十一种室内定位传感器方案汇总介绍与对比（机器人、物联网领域）

十一种室内定位传感器方案汇总介绍与对比（机器人、物联网领域）

室内定位传感器解决方案汇总

目录

1. 定位方案概述 1.1． 内部定位系统有五种基本算法：

(1) 细胞技术的起源；

(2)到达时间法(TOA)；

(3)到达时间差法(TDOA)；

(4)信号强度法(RSSI)；

(5)到达角法(AOA)。

1.2. 常用的室内定位技术主要有以下几种：

(1)基于超声波定位技术；

(2)基于红外的定位技术；

(3)基于超宽带的定位技术；

（4）射频识别定位技术（WLAN、蓝牙）；

(5)基于激光传感器的定位技术；

(6)基于视觉的定位技术；

1.3. 定位理论

定位理论有两种类型：地图定位方法和基于未知地图的定位方法。

基于已知地图的定位方法：顾名思义，就是预先获取机器人的工作环境地图（高精度地图），然后基于高精度地图结合激光雷达和雷达等技术，通过定位算法得到准确的位置估计。其他传感器。 户外无人驾驶技术一般采用基于已知地图的定位方法。

基于位置地图的定位方法：是指地图和机器人位置事先未知的情况，要求机器人在完全未知的环境中从未知位置出发，增量构建环境的导航地图，并使用建立的地图同步刷新其位置。 这个问题称为同时定位和合成，简称SLAM。

1.4. 不同定位方案对比

（注：定位精度为0.1-0.5米，通常称为分米级定位；定位精度为0.5-1米，称为亚米级定位；定位精度为1-10米，称为亚米级定位）称为米级定位。）

定位技术

定位精度

可靠性

成本

激光

厘米级

高的

高的

想象

分米级

中间

中洛

射频识别

1-10米

中间

低的

蓝牙

1-10米

中间

高的

无线上网

2-10米

低的

低的

2-5米

中间

低的

超宽带技术

0.1-0.5米

高的

高的

LED定位

1-2米

高的

高的

红外定位

苏米级

低的

高的

超声波定位

0.5米

低的

高的

2、各种定位方案详细介绍 2.1． 单线激光定位

技术类型：单线激光

定位精度：厘米级

稳定性：良好

技术实现原理：amcl（自适应蒙特卡罗定位方法）通过粒子滤波算法和运动模型分析，实现基于概率的2D环境定位。

技术难度：一般需要一定的算法基础。

实施难度、规模、成本：单线激光器成本问题，SICK价格在16000左右，国内最便宜的不到1000。 价格与精度和稳定性成正比。

优缺点：处理激光数据需要具有一定计算能力的主机，不适合嵌入式系统应用。

2.2. 多线激光定位：

技术类型：多线激光

定位精度：厘米级

稳定性：良好

技术实现原理：

车辆预先采集道路的3D点云地图数据，在无人车行驶过程中利用激光雷达实时采集点云数据，并与之前采集的点云数据进行对比，从而获得当前车辆位置。

姿态跟踪通常使用扩展卡尔曼滤波器（EKF）来实现。 该方法利用高斯分布来近似机器人位姿的后验概率分布。 计算过程主要包括三个步骤：首先根据机器人的运动模型预测机器人的位姿，然后将观测信息与地图进行匹配，最后根据预测的机器人位姿和匹配的特征计算出以下信息：机器人应该观察，并利用应该观察的信息和实际观察到的信息之间的差距来更新机器人的位姿。

算法：基于扫描匹配的SLAM技术

基于扫描匹配的SLAM是一种基于最近邻扫描匹配来估计机器人在两次扫描之间的平移和旋转的算法。 扫描匹配算法主要源自迭代最近点（Point，ICP）算法及其改进算法。 该算法通过迭代微调机器人里程计给出的初始姿态来定义搜索空间。 然而，该算法假设机器人的初始位姿和机器人的真实位姿之间的偏差足够小以实现全局最优匹配。

