室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

【教程来源】:百度LBS高级研发工程师
【新手疑问】:室内定位与导航技术浅析
【如何解决】:室内怎么定位
【特别感谢】:oogps,田辉
【是否测试】:已测试

 

  百度LBS高级研发工程师 田辉

  今天非常感谢LBS观景台给我们这样的机会,给大家来讲述室内定位的概况。

  今天我主要从四点来讲述:

  一、室内定位需求;

  二、国内外室内定位最新的进展;

  三、百度目前提供的定位服务,一些基础的指标;

  四、定位服务展望。

  一、室内定位需求;

室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  首先的话,对于需求来讲的话,我接触室内定位大概是在04年左右的样子,事实上室内定位在90年代已经发展得非常非常快了,大家可能对于GPS比较 了解,GPS在室外是工作得非常好的,但是在室内环境下由于受到多种环境因素的影响,GPS无法覆盖到这些室内的环境,所以我们就想尽各种方法来满足室内 定位的需求。

  从我个人的角度来看的话,目前最关心的可能就是个人导航了,比如说手机客户端,还有各种各样的应用,它在室内环境下会获取精确的个人位置。

  第二块的话可能就是对于个人的轨迹跟踪,比如说个人的健康数据,或者说你每天的运动,或者其他信息的收集,像智能手环,或者说Google的眼镜,它也有对位置的或者个人行踪的需求。

  第三方面的话可能就是这个技术怎么能够赚钱呢?可能我们没有办法向用户来收费,但是用户的这些数据是有价值的,就是说你去一个商场逛,或者说很多的人流聚集在某个区域,这对商业分析是有价值的,所以它可能是我们以后可以赚到钱的地方。

  第四点的话可能就是所谓的位置感知了,是学术界比较流行的,就是说我掏出手机之后,就知道你在什么位置、你在干什么,可以根据你的位置信息以及你的个人信息 来做一些推送提醒或者说地理围栏,各种各样的基于位置的广告推送或者个性化的服务。它的终极目标就是室内外无缝的定位,但是有一个领域是和我们互联网的定 位服务有区别的,我这里简单的提一下就是对于一些专业机构比如说医疗或者物流行业的实时定位系统,它这个是专门的定位系统,它和我们是有区别的。

  所以综合上面所讲的东西的话,会发现室内定位的需求是非常大的,但是目前由于环境、基础设施的影响,技术还不够成熟,不够完全的商业化,所以需要我们从各个方面来提升。

  接下来我会给大家介绍一下室内定位技术在手机上可以为我们带来什么样的东西:室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  就是说大家可以看到普通主流的智能手机有各种各样的无线模块,有摄像头,有近场,以及这些硬件模块可以给我们定位服务提供支撑,比如说射频芯片,也 就是传统的移动通信芯片,比如说GSM网络,CDMA网络,或者说4G网络,它可以提供基于CLID的定位,运营商以控制用测时的方法通过基站来监控附近 的用户,这是我们互联网可以做到的话就是基于CLID。另外一块就是Wifi了,Wifi目前普及非常广,它覆盖的半径比如说50米到100米,恰好是我 们活动的或者一个可视的空间,这时Wifi定位不管在室外还是室内,都是一个非常好的手段。

  GNSS全球导航卫星系统)芯片,这里提到的GNSS实际上是包括了美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的GLONASS以及中国的北斗,当然还包括一些区域导航系统,都是为了解决在城市导航或者说室外的一些定位服务,这是手机上非常重要的一块。

  另外一块目前非常热的传感器,比如说加速度计、陀螺仪、磁力计,这些可以辅助定位,它不能进行绝对的定位但可以辅助前面的这些手段进行定位。当然了,这几块 都是目前我们用到的了,下面可能有一些创业公司,或者说业界的有一些流行的光栅检测技术来进行定位,我后面会讲到的有几家公司就是会做这种基于比如说摄像 头、二维码,或者可以进行视觉的定位。

  RFID或者说近场可以做签到,超声波也是一种签到的手段,这个我后面会提到。我们目前关注的还是安卓系统,我们有很多传感器可以利用,实际上现在已经到了安卓时期,它支持大概13种传感器,这13种传感器被称为MEMS传感器,

室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  上图是基本的原理图,它和传统导航领域或者说军用级的INS是不同的,它是在芯片上实现一些测量的功能比如说地磁,比如说某个方向的加速度,或者说在基于这个三轴的旋转角速度,这样的话它可以为我们的手机带来一些辅助的功能。

