解密定位技术的算法升级、热门研究方向以及多模融合

原标题:解密定位技术的算法升级、热门研究方向以及多模融合

去年12月,华为首发AIoT生态战略,而后今年3月份,小米成立了AIoT战略委员会以强化智能物联网业务布局。从中可以得知,AI与IoT的结合,已成为物联网未来发展的重要方向。

我们知道,不管是AI,还是IoT,都离不开对海量数据的分析处理,而位置定位作为智能化和自动化的基础,目前行业发展情况如何?

雷锋网了解到,由于定位行业下游应用较为零散和垂直化,而定位应用本身较难复制,因此该行业呈现出各种定位技术百花齐放的场景。

江苏唐恩科技有限公司(简称:唐恩科技,DONN),成立于2012年,现已推出了基于UWB、激光、视觉、卫星等技术的高精度定位产品和行业解决方案,并与南京大学和南京市政府合作,成立并运营南京智能制造软件新技术研究院。

该研究院于2018年开始运营,拥有精确定位、智能视觉、自动驾驶、机器人、身份识别、深度学习和大数据分析等软件新技术,研发了基于无线、激光和视觉的精确定位产品,并针对特殊应用场合推出了多模融合定位系统。

江苏唐恩科技有限公司(简称:唐恩科技,DONN),成立于2012年,现已推出了基于UWB、激光、视觉、卫星等技术的高精度定位产品和行业解决方案,并与南京大学和南京市政府合作,成立并运营南京智能制造软件新技术研究院。

该研究院于2018年开始运营,拥有精确定位、智能视觉、自动驾驶、机器人、身份识别、深度学习和大数据分析等软件新技术,研发了基于无线、激光和视觉的精确定位产品,并针对特殊应用场合推出了多模融合定位系统。

UWB(Ultra Wide Band,超宽带),作为近年来兴起的高精度定位技术,其与传统通信技术有极大差异。它不使用传统通信体制中的数据载波,而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来检测时间,中心频率可以是3.1~10.6GHz,使用500M以上的频率带宽。目前。包括美国、日本、英国等在内的发达国家都在研究UWB技术,现阶段该技术已在室内无线定位领域有了广泛的应用,尤其是工业领域。

UWB技术的传输速率高(可达1000Mbps以上),发射功率较低,穿透能力较强。无论是从定位精度、实时性,还是稳定性、容量大小等方面考虑,他都完全符合工业应用中的“硬核”标准。

唐恩科技总经理李俊表示,“工业场景里面的位置服务,主要是对人员、工具、物料车、成品和半成品等各种生产要素进行定位。相比其他定位技术,UWB技术更适用于室内环境中需要高精度定位的应用场景,比如制造工厂、电厂电站、物流园区、隧道管廊等。”

通过UWB定位系统,可以为企业提供精准的位置信息,帮助企业更好地对人员、物资进行管理。比如帮助化工、电力、能源行业解决工作区人员较为分散、承包商管理难、无法约束监督巡检等行业痛点;此外,也能帮助制造业解决物资、车辆位置信息含混不清,无法高效统一调度以及工人管理难等问题。

对于UWB定位技术为何会有如此高的精度,雷锋网了解到,从定位底层技术来讲,用于定位的信号源一定要有很大的带宽,带宽越大定位精度就越高;如果带宽过小,系统的定位精度就会低,这是一个基本的原理或者基本的限制。现在的UWB信号,一般都有1G的带宽,比如中心频率是6G,发射电波可能是5.5G到6.5G这样的带宽,用这样带宽的信号进行定位测算,就能实现高精度的定位。

在用UWB技术进行定位时,可能有针对二维空间的定位,也可能会有针对三维空间的定位。一般情况下,UWB定位技术有如下几种算法:

  • TDOA(Time different of arrival,时间差定位法):采用到达时间差进行定位时,通过测量被定为标签信号到达不同基准站的时间差,利用多组时间差,通过二次函数相交解算算法,就能确定信号发射源(标签)的位置。
  • TOF(Time of flight,飞行时间法):基于测距的定位方式,需要被定位的标签和每个基站发起测距,测距完成后进行位置计算。零维模式下,只需要和一个基站测距即可;一维模式下,至少需要和两个基站测距;二维模式下,至少要和三个或以上基站测距;特殊模式下,则可以和两个基站测距等。
  • AOA(Angle of Arriva,到达角度定位法):基于相位差的方式计算出信号到基站不同天线的到达角度,即可测算出被定位标签的大致位置。该算法一般不单独使用,由于AOA 涉及到角度分辨率的问题,若单纯采用AOA进行定位,离基站越远,定位精度就越差。

