毛大智，張 鵬,，曠 儉，施 闖

（1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079）

生活中位置服務(wù)扮演著舉足輕重的角色。在GNSS信號(hào)無法觸及的室內(nèi)，各種無線定位技術(shù)給室內(nèi)位置服務(wù)提供了許多方法[1]?；赗SSI的室內(nèi)無線定位技術(shù)主要包括三邊定位方法和指紋定位方法兩種[2]。由于信號(hào)的多路徑、溫濕度變化、人員出入以及其他信號(hào)遮擋等情況的存在，基于無線信號(hào)路徑損耗模型的三邊定位方法在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中不能獲得理想的定位結(jié)果[3-5]；而指紋定位方法是利用室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境引起的室內(nèi)無線信號(hào)的特異性來構(gòu)建用于定位的指紋信息，不受室內(nèi)各種條件的限制，且無需事先獲取信號(hào)源的位置，對(duì)在室內(nèi)環(huán)境中定位有著良好的適應(yīng)性[6-7]。

指紋地圖是指紋定位的基礎(chǔ)。指紋地圖的精度決定了指紋定位的精度上限[8]。對(duì)于非常大的室內(nèi)環(huán)境，高指紋密度和高指紋更新速率僅利用人力更新難以實(shí)現(xiàn)；而機(jī)器人采集方法可克服這一障礙。因此，在室內(nèi)定位技術(shù)即將普及的將來，采用機(jī)器人來更新室內(nèi)指紋地圖具有非常廣闊的前景，對(duì)于解放人力成本、提高室內(nèi)指紋地圖的質(zhì)量與現(xiàn)勢(shì)性以及提高室內(nèi)定位精度具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。本文提出以Pioneer 3-DX移動(dòng)機(jī)器人為平臺(tái)的室內(nèi)指紋更新系統(tǒng)，結(jié)果表明，指紋采集質(zhì)量和效率均有一定提高，室內(nèi)平均定位精度可達(dá)2 m以內(nèi)。

1 自動(dòng)指紋地圖采集與處理

Pioneer 3-DX移動(dòng)機(jī)器人（圖1）是小尺寸、輕便型的兩輪雙電機(jī)差分驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，前后兩側(cè)共有16個(gè)可用于避障的聲納，最大行進(jìn)速度為1.2 m/s，旋轉(zhuǎn)速度為300°/s，最大跨越高度為2.5 cm，最大跨越寬度為5 cm，最大爬坡角度為25%，適合在室內(nèi)較平緩的地形上行進(jìn)。

圖1 采集實(shí)驗(yàn)中的移動(dòng)機(jī)器人

為了能更細(xì)致全面地采集指紋地圖，機(jī)器人將采取S型勻速掃描的行進(jìn)方式，掃描間距根據(jù)定位精度需求調(diào)整。機(jī)器人配有里程計(jì)；指紋采集時(shí)，將手機(jī)放置于機(jī)器人上采集手機(jī)傳感器得到的藍(lán)牙、WiFi、地磁等的信號(hào)強(qiáng)度信息；利用室內(nèi)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)采集更新分析軟件將上述信息融合為可用于精確定位的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。

指紋地圖的各指紋點(diǎn)信息可表示為：

式中，Pm為第m個(gè)指紋點(diǎn)信息；(x,y)為該指紋點(diǎn)的坐標(biāo)；RSSIn為在該指紋點(diǎn)接收到的第n個(gè)RSSI發(fā)射源的信號(hào)；MACn為第n個(gè)RSSI發(fā)射源的MAC值；A:B表示A與B的映射關(guān)系[9]。

室內(nèi)定位系統(tǒng)維護(hù)人員需建立并經(jīng)常性地更新室內(nèi)信號(hào)指紋，檢查是否有損壞或電量不夠的beacon或其他信號(hào)源；而這對(duì)于大空間、多信號(hào)源（beacon、地磁、WiFi等）的場(chǎng)所來說，具有很大的工作量。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)將室內(nèi)信號(hào)源坐標(biāo)與機(jī)器人掃描得到的指紋地圖進(jìn)行比對(duì)，可以很方便地找出有問題的信號(hào)源，使維護(hù)人員能及時(shí)更換信號(hào)源以減少室內(nèi)某些位置定位精度差的情況。系統(tǒng)可將機(jī)器人里程計(jì)文件導(dǎo)入軟件得到機(jī)器人的行進(jìn)路線圖，在已有的室內(nèi)地圖上展示機(jī)器人采集指紋點(diǎn)的路徑，辨別沒有掃描到的區(qū)域和采集點(diǎn)密度不夠的區(qū)域，以便進(jìn)行補(bǔ)充采集；還可通過可視化指紋地圖、疊加多次采集指紋地圖、剔除處理置信度低的指紋信息，為高效、便捷地得到高現(xiàn)勢(shì)性指紋地圖提供方便。實(shí)驗(yàn)中使用自主編寫的基于機(jī)器人的室內(nèi)指紋地圖采集分析系統(tǒng)處理原始采集信息，處理流程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人指紋庫(kù)更新框架