技术难度：高，需要一定的算法基础。

实施难度、规模和成本：激光成本问题。 2W-60W范围。 价格与精度和稳定性成正比。

优缺点：处理激光数据需要有一定计算能力的主机。

其优点是检测精度高、检测距离远、对GPS初始值依赖性小，即使在没有GPS信号的情况下也能实现车辆定位准确。

缺点是成本较高。 64线激光雷达的价格在60万到70万元左右。 而且基于点云的地图数据时效性较差（季节不同、道路维护、车辆停放）、维护成本较高。

2.3. 视觉定位：

技术类型：视觉定位

定位精度：厘米级、分米级

稳定性：一般，主要看算法稳定性

技术实现原理：

在地图和机器人位置提前未知的情况下，要求机器人在完全未知的环境中从未知位置出发，增量构建该环境的导航地图，并利用已建立的地图同步刷新自己的立场。 这个问题称为同时定位和合成，简称SLAM。

解决方案是：机器人在未知的环境中运动，如何通过对环境的观察来确定自己的轨迹，同时构建环境的地图。

视觉SLAM利用相机（单目、双目、RGB-D）实现对陌生环境的定位和建图。 例如 ORB-SLAM。

技术难度：高，涉及算法较多，需要深厚的算法基础和数学功底。

实现难度、规模、成本：单目成本较低，双目、RGB-D成本在几百元到三千元不等。

优势：

可以获得丰富的图像信息：行人、桌椅、可移动区域等。

成本低廉，一台相机几百美元。

缺点：

计算量大，需要具有一定计算能力的主机来处理视觉数据，技术难度大。

而且在强光、逆光、漆黑的夜景下效果很差。

2.4. 基于射频识别（RFID）技术的室内定位

RFID是Radio的缩写，通常翻译成中文为：射频识别。

RFID标签实现非接触式操作，具有体积小、容量大、应用方便、无机械磨损、寿命长、无需可见光源、穿透性好、可重复使用、抗污染能力强、耐用等特点。 而且RFID标签可以工作在恶劣环境下，读取距离远，采用防碰撞技术，可以支持多目标快速读写、多目标识别、移动识别、非视觉识别、实时性等。定位和长期跟踪管理。

根据定义，任何利用可见光以下电磁信号进行识别的技术都可以归类为RFID。

定位系统的基本硬件组成：标签（TAG）、锚点/读写器（，）、时间同步器（使用TDOA机制所需的设备）。

不同RFID技术：（除UWB技术外，其他技术的定位精度普遍在亚米级以上）

2.4.1、RFID标签（不涉及定位）

1.使用125~频率并遵循ISO/IEC 18000系列规范的设备和系统。 由于本系统中使用的标签是无源的，因此大多用于读取标签中的信息。 人们通常称之为：无源RFID标签系统，不涉及定位。

2.采用13.56MHz频率，设备和系统符合ISO/IEC 18000系列规范，无源RFID标签系统，不涉及定位。

3. 使用433.92 MHz或860~、符合ISO/IEC 18000系列规范的设备和系统。 此类系统采用被动式和主动式两种标签规格，仅读取标签信息，不涉及定位。

2.4.2. RFID定位

使用2.4G或5.8GHz并遵循ISO/IEC 18000系列规范的设备和系统大多使用有源标签。 除了简单读取标签信息的应用外，还可以实现定位功能，即RFID定位。

技术类型：基于信号强度法（RSSI）的定位

定位精度：2米以上

稳定性：平均

技术实现原理：

定位是通过测量周围标签的无线信号强度来估计自身位置来实现的。 刷卡方式是根据读卡器的位置来定位刷卡的人或设备。

技术难度：轻微

实施难度、规模、成本：技术要求低、成本低。

优缺点：成本低，定位精度低。

主要应用：仓库、煤矿、货物追踪、安检、ETC、办公考勤等；

2.5. 无线网络技术

技术类型：基于信号强度法（RSSI）的定位

定位精度：2-10米

稳定性：差

技术实现原理：

它采用2.4G或5.8GHz，遵循.11协议，也就是我们最熟悉的Wi-Fi技术。 通过无线接入点（包括无线路由器）组成的无线局域网（WLAN）可以实现复杂环境下的定位、监控和跟踪任务。它以网络节点（无线接入点）的位置信息为基础和前提，并结合经验测试和信号传播模型来定位连接的移动设备。