  举 一个简单的例子,智能手环的原理实际上是利用加速度计在Z方向,就是说你垂直于地面的方向的检测到的峰值信号,来检测这个用户的迈步,比如说我迈了一步就 有一个峰值信号检测出来,然后这个步长的话实际上是一个经验值,这个步长乘以你检测到的迈步的步数实际上就是你在某一个方向行走的大概的距离,然后加上磁 力计,就可以做连续的跟踪,这就是传感器发挥的作用,当然还有气压计测高度,还有其他的环境传感器可以测我处在什么样的环境,是嘈杂的环境还是比较安静的 环境,包括那些光传感器它也会判断现在处在白天还是晚上,是室内还是室外,这些传感器对于定位是非常管用的,它也是我们关注的热点之一。室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  然后学术界关注的一些东西实际上和传感器和Wifi定位是有关联的,比如说Google中国做的一些东西,包括在室内环境下做传感器的连续的积分, 然后可以积出这个用户的连续的位置,连续的轨迹,当然是融合了一些数据的算法。另外的一些方面的话,大家可能在去年或者今年年初看见一些国外的大学做一些 基于传感器的地标的检测,因为Wifi的定位实际上还不能满足室内定位的需求,所以在电梯、楼梯,传感器会表现出一些有特征的数据。这样它可以辅助做一些 校正,然后来做一个迭代,达到比较好的效果,当然了,国外有一些最新的成果就是说用众包数据了,就是说我有很多用户,我在室内进行连续的轨迹的跟踪,这个 轨迹实际上利用室内定位迅速达到的比如说Wifi、传感器,有比较好的轨迹数据,用一些算法可以把这个室内图绘制出来,这其实也是学术界比较关心的东西, 当然这也可以供我们工业界所借鉴,也是以后技术发展的方向。

  然后下面的话大家可能比较感兴趣的是关于工业界最新的进展,因为对于室内定位这项技术来讲的话,有芯片厂商关注,有互联网厂商关注,有传统的导航企业关注。

  我下面主要举个例子可能主要和智能手机相关,比如说芯片厂商比较有代表性的高通、博通以及CSR,他们做芯片在新一代的主流芯片上已经集成了室内定位的功 能,这个是它芯片的构架,比如它的芯片不光包括了室外的GNSS芯片供室外定位导航,实际上也包括了Wifi的定位,包括了传感器的辅助,以及各种各样的 数据库。这样的构建实际上两种主要的技术是Wifi定位和所谓的行人航迹推算,在所谓的PDR里面,它主要用到的技术也就是我们刚才提到的传感器了,因为 传感器可以检测你行走的步数以及磁力传感器可以检测你行走的方位,所以这个结合起来的话,它可以辅助下面的Wifi定位来做连续的室内的导航定位。室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  这个图是他们公司在东京的地铁站地下做的一个实验,就是说这个是它正常轨迹了,那个蓝颜色的点就是他们融合定位的点,发现这个定位的结果实际上还是 非常好的,就是说他们仅仅依靠PDR的话,在行进上我误差大概是百分之十,就是说你走50米它的误差大概是5米,这么的话就是说我如果在这个地方有一个 WIFI的结果,摇进去,然后完成50米,我可以不依赖于WIFI定位,我可以依赖于传感器,这样的话可以保证定位的连续以及平滑,然后到了这个地方如果 WIFI有了非常好的定位结果的话,它在做一个初始化或者更新,这样的话可以保证它的连续的定位以及导航,这就是芯片厂商所做的一些工作。

  然后下面介绍一下Google的技术,给大家演示一下他们的视频(暂缺),

  如果大家关注Google IO的话会发现他们做的一些演示的结果,可以看一下,我简单的介绍一下那个绿颜色就是它实际的轨迹,行走的轨迹,黄色的是它用WIFI+传感器做的,大家 可以看到这些效果的话,我认为是基本满足的了室内定位的一些需求,这个精度的话我估计大概是5米左右或者说更差一点。这就是Google所采用的技术。它 主要的技术也就是我刚刚所讲了的,WIFI定位的话它可能就是机器学习的方法,用一些比如说决策树或者说最大释然的方法来得到WIFI定位的结果。如果要 做连续的导航的定位的话,它会用传感器做一些辅助,这就是Google目前所采用的技术,它在国外采用的技术,在国内的话可能没有达到这样效果。

