室内定位传感器方案汇总
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室内定位传感器方案汇总
1、定位方案概述
1.1、内定位系统有最基本的5种算法：
1.2、常用的室内定位技术主要包括以下几种：
1.3、定位理论
1.4、不同的定位方案对比
2、各种定位方案详细介绍
2.1、单线激光定位
2.2、多线激光定位：
2.3、视觉定位：
2.4、基于射频识别(RFID)技术室内定位
2.4.1、RFID标签（不涉及定位）
2.4.2、RFID定位
2.5、Wi-Fi技术
2.6、蓝牙
2.7、ZigBee定位
2.8、超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术
2.9、LED定位
2.10、红外(Infrared)技术
2.11、超声波(Ultrasound)技术、
1、定位方案概述
1.1、内定位系统有最基本的5种算法：
（1）起源蜂窝小区技术；
（2）时间到达法（TOA）；
（3）时间到达差法（TDOA）；
（4）信号强度法（RSSI）；
（5）到达角度差法（AOA）。
1.2、常用的室内定位技术主要包括以下几种：
（1）基于超声波定位技术；
（2）基于红外线的定位技术；
（3）基于超宽带的定位技术；
（4）射频识别定位技术（WLAN、ZigBee、蓝牙）；
（5）基于激光传感器的定位技术；
（6）基于视觉的定位技术；
1.3、定位理论
定位理论有两种：地图的定位方法以及基于未知地图的定位方法。
基于已知地图定位方法：顾名思义，就是事先获取机器人的工作环境地图（高精度地图），然后根据高精度地图结合激光雷达及其它传感器通过定位算法获得准确的位置估计。室外无人驾驶技术普遍采用的是基于已知地图的定位方法。
基于位置地图的定位方法：指在地图和机器人的位置都事先未知的情况下，要求机器人在一个完全未知的环境中从一个未知的位置出发，在递增地建立环境的导航地图，同时利用已建立的地图来同步刷新自身的位置。该问题被称作同步定位和构图，简称 SLAM。
1.4、不同的定位方案对比
（注：定位精度在0.1米~0.5米 ，通常称为分米级定位；定位精度在0.5米~1米，称为亚米级定位；定位精度在1米~10米则称米级定位。 ）
| 定位技术 | 定位精度 | 可靠性 | 成本 |
| 激光 | 厘米级 | 高 | 高 |
| 视觉 | 分米级 | 中 | 中、低 |
| RFID | 1-10米 | 中 | 低 |
| 蓝牙 | 1-10米 | 中 | 高 |
| WIFI | 2-10米 | 低 | 低 |
| ZigBee | 2-5米 | 中 | 低 |
| UWB技术 | 0.1-0.5米 | 高 | 高 |
| LED定位 | 1-2米 | 高 | 高 |
| 红外定位 | 亚米级 | 低 | 高 |
| 超声波定位 | 0.5米 | 低 | 高 |
2、各种定位方案详细介绍
2.1、单线激光定位
技术类型：单线激光
定位精度：厘米级
稳定性：较好
技术实现原理：amcl（自适应蒙特卡罗定位方法）通过粒子滤波算法、运动模型分析实现基于概率方式的2D环境定位。
技术难度：一般，需要有一定的算法基础。
实现难度、规模化、成本：单线激光成本问题，SICK价格16000左右，国内最便宜的1000以内。价格和精度、稳定性成正比。
优缺点：需要一定计算能力的主机处理激光数据，不适合嵌入式系统应用。
2.2、多线激光定位：
技术类型：多线激光
定位精度：厘米级
稳定性：较好
技术实现原理：
事先通过采集车采取道路的3D点云地图数据，在无人驾驶车辆行驶过程中实时利用激光雷达采集点云数据，并与事先采集的点云数据进行比较，从而获取当前的车辆位置。
位姿跟踪通常采用扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter，EKF)来实现。该方法采用高斯分布来近似地表示机器人位姿的后验概率分布，其计算过程主要包括三步：首先是根据机器人的运模型预测机器人的位姿，然后将观测信息与地图进行匹配，最后根据预测后的机器人位姿以及匹配的特征计算机器人应该观测到的信息，并利用应该观测到的信息与实际观测到的信息之间的差距来更新机器人的位姿。
算法：基于扫描匹配的 SLAM 技术