技术难度：一般

实施难度、规模和成本：Wi-Fi网络已经普及，通过Wi-Fi定位的成本相对较低。

的优点和缺点：

如果仅根据当前连接的Wi-Fi接入点进行定位计算，而不参考周围Wi-Fi的信号强度合成图，Wi-Fi定位很容易出现错误（例如：定位楼层错误）。

另外，Wi-Fi接入点通常只能覆盖半径90米左右的区域，很容易受到其他信号的干扰，从而影响其准确性，而且定位器的能耗也较高。

由于Wi-Fi网络的普及，它变得非常流行。 Wi-Fi定位可以实现米级定位（2~10米），Wi-Fi定位产品主要应用于专业行业（矿山、监狱、医院、石油石化等）。

2.6。 蓝牙

技术类型：基于信号强度法（RSSI）定位

定位精度：一米到几十米；

稳定性：平均

技术实现原理：

采用2.4G，遵循.15.1协议，也就是目前流行的BLE（蓝牙4.0）定位。 采用基于蓝牙的三角定位技术，除了使用手机的蓝牙模块外，还需要部署蓝牙基站，可以实现亚米级的定位精度。

技术难度：一般

实施难度、规模、成本：由于蓝牙基站尚未普及，室内精准定位成本较高。 目前公开的报道中，还没有大规模推广的报道。

的优点和缺点：

优势：

·低功耗、低延时、低成本、传输距离远；

·设备结构紧凑，不受障碍物和非视距影响

缺点：

· 受环境干扰大，易受噪声影响，稳定性差；

安装、开发、维护都有困难需要克服，使用过程中设备信号不被遮挡；

蓝牙基站未普及，室内精准定位成本较高

2.7. 定位

技术类型：基于信号强度法（RSSI）定位

定位精度：2-5米

稳定性：平均

技术实现原理：

使用2.4G，遵循.15.4协议。 它是一种短距离、低速的无线网络技术。 它介于RFID和蓝牙之间，可以通过传感器之间的协调通信来定位设备的位置。 这些传感器只需很少的能量就可以通过无线电波将数据从一个传感器转发到另一个传感器，因此最显着的技术特点是低功耗和低成本。

技术难度：低

实施难度、规模、成本：成本相对较低。 已被许多大型工厂、车间采用作为人员在岗管理系统。

的优点和缺点：

优势：

传输距离短（RFID和蓝牙技术之间）且功耗低。

复杂度低、成本低。

信息可以通过网络内传感器之间的通信进行传输

卓越的定位精度：2m

缺点：

网络稳定性有待提高，易受环境干扰。

2.8. 超宽带（Ultra-、UWB）技术

UWB无线精密定位系统采用UWB（超宽带）技术。 它是一种无载波通信技术，利用纳秒级非正弦窄波脉冲来传输数据，因此占据较宽的频谱范围。 传统的定位技术根据信号的强弱来判断物体的位置。 信号受外界干扰较大，因此定位物体的位置与实际位置误差也较大，定位精度不高。 UWB定位采用宽带脉冲通信技术，抗干扰能力强，减少定位误差。 UWB定位技术的出现，填补了高精度定位领域的空白。 具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、拦截能力低、系统复杂度低、定位精度可达厘米级等优点。

与传统窄带系统相比，超宽带系统具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、可提供精确定位精度等优点。 因此，UWB技术可以应用于室内静态或运动物体和人的定位跟踪和导航，并且可以提供非常精确的定位精度。

技术类型：基于TOF（信号飞行时间）的定位，可实现20厘米以内的稳定定位精度。

支持的技术方法：

(1) 到达时间（TOA）；

（2）到达时间差（TDOA）；

(3)到达角差法(AOA)。

定位精度：0.1-0.5米

稳定性：高

技术实现原理：

采用3.5G～10GHZ，遵循.15.4a协议。 定位的技术原理主要是计算电磁波在太空中的飞行时间，并乘以光速，换算成距离。 通过TOA、TDOA、AOA等方式可以实现精确定位。

技术难度：一般

难度、规模、成本：自建基站成本较高，单个基站成本5000-2W不等。 为了完成室内定位，需要根据具体区域建设多个基站。

的优点和缺点：

优点：穿透能力强、功耗低、受多径效应影响小、安全系数高、系统复杂度低、定位精度高。

缺点：

成本较高。

当遮挡较多时，容易出现多径效应，导致定位结果在小范围内跳跃。

2.9. LED定位

技术类型：LED定位

定位精度：1米

稳定：

技术实现原理：

代表性的，LED定位系统是通过天花板上的LED灯来实现的。 灯发出类似莫尔斯电报码的闪烁信号（肉眼看不见），然后被用户的智能手机摄像头接收并检测到，而用户无需将手机摄像头对准特定方向，它还可以接收反馈的直接光源信号，定位精度可以在1米以内。

