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克服挑戰,實現高精準度室內定位
[作者 Erik Carlberg]   2021年11月09日 星期二 瀏覽人次: [1173]

針對高精準度室內定位難題,藍牙提供了一個新答案。為了要測試這項技術,u-blox於工業倉庫進行了概念驗證試驗,本文聚焦介紹適合室內定位的到達角度(AoA)解決方案。


位置感知:這是物聯網技術為企業和消費者帶來的主要好處之一。不用花大錢,車隊管理人員就能即時追蹤車隊車輛,物流公司可以追蹤運輸貨物,農民也能追蹤他們的牲畜。人們也可以購買聯網裝置來看顧年邁親人、追蹤寵物或汽車等貴重物品。


透過全球導航衛星系統(global navigation satellite systems;GNSS),包括 GPS、GLONASS、北斗和伽利略系統的建置,定位技術已全面進入人類經濟活動及日常生活的各個層面。年復一年,GNSS 技術持續精進,定位精準度從幾公尺縮減至幾公分,初始定位時間也從幾十秒減少至幾秒,且服務可用性不斷增進,即使是最為密集的都市叢林,GNSS也能提供精確的定位服務。


然而,時至今天,高精準度定位仍存在一個嚴重盲點:室內空間的定位。微弱的 GNSS 信號無法有效滲透至大部分的室內空間,因此,許多室內活動無法利用連續性位置感知來提升效率,例如:


‧ 醫院管理人員無法追蹤醫療設備、患者和員工。


‧ 機場管理公司無法優化行李處理程序及快速定位遲到乘客。


‧ 製造廠商無法提升自動化生產流程。


‧ 服務業和零售業者無法追蹤客戶行為及後端作業。


‧ 倉庫管理人員無法利用地面機器人升級作業操作。


基本上,衛星信號在這些室內環境裡可說是無用武之地,因此必須採用其他技術來填補此空白區域。例如,具有行動通訊數據機的設備,可以利用行動通訊信號,以所謂的網絡指紋辨識(network fingerprinting)或更複雜的飛行時間(time-of-flight)技術,估出相對於附近行動通訊基地台的位置。配備Wi-Fi的設備,也能使用類似方法,以相對於Wi-Fi 熱點的位置進行定位。具有藍牙功能的設備,則能使用接收信號強度指標 (RSSI),估計相對於附近藍牙信標的接近距離。


表1在室內環境中採用的行動通訊技術(*接近距離。確切值取決於每一部署的細節)

 

Wi-Fi

指紋辨識

Wi-Fi

飛行時間

藍牙 RSSI

藍牙 AoA

準確性*

10 m

1~2 m

5~10 m

0.5~1.0 m

能量消耗

安裝成本

設備成本


然而,這些技術都有所侷限,限制了它們在上述使用情境中的應用,畢竟GNSS技術在準確性、可用性、易用性和成本負擔方面,皆已樹立極為不凡的標竿。行動通訊和 Wi-Fi 的定位技術所需的硬體成本相對較高,然而能提供的精準度卻低於預期。至於藍牙 RSSI,儘管精準度也不算高,不過由於成本低、功耗低,且相容於目前市面上的大部分聯網設備,因此已成功在需要房間級(room-level)定位精準度的應用中站穩腳步。


2019 年,藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)推出了藍牙尋向技術(Bluetooth Direction Finding),在室內定位領域取得突破性進展。該方法使用新型藍牙信號和多天線陣列,測量行動標籤與一個或多個靜態錨點之間的藍牙訊息傳播角度,為室內定位難題帶來了新的解決可能性。這是首次有室內定位技術能夠符合高精準度、易於部署、設備成本低,以及低功耗等各項條件。


ABI Research 預測,從2019 年至 2025 年,藍牙標籤出貨量的複合年成長率為 28.3%,預估智慧辦公室的成長幅度最大(64.2%),倉儲和物流垂直領域的絕對數量最大(超過 1.63 億)。藍牙技術與u-blox的戶外 GNSS 解決方案可相互補,且採用此技術開發解決方案的全球產業生態系統龐大,加上擁有低功耗、低成本,以及1公尺以下的定位精準度等優點,因此 u-blox 投入大量研發資源推動藍牙室內定位技術的普及。


藍牙如何實現高精準度室內定位

藍牙室內定位的底層技術是藍牙尋向。顧名思義,藍牙尋向是要測定藍牙信號在行動標籤和固定錨點之間的傳播方向,有兩種方式可以實現這個目的,一是採用到達角度(AoA),由錨點計算藍牙標籤傳輸傳入信號的方向。二是採用出發角度(AoD),在此方式中,角色被翻轉,由藍牙標籤來計算錨點傳輸信號的角度。本文聚焦於介紹AoA,此方法更適合室內定位解決方案,至於 AoD則是在室內導航解決方案具有優勢。


為了評估此技術,在位於瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內,我們建構了採用AoA 的藍牙尋向展示,在尋向錨點上安裝了伺服馬達並設計程式,根據即時計算的到達角度輸出來追?移動的藍牙標籤。



圖1 : 位於瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內,建構採用AoA的藍牙尋向追?移動的藍牙標籤展示。
圖1 : 位於瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內,建構採用AoA的藍牙尋向追?移動的藍牙標籤展示。

