【導(dǎo)讀】得益于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 技術(shù)，我們大多數(shù)人現(xiàn)在都認(rèn)為能夠在戶外定位物體或人的位置是理所當(dāng)然的。可實(shí)現(xiàn)的定位水平——尤其是當(dāng)您使用 GNSS 增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)時——正在開啟真正變革性的用例，包括自動駕駛汽車和其他設(shè)備。
得益于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 技術(shù)，我們大多數(shù)人現(xiàn)在都認(rèn)為能夠在戶外定位物體或人的位置是理所當(dāng)然的。可實(shí)現(xiàn)的定位水平——尤其是當(dāng)您使用 GNSS 增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)時——正在開啟真正變革性的用例，包括自動駕駛汽車和其他設(shè)備。
在我們對戶外可能的藝術(shù)大開眼界之后，現(xiàn)在越來越渴望創(chuàng)造類似的突破性室內(nèi)應(yīng)用。
一個例子是高精度工業(yè)級和消費(fèi)級資產(chǎn)跟蹤，或“查找我的物品”服務(wù)。另一種是室內(nèi)導(dǎo)航，其中某人（或某物）被引導(dǎo)通過復(fù)雜的設(shè)施，例如醫(yī)院或大型交通交匯處，并提供逐向?qū)Ш健Υ说囊环N變體可以看到移動設(shè)備到達(dá)特定興趣點(diǎn)時顯示在其上的信息。這可能是在博物館或畫廊啟用智能指南，能夠在有人接近特定展覽時提供有關(guān)特定展覽的信息。
為了提供他們的設(shè)計人員渴望的各種用戶體驗(yàn)，諸如此類的應(yīng)用需要結(jié)合高精度的室內(nèi)定位、低功耗和可承受的成本。這是傳統(tǒng)的短程無線電技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。
傳統(tǒng) Wi-Fi 和藍(lán)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飛行時間，也稱為往返時間（RTT）或802.11mc，達(dá)到1-2m，但功耗高。雖然已經(jīng)面世一段時間，但該技術(shù)尚未在該領(lǐng)域大規(guī)模部署。
同時，使用藍(lán)牙定位設(shè)備傳統(tǒng)上使用“接收信號強(qiáng)度指示器”(RSSI)。基于 RSSI，可以估計所謂的“錨點(diǎn)”參考站與設(shè)備之間的距離，但不是設(shè)備相對于錨點(diǎn)所處的角度。通過使用三個或更多錨點(diǎn)，您可以計算出設(shè)備的位置，但精度只能達(dá)到三到五米之間。
藍(lán)牙測向：室內(nèi)定位變得精細(xì)
藍(lán)牙規(guī)范 5.1 版引入了“測向”。這代表著在的室內(nèi)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(dāng)今工程師正在尋求創(chuàng)造的一些改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品和服務(wù)。測向不依賴藍(lán)牙設(shè)備發(fā)出的信號強(qiáng)度來確定其位置。相反，它使用具有多天線陣列的固定錨點(diǎn)來計算角度信號，使用到達(dá)角 (AoA) 或離開角 (AoD) 技術(shù)。通過計算來自/到達(dá)至少三個錨點(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(shè)備的亞米級位置讀數(shù)。
u-blox - 室內(nèi)定位 圖 1
圖 1. 通過計算到達(dá)三個固定錨點(diǎn)的信號的角度，并計算它們相交的位置，您可以在一米以內(nèi)確定設(shè)備所在的位置。
讓我們簡要地看一下這些角度是如何計算的。
在 AoA 設(shè)置中，移動設(shè)備發(fā)出藍(lán)牙測向信號。這到達(dá)錨點(diǎn)陣列中的每個天線，相對于該錨點(diǎn)中的其他天線具有輕微的相移。假設(shè)信號傳播平面波，這些相位差可用于計算信號的到達(dá)角。AoA 可用于跟蹤或?qū)崟r定位服務(wù) (RTLS)。
u-blox室內(nèi)定位圖2
圖 2. 到達(dá)角 (AoA) 設(shè)置根據(jù)多天線陣列中每根天線觀察到的微小相位差計算傳入藍(lán)牙測向信號的角度。
使用 AoD，信號從錨點(diǎn)上的每個天線發(fā)送到附近的藍(lán)牙設(shè)備。這些信號以輕微的相移到達(dá)該設(shè)備。結(jié)合天線幾何形狀的信息，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(dǎo)航解決方案的有效方式。
u-blox室內(nèi)定位圖3
圖 3. 出發(fā)角 (AoD) 設(shè)置讓接收設(shè)備根據(jù)從不同天線發(fā)送的信號之間的相位差計算信號離開天線陣列的角度。
進(jìn)行測試
我們已經(jīng)在許多用例中廣泛測試了藍(lán)牙 5.1 測向技術(shù)。近的一個例子是 AoA 概念驗(yàn)證，我們使用伺服來創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)頭，該頭將轉(zhuǎn)向我們正在跟蹤的移動設(shè)備。這將提供可見的證據(jù)，證明測向解決方案正在發(fā)揮作用。
此特定設(shè)置中的移動設(shè)備是一個 u-blox 應(yīng)用板，上面有一個 NINA-B406 藍(lán)牙 5.1 低功耗模塊。它的廣播范圍設(shè)置為大約 10 米，但如果需要可以擴(kuò)展。
在此 POC 中，我們有一個單一的錨點(diǎn)，其中包括帶有 NINA-B411 藍(lán)牙低功耗模塊的 u-blox 天線板和我們的 u-connectLocate 軟件（稍后會詳細(xì)介紹）。天線板包含五個交叉極化天線元件，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(dá)角。然后使用此信息實(shí)時旋轉(zhuǎn)移動頭以面對移動設(shè)備。
下面的視頻顯示了正在運(yùn)行的設(shè)置，當(dāng)設(shè)備在房間內(nèi)移動時，頭部不斷跟蹤設(shè)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(nèi)定位白皮書中對此進(jìn)行了描述。
在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中啟用這些算法
使用 AoA 或 AoD 創(chuàng)建解決方案的復(fù)雜和耗時的方面之一是實(shí)施算法以根據(jù)相位差計算信號角度，考慮到通常運(yùn)行這些算法的嵌入式系統(tǒng)固有的資源限制。
這就是我們?yōu)?NINA-B410 和 B411 模塊開發(fā) u-connectLocate 測向軟件的原因。這提供了一個 API，使工程師能夠獲得 AoA、處理數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理，并抑制每個天線上的多路徑分量。該軟件在藍(lán)牙模塊的嵌入式 MCU 中運(yùn)行，這意味著不需要外部處理。這降低了復(fù)雜性和物料清單。
對于任何想要創(chuàng)建需要高精度室內(nèi)定位功能的解決方案的人來說，這些都是真正激動人心的時刻。藍(lán)牙測向可以解鎖亞米級精度，為無數(shù)新用例打開大門。無論您是想幫助人們在醫(yī)院中找到出路，在大型倉庫綜合體中定位一臺機(jī)器，還是完全做其他事情，藍(lán)牙測向都可能是您需要的改變游戲規(guī)則的技術(shù)。
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