技术难度：

实施难度、规模、成本：LED定位需要修改LED灯，增加芯片，增加成本。 尽管如此，LED定位是一项潜力巨大的室内定位技术。

优缺点：特别适合超市、大型商场引导购物。

2.10. 红外线()技术

技术类型：红外定位

定位精度：亚米级

稳定性：一般情况下，没有障碍物的情况下稳定性较好。

技术实现原理：主要是通过已知节点的红外发射设备发射调制后的红外线，然后布置在待测节点的光学传感器接收这些红外信号。 对红外信号进行处理后，计算距离，达到定位效果。 。

技术难度：

实施难度、规模、成本：每个房间、走廊都需要安装接收天线，成本较高。

的优点和缺点：

优点：定位精度高。

缺点：

首先，红外线传播距离较短。

其次，红外线不具备跨越障碍物的能力，这就要求定位环境没有障碍物，或者只能在视距条件下传播定位。 当标牌放在口袋中或有墙壁或其他障碍物时，它将无法正常工作。

3、室外耐光性较差，极易受到荧光灯、室内灯光、太阳光的干扰，导致系统无法工作。

典型应用：

典型的红外室内定位系统将电子标签附着在待测物体上。 标签周期性地通过红外发射器将待测物体的唯一ID发送到固定放置在室内的红外接收器。 然后接收器通过有线网络将数据传输到数据库。 。 这种定位技术功耗较大，且经常被室内墙壁或物体遮挡，实用性较低。

改进建议：

如果将红外和超声波技术结合起来，还可以方便地实现定位功能。 利用红外线触发定位信号，使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过定时器测量距离和位置。 一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。 使红外技术与超声波技术相得益彰。

2.11超声波（）技术，

技术类型：超声波定位

定位精度：分米级

稳定性：差

技术实现原理：利用超声波传播时间的测量来计算其距离。

基本原理一：超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器，发出可由终端麦克风检测到的超声波信号。 通过不同声波的到达时间差可以推断出终端的位置。

由于声波的传输速度远低于电磁波，因此系统实现的难度很低。 可以非常简单地实现系统的无线同步，然后用超声波发射器发送，接收端用麦克风接收，即可自行计算位置。

基本原则二：

将超声波发生器放置在定位的目标上，以一定的时间间隔向周围发送超声波脉冲，并在其周围三个固定位置接收来自超声波发射装置的脉冲信号。 由于超声波在空间中的传输速度比较慢，因此，通过比较三个接收装置接收到的信号的时间顺序，就可以反演超声波发生器的具体位置，即目标的位置。 当目标移动时，通过连续测量可以追踪目标的移动轨迹。

技术难度：平均

实施难度、规模、成本：具体场景、具体应用可行。

的优点和缺点：

不能在遮挡较多的地方使用。

由于声波的速度比较低，所以传输同样的内容需要很长时间。 只有通过类似TDOA的方法才能获得更大的系统容量。

应用案例1：代表，在店内安装超声波信号箱，可以通过手机麦克风检测实现定位，主要用于店面签到。

应用案例二：

超声波自动定位器的应用领域主要是室内定位和野外定位。 例如，在汽车驾驶考试室中，发射装置放置在汽车上并跟随汽车的运动。 接收系统可以在电脑上追踪汽车的行驶轨迹，让电脑自动判断汽车驾驶员是否合格，减少监考人员的工作量。

应用案例3：超声波等高速信号配合的距离测量方法。

系统工作流程：

每个接收点的位置是已知且固定的，以信标作为系统时间参考来确定多个接收点的开始时间。 定位物体可以发射信标信号和超声波信号。

定位过程如下：通过无线电或红外线发送信标，同时开启超声波发射。 接收器收到信标信号后开始计数。 当超声波信号到达接收点时，接收点停止计时。 根据授时的时间差计算定位物体到各接收点的距离，然后利用三边定位或TDOA获取定位物体的坐标。