从AirTag说起,聊聊未来的室内定位技术
刘延 于 2021.04.29 12:04:02 | 源自:www.soomal.com | 版权:特约 | 平均/总评分:08.36/117
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最近发布会上,苹果发布了难产已久的AirTag,价钱算不上便宜,但却用来解决一个问题:物品的室内定位。根据苹果官网说明AirTag采用了蓝牙+UWB技术实现室内定位,采用蓝牙技术用于近距离感应查找,UWB技术用于精确查找。

  • 室外定位技术已经非常成熟了——基站可以粗略定位,民用GPS/北斗可以精确到米级,外加手机陀螺仪的方向辅助判断。室内定位一直是个老大难的问题,在大商场转个身,人可能就找不见了。室内GPS信号搜索不到,实现米级定位就需要额外设备。目前主流应用方式即为UWB和蓝牙,也就是AirTag上的两种定位方式,除了这两种以外,还有基站、Wi-Fi、vSLAM等方式。本文将对这些方式进行简单介绍。

    UWB(超宽频)定位

    UWB定位成本偏高、定位准确性高、芯片供应商少。这种定位方式我们在之前的科普文浅析超宽频技术和应用《浅析超宽频技术和应用 》[作者:刘延 ] 中已经阐述过了。其原理是:

    • 通过窄脉冲信号,UWB技术就可以实现类似于实现高精度定位,其实现的原理ToF+GPS。简单点说,手机发射信号,用于监测的小型基站接收信号,通过信号到达不同监测点的单元时间差,对于无线信号发射源进行定位。只要在室内有三个基站,就可以通过到达时间差方式进行定位。

    这种定位方式的主要问题是,芯片供应商少且相对贵,待机功率相对有点高。UWB芯片毕竟还是属于宽带通信,相较于目前主流低功耗的窄带的蓝牙,其功率相对较高。目前UWB芯片能规模化量产的主要只有三家:苹果、NXP、Decawave(现已被Qorvo收购),包括NXP和Decawave以内的其他UWB芯片设计厂商,目前设计中的UWB芯片工艺也都停留在22-28nm的平面工艺上,而主流产品还在65-90nm制程的成熟工艺。毕竟还是不如果子有钱。为了降低功耗,财大气粗的苹果丧心病狂地给U1芯片上了14nm FinFET工艺,也只能实现AirTag绝大部分时候采用蓝牙定位,精确查找用UWB定位的功能。

    这两个问题的结果是,UWB技术缺少消费级硬件支持。UWB定位技术成熟,却难以在消费级市场大规模铺开应用,目前主要应用于成本相对不敏感的监狱、医院、看护等场所。苹果也只能亲自动手,重新设计芯片。但苹果的封闭性,导致即使下游领域希望在室内增加UWB定位基站,也不能选择现有NXP或是Decawave方案的工业级成熟产品,只能静待苹果开放授权。

    蓝牙定位

    目前蓝牙定位技术主要可以分为两类,基于蓝牙4.2和基于蓝牙5.1。前者精度较低,方案成熟,成本也较低;后者从2019年才开始应用,精度较高,方案成熟度较低,但成本也较低。

  • 相较于UWB定位,蓝牙定位应用要广泛的多。蓝牙芯片供应商多,芯片便宜,且功耗低,一块电池可以轻松待机一年甚至更长,而所有手机也都基本带了蓝牙功能,无需额外成本。比如,我在北京,共享单车在部分地区只能在指定地点停放,否则车会锁不上,即使锁上了也会收取额外调度费,我即使关掉手机,也依然会提示停放位置不正确。这种电子围栏技术就是基于蓝牙定位技术。

    基于蓝牙4.2系列的蓝牙定位技术准确度相对较低,通常精度在1-3米。

  • 基于蓝牙4.2系列的定位可以理解为基于距离的定位,即通过定位终端发射蓝牙信号,在数个定位节点(信标,Beacon)测量蓝牙信号强度,根据蓝牙信号的强弱和定位节点的位置对终端定位,专业名词叫RSSI。

    这种定位相对来说原理较为简单,成本也较低。主要问题在定位精度,信标间距为6米时,定位精度只能达到2米,如果信标间距再大一倍达到12米时,定位精度只有5米了,其实用价值会大幅下降。AirTag日常也是使用这种技术,即通过周围苹果设备实现定位。

  • 这种应用可以做一些对于精度要求相对较低的室内定位,例如地下停车场找车。

    基于蓝牙5.1的AoA定位技术精度相对较高,可达分米级。

  • AoA和AoD定位原理(来自https://www.silabs.com/wireless/bluetooth/bluetooth-5-1) 2019年1月,蓝牙联盟将蓝牙AoA/AoD技术写入了最新的蓝牙5.1标准。目前主要应用于定位的,是对终端天线需求较低的AoA技术。

