主頁(yè)（http://www.by236.com）：智能手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

多年來(lái)，采用行人航位推算（PDR）技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)受到了學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。現(xiàn)有的各種傳感器解決方案通常是使用加速度計(jì)來(lái)計(jì)算步數(shù)，并使用磁力計(jì)和/或陀螺儀來(lái)測(cè)量行走方向的變化。測(cè)量準(zhǔn)確率在行進(jìn)距離[1]的0.5%到10%之間。但所有這些方法都要求用戶從始至終保持身體平衡，以確保移動(dòng)感應(yīng)設(shè)備的平穩(wěn)，就如同行走的同時(shí)還要保持一塊蛋糕的平衡一樣，也就是所謂的“蛋糕步”。

但是智能手機(jī)的室內(nèi)定位系統(tǒng)要能夠讓用戶自由移動(dòng)，且無(wú)論手機(jī)如何放置都能提供合理的結(jié)果。通過(guò)開(kāi)發(fā)傳感器算法來(lái)進(jìn)行室內(nèi)定位是極為復(fù)雜的，這在一定程度上是因?yàn)樗惴〞?huì)受下列因素變化的影響，且隨著環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，系統(tǒng)還必須同時(shí)兼顧到這些因素。

地磁異常隨處可見(jiàn)。定向的不確定性是造成定位出錯(cuò)的主要原因。盡管使用磁力計(jì)可以避免定向過(guò)程中出現(xiàn)的“航向漂移”問(wèn)題，但智能手機(jī)通常在一天中[2]60%的時(shí)間里都會(huì)出現(xiàn)地磁異常。如圖1所示，當(dāng)平穩(wěn)地拿著手機(jī)經(jīng)過(guò)一根普通的電線桿時(shí)，可以看到，航向出現(xiàn)擺動(dòng)，變得極不準(zhǔn)確。而通過(guò)算法的精心設(shè)計(jì)，可以檢測(cè)到這些異常并進(jìn)行彌補(bǔ)，使定向更加精準(zhǔn)（如圖中藍(lán)線所示）。


圖1.當(dāng)經(jīng)過(guò)電磁干擾源（如電線桿）時(shí)，一個(gè)普通缺省設(shè)置的安卓手機(jī)的定向功能會(huì)變得很差（紅線）。在向同一臺(tái)手機(jī)植入并安裝Sensor Platforms公司的FreeMotion Library后，定向功能變得精確（藍(lán)線）。

Yaw （deg）：航向偏移量（單位：度）

Time （sec）：時(shí)間（單位：秒）

Galaxy SIII Walking Past Electrical Pole：Galaxy SIII經(jīng)過(guò)電線桿時(shí)的航向偏移

智能手機(jī)中的消費(fèi)級(jí)慣性傳感器噪音大且不穩(wěn)定。一些學(xué)術(shù)文章中將加速度計(jì)噪音達(dá)到1mg且陀螺儀偏置漂移達(dá)到每小時(shí)20度（與軍工級(jí)傳感器相比相距甚遠(yuǎn)）[3]的慣性測(cè)量單元（IMU）稱為低質(zhì)IMU.然而，即便智能手機(jī)中最好的傳感器，也會(huì)產(chǎn)生比該值多一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)的噪音。因此，這種噪音累積會(huì)迅速導(dǎo)致嚴(yán)重的定位錯(cuò)誤。在提高傳感器硬件性能之前，需要引入一些算法來(lái)減少航位推算錯(cuò)誤，例如運(yùn)用PDR技術(shù)來(lái)計(jì)算步數(shù)。

不同的攜帶模式需要不同的算法。PDR技術(shù)能夠通過(guò)檢測(cè)步數(shù)來(lái)減少集成錯(cuò)誤。然而，僅是用手在空中簡(jiǎn)單的搖晃手機(jī)也同樣會(huì)產(chǎn)生類似于行走的運(yùn)動(dòng)。這一問(wèn)題在以往已經(jīng)得到解決，例如，對(duì)第一響應(yīng)者來(lái)說(shuō)，可以將傳感器模塊綁定在衣服或鞋子上的特定位置，這樣就可以避免該問(wèn)題并提供可靠的結(jié)果[4].