  另外一个就是苹果了,苹果前不久收购了WIFISLAM这家公司,它的这些技术也可以给大家演示(暂缺),实际上它还是主要利用手机上的传感器,大家可以看 到这是一个人拿着智能手机在室内环境下不停地做轨迹的采集,实际的传动的传感器输出的数据是漂移的,但是他们通过一些算法可以将这个轨迹做成这样的一个效 果,大家可以看出这个效果实际上是非常好的,就是说我刚才讲到的有许多人在这个室内环境进行连续的室内跟踪的话,它这个室内图是可以绘制出来,另外我们采 用WIFI指纹定位的方法的话,实际上是一个非常低成本的数据采集的方法,也就是说我随便布两三个人,我去这个商场逛一圈或者逛几圈,数据就回来了,这样 WIFI指纹的定位可以直接放在线上,其他人就可以直接利用,所以它这里面提及到的一些技术,具体可能没有实现,但是是值得我们关注的,比如说传感器、一 些地标文件、一些机器学习的方法,以及一些其他的技术,实际上它目前应该是在筹备将这个技术商业化,因为对苹果来说地图或者室内定位对他它来讲也是非常重 要的。这个是苹果的技术。

  我们来看一下目前百度自己做的一些DEMO的实验,大家可以看到我们在商场做的一些效果(暂缺)。(投影仪)这个 它可以自动切换,实际上是手机上的一个DEMO程序,就是说这是我们现场的一个人在走,现场录制的一个实际的轨迹,这是手机客户端显示的我当前所处的位 置,大家可以看到这种效果对于大家逛商场或者行人的跟踪,或者说做一些监控之类的东西,是完全地满足他的需求的,就是说他大概双韵律是一秒一次,这个就是 我们前不久做的一个DEMO,之前大家可能在不同场合看见过,至于具体的技术的话,因为它里面我们用到了WIFI定位了,也就是WIFI指纹定位,然后我 们也用到了一些机器学习的算法,对那些传感器做一些处理,对它输出的数据做一些处理,以保证它连续频化的定位效果,这是我们目前做的个DEMO的实验。

  我们目前也在投人力以及各个方面做这个室内定位的技术,包括室内图,以及各种传感器融合的定位方法,WIFI的数据采集以及和其他商家的合作,我们都在做这 些事儿。另外也有一些针对iPhone或者说Windows phone做的一些定位技术,因为大家知道iPhone或者Windows phone是不支持基站和WIFI的接口的,就是说我们没办法在iOS上做室内定位。室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  所以一些公司想到了新的方法,比如说这家公司它利用那个超声波做的签到,你到了一个店铺然后在房顶有一个发射器,他用手机的麦克风检测到这段信号然后传到服务器,知道他进了某家店铺,这是一家公司做的。

  还有另外一家公司,也就是做地磁信号的,因为大家知道在市内的话,地磁传感器是收到室内的钢筋混凝土的各种各样的干扰的,如果在室内做一个所谓的wad back 其实它也是一种室内指纹定位的方法,但是这种的话,就是说它采集成本比较大。

  然后这种就是最近看到的利用LED的光线来进行定位,因为你安置了这种光的话,他可以调整发射的频率,在那个光的频率上加载一些地理位置的信息这样可以做到 比较精确的定位,当然了,对于室内定位这个领域来讲它也有其他的无线手段,比如说超宽带,比如说GDB,比如说近场以及低功耗的蓝牙技术。这种低功耗的蓝 牙技术可能就是诺基亚在做的一些事情。

  但是所有这些技术来讲的话,我们所关心的一些问题就是说:

  首先我们从理想的环境出发,

  第 一个就是所谓的基础设施,比如说我要是在室内进行定位的话,我必须要有网络支持或者我至少知道这个信号源在什么地方,或者说一些基础的设施是需要支撑的, 比如光传感器、声传感器我需要安装在这些设备,但是理想环境下我们认为就是说在室内我们最好的方法是借助现有移动数据通信网络,比如说基站,比如说 WIFI,这样的话就是说我们没有了过失的成本,我可以直接利用它的网络。

  再一个就是室内定位技术,对我们来讲初始定位对后续的DR的影响实际上是非常大的,所以我们得想办法来不断地校正,采用一些地标点的方法或者说其他的手段,传感器辅助的方法。

