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克服挑战,实现高精准度室内定位
 

【作者: Erik Carlberg】2021年11月09日 星期二

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针对高精准度室内定位难题,蓝牙提供了一个新答案。为了要测试这项技术,u-blox于工业仓库进行了概念验证试验,本文聚焦介绍适合室内定位的到达角度(AoA)解决方案。


位置感知:这是物联网技术为企业和消费者带来的主要好处之一。不用花大钱,车队管理人员就能即时追踪车队车辆,物流公司可以追踪运输货物,农民也能追踪他们的牲畜。人们也可以购买联网装置来看顾年迈亲人、追踪宠物或汽车等贵重物品。


透过全球导航卫星系统(global navigation satellite systems;GNSS),包括 GPS、GLONASS、北斗和伽利略系统的建置,定位技术已全面进入人类经济活动及日常生活的各个层面。年复一年,GNSS 技术持续精进,定位精准度从几公尺缩减至几公分,初始定位时间也从几十秒减少至几秒,且服务可用性不断增进,即使是最为密集的都市丛林,GNSS也能提供精确的定位服务。


然而,时至今天,高精准度定位仍存在一个严重盲点:室内空间的定位。微弱的 GNSS 信号无法有效渗透至大部分的室内空间,因此,许多室内活动无法利用连续性位置感知来提升效率,例如:


‧ 医院管理人员无法追踪医疗设备、患者和员工。


‧ 机场管理公司无法优化行李处理程序及快速定位迟到乘客。


‧ 制造厂商无法提升自动化生产流程。


‧ 服务业和零售业者无法追踪客户行为及后端作业。


‧ 仓库管理人员无法利用地面机器人升级作业操作。


基本上,卫星信号在这些室内环境里可说是无用武之地,因此必须采用其他技术来填补此空白区域。例如,具有行动通讯数据机的设备,可以利用行动通讯信号,以所谓的网络指纹辨识(network fingerprinting)或更复杂的飞行时间(time-of-flight)技术,估出相对于附近行动通讯基地台的位置。配备Wi-Fi的设备,也能使用类似方法,以相对于Wi-Fi 热点的位置进行定位。具有蓝牙功能的设备,则能使用接收信号强度指标 (RSSI),估计相对于附近蓝牙信标的接近距离。


表1在室内环境中采用的行动通讯技术(*接近距离。确切值取决于每一部署的细节)

 

Wi-Fi

指纹辨识

Wi-Fi

飞行时间

蓝牙 RSSI

蓝牙 AoA

准确性*

10 m

1~2 m

5~10 m

0.5~1.0 m

能量消耗

安装成本

设备成本


然而,这些技术都有所局限,限制了它们在上述使用情境中的应用,毕竟GNSS技术在准确性、可用性、易用性和成本负担方面,皆已树立极为不凡的标竿。行动通讯和 Wi-Fi 的定位技术所需的硬体成本相对较高,然而能提供的精准度却低于预期。至于蓝牙 RSSI,尽管精准度也不算高,不过由于成本低、功耗低,且相容于目前市面上的大部分联网设备,因此已成功在需要房间级(room-level)定位精准度的应用中站稳脚步。


2019 年,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)推出了蓝牙寻向技术(Bluetooth Direction Finding),在室内定位领域取得突破性进展。该方法使用新型蓝牙信号和多天线阵列,测量行动标签与一个或多个静态锚点之间的蓝牙讯息传播角度,为室内定位难题带来了新的解决可能性。这是首次有室内定位技术能够符合高精准度、易于部署、设备成本低,以及低功耗等各项条件。


ABI Research 预测,从2019 年至 2025 年,蓝牙标签出货量的复合年成长率为 28.3%,预估智慧办公室的成长幅度最大(64.2%),仓储和物流垂直领域的绝对数量最大(超过 1.63 亿)。蓝牙技术与u-blox的户外 GNSS 解决方案可相互补,且采用此技术开发解决方案的全球产业生态系统庞大,加上拥有低功耗、低成本,以及1公尺以下的定位精准度等优点,因此 u-blox 投入大量研发资源推动蓝牙室内定位技术的普及。


蓝牙如何实现高精准度室内定位

蓝牙室内定位的底层技术是蓝牙寻向。顾名思义,蓝牙寻向是要测定蓝牙信号在行动标签和固定锚点之间的传播方向,有两种方式可以实现这个目的,一是采用到达角度(AoA),由锚点计算蓝牙标签传输传入信号的方向。二是采用出发角度(AoD),在此方式中,角色被翻转,由蓝牙标签来计算锚点传输信号的角度。本文聚焦于介绍AoA,此方法更适合室内定位解决方案,至于 AoD则是在室内导航解决方案具有优势。


为了评估此技术,在位于瑞典马尔默市的u-blox办公室内,我们建构了采用AoA 的蓝牙寻向展示,在寻向锚点上安装了伺服马达并设计程式,根据即时计算的到达角度输出来追?移动的蓝牙标签。



图1 : 位於瑞典马尔默市的u-blox办公室内,建构采用AoA的蓝牙寻向追?移动的蓝牙标签展示。
图1 : 位於瑞典马尔默市的u-blox办公室内,建构采用AoA的蓝牙寻向追?移动的蓝牙标签展示。