然而，這一方案并不適用于智能手機(jī)平臺(tái)。因?yàn)槿藗兺ǔ２粫?huì)把手機(jī)放在鞋子里，當(dāng)然也不會(huì)像拿蛋糕一樣小心翼翼地?cái)y帶手機(jī)，相反，在人們行走的過(guò)程中，手機(jī)可能會(huì)放置在任何地方：口袋里、耳邊、錢包里或直接拿在手上。因此，無(wú)論手機(jī)放置在哪里，智能手機(jī)的PDR功能必須能夠跟蹤定位用戶的位置。


圖2展示了人們?cè)谛凶邥r(shí)，手機(jī)在三種不同的攜帶方式下傳感器信號(hào)的差異，這三種攜帶方式分別是：放在口袋里、握在手里正面朝上（看著屏幕）和握在手里側(cè)面朝上。盡管信號(hào)具有相似的特性，然而信號(hào)幅度、本底噪聲、總機(jī)械能甚至曲線本身的形狀都會(huì)隨傳感器位置的變化而不同。而經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的環(huán)境感知算法可以可靠地區(qū)分用戶是將手機(jī)放在口袋里、握在手里正面朝上、握在手里側(cè)面朝上或是從一個(gè)位置換到另一個(gè)位置。這類算法運(yùn)用傳感器數(shù)據(jù)的多個(gè)方面來(lái)構(gòu)建對(duì)周邊環(huán)境的一致認(rèn)知，掌握手機(jī)所處的位置后，就可以適時(shí)地使用正確的PDR算法。

圖2.行走時(shí)的加速度計(jì)信號(hào)圖，比較三種不同的攜帶狀態(tài)：放在褲兜時(shí)一條腿的信號(hào)強(qiáng)于另一條腿的信號(hào)；握在手里正面朝上時(shí)，兩種信號(hào)幾乎相同；握在手里側(cè)面朝上時(shí)，手臂搖擺等因素導(dǎo)致了一些不規(guī)則變化。

Vertical acceleration while walking：步行時(shí)的垂直加速度Pant pocket：放在口袋里Hand front：握在手里正面朝上Hand side：握在手里側(cè)面朝上Time （sec）：時(shí)間（單位：秒）

行進(jìn)方向不同于移動(dòng)設(shè)備的朝向。多數(shù)傳感器算法都會(huì)注重移動(dòng)設(shè)備的朝向，但實(shí)際上真正重要的卻是用戶移動(dòng)的方向。這種行進(jìn)方向稱為“方位”，它和方向是兩個(gè)概念。方位是區(qū)分PDR和步數(shù)計(jì)算的因素之一。通過(guò)從設(shè)備方向中辨別出用戶的行進(jìn)方向和設(shè)備朝向，算法能夠得出按圈行走實(shí)際上會(huì)回到起始點(diǎn)。

PDR技術(shù)是強(qiáng)大的室內(nèi)定位工具，然而，其運(yùn)行的環(huán)境卻非常復(fù)雜。以往的解決方案都是要求用戶在攜帶PDR系統(tǒng)時(shí)走“蛋糕步”。而如今，引入新環(huán)境信息集合的算法已經(jīng)解決了諸多類似問(wèn)題。相信這些新的系統(tǒng)定能幫助定位服務(wù)走出困境，走向輝煌。

參考文獻(xiàn)

1. Jimenez， A.R.， F. Seco， C. Prieto and J. Guevara，“A Comparison of Pedestrian Dead-Reckoning Algorithms using a Low-Cost MEMS IMU，”WISP 2009 - 6th IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing.

2. Chen， I.， J. Steele，“What do Smartphone Sensors Sense All Day？”EDN， Dec 2012. （http://www.edn.com/design/systems-design/4403623/What-do-smartphone-sensors-sense-all-day-）

3. Tian， Y.， Y. Li， C. Rizos， and Z. Ren，“Three-loop Integration of GPS and Strapdown INS with Coning and Sculling Compensation.”

4. B. Beauregard，“Omnidirectional Pedestrian Navigation for First Responders，”in 4th Workshop on Positioning， Navigation and communication， WPNC 2007.