行人航位推算法詳解

作者 : Charles Pao,CEVA

即使行人航位推算法本身就是很好的定位技術,但最合適它的角色應是輔助其他定位技術。若單獨使用行人航位推算法時,沒有任何真實訊號從旁支援,長期下來會失去可靠性…

有沒有過這種經驗:你依循著手機的GPS走在路上,但突然間GPS卻完全不曉得你身在何處?你或許是在城市中的摩天大樓區附近,也或許是步行於森林中人跡較少的步道上。總之,你的GPS訊號可能遭到環境遮蔽阻擋了。在這種時刻,行人航位推算法(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)這項技術即可派上用場。

回首望去(概念上和時間上),航位推算法就是用已知的起始位置,搭配內部估算一段時間中的速度和航行方向,藉此得出大略的估計位置,過程中無須任何外部參照。行人航位推算法即是將相同概念延伸用於人類的移動模式,尤其是步行或跑步。

行人航位推算法怎麼運作?

行人航位推算法使用慣性感測(加速計、陀螺儀、有時還有磁力計)來估算速度和行進方向。步行適用的基本模型會考慮走路步數、步幅和步行方向。如果知道步幅和走路步數,即可推斷出距離。再加上方向,便能獲得完整的航位推算結果。

 

 

行人航位推算演算法融合多重感測器輸出,可藉此計算模型中的基礎建構模組組。其中包括步數偵測、步幅、步向和裝置方向(把手機拿在手上,還是放在口袋裡?)。這些建構模組彙整起來,便可判斷出大致的行進軌跡。再結合其他步數計算和活動分類(在走路、跑步還是靜止不動?)的資料輸出,便可判定出移動了多遠的距離。

行人航位推算法的限制及解決方案

在GPS不盡可靠時仍能得知自身位置,是行人航位推算法的一大主要優勢。由於這項技術以慣性感測為基礎,所以並不依賴外部測量來源(例如衛星)。但如果行人航位推算法這麼厲害,為何還要使用GPS?

這是因為行人航位推算法本身有其限制。不依靠外部來源是一道雙面刃,一方面,這表示這項方法不會錯失路線,但同時也無法自行修正。它可以做的是估算(意即航位推算法中的「推算」環節),至於GPS定位則可在訊號清楚時不斷修正。

若要判斷短期內的方向,慣性量測單元(IMU)陀螺儀的角度位置資訊,比起加速計或磁力計更為可靠。它能在短期內提供一致且可用的資料。磁力計或加速計也能用來判斷方向,但需要更長期且穩定的測量。同樣地,行人航位推算法在短期內很其用處。GPS則可提供較長時間下來的穩定位置測量。這項技術的主要優點在於補足測量能力。行人航位推算法演算法是可靠的位置解決方案中不可或缺的一部分。

即時定位系統及其優缺點

即時定位系統(RTLS)是另一個用於判斷位置的系統。GPS在戶外非常實用,而RTLS則可在建築物或其他有遮蔽的空間中扮演類似的角色。舉凡追蹤商品在倉庫中的位置、追蹤穿越購物中心的客人路線,或追蹤病患在醫院中的所在等情況,都是RTLS比GPS更加可靠有用的例子。

RTLS最常搭配使用的技術為超寬頻(UWB)、藍牙(BT),以及Wi-Fi。每種訊號類型都有所不同,但基本原理是一樣的。所選用的訊號類型會有一些固定參考點。使用者會帶著標籤(例如小型收發器或手機),在這些參考點之間來回傳送訊號以判斷位置。

大部分RTLS的運作方式是判斷相對於標籤的訊號強度,只要有至少3個參考點即可判定位置。不過,有些技術並不必用到多個參考點或錨點。UWB可利用單一錨點判斷位置,不需三角測量;藍牙可判斷抵達的角度和出發的角度,使用更多參考點會讓系統更加準確。這些系統相對一致且具決定性,但比起慣性系統,它們會消耗大量電力。這是行人航位推算法的另一大亮點,如果RTLS與行人航位推算法搭配形成一個更全方位的解決方案,即可降低從自身系統更新位置資訊的頻率,並依靠行人航位推算法來「填補空白」。

省電是很有意義的優勢,但是行人航位推算法相對於RTLS或GPS系統還有其他優點。以下彙整了將行人航位推算法加入其他任何定位系統所能帶來的好處:

  • 耗電較低:降低RTLS/GPS的更新頻率並仰賴耗電量較低的行人航位推算法演算法,能節省標籤/裝置的耗電;
  • 填補涵蓋範圍的缺口:如果系統找不到標籤(例如遮蔽、延遲問題、超出範圍等原因)或裝置找不到衛星,則可以使用行人航位推算法估計值來填補遺失資料的缺口;
  • 更高的系統準確度:RTLS和GPS系統專精於位置定位,但不會直接追蹤方向或速度。相較於其他系統,行人航位推算法能以更高的頻率提供精細程度更高的資訊,產出更平順的路線;GPS在最佳條件下的精確度則為3公尺;
  • 較低的安裝成本:搭配行人航位推算法解決方案後,RTLS運作所需的信標數較少。

請記住,雖然行人航位推算法本身即是很好的定位技術,但最合適它的角色應是輔助其他定位技術。它的確可以單獨使用,但如果沒有任何真實訊號從旁支持,長期下來會失去可靠性。不過,在短期使用中,它能為其他系統帶來許多好處。CEVA已在感測器融合領域中深耕超過20年,除了已相當準確的慣性感應器融合之外,也開發出可靠的行人航位推算法演算法。

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論