  第三个方面就是说因为在室内环境下它环境变化太大了,包括这些AP啊基站等的变化也有更新或者说剔除。

  所以我们需要有一种自动的用户贡献的途径可以帮我们采集这些WIFI的数据,这是我们关心的,也就是说这实际上是室内定位的后续的维护的成本,所以我们也希 望它能够全自动化,用户进到这个商场走一圈数据就会回来了,然后其他人也可以用。但目前我们可能会面临到一些问题,就是说室内图国内国外实际上是有差别 的,我在国外可以在机场官方网站下载精确的室内图,但是在国内的话你去各家官网看都没有详细的图,一方面是出于保密的需求,一方面可能机场对这个也有一些 限制而不愿意提供给公众,

  一方面:商场的这些图实际上最好的应该是它建筑立面的图,但是我们目前如果跟商场合作的话这些图也很难拿到,或者说我们现在的图数据质量不是那么的好,所以会影响到后续的数据采集以及后续的定位。所以图实际上是室内定位一个基础的数据,

  另外一方面:就是那个初始定位的误差,因为我们要做PDR的话肯定需要精确是初始位置才可以利用传感器进行辅助。

  第三点的话就是地标点的校正,比如说我到了电梯下楼的模式,这样可以做一些初始化的校正。

  第四方面我们关注的可能是各种各样的滤波的技术,以为我们有室内图,可以认为它是一种地图的辅助的手段,我们有WIFI定位的结果,我们认为它是一种稍微比 较精确的但是它的扫描间隔没有那么快的一种手段。当然我们还有其他的多元的数据了,传感器等这些数据都要综合起来做一个滤波才能达到我们刚才看到的苹果收 购的那家公司WIFISLAM那样的效果。

  最后一个方面也就是我刚才提到的数据的更新,它需要自动更新,因为对于我们后期来说成本是非常大的,所以这是我们关心的几点,对于室内定位来讲。

  OK,前面大概就是介绍一下目前室内定位的技术,一些最新的进度。然后后面我会简单地介绍一下百度定位服务的一些技术指标:室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  就是我们目前百度定位服务提供了IT、基站、WIFI、GPS、传感器各种手段的定位服务,而且我们在整个产品线上都装了这样的图,我们也为一些大 众的APP提供定位服务,目前我们的日访问量大概超过了20亿/天,定位成功率大概为98%。我说一下这个定位的存活率,因为目前大家自带的WIFI热 点,比如说你手机自带一个WIFI热点,它是不停地变动的,有的时候会影响到定位的成功率,所以说这一方面我们还是想办法剔除掉这样带来的误差,尽量提供 可靠的定位服务。当然我们的定位精度目前来讲的话综合定位精度大概是60米,WIFI的话大家平时可以试一下大概在35左右,当然这个是主要的城市区域, 在基站的话大概是200米的定位精度。对于室内定位这一块的话,主要还是WIFI的指纹定位商场,加上传感器的辅助PDR,我们一期就是去年在百度世界大 会公布的数据大概是6家商场已经提供了室内定位的服务。我们后续会在北上广深一些城市经过评估的商场提供室内定位服务,这就是我们目前百度提供的定位服 务。

  最后的话我想跟大家展望一下从互联网公司出发的定位服务其实它关注的是几块:室内怎么定位 室内定位与导航技术浅析

  一个是针对个人导航定位以及各种定位服务,室内定位应该是和它并存的,但是室内定位它也包括一些室内地图、室内定位导航各种各样的功能,基于这些数 据,比如我们有每天用户贡献的数据,有众包数据,有一些其他渠道的数据的话,我们可以为智能交通服务,可以提供某个城市的路况信息,以及我们经常出行的方 便的出行手段,比如我从这个地方到百货公司,经验路线是什么样的比如说可以从这个定位服务的贡献数据里面挖掘出来,实际上我们也可以服务于POI了或者一 些基础的地图服务,这是底层的服务。

  最上面的那些服务就是说,我们可以利用到的位置、轨迹的信息的挖掘,可以做一些基于公司的定位分析,比如说推荐人通常去哪个地方旅游,在哪个地方聚集,在室内环境下用户的行为分析,这实际上是具有商业价值的。

  另外一个终极目标就是位置感知了,就是我可以通过智能手机甚至任何的移动设备都可以随时随地地获取你所想要的定位精度的定位服务,这是我们的终极目标。

  所以综合这个来讲的话定位服务从长远来看的话借助以前别人说的一句话,定位服务不仅仅局限于大家的想象,所以这个空间还是非常大的。(完)

 

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