基于扫描匹配的 SLAM是基于最近邻扫描匹配来估计两次扫描间机器人的平移和旋转的算法。扫描匹配算法主要源自迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法及其改进算法。该算法通过迭代细调由机器人里程计给出的初始位姿，限定了搜索空间。然而，该算法假定机器人的初始位姿和机器人的真实位姿之间的偏差足够小，以便于达到全局最优匹配。
技术难度：高，需要有一定的算法基础。
实现难度、规模化、成本：激光成本问题。2W-60W不等。价格和精度、稳定性成正比。
优缺点：需要一定计算能力的主机处理激光数据。
优势在于探测精度高，探测距离远，对GPS的初值依赖度低，在没有GPS信号的场景下也能实现精准的车辆定位。
缺点在于成本高，一个64线激光雷达价格在六七十万的量级。并且基于点云的地图数据时效性差（不同季节、道路维修、车辆停放），维护成本高。
2.3、视觉定位：
技术类型：视觉定位
定位精度：厘米级、分米级
稳定性：一般，主要看算法稳定性
技术实现原理：
在地图和机器人的位置都事先未知的情况下，要求机器人在一个完全未知的环境中从一个未知的位置出发，在递增地建立环境的导航地图，同时利用已建立的地图来同步刷新自身的位置。该问题被称作同步定位和构图，简称 SLAM。
解决的是：一个机器人在未知的环境中运动，如何通过对环境的观测确定自身的运动轨迹，同时构建出环境的地图。
视觉SLAM是通过摄像头（单目、双目、RGB-D）实现陌生环境的定位与建图。例如ORB-SLAM。
技术难度：高，涉及到的算法较多，需要有深入算法基础、数学功底。
实现难度、规模化、成本：单目成本较低、双目和RGB-D成本在几百元到三千元不等。
优点：
可以获取丰富的图像信息： 行人、桌子、椅子、可运动区域等。
成本低，一个摄像头几百块钱。
缺点：
计算量大，需要一定计算能力的主机处理视觉数据，技术难度大。
并且在强光、逆光、黑夜场景下的效果很差。
2.4、基于射频识别(RFID)技术室内定位
RFID是Radio Frequency IDentification 的缩写，中文普遍翻译为：射频识别。
RFID标签实现了无接触操作，具有体积小，容量大，应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，可重复使用，抗污染能力和耐久性强等特点。并且，RFID标签可以在恶劣环境下工作，读取距离远，并使用了防碰撞技术，可支持多个目标的快速读写、多目标识别、移动识别、非可视识别、实时定位及长期跟踪管理。
根据定义可知只要是用可见光以下的电磁信号来进行识别的技术都可归为RFID的范畴
定位系统的基本硬件组成：标签（TAG），锚点/读写器（Anchor、Reader），时间同步器（采用TDOA机制需要的设备）。
不同的RFID技术：（除了UWB技术、其他技术的定位精度一般在亚米级以上）
2.4.1、RFID标签（不涉及定位）
1、采用125～134KHz频率，遵循ISO/IEC 18000系列规范的设备和系统，由于这种系统的所采用的标签为无源的，多用于读取标签内的信息，人们通常称其为：无源RFID标签系统，不涉及定位。
2、采用13.56MHz频率， 遵循ISO/IEC 18000系列规范的设备和系统 ，无源RFID标签系统，不涉及定位。
3、采用433.92 MHz或860～960MHz，遵循ISO/IEC 18000系列规范的设备和系统，这种系统有采用无源和有源两种标签规格的，也只是读取标签信息，不涉及定位。
2.4.2、RFID定位
采用2.4G或5.8GHz，遵循ISO/IEC 18000系列规范的设备和系统，多采用有源标签，除了简单读取标签信息的应用外，可以实现定位功能，也就是RFID定位。
技术类型：基于信号强度法（RSSI）定位
定位精度：2米以上
稳定性： 一般
技术实现原理：
通过测量周围标签的无线信号强度估算自身位置的方式实现定位。采用刷卡方式，根据阅读器位置对刷卡人员或设备进行区间定位。
技术难度：小
实现难度、规模化、成本：技术要求低，成本低。
优缺点：成本低，定位精确度低。
主要应用：仓库、煤矿、货物跟踪、安检、ETC、办公考勤等 ；
2.5、Wi-Fi技术
技术类型：基于信号强度法（RSSI）定位
定位精度：2-10米
稳定性： 差
技术实现原理：
