【導讀】得益于導航衛星系統 (GNSS) 技術(shù)，我們大多數人現在都認為能夠在戶(hù)外定位物體或人的位置是理所當然的?？蓪?shí)現的定位水平——尤其是當您使用 GNSS 增強數據服務(wù)時(shí)——正在開(kāi)啟真正變革性的用例，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)和其他設備。
得益于導航衛星系統 (GNSS) 技術(shù)，我們大多數人現在都認為能夠在戶(hù)外定位物體或人的位置是理所當然的?？蓪?shí)現的定位水平——尤其是當您使用 GNSS 增強數據服務(wù)時(shí)——正在開(kāi)啟真正變革性的用例，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)和其他設備。
在我們對戶(hù)外可能的藝術(shù)大開(kāi)眼界之后，現在越來(lái)越渴望創(chuàng )造類(lèi)似的突破性室內應用。
一個(gè)例子是高精度工業(yè)級和消費級資產(chǎn)跟蹤，或“查找我的物品”服務(wù)。另一種是室內導航，其中某人（或某物）被引導通過(guò)復雜的設施，例如醫院或大型交通交匯處，并提供逐向導航。對此的一種變體可以看到移動(dòng)設備到達特定興趣點(diǎn)時(shí)顯示在其上的信息。這可能是在博物館或畫(huà)廊啟用智能指南，能夠在有人接近特定展覽時(shí)提供有關(guān)特定展覽的信息。
為了提供他們的設計人員渴望的各種用戶(hù)體驗，諸如此類(lèi)的應用需要結合高精度的室內定位、低功耗和可承受的成本。這是傳統的短程無(wú)線(xiàn)電技術(shù)無(wú)法實(shí)現的。
傳統 Wi-Fi 和藍牙定位解決方案的弊端
例如，Wi-Fi 指紋只能提供低至 10 米左右的精度。Wi-Fi飛行時(shí)間，也稱(chēng)為往返時(shí)間（RTT）或802.11mc，達到1-2m，但功耗高。雖然已經(jīng)面世一段時(shí)間，但該技術(shù)尚未在該領(lǐng)域大規模部署。
同時(shí)，使用藍牙定位設備傳統上使用“接收信號強度指示器”(RSSI)?；?RSSI，可以估計所謂的“錨點(diǎn)”參考站與設備之間的距離，但不是設備相對于錨點(diǎn)所處的角度。通過(guò)使用三個(gè)或更多錨點(diǎn)，您可以計算出設備的位置，但精度只能達到三到五米之間。
藍牙測向：室內定位變得精細
藍牙規范 5.1 版引入了“測向”。這代表著(zhù)在的室內定位功能方面向前邁出了非常重要的一步——如此之大，以至于它有望解鎖當今工程師正在尋求創(chuàng )造的一些改變游戲規則的產(chǎn)品和服務(wù)。測向不依賴(lài)藍牙設備發(fā)出的信號強度來(lái)確定其位置。相反，它使用具有多天線(xiàn)陣列的固定錨點(diǎn)來(lái)計算角度信號，使用到達角 (AoA) 或離開(kāi)角 (AoD) 技術(shù)。通過(guò)計算來(lái)自/到達至少三個(gè)錨點(diǎn)的信號的角度，并確定它們相交的位置，您可以獲得附近設備的亞米級位置讀數。
u-blox - 室內定位 圖 1
圖 1. 通過(guò)計算到達三個(gè)固定錨點(diǎn)的信號的角度，并計算它們相交的位置，您可以在一米以?xún)却_定設備所在的位置。
讓我們簡(jiǎn)要地看一下這些角度是如何計算的。
在 AoA 設置中，移動(dòng)設備發(fā)出藍牙測向信號。這到達錨點(diǎn)陣列中的每個(gè)天線(xiàn)，相對于該錨點(diǎn)中的其他天線(xiàn)具有輕微的相移。假設信號傳播平面波，這些相位差可用于計算信號的到達角。AoA 可用于跟蹤或實(shí)時(shí)定位服務(wù) (RTLS)。
u-blox室內定位圖2
圖 2. 到達角 (AoA) 設置根據多天線(xiàn)陣列中每根天線(xiàn)觀(guān)察到的微小相位差計算傳入藍牙測向信號的角度。
使用 AoD，信號從錨點(diǎn)上的每個(gè)天線(xiàn)發(fā)送到附近的藍牙設備。這些信號以輕微的相移到達該設備。結合天線(xiàn)幾何形狀的信息，這些相位差可用于計算信號與錨點(diǎn)的偏離角。AoD 是實(shí)施尋路和導航解決方案的有效方式。
u-blox室內定位圖3
圖 3. 出發(fā)角 (AoD) 設置讓接收設備根據從不同天線(xiàn)發(fā)送的信號之間的相位差計算信號離開(kāi)天線(xiàn)陣列的角度。
進(jìn)行測試
我們已經(jīng)在許多用例中廣泛測試了藍牙 5.1 測向技術(shù)。近的一個(gè)例子是 AoA 概念驗證，我們使用伺服來(lái)創(chuàng )建一個(gè)旋轉頭，該頭將轉向我們正在跟蹤的移動(dòng)設備。這將提供可見(jiàn)的證據，證明測向解決方案正在發(fā)揮作用。
此特定設置中的移動(dòng)設備是一個(gè) u-blox 應用板，上面有一個(gè) NINA-B406 藍牙 5.1 低功耗模塊。它的廣播范圍設置為大約 10 米，但如果需要可以擴展。
在此 POC 中，我們有一個(gè)單一的錨點(diǎn)，其中包括帶有 NINA-B411 藍牙低功耗模塊的 u-blox 天線(xiàn)板和我們的 u-connectLocate 軟件（稍后會(huì )詳細介紹）。天線(xiàn)板包含五個(gè)交叉極化天線(xiàn)元件，以確定垂直和水平平面中的輸入信號角度。然后板上的軟件計算到達角。然后使用此信息實(shí)時(shí)旋轉移動(dòng)頭以面對移動(dòng)設備。
下面的視頻顯示了正在運行的設置，當設備在房間內移動(dòng)時(shí)，頭部不斷跟蹤設備。
我們還在工業(yè)倉庫中進(jìn)行了廣泛的測試，我們在本室內定位白皮書(shū)中對此進(jìn)行了描述。
在資源受限的嵌入式系統中啟用這些算法
使用 AoA 或 AoD 創(chuàng )建解決方案的復雜和耗時(shí)的方面之一是實(shí)施算法以根據相位差計算信號角度，考慮到通常運行這些算法的嵌入式系統固有的資源限制。
這就是我們?yōu)?NINA-B410 和 B411 模塊開(kāi)發(fā) u-connectLocate 測向軟件的原因。這提供了一個(gè) API，使工程師能夠獲得 AoA、處理數據收集和預處理，并抑制每個(gè)天線(xiàn)上的多路徑分量。該軟件在藍牙模塊的嵌入式 MCU 中運行，這意味著(zhù)不需要外部處理。這降低了復雜性和物料清單。
對于任何想要創(chuàng )建需要高精度室內定位功能的解決方案的人來(lái)說(shuō)，這些都是真正激動(dòng)人心的時(shí)刻。藍牙測向可以解鎖亞米級精度，為無(wú)數新用例打開(kāi)大門(mén)。無(wú)論您是想幫助人們在醫院中找到出路，在大型倉庫綜合體中定位一臺機器，還是完全做其他事情，藍牙測向都可能是您需要的改變游戲規則的技術(shù)。
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