智能手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)在哪？

磁異常隨處可見。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60%的時(shí)間里都會(huì)出現(xiàn)地磁異常。這使得智能手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨著不小的挑戰(zhàn)，能克服這個(gè)挑戰(zhàn)嗎?

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。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)。

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

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)

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))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)。