而在唐恩科技主导的淮南电厂UWB定位项目中,需要同时对二维空间和三维空间进行定位。电厂中的锅炉,一般有十几层楼房的高度,我们不但要对锅炉旁边楼梯的每一层进行定位,还要对相邻楼层之间的楼梯部分实现定位,这样才能把工作人员在电厂锅炉附近的运动情况全部实时地展现出来。

李俊表示,由于电厂锅炉附近的定位环境没有楼层板隔着,导致在某层安装定位基站时会对其他楼层产生信号干扰,信号从上到下全部贯穿,使得定位时楼层位置的分辨变得特别困难。在用UWB技术进行定位的时候,通过随机森林的分析算法,结合TOF的测距算法,可以从信号时间差和信号强度等量值实现高精度的定位。一般来说,UWB技术实际应用的时候精度大概是在30到50厘米,通过把神经网络、机器学习技术引入到定位算法中,能将该系统的精度稳定在十厘米以内。

“随着某个定位现场的目标定位数据和定位环境数据不断上传到服务器上,系统会不断地用新数据去训练定位系统的模型,将定位解算模型训练得更加智能和高效,再返回现场去,让系统用新的模型去做定位。通过这种方法,可以使得定位系统的精度越来越高。”

“随着某个定位现场的目标定位数据和定位环境数据不断上传到服务器上,系统会不断地用新数据去训练定位系统的模型,将定位解算模型训练得更加智能和高效,再返回现场去,让系统用新的模型去做定位。通过这种方法,可以使得定位系统的精度越来越高。”

根据不同的场景需求,物联网应用中要用到的定位技术多种多样,而未来定位技术的趋势是朝着更高的精度、更长的续航和更大的容量方向发展。从定位所使用的信号源划分,可以分为卫星、UWB、蓝牙、可见光、视觉、Wi-Fi、ZigBee、RFID、卫星定位等。

李俊表示,“从应用方面来看,卫星、UWB、蓝牙和惯导这四种技术应用得比较多,并且各自已有擅长的应用领域;而从研究力度来看,可见光定位和视觉定位的关注度比较高,但两者现阶段主要处于在高校、科研院所的研究阶段。”

卫星定位技术,是最直接、覆盖范围最广的室外定位技术。卫星定位是通过接收卫星提供的无线信号来进行定位,卫星定位系统主要有美国全球定位系统(GPS)、中国北斗卫星导航系统、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)以及欧洲伽利略(GALILEO)系统,其中GPS系统是现阶段应用最为广泛、技术最为成熟的卫星定位技术。GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分、地面控制部分、用户设备部分。

雷锋网了解到,随着5G进入商用落地阶段,LoRa和NB-IoT等LPWAN技术的成熟和普及,这些新的连接技术很可能对现有的卫星定位技术有很好的辅助作用,使得未来的室外定位技术更加完备。

不同于现阶段室外卫星定位一统天下的情形,各种室内定位技术呈现出百花齐放的盛况,此外,室内定位也面临很多独特的挑战。比如室内环境动态性很强,室内布局多种多样,室内环境更精细等情况。

蓝牙定位

基于蓝牙的定位技术,2014年左右开始在室内监控定位领域被应用;2017年7月,蓝牙Mesh正式推出,在一年半的时间里,已经有超过105种具有蓝牙Mesh网络功能的产品获得认证。只要设备的蓝牙功能开启,就能够对其进行定位。另外,蓝牙传输不受视距的影响,但对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大,且蓝牙器件和设备的价格比较贵。

根据《2019蓝牙市场最新资讯》显示,位置服务已成为增长最快的蓝牙解决方案,预计未来五年其年复合增长率将达到43%。

惯导定位

而惯导定位,早在二战期间,德国人冯·布劳恩就将惯导技术应用于V-2火箭的制导;2014年,惯导系统从军事走向民用,国防科技大学宣布成功研制了“基于微惯导的人员自主定位系统”,能够在没有卫星导航信号的环境下实现精确定位。

其工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息,从而实现定位。目前大热的无人驾驶技术中的导航定位,惯导定位技术是其导航系统不可缺少的一部分,除了可以填补GPS因信号丢失留下的空缺外,还能与GPS配合一起为激光雷达的空间位置和脉冲发射姿态提供高精度的定位。

最后,关于现阶段主要处于高校、科研院所研究阶段的光定位和视觉定位技术。首先是光定位,该研究方向的可见光定位和激光定位都是目前发展较好的技术方向,其定位精度最高能达到毫米级,但缺点是光线传输过程中不能有遮挡。

例如HTC的Lighthouse室内定位技术属于激光扫描定位技术,通过墙上的两颗激光传感器识别佩戴者佩戴的机身上的位置追踪传感器,从而获得位置和方向信息。具体来说,Lighthouse室内定位技术不需要借助摄像头,而是靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置。

