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

磁異常隨處可見。定向的不確定性是造成定位出錯的主要原因。盡管使用磁力計可以避免定向過程中出現(xiàn)的“航向漂移”問題，但智能手機通常在一天中60%的時間里都會出現(xiàn)地磁異常。這使得智能手機室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨著不小的挑戰(zhàn)，能克服這個挑戰(zhàn)嗎?

多年來，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來計算步數(shù)，并使用磁力計和/或陀螺儀來測量行走方向的變化。測量準(zhǔn)確率在行進距離的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，以確保移動感應(yīng)設(shè)備的平穩(wěn)，就如同行走的同時還要保持一塊蛋糕的平衡一樣，也就是所謂的“蛋糕步”。

但是智能手機的室內(nèi)定位系統(tǒng)要能夠讓用戶自由移動，且無論手機如何放置都能提供合理的結(jié)果。通過開發(fā)傳感器算法來進行室內(nèi)定位是極為復(fù)雜的，這在一定程度上是因為算法會受下列因素變化的影響，且隨著環(huán)境的實時變化，系統(tǒng)還必須同時兼顧到這些因素。

地磁異常隨處可見。定向的不確定性是造成定位出錯的主要原因。盡管使用磁力計可以避免定向過程中出現(xiàn)的“航向漂移”問題，但智能手機通常在一天中60%的時間里都會出現(xiàn)地磁異常。如圖1所示，當(dāng)平穩(wěn)地拿著手機經(jīng)過一根普通的電線桿時，可以看到，航向出現(xiàn)擺動，變得極不準(zhǔn)確。而通過算法的精心設(shè)計，可以檢測到這些異常并進行彌補，使定向更加精準(zhǔn)(如圖中藍線所示)。

Galaxy SIII Walking Past Electrical Pole：Galaxy SIII經(jīng)過電線桿時的航向偏移

圖1.當(dāng)經(jīng)過電磁干擾源(如電線桿)時，一個普通缺省設(shè)置的安卓手機的定向功能會變得很差(紅線)。在向同一臺手機植入并安裝Sensor  Platforms公司的FreeMotion Library后，定向功能變得精確(藍線)。

Yaw (deg)：航向偏移量(單位：度)

Time (sec)：時間(單位：秒)

智能手機中的消費級慣性傳感器噪音大且不穩(wěn)定。一些學(xué)術(shù)文章中將加速度計噪音達到1mg且陀螺儀偏置漂移達到每小時20度(與軍工級傳感器相比相距甚遠(yuǎn))的慣性測量單元(IMU)稱為低質(zhì)IMU.然而，即便智能手機中最好的傳感器，也會產(chǎn)生比該值多一到兩個數(shù)量級的噪音。因此，這種噪音累積會迅速導(dǎo)致嚴(yán)重的定位錯誤。在提高傳感器硬件性能之前，需要引入一些算法來減少航位推算錯誤，例如運用PDR技術(shù)來計算步數(shù)。