心随着前进的节奏呈现周期性变化。通过这个变化的监测，自然可以知道行人的前进步伐。

　　当然有距离还不够，还需要知道移动方向才能定位，MEMS中自然是还有陀螺仪和地磁传感器，通过这两个传感器和加速度的结合，可以获得前进方向的推算，通常通过滤波组合。不过方向的推算不是很准，所以也有人在使用pdr时，只使用其距离来组合其他的定位方法。

　　2.3 指纹定位方法

　　这个方法还是针对无线信号定位的。2.1中有说道，无论是通过时间还是信号模型衰减求取距离来进行三边定位，都无法完全结果室内信号的波动和环境的影响。

　　所以另外一个经典的室内定位方法，指纹定位方法被提出来了。所谓指纹定位，我的理解，好比公安部门采集了所有人的指纹数据，由于其独一无二的特性，在破案时候通过匹配数据库中的指纹和嫌疑人的指纹来进行查找。

　　室内定位中的指纹法也是这样，首先在室内中收集很多的指纹数据（无线信号数据，通常定义一个个格网点来采集无线强度：对应每个人的指纹），当需要定位的时候，通过手机采集到的无线信号和预先收集的指纹数据库对比，找出最相似的指纹的位置作为定位的位置。就好比通过嫌疑人的指纹来寻找他的身份一样。

 

待续。。。