采用2.4G或5.8GHz，遵循IEEE802.11协议的，即我们大家最最熟悉的Wi-Fi技术。通过无线接入点（包括无线路由器）组成的无线局域网络(WLAN)，可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点（无线接入点）的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位
技术难度：一般
实现难度、规模化、成本：wifi网络已经普及，通过wifi定位成本较低。
优缺点：
如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点，而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图，则Wi-Fi定位就很容易存在误差（例如：定位楼层错误）。
另外，Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。
由于Wi-Fi网络的普及，变得非常流行。Wi-Fi定位可以达到米级定位（2~10米），Wi-Fi定位产品主要应用在专业行业领域（矿井、监狱、医院、石油石化等）。
2.6、蓝牙
技术类型：基于信号强度法（RSSI）定位
定位精度：一米到几十米；
稳定性： 一般
技术实现原理：
采用2.4G，遵循IEEE802.15.1协议，即当下比较火的BLE（蓝牙4.0）定位。采用基于蓝牙的三角定位技术，除了使用手机的蓝牙模块外，还需部署蓝牙基站，最高可以达到亚米级定位精度。
技术难度：一般
实现难度、规模化、成本：由于蓝牙基站的不普及，室内精确定位成本较高，在目前公开报道中，尚没有大规模推广的报道。
优缺点：
优点：
· 功耗小、时延低、成本低、传输距离远；
· 设备小巧而且不受障碍物和非视距的影响
缺点：
· 受环境干扰大，容易受到噪声的影响导致稳定性较差；
· 安装、开发和维护方面均存在需要克服的难点，使用时保证设备信号不被遮挡；
· 蓝牙基站的不普及，室内精确定位成本较高
2.7、ZigBee定位
技术类型：基于信号强度法（RSSI）定位
定位精度：2-5米
稳定性： 一般
技术实现原理：
采用2.4G，遵循IEEE802.15.4协议。ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术。它介于RFID和蓝牙之间，可以通过传感器之间的相互协调通信进行设备的位置定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。
技术难度：低
实现难度、规模化、成本：成本较低。已经被很多大型的工厂和车间作为人员在岗管理系统所采用。
优缺点：
优点：
传输距离短（介于 RFID 与 Blue tooth 技术之间）且功耗很低。
复杂度不高且成本低。
可以通过网络内的传感器相互之间的通信进行传递信息
定位精度可观：2m
缺点：
网络稳定性还有待提高，易受环境干扰。
2.8、超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术
UWB无线精度定位系统采用了UWB(Ultra Wide Band )即超宽带技术。它是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦窄波脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。传统的定位技术是根据信号强弱来判断物体位置，信号受外界干扰较大，因此定位出的物体位置与实际位置的误差也较大，定位精度不高。而UWB定位采用了宽带脉冲通讯技术，具备极强的抗干扰能力，使定位误差减小。UWB定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级定位精度等优点。
超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。
技术类型：根据TOF（信号飞行时间）来定位，可以做到20厘米以内的稳定定位精度。
支持的技术方式：
（1）时间到达法（TOA）；
（2）时间到达差法（TDOA）；
（3）到达角度差法（AOA）。
定位精度：0.1-0.5米
稳定性： 高
技术实现原理：
采用3.5G～10GHZ，遵循IEEE802.15.4a协议。实现定位的技术原理主要是通过计算电磁波在空间的飞行时间乘以光速来换算成距离，可以通过TOA、TDOA、AOA等多种方式实现精确定位。
技术难度：一般