HTC Vive头盔和手柄上有超过70个光敏传感器。激光扫过的同时,头盔开始计数,传感器接收到激光后,利用传感器位置和接收激光时间的关系,计算相对于激光发射器的准确位置。同一时间内激光束击中的光敏传感器足够多,就能形成一个3D的模型。不仅能探测出头盔的位置,还可以捕捉到头盔的方向。

其次是视觉定位,该技术是基于摄像头捕捉周围物理环境,从而为机器人提供更精准定位的视觉定位技术,主要研究方向是精确识别和位置判定。该技术不仅有着更精准的定位精度,而且在平台的投入成本方面亦有巨大优势。预计在不久远的未来,这种技术将在更多的智慧物流平台上应用,成为智慧物流领域的标配对象。

定位技术前景分析以及多模融合

如今,定位技术的应用场景越来越庞杂,大型商超、化工厂、各类工厂、停车场、综合性医院、机场等对于定位、导航的需求日益增多。例如大型商超寻求室内定位技术为前来购物的消费者提供实时导引服务,同时基于消费者所处位置提供对应的营销服务;而高危化工厂则通过对人员进行定位管理,来减少或避免安全事故的发生;此外,隧道及城市轨道工程的人员安全管理及考勤问题,由于工程环境复杂,人员众多,这给工程管理带来许多不便,对重要隧道路段(如人员进出洞+掌子面作业段)的人员加以精确定位,可以针对施工的危险程度确定相应的定位路段,在保证效果的同时,有效地降低方案成本。

在工业、特殊人员这样的一些室内定位领域,几乎都是用UWB技术来实现定位的。而在商场、超市等一些To C场景的定位,这些应用中的定位技术则大多是基于蓝牙技术。一般来讲,蓝牙定位精度好一点能达到米级,目前为止,基于该技术的定位在商场、超市等场景基本可以满足要求。

李俊表示,“对于To C场景定位技术的未来,其市场前景较好的技术要么是视觉定位,或者是在手机上就能实现定位的技术,比如蓝牙。随着科技的进一步发展,如果UWB也能够放到手机中,那么相信UWB在To C也能像在工业场景中一样得到广泛的应用。”

现阶段,很多定位技术的应用案例中,存在很多规模比较大的体系,市场的需求使得我们不能仅仅解决一部分问题,而是要能解决全部的问题。然而,光靠一种定位技术,往往不一定能解决全部问题,所以我们必须把多种定位技术进行融合,或者联合起来形成一个综合性的解决方案。

在唐恩科技和上海振华港机公司合作的全自动码头项目,该项目里面的AGV需要实现全程精确定位,这就意味着需要将几种不同的定位技术进行融合才能够把这个问题很好地解决,而单纯靠GPS是达不到要求的。最终的定位解决方案里,不仅包括卫星定位、UWB定位、激光定位,还涉及了视觉定位。

在码头进行作业时,部分区域很可能会存在卫星信号被遮挡的问题,所以单纯用卫星进行定位其稳定性是达不到要求的;加入UWB定位技术以后,可以提供一个小范围高精度定位,目前精度已经能做到5cm以内;而视觉定位,主要是用于AGV防撞,但是视觉定位也存在一个缺陷,在距离远或者刮风、下雨和黑夜情况下他的工作情况会受影响;此外,加上激光定位,可以使得AGV的全程精确定位和防撞安全进一步得到保障。

李俊表示,“现在要想真正地解决用户的问题,很多时候会涉及到多种定位技术的融合。我们必须要掌握两种及两种以上的定位技术,才能够给用户提供比较完美的解决方案。”

对于定位行业下游应用比较零散和垂直化,因此定位行业未能出现巨头企业。雷锋网了解到,下游应用比较零散和垂直化,没有龙头企业的出现,其原因在于定位应用本身的服务很难复制。这就意味着很多定位企业都能够活下来,一起去推进定位技术的发展,更好地满足行业的应用需求。

雷锋网总结

AIoT时代正在开启,基于定位技术的位置服务将会遍布各行各业,而位置数据将成为大数据分析中的重要组成部分。现如今,定位技术作为物联网感知层三大数据入口之一,其已与众多万物互联的应用场景密不可分。

除了文中提到的这些定位技术,目前来看定位技术的种类有几十甚至上百种,而每种定位技术都有自己适用的场景。当提到工业领域的定位,很多人会想到UWB;提到室外定位,很多人会想到卫星;而在一些To C场景的定位,很多时候会让人想到蓝牙。

然而,随着应用场景的复杂化和多样化,很多时候厂商要想真正地解决用户的问题,单靠一种定位技术很难达到理想的效果,必须要掌握多种定位技术才能够给用户提供比较完美的解决方案。返回搜狐,查看更多

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