微軟室內(nèi)定位大賽是國際盛名的室內(nèi)定位大賽(MS Indoor LOC Competition)，從2014年開始舉辦，每年都能吸引大量的公司和高校團隊參加。各個團隊在同一塊場地，利用各自不同的看家本領(lǐng)，來達到他們力所能及的最高定位精度。
2016年4月奧地利維也納，定位大賽如期舉行，我代表北京識途科技，有幸參加了此次比賽。2天的賽程中，30多只參賽隊的近100多人擁擠一個500平米大小的19世紀(jì)維也納宮殿中，要在其中完成定位采集、上傳、測試及最終的評測，對所有的參賽團隊來說，都是一個有趣的挑戰(zhàn)。經(jīng)常地，你需要跨過別人的基站、繞開地上的電線，還要從人群中小心閃避那穿行于其中的近百萬的激光雷達。
這次的比賽主辦方將所有的參賽組分成了3D組和2D組，對于2組的定義，官方給出的標(biāo)準(zhǔn)是：3D組允許在場地中部署額外的輔助定位硬件，并且允許使用特質(zhì)的設(shè)備作為被定位的終端，上報坐標(biāo)時需要x、y、z三軸坐標(biāo);2D組不允許部署任何額外硬件，僅利用場地現(xiàn)有設(shè)施來進行定位，且必須使用智能手機、平板電腦或筆記本電腦作為被定位終端;在定位過程中，僅需x和y即可。
總的來說，3D組的技術(shù)基本上由激光、UWB、超聲波構(gòu)成;而2D組則基本上由慣性導(dǎo)航、Wi-Fi結(jié)合各種傳感器為主。
對于3D組中的幾乎所有定位技術(shù)，基本都是使用TOA/TDOA/AOA三種原理中之一(大家可以自行百度，這里不再贅述)來實現(xiàn)。
激光定位
整個環(huán)境里，最吸引人的明星，莫過于幾臺價值昂貴的激光定位裝置。其基本上都由一個不停旋轉(zhuǎn)的雷達以及處理終端構(gòu)成。工程師把這些設(shè)備背在身后，激光雷達通常高于人頭，并會不停的從360度發(fā)射激光。不停在建筑物內(nèi)行走，就能完成整個場所的3維建模，同時可利用這些數(shù)據(jù)進行精確的室內(nèi)定位。通常，這樣的設(shè)備能達到極高的室內(nèi)定位精度，誤差基本在厘米級別，最優(yōu)秀者甚至達到了0.05米的精度。
UWB
在3D組中，今年UWB技術(shù)占據(jù)了大半江山。UWB是Utral Wide-Band的縮寫，是利用無線脈沖信號來定位。UWB技術(shù)需要部署額外的UWB基站，用來標(biāo)定位置，定位時使用專有的UWB的信標(biāo)，所以整個宮殿內(nèi)隨處可見高聳的UWB基站，與素雅的宮殿內(nèi)景一起形成了獨特又矛盾的風(fēng)景。
從整個比賽的結(jié)果上看，UWB的定位誤差精度基本上都在1米以內(nèi)，國內(nèi)也有優(yōu)秀的UWB公司取得了不錯的成績。從使用模式來看，UWB更適合高精度的行業(yè)應(yīng)用。
超聲波定位
超聲波定位的定位原理基本同激光及UWB，只不過信號的載體變成了超聲波。一般而言，也能到達1米以內(nèi)的精度。
iBeacon定位
原理類似WiFi指紋，只不過產(chǎn)生信號的源頭由WiFi AP變成了iBeacon信標(biāo)，Wi-Fi信號變成了藍牙信號。iBeacon定位比起Wi-Fi定位的好處在于，其可以完美的支持iOS系統(tǒng)，并且可以在微信中使用，結(jié)合諸如位置營銷、優(yōu)惠劵分發(fā)等產(chǎn)生額外價值。其也是當(dāng)前國內(nèi)商用定位技術(shù)的主流，各大公司都在部署或試圖部署自己的iBeacon網(wǎng)絡(luò)。但就技術(shù)層面，原理大抵也和Wi-Fi指紋相似，這個后面會更加詳細的描述。通常宣稱iBeacon定位的精度在1-2米左右，因為iBeacon的載體是低功耗藍牙，信號發(fā)射范圍比較小，且信號較為穩(wěn)定。但我們在市面上通?？吹降膇Beacon定位，并不能達到如此精度，這主要是由于目前市場上iBeacon設(shè)備的功控實現(xiàn)并不理想，不能保證信號處于一個較穩(wěn)定的范圍。
