智能手機室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) - 全文

多年來，采用行人航位推算（PDR）技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)受到了學術和商業(yè)領域的廣泛關注?，F(xiàn)有的各種傳感器解決方案通常是使用加速度計來計算步數(shù)，并使用磁力計和/或陀螺儀來測量行走方向的變化。測量準確率在行進距離[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，以確保移動感應設備的平穩(wěn)，就如同行走的同時還要保持一塊蛋糕的平衡一樣，也就是所謂的“蛋糕步”。

但是智能手機的室內(nèi)定位系統(tǒng)要能夠讓用戶自由移動，且無論手機如何放置都能提供合理的結果。通過開發(fā)傳感器算法來進行室內(nèi)定位是極為復雜的，這在一定程度上是因為算法會受下列因素變化的影響，且隨著環(huán)境的實時變化，系統(tǒng)還必須同時兼顧到這些因素。

地磁異常隨處可見。定向的不確定性是造成定位出錯的主要原因。盡管使用磁力計可以避免定向過程中出現(xiàn)的“航向漂移”問題，但智能手機通常在一天中[2]60%的時間里都會出現(xiàn)地磁異常。如圖1所示，當平穩(wěn)地拿著手機經(jīng)過一根普通的電線桿時，可以看到，航向出現(xiàn)擺動，變得極不準確。而通過算法的精心設計，可以檢測到這些異常并進行彌補，使定向更加精準（如圖中藍線所示）。

Yaw （deg）：航向偏移量（單位：度）

Time （sec）：時間（單位：秒）

Galaxy SIII Walking Past Electrical Pole：Galaxy SIII經(jīng)過電線桿時的航向偏移

智能手機中的消費級慣性傳感器噪音大且不穩(wěn)定。一些學術文章中將加速度計噪音達到1mg且陀螺儀偏置漂移達到每小時20度（與軍工級傳感器相比相距甚遠）[3]的慣性測量單元（IMU）稱為低質(zhì)IMU.然而，即便智能手機中最好的傳感器，也會產(chǎn)生比該值多一到兩個數(shù)量級的噪音。因此，這種噪音累積會迅速導致嚴重的定位錯誤。在提高傳感器硬件性能之前，需要引入一些算法來減少航位推算錯誤，例如運用PDR技術來計算步數(shù)。

不同的攜帶模式需要不同的算法。PDR技術能夠通過檢測步數(shù)來減少集成錯誤。然而，僅是用手在空中簡單的搖晃手機也同樣會產(chǎn)生類似于行走的運動。這一問題在以往已經(jīng)得到解決，例如，對第一響應者來說，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題并提供可靠的結果[4].

然而，這一方案并不適用于智能手機平臺。因為人們通常不會把手機放在鞋子里，當然也不會像拿蛋糕一樣小心翼翼地攜帶手機，相反，在人們行走的過程中，手機可能會放置在任何地方：口袋里、耳邊、錢包里或直接拿在手上。因此，無論手機放置在哪里，智能手機的PDR功能必須能夠跟蹤定位用戶的位置。

圖2展示了人們在行走時，手機在三種不同的攜帶方式下傳感器信號的差異，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）和握在手里側面朝上。盡管信號具有相似的特性，然而信號幅度、本底噪聲、總機械能甚至曲線本身的形狀都會隨傳感器位置的變化而不同。而經(jīng)過精心設計的環(huán)境感知算法可以可靠地區(qū)分用戶是將手機放在口袋里、握在手里正面朝上、握在手里側面朝上或是從一個位置換到另一個位置。這類算法運用傳感器數(shù)據(jù)的多個方面來構建對周邊環(huán)境的一致認知，掌握手機所處的位置后，就可以適時地使用正確的PDR算法。

圖2.行走時的加速度計信號圖，比較三種不同的攜帶狀態(tài)：放在褲兜時一條腿的信號強于另一條腿的信號；握在手里正面朝上時，兩種信號幾乎相同；握在手里側面朝上時，手臂搖擺等因素導致了一些不規(guī)則變化。

Vertical acceleration while walking：步行時的垂直加速度Pant pocket：放在口袋里Hand front：握在手里正面朝上Hand side：握在手里側面朝上Time （sec）：時間（單位：秒） 行進方向不同于移動設備的朝向。多數(shù)傳感器算法都會注重移動設備的朝向，但實際上真正重要的卻是用戶移動的方向。這種行進方向稱為“方位”，它和方向是兩個概念。方位是區(qū)分PDR和步數(shù)計算的因素之一。通過從設備方向中辨別出用戶的行進方向和設備朝向，算法能夠得出按圈行走實際上會回到起始點。

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