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室內定位啟動 創新位置服務新應用
精確判定位置

【作者: 王岫晨】   2021年10月13日 星期三

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一般人常用的定位系統,是整合多種程序和服務的應用。至於室內定位系統(IPS)則是進一步將這些定位服務擴展到室內的關鍵。IPS是高度整合的系統,可以部署在家庭或一般商用建築物中,並且可以與智能設備互連,為這些應用提供空間環境的分布。


室內定位系統

室內定位系統(IPS)是一種能夠在室內環境中,定位一個或多個人和物體的系統。IPS通常由兩個不同的元素所組成,包括固定錨點(anchor point)和行動標籤(mobile tag)。錨點是放置在建築物中的設備,而標籤則是由與位置相關聯的人或物體體所攜帶。


在現在的生活中,精確分析人或物體的確實位置,已經成為零售、物流、城市規劃、休閒活動等許多應用領域規劃其服務的必要條件。全球定位系統的成功,以及行動科技的革命,使得人們與物體的位置,在商業化環境和個人生活中有了全新的應用方式。



圖一 : 在多層建築物,特別是大型購物商場中,室內定位可以提供更好的應用體驗。
圖一 : 在多層建築物,特別是大型購物商場中,室內定位可以提供更好的應用體驗。

然而,當人們在建築物內時,GPS就難以精確進行定位。這是因為GPS技術使用的是衛星的信號。當沒有辦法直接連結時,這些信號就會被遮蔽,導致室內定位變得相當困難。這個時候,室內定位系統就可以在室內環境中,即時提供人與物的精確位置訊息。室內定位系統就是用於在GPS訊號無法提供精確度或失效的情況下,用來精確定位人與設備的位置,應用場合包括如多層建築物、機場、工廠、巷弄中、密閉車庫以及地下場所等。


室內定位的重要特性

採用室內定位,最關鍵的技術特性包括了精確度與覆蓋率。精確度被認為是大多數室內定位技術的關鍵特性,也是最難改進的部分。為了提高準確度,必須佈建更多基礎設施,這將會增加成本與複雜度。相反的,若不需要進行到過於精確的定位,則可以採用更便宜與簡單的解決方案。


至於覆蓋率,這是可以與準確性相媲美的第二個重要特性。覆蓋範圍是位置資訊可用的區域,室內定位的覆蓋範圍通常小到一個房間,大到可覆蓋多房間環境或大面積區域(如倉庫或商業中心)的可擴增系統。解決方案通常在覆蓋範圍和準確性之間進行取捨,其中覆蓋範圍較大的技術,通常意味著具備較小的準確性。


通常在選擇室內定位技術時,還可以考慮其可擴展性,即透過添加更多錨點、接入點或讀卡器,來覆蓋更大的應用區域。另外,也需注意系統同時定位多個目標點的能力。


藍牙定位技術

儘管全球導航衛星系統(GNSS)技術有效解決了室外的人員或設備的定位問題,但針對諸如倉儲等室內環境中的人員或設備定位,目前還沒有任何技術可達成有效的運用。為了因應市場對於更準確的室內定位解決方案日益增加的需求,藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)推出了藍牙尋向功能,與過去基於接收器訊號強度指示器(receiver signal strength indicator;RSSI)的解決方案相比,可提供更顯著的效能提升。


藍牙尋向技術可用來決定無線訊號從行動標籤傳輸到一個或多個固定錨點的方向。利用到達角(angle-of-arrival;AOA)技術,由連接到藍牙接收器的天線陣列所組成的錨點,就可以偵測到用來傳輸藍牙訊號的行動標籤之方向或角度。當這樣的多天線錨點系統部署完善之後,AoA技術就可用來針對行動裝置或標籤的精確位置進行三角測量。



圖二 : 藍牙尋向功能可以用來解決倉儲環境的人員或設備定位問題。
圖二 : 藍牙尋向功能可以用來解決倉儲環境的人員或設備定位問題。

隨著藍牙技術終於可以支援室內人物與設備定位的低功耗、高精準度解決方案,這也將為全球的藍牙生態系統帶來龐大的發展潛力。針對這樣的市場,u-blox就推出了兩款探索者套件(explorer kit),可協助產品開發人員設計藍牙尋向和高精準度室內定位技術等相關應用。這兩款包括u-blox XPLR-AOA-1和XPLR-AOA-2的套件,是專為低功耗、簡易部署和低成本所設計,可用來測試利用藍牙技術所開發的門禁控制、碰撞偵測、智慧家電、室內定位和資產追蹤等各種應用。


高精度導航演算方案

在許多的智能化工廠應用中,我們也可以發現到室內機器人的應用越來越頻繁。這些室內機器人的移動都需要更為精準的室內定位技術作為支援。市場研究機構ABI Research估計,室內自主機器人產業在未來五年的年複合成長率將達到達到20%。若能以更為簡易的方式來為機器人提供精確定位,將可為企業省下不少設備建置的成本。


MotionEngine Scout所提出的解決方案,可以為室內自主機器人實現精確定位,無需昂貴的鏡頭或光學雷達(LiDAR)來進行導航,只需使用與感測器和處理器無關的嵌入式軟體解決方案,其中整合了機器人的光感測器(optical flow sensor)、輪式編碼器和慣性測量單元(IMU)來提供精確的位置偵測結果,並使用這些資料來提供更準確的導航推算精度,同時還可以避免個別感測器出現錯誤的高可靠性。目前這樣的解決方案已經在幾種具有挑戰性的場景中,將定位軌跡誤差降低了五倍,包括塑膠地板、瓷磚和各式各樣不同材質的地毯等。


CEVA則是採用了這樣的演算方案,推出Hillcrest Labs MotionEngine Scout,這是一款用於室內機器人智慧導航系統的高精度導航演算軟體解決方案,適合為工業或商業環境中的掃地機器人和自主行動機器人(AMR)提供精確的移動定位。


到達角技術增強物聯網資產管理

Quuppa的智慧定位系統,也是一套用於定位服務和應用的技術平台。透過其測向方法和定位演算法,可以即時追蹤標籤和設備,即使在更為複雜的環境中,也能提供達到厘米等級的精確性。這種定位系統特色是可以達到每秒50次的發送訊號,如此可以提供更為可靠的多功能即時定位系統服務。


安森美半導體(ON Semiconductor)也將Quuppa智慧定位系統用於RSL10這款低功耗的快閃記憶體無線藍牙系統單晶片上。這款解決方案以易於使用的CMSIS-Pack格式提供,讓製造商能藉此設計超低功耗的室內資產追蹤應用產品,使其具備測向特性和到達角(AoA)技術。


RSL10 Quuppa RTLS AoA標籤CMSIS-Pack是安森美半導體和技術合作夥伴共同提供的全面資產管理開發生態系統的一部分。這套生態系統目的是為製造商提供更靈活的基礎設施佈建選擇,並提供一系列的RSL10方案,包括感測器開發套件和軟體資源。至於一站式方案方面,安森美半導體與Tatwah sa合作開發了藍牙標籤和信標(Bluetooth tags and beacons)組合,其中也包括了Quuppa可追蹤標籤技術。


結語

透過室內定位系統,就能夠準確定位建築物內設備或人員的位置。室內空間GPS相對不可靠,因此搭配其他定位方法才能使室內定位成為可能。例如透過常見的Wi-Fi或藍牙低功耗技術,另外也有採用UWB或RFID的解決方案。在現代化的智能化建築物或智能工廠中,搭配精確與廣泛的室內定位技術,將可以讓各種應用情境更為升級,達到真正智能化的目標。


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