    AoA全名叫Angle of Arrival,到达角。这种定位技术是蓝牙终端发射信号,而接收器通过多天线接受,因为各个天线到蓝牙终端的距离不同,因此形成了相位差,通过相位差和天线距离,计算相互之间的角度关系,进而实现定位。这种方式最高能达到厘米级的定位,和UWB技术的理论值接近。

    蓝牙AoA技术相较于UWB技术,其芯片供应商更多、下游终端普及更多。但由于相关技术在2019年才正式发布,其目前应用偏少,主要难点在于天线设计和距离算法,目前能提供解决方案的厂商并不多,因此要想普及可能还需要时间。海外走的最靠前的厂商叫Quuppa——来自芬兰,前诺基亚团队。国内也有一些初创型企业已经开始涉足这个领域。 这种技术指标上可以和UWB技术媲美,成本上更低,因此在医院、监狱等场景已经开始应用了。受益于设备的普及和蓝牙待机功耗低,这项技术也开始进入工业和商业场景,例如部分工业企业采用这种方式提升员工安全性,商业上北京SKP、国博就陆续采用了这种技术辅助室内定位。

    其他定位方式

    室内定位除了UWB和蓝牙以外,还有4/5G基站定位、视觉定位、Wi-Fi定位。但这几种都不是主流,简单聊聊就行。

    基站定位

    在2020年冻结的R16标准中加入了5G NR基站定位技术,Multi-RTT定位。3G和4G年代,手机基站分布相对比较稀疏,但进入5G年代后,基站数量大增,理论上即可通过5G基站实现定位。其定位精度约为1/4~1/3站间距。可以简单满足商场人流量统计及个人基本定位导航需求。 但这种方式需要手机同时收到3个以上基站的精确波束,由于5G基站数量还是不够密集,在目前难以大规模实现。

    视觉定位

    视觉定位叫做vSLAM(同步定位与地图构建),即基于几何图像原理,通过摄像头在不同角度的拍摄,形成场景的三维建模。这种最常见的应用,就是扫地机器人。如果选择采用激光雷达,成本则会居高不下;如果选择纯摄像头方案,其建模及算法要求会非常高,且定位效率偏低,目前主要用于偏工业场景,如自动小车(AGV,又叫AMR)、扫地机器人等。

    Wi-Fi定位

    Wi-Fi定位是实现原理是将室内划分成n*m个小格子,然后依次记录小格子内的数个路由器发出的Wi-Fi信号强度,即特征值。等手机进入这个地方以后,将测量出来的特征值和库里的值比对,根据匹配算法得出终端位置。前期工作量巨大,后期场内有一点点变化,都会导致特征值变化,需要再重新采集一遍。因此Wi-Fi定位暂未普及。

  • 总结

    AirTag巧妙的结合了蓝牙和UWB的定位技术,用于物品防丢。但未来的定位技术可能远不止于此,至少从目前来看,基于蓝牙的定位技术正在快速普及。国内运营商和大厂们,也在根据自身情况,提升室内定位精度。希望室内定位能尽快普及,这样去商场寻个吃的,就不用一家家看门牌号了。

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    现在停车场不少都有定位指示…………,门口的电脑屏幕上可以查到停车位置和示意图。在我印象里一下就能想起来n家。
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    发表于2021.06.04 15:46:36
    41
    10
    1.充电宝,2.剪刀。解决的办法可以是买更多剪刀和充电宝,以至于不会找不到。或者买airtag。
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    发表于2021.06.04 15:45:07
    40

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    发表于2021.05.30 23:19:48
    39
    114.242.249.***
    114.242.249.***
    发表于2021.05.22 21:54:57
    38
    想起来去各大商场地下车库找车得痛苦!扔个这玩意就解决了!哈哈!
    发表于2021.05.11 12:39:17
    37
    AirTag最大的问题就是工作距离,经过我实测,在地下停车场,超过十米左右就完全定位不到AirTag,找车基本不具备实用性。
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    发表于2021.05.06 12:51:24
    36
    03
    35
    124.228.051.***
    124.228.051.***
    发表于2021.05.05 00:09:59
    34
    03
    能否说说RFID技术,这个成本估计最低吧?
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    发表于2021.05.04 19:16:04
    33
    120.227.028.***
    120.227.028.***
    发表于2021.05.03 04:11:53
    31
    060.013.239.***
    060.013.239.***
    发表于2021.05.02 11:52:48
    29
    068.014.066.***
    068.014.066.***
    发表于2021.05.02 11:25:43
    28
    03

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    发表于2021.05.01 20:55:31
    27
    03
    有了这种精准定位技术,以后美国佬暗杀效果更佳精准、更佳方便了!
    发表于2021.05.01 17:02:22
    26
    118.113.207.***
    118.113.207.***
    发表于2021.04.30 20:38:01
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