蓝牙测向的工作原理有两个秘密,首先是带有被称为固定频率扩展信号(constant tone extension;CTE)附加数据的新型蓝牙寻向信号。蓝牙讯息的其余部分经过调变以携带数据,CTE 仅由一连串的「1」组成,因此接收器可以使用这部分讯息来准确测量信号之间的相位差。这也带来了蓝牙寻向工作原理的第二个秘密,也就是隐藏在每个锚点内部的不是单一天线,而是多天线阵列。



图2 : 行动标签发射的测向信号
图2 : 行动标签发射的测向信号

图2说明了行动标签发射的测向信号,是如何到达静态锚点天线阵列的各个天线。由于行进距离不同,每个天线接收到的信号,相对于其他天线都有轻微的相移,归功于 CTE,这是可以测量的。接下来交由锚点内建 MCU 的演算法来解析此数据,以计算出信号的到达角度,精准度约 +/- X 度。


当使用多个锚点而不是单一锚点时,可以使用来自多个锚点的到达角度,以三角测量方式定位追踪器的大致位置。这需要将锚点的精确位置和方向输入定位引擎,然后运用另一种演算法,根据每个锚点计算出的到达角度,借以算出附有标记资产的2D或3D位置。


我们在一个简单的 8 x 6 公尺办公室环境中,于4个角落安装了4个锚点,以95%概率达到1 公尺以下的平均精准度。



图3 : 在工业仓库中试用技术
图3 : 在工业仓库中试用技术

工业仓库是典型的资产追踪应用情境,我们在现场试用了蓝牙室内定位解决方案。 30 x 50 公尺的仓库里有金属货架,用来存放设备和箱子。根据蓝牙规范的定义,原始 RF 数据是交由较低层技术负责,但是并没有指定计算实际到达角度的演算法。在试用中,我们开发一种高效率的演算法,在蓝牙晶片的嵌入式 MCU 上运作,同时仍能提供高精准度和高更新率。特别的是,还优化了射频前端、天线、运作于锚点蓝牙模组的嵌入式演算法,以及将锚点连结至网路的无线网路骨干。


图4是在锚点中使用的蓝牙标签和 L 形天线阵列。



图4 : 在锚点中使用的蓝牙标签和 L 形天线阵列
图4 : 在锚点中使用的蓝牙标签和 L 形天线阵列

在这个试验中,使用了 10 个锚点来覆盖 6 公尺高的空间,占地面积约为1000平方公尺。经由缜密的规划和准备,在安装过程没有任何中断的情况下,只花了大约两个小时便完成定位系统的安装。为了最大化追踪器标签和多天线阵列之间的视野范围,将锚点安装在离地面3至5公尺之间。


我们采用第三方追踪软体来简化部署,在这个案例中使用了 Traxmate,得以轻松输入锚点的位置和方向,并能使用整合型 API 设置定位引擎。最后,在每个锚点和定位引擎之间建立了 Wi-Fi 通信骨干。


在这个试验中,特别费心于配置的设计,务求能在室内环境中提供可靠的效能,毕竟大部分的室内环境部署极为复杂。首先,为了最大化所有可能标签位置和至少3个锚点之间的视线可能性,锚点的放置位置是经过深思熟虑的。关于锚点数量也需审慎考量,如上所述,在这个试验中,使用10个相距约10公尺的锚点,这样的设置能提供良好的平均定位精准度,并且可以即时追踪到标签位置。更重要的是,必须处理多径效应,例如当无线电信号遇到墙壁反弹时,便会造成此效应。在锚点运作用来计算角度的演算法中,就包括多路径缓解,即使在仓库这种颇具挑战性的无线电环境中,依然能够提供强大的效能。


为了减少多径效应,在3个蓝牙传播通道中都使用了CTE,在锚点上使用双极化天线;并且使用先进的传播器直接数据采集(propagator direct data acquisition;PDDA)技术,用于角谱搜寻。


此次成功执行概念验证部署的经验,让我们更加确认蓝牙高精准度室内定位技术的强大。首先,如果部署得当,此技术可以为室内定位新应用提供众所期待的1公尺以下的精准度。其次,如同一般的蓝牙装置,此技术所需的硬体成本远低于其他竞争技术,电力需求也是低得多。室内定位解决方案的部署一向深具挑战性,我们所采用的硬体配置以及和 Web 介面(例如由 Traxmate 开发的介面)的整合,大幅简化了部署工作。


为了协助客户快速开发室内定位应用,u-blox的两款「探索者套件(explorer kit)」,可协助产品开发人员评估蓝牙寻向和高精准度室内定位技术的潜力。 u-blox XPLR-AOA-1 和 XPLR-AOA-2 探索者套件是专为低功耗、简易部署和低拥有成本所设计,可轻松测试利用蓝牙技术来开发门禁控制、碰撞侦测、智慧家电、室内定位和资产追踪等各种应用的能力。


此外,u-blox推出的NINA-B4模组可支援蓝牙5.1标准─包括寻向(direction finding)功能,此模组能在高达105°C的宽广温度范围内运作,再结合其长传输距离能力,是部署于恶劣环境中的理想选择。透过采用到达角(AoA)和出发角(AoD, angle-of-departure)寻向技术,NINA-B4模组可同时做为发射器和接收器使用,为室内应用带来高精准度定位的优势。


(本文作者Erik Carlberg为u-blox短距离无线电产品策略部门资深产品经理 )


**刊头图(source:Matellio)


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