藍牙測向的工作原理有兩個祕密,首先是帶有被稱為固定頻率擴展信號(constant tone extension;CTE)附加數據的新型藍牙尋向信號。藍牙訊息的其餘部分經過調變以攜帶數據,CTE 僅由一連串的「1」組成,因此接收器可以使用這部分訊息來準確測量信號之間的相位差。這也帶來了藍牙尋向工作原理的第二個秘密,也就是隱藏在每個錨點內部的不是單一天線,而是多天線陣列。



圖2 : 行動標籤發射的測向信號
圖2 : 行動標籤發射的測向信號

圖2說明了行動標籤發射的測向信號,是如何到達靜態錨點天線陣列的各個天線。由於行進距離不同,每個天線接收到的信號,相對於其他天線都有輕微的相移,歸功於 CTE,這是可以測量的。接下來交由錨點內建 MCU 的演算法來解析此數據,以計算出信號的到達角度,精準度約 +/- X 度。


當使用多個錨點而不是單一錨點時,可以使用來自多個錨點的到達角度,以三角測量方式定位追蹤器的大致位置。這需要將錨點的精確位置和方向輸入定位引擎,然後運用另一種演算法,根據每個錨點計算出的到達角度,藉以算出附有標記資產的2D或3D位置。


我們在一個簡單的 8 x 6 公尺辦公室環境中,於4個角落安裝了4個錨點,以95%概率達到1 公尺以下的平均精準度。



圖3 : 在工業倉庫中試用技術
圖3 : 在工業倉庫中試用技術

工業倉庫是典型的資產追蹤應用情境,我們在現場試用了藍牙室內定位解決方案。30 x 50 公尺的倉庫裡有金屬貨架,用來存放設備和箱子。根據藍牙規範的定義,原始 RF 數據是交由較低層技術負責,但是並沒有指定計算實際到達角度的演算法。在試用中,我們開發一種高效率的演算法,在藍牙晶片的嵌入式 MCU 上運作,同時仍能提供高精準度和高更新率。特別的是,還優化了射頻前端、天線、運作於錨點藍牙模組的嵌入式演算法,以及將錨點連結至網路的無線網路骨幹。


圖4是在錨點中使用的藍牙標籤和 L 形天線陣列。



圖4 : 在錨點中使用的藍牙標籤和 L 形天線陣列
圖4 : 在錨點中使用的藍牙標籤和 L 形天線陣列

在這個試驗中,使用了 10 個錨點來覆蓋 6 公尺高的空間,佔地面積約為1000平方公尺。經由縝密的規劃和準備,在安裝過程沒有任何中斷的情況下,只花了大約兩個小時便完成定位系統的安裝。為了最大化追蹤器標籤和多天線陣列之間的視野範圍,將錨點安裝在離地面3至5公尺之間。


我們採用第三方追蹤軟體來簡化部署,在這個案例中使用了 Traxmate,得以輕鬆輸入錨點的位置和方向,並能使用整合型 API 設置定位引擎。最後,在每個錨點和定位引擎之間建立了 Wi-Fi 通信骨幹。


在這個試驗中,特別費心於配置的設計,務求能在室內環境中提供可靠的效能,畢竟大部分的室內環境部署極為複雜。首先,為了最大化所有可能標籤位置和至少3個錨點之間的視線可能性,錨點的放置位置是經過深思熟慮的。關於錨點數量也需審慎考量,如上所述,在這個試驗中,使用10個相距約10公尺的錨點,這樣的設置能提供良好的平均定位精準度,並且可以即時追蹤到標籤位置。更重要的是,必須處理多徑效應,例如當無線電信號遇到牆壁反彈時,便會造成此效應。在錨點運作用來計算角度的演算法中,就包括多路徑緩解,即使在倉庫這種頗具挑戰性的無線電環境中,依然能夠提供強大的效能。


為了減少多徑效應,在3個藍牙傳播通道中都使用了CTE,在錨點上使用雙極化天線;並且使用先進的傳播器直接數據採集(propagator direct data acquisition;PDDA)技術,用於角譜搜尋。


此次成功執行概念驗證部署的經驗,讓我們更加確認藍牙高精準度室內定位技術的強大。首先,如果部署得當,此技術可以為室內定位新應用提供眾所期待的1公尺以下的精準度。其次,如同一般的藍牙裝置,此技術所需的硬體成本遠低於其他競爭技術,電力需求也是低得多。室內定位解決方案的部署一向深具挑戰性,我們所採用的硬體配置以及和 Web 介面(例如由 Traxmate 開發的介面)的整合,大幅簡化了部署工作。


為了協助客戶快速開發室內定位應用,u-blox的兩款「探索者套件(explorer kit)」,可協助產品開發人員評估藍牙尋向和高精準度室內定位技術的潛力。u-blox XPLR-AOA-1 和 XPLR-AOA-2 探索者套件是專為低功耗、簡易部署和低擁有成本所設計,可輕鬆測試利用藍牙技術來開發門禁控制、碰撞偵測、智慧家電、室內定位和資產追蹤等各種應用的能力。


此外,u-blox推出的NINA-B4模組可支援藍牙5.1標準─包括尋向(direction finding)功能,此模組能在高達105°C的寬廣溫度範圍內運作,再結合其長傳輸距離能力,是部署於惡劣環境中的理想選擇。透過採用到達角(AoA)和出發角(AoD, angle-of-departure)尋向技術,NINA-B4模組可同時做為發射器和接收器使用,為室內應用帶來高精準度定位的優勢。


(本文作者Erik Carlberg為u-blox短距離無線電產品策略部門資深產品經理 )


**刊頭圖(source:Matellio)


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