2D組不允許部署額外硬件設(shè)備，要求必須使用智能手機、平板電腦等個人終端作為定位裝置。這樣的組合更加貼近于實際場景，這也使得這樣的定位技術(shù)更加具有挑戰(zhàn)性，也更難以獲得高精度。
主流技術(shù)
利用RSSI的定位技術(shù)(Wi-Fi定位)
利用現(xiàn)有場所的Wi-Fi 路由器來進行定位，如果沒有iOS的強制限制，將會是絕佳的定位信號來源?，F(xiàn)代的建筑大都部署了Wi-Fi，用來提供人們聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，雖然路由器嚴(yán)格來說也屬于額外部署的硬件設(shè)施，但由于其上述的性質(zhì)，使得Wi-Fi本身已經(jīng)成為了建筑環(huán)境的一部分。但由于iOS系統(tǒng)未開放獲取無線Wi-Fi信號強度的API，使得Wi-Fi定位技術(shù)的應(yīng)用前景并不樂觀。
Wi-Fi定位(iBeacon)的大概原理主要有2種技術(shù)方案，一種是需提前獲知其AP的位置，然后通過無線信號衰減的物理理論公式，并加上三角定位算法或其他近距離算法，來計算出終端的位置;但由于無線信號在不同環(huán)境的衰減并不相同，使得這一方案獲得的精度通常具有較高的誤差;現(xiàn)在人們普遍使用的定位技術(shù)是指紋原理，大概思想是提前在室內(nèi)的每個位置采集該點的坐標(biāo)，以及當(dāng)前能收到的Wi-Fi信號和強度，形成指紋數(shù)據(jù)庫;在定位時，將終端實時到的信號及強度，與數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)做匹配，相近者則為其大概位置。開發(fā)者只需對信號匹配公式進行數(shù)學(xué)建模，即可完成該算法的開發(fā)。各團隊的差異基本來自于匹配算法的不同，以及與其他傳感器的結(jié)合算法等。
主流純Wi-Fi定位技術(shù)的精度一般在3~5米左右。
所有的基于無線信號強度的定位技術(shù)中，有2個因素非常關(guān)鍵，一個是信號源部署密度，另外一個就是無線信號的穩(wěn)定程度。
慣性導(dǎo)航(PDR)
慣性導(dǎo)航是僅依據(jù)設(shè)備的慣性傳感器(加速度、陀螺儀等)來進行的導(dǎo)航算法，理論上加速度計2次積分可獲得距離、陀螺儀積分可獲得角度，由距離及角度，即可知道在特定時間內(nèi)的行走軌跡。但由于室內(nèi)定位是人在持有設(shè)備，而人的行走姿態(tài)比較復(fù)雜，加上移動終端傳感器的精度受限，加速度2次積分誤差較大，所以依照上述方法，誤差較大;另外一種替代方案是通過步態(tài)檢測，檢查一段時間中行走的步數(shù)，然后乘以人類的步長，即可獲得行走距離;如果該設(shè)備綁定在鞋或腳上，這樣由人手臂引起的誤差即可消除，冠以較高精度傳感器，可獲得不錯結(jié)果。但慣性導(dǎo)航的特點在于，短距離內(nèi)能達到一個比較高的精度，在這過程中沒有任何輔助的糾正措施，隨著時間的推移，誤差會累計增大;如果人行走姿態(tài)較為復(fù)雜，例如非勻速行走，頻繁轉(zhuǎn)身，無意識晃動導(dǎo)航設(shè)備等，都會增大誤差;且慣性導(dǎo)航無法獲知初始位置，所以一般往往用來做輔助導(dǎo)航手段，因此嚴(yán)格的來說，慣性導(dǎo)航并不屬于定位技術(shù)，而是一種輔助。