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 地圖采集階段

傳統(tǒng)的指紋采集方式有靜態(tài)點(diǎn)采集和動(dòng)態(tài)線采集兩 種。靜態(tài)點(diǎn)采集是先將定位平面分為許多小單元，然后在這些小單元內(nèi)放置接收端靜態(tài)采集相應(yīng)的RSSI，每個(gè)點(diǎn)位采集數(shù)min[10]；動(dòng)態(tài)線采集是人手持接收端，通過從已知位置的路標(biāo)點(diǎn)（landmark）勻速移動(dòng)到另一個(gè)已知位置的路標(biāo)點(diǎn)來采集路徑上的對(duì)應(yīng)RSSI，再將線采集得到的信息統(tǒng)一歸化到對(duì)應(yīng)的格網(wǎng)點(diǎn)[11-13]。本文采用的機(jī)器人地圖采集更新方式也是動(dòng)態(tài)線采集的一種。

傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)線采集需得到每條采集線每個(gè)位置的坐標(biāo)，且每條線的兩端都需要已知坐標(biāo)的路標(biāo)點(diǎn)，在一定程度上增加了指紋采集的人力成本。同時(shí)，為了得到線上每個(gè)時(shí)刻的坐標(biāo)，還需采集人員在線上勻速運(yùn)動(dòng)，且保持直線行進(jìn)狀態(tài)，這就產(chǎn)生了一定程度的指紋點(diǎn)位置誤差，進(jìn)而對(duì)由此產(chǎn)生的指紋地圖的質(zhì)量有本質(zhì)的影響。由于機(jī)器人的位置可由里程計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀和SLAM方法等得到并及時(shí)修正，使用機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)線采集時(shí)，不存在非勻速、路線彎曲造成的位置誤差，輔助得到當(dāng)前位置所需的路標(biāo)點(diǎn)數(shù)量也要少很多，大大減少了人力成本，且可得到質(zhì)量更好的指紋地圖。3種采集方式對(duì)比如表1所示。

使用靜態(tài)點(diǎn)采集方式時(shí)，在走廊內(nèi)均勻選擇10個(gè)采集點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)采集1 min；再將得到的各采集點(diǎn)的指紋數(shù)據(jù)歸化到格網(wǎng)。使用傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)線采集方式時(shí)，人工選擇路標(biāo)點(diǎn)（如beacon點(diǎn)位正下方、墻壁拐角處等）位置，并以已知坐標(biāo)的路標(biāo)點(diǎn)為直線的兩端勻速行進(jìn)，且使得這些采集直線盡可能均勻地布滿走廊的空間；共采集10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為1 min。使用機(jī)器人動(dòng)態(tài)線采集方式時(shí)，機(jī)器人采用S型行進(jìn)軌跡掃描采集室內(nèi)指紋地圖，相鄰采集線間隔均為50 cm。利用里程計(jì)信息可以得到機(jī)器人的位置：

式中，Li+1、Li分別為第i+1個(gè)歷元和第i個(gè)歷元的里程計(jì)里程讀數(shù)；θi+1、θi為第i+1個(gè)歷元和第i個(gè)歷元的里程計(jì)角度讀數(shù)。

現(xiàn)階段由于機(jī)器人在較長(zhǎng)距離的行進(jìn)后會(huì)有較大的誤差積累，將分多次進(jìn)行指紋采集，得到的多個(gè)指紋地圖通過室內(nèi)指紋地圖采集更新軟件進(jìn)行合并與輸出。狹長(zhǎng)的采集區(qū)域共70 m2，采集時(shí)間共計(jì)10 min。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)室內(nèi)地圖與beacon點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)室內(nèi)地圖與beacon點(diǎn)位分布

2.2 定位測(cè)試階段

實(shí)驗(yàn)中采用WKNN算法進(jìn)行指紋匹配，選取當(dāng)前歷元內(nèi)信號(hào)歐氏距離最小的K個(gè)信號(hào)。接收到的信號(hào)強(qiáng)度矢量與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中第i個(gè)指紋點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度矢量的歐式距離為：