实现难度、规模化、成本：自搭基站成本较高，单个基站成本5000-2W不等，且要想完成室内定位需要根据具体面积搭建多个基站。
优缺点：
优点：穿透能力强、功耗低、受多径效应的影响小、安全系数高、系统复杂度低与定位精度高等优点。
缺点：
造价较高。
较多遮挡的时候容易出现多径效应导致定位结果小范围跳变。
2.9、LED定位
技术类型：LED定位
定位精度：1米
稳定性：
技术实现原理：
代表Bytelight， LED定位系统通过往天花板上的LED灯具实现，灯具发出像莫斯电报密码一样的闪烁信号（肉眼感知不到），再由用户智能手机照相机接收并进行检测，而且用户不需要将手机相机对准某一个特定方向，亦可以接收到反馈过来的直接光源信号，定位精度可以在1米之内。
技术难度：
实现难度、规模化、成本：LED定位需要改造LED灯具，增加芯片，增加成本，尽管如此，LED定位是一种很有潜力的室内定位技术。
优缺点：特别适合超市、大型商场引导购物。
2.10、红外(Infrared)技术
技术类型：红外定位
定位精度：亚米级
稳定性： 一般，无遮挡情况下，稳定性较好。
技术实现原理：主要通过在已知节点处的红外线发射设备发射调制的红外线，然后在待测节点布置好的光学传感器接收这些红外信号，经过对红外信号的处理，计算出距离，从而达到定位效果。
技术难度：
实现难度、规模化、成本：需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。
优缺点：
优点：定位精度较高。
缺点：
一是红外线传播距离较短。
二是红外线没有越过障碍物的能力，这就要求定位环境没有障碍物，或说定位只能在可视距条件下传播。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作。
三室外抗光性差，非常容易被荧光灯或者房间内的灯光、阳光干扰导致系统无法工作。
典型应用：
典型的红外线室内定位系统Activebadges使待测物体附上一个电子标，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。
改进方案：
如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术与超声波技术优势互补。
2.11、超声波(Ultrasound)技术、
技术类型： 超声波定位
定位精度：分米级
稳定性： 差
技术实现原理：利用测量超声波传输时间来计算其距离。
基本原理一：超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器，发出能被终端麦克风检测到的超声信号。通过不同声波的到达时间差，推测出终端的位臵。
由于声波的传送速度远低于电磁波，其系统实现难度非常低，可以非常简单地实现系统的无线同步，然后用超声波发送器发送，接收端采用麦克风接收，自己运算位置即可。
基本原理二：
将超声波发生器置于被定位的目标上面，向周围按照一定的时间间隔发送超声波脉冲，在周围3个固定位置上分别接收超声波发射装置发出来的脉冲信号，由于超声波在空间传送速度比较慢，所以通过比较三个接收装置收到信号的时间先后，可以反演出超声波发生器的具体位置，也就是被定位目标的位置，当目标移动时候，可以通过不间断测量，描出目标的运动轨迹。
技术难度： 一般
实现难度、规模化、成本：特定场景、特定应用可行。
优缺点：
在有大量遮挡的地方无法使用。
由于声波的速率比较低，传送相同的内容需要的时间比较长，只有通过类似TDOA的方式才能获得较大的系统容量。
应用案例一：代表Shopkic，在店铺安装超声波信号盒，能够被手机麦克风检测到，从而实现定位，主要用于店铺的签到。
应用案例二：
超声波自动定位仪的应用领域主要是室内定位和场地定位。如汽车驾驶考场，将发射装置置于汽车上，跟随汽车运动，接收系统可在电脑上描出汽车行驶的轨迹，从而可以通过电脑自动判断汽车驾驶员是否合格，减少了监考人员的工作量。
应用案例三：超声波和其他高速信号配合的测距方法。
系统工作过程：
各个接收点位置已知且固定，信标作为系统时间基准，决定几个接收点的开始时间。定位物体上可以发射信标信号和超声波信号。
定位过程如下：信标由无线电或者红外等方式发送，发射的同时开启超声波的发射。接收器接收到信标信号后开始计时。当超声波信号到达接收点时，接收点停止计时。根据计时的时间差算出定位物体到各个接收点的距离，然后再利用三边定位或者TDOA等方法得到定位物体的坐标。