此次競賽，主辦方允許手動輸入初始位置，這也使得有的團隊會使用慣性導(dǎo)航來進行參賽，但由于慣性導(dǎo)航無法獲取初始位置，技術(shù)上并不是嚴(yán)格的閉環(huán)，無法用來單獨使用，所以主辦方在最終未將其納入最終的成績測算。
地磁定位
地磁定位是目前新起的導(dǎo)航技術(shù)，我們也是采用純地磁定位參賽，最終以平均精度1.86米取得了2D組的第三。
地磁定位是利用建筑內(nèi)獨特的地磁場來作為信號源進行定位，相比起Wi-Fi、iBeacon等，地磁場天然存在，且較為穩(wěn)定，如果建筑建構(gòu)不發(fā)生大的改變，地磁分布也不會發(fā)生改變。建筑內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu)不同，為每個區(qū)域形成了其獨特的磁場分布，地磁定位正是利用了這種分布來測算位置。地磁定位技術(shù)通?？梢赃_到2米左右的精度。但地磁定位獲取初始位置，需要持續(xù)行走5-8米左右，這給部分場景帶來了一些限制。
通過本次比賽中各個隊伍的各種表現(xiàn)，對于現(xiàn)有各種技術(shù)及使用場景，有了一個較為清晰的認識：
1、3D組總體來說，精度比2D組高較多，特別適用于某些對定位精度要求非常高的行業(yè);但由于其需要部署額外的硬件或采用額外的終端，所以無法在大規(guī)模的個人市場中應(yīng)用;
2、基于無線信號強度的定位，例如Wi-Fi、iBeacon可以通過單點采集大量數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行濾波(如kalman濾波)以獲得較高精度(1-2米);但此種方式僅適用于單點定位，實時導(dǎo)航的效果就較差;
3、未來商業(yè)化的面向個人的定位技術(shù)，應(yīng)該會是多種定位技術(shù)的智能融合方案，例如iBeacon+地磁或Wi-Fi+地磁+慣性導(dǎo)航等，這樣能在獲得較高精度的同時，也能獲得較流暢的用戶體驗;
除了復(fù)雜原理和算法，比賽的另一個樂趣之一，就是你總能遇上各種有趣的人：
來自韓國的幾位還在讀研的學(xué)生，全程完全自費來參加此次比賽，對于學(xué)生來說，這筆費用并不便宜，但他們還是來了，為的就是來驗證自己的想法;
3D組的一個團隊，用了僅一個月的時間就完成了一個基本的室內(nèi)定位系統(tǒng);但在比賽過程中，卻出現(xiàn)了10米以上的較大誤差，他們本可以放棄成績，不讓這樣的結(jié)果出現(xiàn)在基本都是厘米級別的3D組別里，但他們?nèi)匀粓猿滞瓿闪吮荣悾鎸κд`毫無畏懼;
另外一個黑人小伙，其同伴未能趕上及時的飛機，而他們所需的所有ZigBee的設(shè)備都在同伴身上。不知道他們經(jīng)歷了怎樣的焦急和不安，當(dāng)準(zhǔn)備日(比賽前一天只有7個小時準(zhǔn)備，之后所有的部署采集工作必須全部結(jié)束)結(jié)束的1個半小時之內(nèi)，他們奇跡般的完成了從安裝設(shè)備、調(diào)試、標(biāo)定及測試的所有工作......
許許多多的團隊在技術(shù)上的熱情和執(zhí)著，感染著在場的許多人;比賽不是目的，交流和探討，共同提高才是此次比賽的意義所在;相信未來，通過交流和溝通，更好的室內(nèi)定位技術(shù)將會給人們的生活帶來更多的便利。
文中如有偏頗，歡迎大家一起探討。(文|楊濤 來源|知乎)
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