根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)信號(hào)源的位置進(jìn)行加權(quán)平均，得到定位結(jié)果：

式中，(xi, yi)為最近的第i(i=1,2,…,K)個(gè)信號(hào)源的位置坐標(biāo)；Di為響應(yīng)的第i個(gè)歐式距離；η為權(quán)重系數(shù)的歸一化參數(shù)；ε為保證分母不為0的很小的值。

本文在Android平臺(tái)開發(fā)了定位軟件進(jìn)行定位測(cè)試。為得到實(shí)際的定位精度，使用機(jī)器人負(fù)載手機(jī)沿已知坐標(biāo)的路線行進(jìn)，與定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。3種方法的相對(duì)誤差如圖4所示。

圖4 3種采集方式指紋定位誤差對(duì)比

圖5 3種采集方式定位誤差累計(jì)分布對(duì)比

由圖5可知，使用機(jī)器人動(dòng)態(tài)線采集方式得到的指紋定位結(jié)果與實(shí)際位置之間的誤差距離87%在2 m以內(nèi)，40%在1 m以內(nèi)，平均定位誤差約為1.2 m，精度較好。使用傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)線采集方式的誤差距離66%在2 m內(nèi)，平均誤差為1.60 m。使用靜態(tài)點(diǎn)采集方式的誤差距離64%在2 m內(nèi)，平均誤差為1.67 m。在相同時(shí)間內(nèi)對(duì)相同大小的區(qū)域采集指紋地圖，并以各自的指紋地圖得到定位結(jié)果，機(jī)器人動(dòng)態(tài)線采集方式的定位精度比靜態(tài)點(diǎn)采集方式提高了約25%。采用機(jī)器人進(jìn)行密集的指紋采集相較于其他兩種方式，效率有一定的提高，且機(jī)器人可對(duì)所有位置進(jìn)行地毯式采集，每個(gè)采集時(shí)刻的位置都可通過里程計(jì)得到相對(duì)精度較高的坐標(biāo)，因此機(jī)器人指紋采集不僅效率高，而且得到的指紋地圖質(zhì)量更好。

3 結(jié) 語

本文介紹了基于機(jī)器人的室內(nèi)指紋地圖更新系統(tǒng)，利用機(jī)器人進(jìn)行指紋更新可減少室內(nèi)指紋地圖維護(hù)人員重復(fù)性的工作，極大地削減了長(zhǎng)期維護(hù)的成本，提高了指紋定位在大室內(nèi)情況下的適用性。對(duì)比傳統(tǒng)線采集與點(diǎn)采集，機(jī)器人采集減少了對(duì)已知坐標(biāo)的路標(biāo)點(diǎn)需求，節(jié)省了大部分人力成本，更精化了采集指紋點(diǎn)的坐標(biāo)，可得到更高質(zhì)量的指紋地圖。本文實(shí)驗(yàn)中得到的定位平均誤差為1.2 m，80%的誤差在2 m以內(nèi)。使用機(jī)器人的指紋地圖更新方法的定位精度相對(duì)于其他兩種方法提高了約20%。

在實(shí)際維護(hù)工作中，讓移動(dòng)機(jī)器人在無人的凌晨自動(dòng)采集室內(nèi)指紋地圖，早上就可收獲成果。機(jī)器人采集的指紋通過系統(tǒng)進(jìn)行處理后，不僅可對(duì)指紋地圖進(jìn)行更新，還可檢測(cè)到信號(hào)較差的信號(hào)源，并提供維護(hù)提示信息，方便維護(hù)人員維護(hù)或更換無信號(hào)的信號(hào)源。通過查看機(jī)器人的掃描行進(jìn)路徑，可輕易發(fā)現(xiàn)未掃描到的區(qū)域，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充采集，保障指紋地圖的完備性。對(duì)于可能出現(xiàn)的信號(hào)異常指紋點(diǎn)，也可通過系統(tǒng)提供的可視化指紋地圖進(jìn)行處理。

然而，僅使用機(jī)器人里程計(jì)對(duì)機(jī)器人當(dāng)前位置進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定誤差會(huì)隨移動(dòng)距離的增長(zhǎng)而不斷增大。因此，對(duì)于大空間的指紋采集，為了得到更高的精度，需進(jìn)行多次采集。如果能應(yīng)用激光SLAM的特征檢測(cè)閉環(huán)思想來對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行修正，將很大程度地減少長(zhǎng)時(shí)間積累的誤差，精化所得到的指紋地圖，更好地適用于大空間的室內(nèi)指紋采集，這是下一步要研究的內(nèi)容。

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