动态环境中移动室内定位技术

张涵瑞 管芳笛 张浩 尚现娟

摘要：随着科技的发展，建筑高层楼宇拔地而起，越来越多的人更加关注对于企业的生产车间和办公区域的定位管理，在国内常规的定位技术有卫星(GPS、北斗)定位、WiFi 定位、RFID 定位、蓝牙定位等几种方式，这几种定位方式有什么不同，各有什么利弊。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的优缺点和适合的应用场景，没有绝对的胜负之分，以表格形式对其各自优势、劣势及定位精度进行分析。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对动态环境中移动室内定位提出了一些建议，以供参考。

关键词：动态环境；移动室内定位

引言

将着眼于室内定位模型结合实际的定位场景，将引入基于二阶梯度的近端策略优化来加快定位模型的训练速度，通过多线程动作评价并行训练，来动态适应实际环境，进一步提高定位的准确度。

1、常用室内定位技术

WiFi定位技术是通过安装无线基站，利用三边无线网络基站与定位终端接收的信号强度，硬件设备成本较低。ZigBee定位技术是一种短距离无线定位技术，有低功耗、成本低等优点，但信号强度易受环境影响，稳定性差。RFID定位技术是一种非接触式的数据通信技术，定位终端在射频磁场通过多对双向通信传送数据，有精度高、体积小和成本低的优点。UWB定位技术使用固定位置的桥节点和信标点以及定位终端节点通过脉冲进行数据通信，有抗干扰、精度高等优点。

2、系统方案

定位技术分为以下几种架构:1)主动式定位系统。必须由设备持有人主动发起，通过自行安装在相关设备(如手机、平板等)上的软件，且续运行的情况下进行定位，适用于机场、火车站、办公室、智慧医院、博物馆、展览馆、游乐场等场所。2)被动式定位系统。通过给需要定位的人员、资产、车辆发放定位设备，网关接收到定位设备发送的数据通过后台算法进行定位的一种定位方法，适用于学生定位与考勤、养老院、工地、监狱、访客管理、资产管理等场所。3)主被动一体式定位系统。综合上面两种定位方式，即可通过设备持有人通过安装相关的应用程序主动发起定位，又可通过对特定人员、设备等发放标签实现后台定位一种综合定位系统，适用于化工厂、电厂、隧道工地、医院、物流仓储等。

3、动态环境中移动室内定位

传统的室内定位方法在面对大量 RFID 室内定位目标时，往往由于各种环境因素的干扰，会产生较大的定位误差。在深度强化学习中，近端策略优化算法考虑了新动作策略和旧动作策略，在新旧策略中加入剪切概率比，并设置一个新的目标函数，这一新的目标函数可以限制动作值稳定在近端范围内，使新的动作策略可以参照旧的动作策略来进行更新。该方法解决了传统强化学习算法高方差和高偏差问题，并可以快速决定模型的优化方向。因此，该算法不仅具有传统强化学习动态决策的优势，还可以将动作限制在近端范围内，快速决定优化方向，若将其用在 RFID 室内定位中，可以快速确定出定位目标的位置，并确定出位置的优化方向，优化出最优位置信息。

3.1基于测距的RFID室内定位算法

（1）基于到达时间（TOA）的定位技术。基于到达时间的定位技术的思路就是利用基本的物理公式：路程=时间*速度。该定位技术利用了电信号的传播速度v已知：m/s，再获得标签到天线的时间t，就能够求得二者之间的距离s。通过三边定位法，用以上方法求出该标签到定位场景中不同的三个天线的距离来获得标签的位置。（2）基于到达时间差（TDOA）的定位技术。基于到达时间差（TDOA）定位技术是在基于到达时间定位技术上进行改进的一种定位技术，其优点是克服了TOA对于天线发射信号时间和标签时间精确的时间同步的依赖性。基于到达时间差的定位技术实际上也是一种和距离有关的定位技术，主要的思想是通过获取不同天线的电信号到达标签的时间，将这些时间转化为不同天线到达标签的距离。然后分别选取这组天线中的两个及其到达标签的距离差，得到一个双曲线方程，不同的双曲线方程的交点是标签实际位置的候选点。（3）基于到达角度（AOA）的定位技术。基于到达角度（AOA）定位技术也是一种基于测距的室内定位技术，与基于到达时间定位技术和基于到达时间差定位技术不同的是该技术不需要计算天线到标签的距离，因而不需要获得天线与标签准确通讯的时长。（4）基于接收信号强度（RSSI）定位技术。测距分类下的基于接收信号强度定位技术指的是利用信号在室内环境下的传输损耗模型进行测距的。这种技术需要获取的数据是天线发射信号的功率和经过标签反射后的接收功率两个值。通过传输损耗模型可以将接收信号强度RSSI换算成天线到标签的距离，再由多个天线到标签的距离换算成标签实际的位置坐标。

3.2定位目标静止与移动时的影响

为了检验定位模型针对移动定位目标的定位性能，比较了定位目标移动时与静止时的定位结果，分别获取了参考定位目标静止时与移动时的 RSSI值，并分别比较了模型训练和模型定位时的结果。比较了定位目标移动时和静止时的收敛速度。在定位目标静止的情况下，在定位模型前期训练时，定位目标移动时的回报值比静止时的回报值低，但是在训练后期，两种情况的回报值基本相同，且最后模型都收敛了。综上，当定位目标移动时，定位模型也可以定位出目标位置，具有较好的探索能力。

3.3蓝牙室内定位

室内定位，主要是通过提供辅助信号，帮助终端计算自己的位置信息，主要应用于一些大型室内公共场所，如大型商场、超市或者办公楼。在商场里安装固定位置的蓝牙发射装置，周期性的发送蓝牙信号，访客通过手机应用软件，接收来自固定发射器的信号，通过信号强度计算自己与固定发射器的距离。在平面上，通过至少３个固定发射器的信号强度，就能得出平面上的位置信息。蓝牙定位技术，首先，需要在室内布置一定数量的固定蓝牙设备，而且，这些蓝牙设备的位置坐标时已知的。其次，通过测量信号强度估算距离，由于估算的精度有限，目前的定位精度为１～１０ｍ，该定位精度远达不到市场的需求。针对该问题，蓝牙组织在蓝牙５．１中引入了寻向技术，将定位精度提高到厘米级。

3.4VLC 定位与定向算法

由于 VLC 三维定位与三维定向问题属于六元非线性方程组求解问题，直接通过数学解析的方式来计算接收端的位置和方向较为困难。因此，许多研究采用了 PSO、模拟退火（SA, simulated an-nealing）算法等全局优化算法来搜索数值最优解 。将 PSO 与 BAS 算法相结合来寻找六元线性方程组的最优解，实现 VLC 同时定位与定向。PSO 是成熟的仿生算法，在群体寻优方面有优异的表现。而 BAS 在单体搜索中表现灵活，参数易调，具有较好的收敛速度和精度。

结束语

综上所述，基于测距的RFID室内定位算法。传统基于强化学习的室内定位算法相比，在收敛速度、定位精度和稳定性，定位效率，计算复杂度等方面都有较大的提升。

参考文献

[1]曹其新,黄先群,蒋宇捷,朱笑笑.动态环境中移动机器人多状态转换自主导航[J].华中科技大学学报(自然科学版),2019,47(10):22-27.

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[3]许金鹏.移动机器人路径规划与运动控制研究[D].中北大学,2018.

[4]孙林.基于多传感器信息融合的移动机器人室内导航研究[D].重庆邮电大学,2018.

[5]陈水德.动态室内环境中移动机器人自主环境探索与导航[D].大连理工大学,2018.

作者简介：

张涵瑞 计算机科学与技术专业 2019级 (2000-) 学生

管芳笛 计算机科学与技术专业 2018级(1999-) 学生

张浩 计算机科学与技术专业 2019级 (2001-) 学生

尚现娟 硕士 讲师 指导老师

基金项目：山东省大学生创新创业训练计划支持项目（项目编号：S202013324057）