溫室智能裝備系列之九十八溫室內定位技術研究新趨勢

馬偉,康佩鋒

溫室內定位技術

溫室內定位技術是基于定位系統（IPS）數據，對可視化靜態坐標或基于靜態坐標獲得的移動坐標實現高保真室內定位立體重構，或在地圖上顯示并跟蹤目標位置的技術。

目前在設施農業領域，作物精準管理以及智能化機器人作業都需要精準定位，因此實現溫室內智能運行設備的準確定位意義重大。在大型連棟溫室內，負責自動運輸物料及采收產品的AGV系統，功能越來越多樣，運行路線網絡越來越復雜，溫室內AGV的準確定位是保障系統運行的必要條件。進一步研究發現，溫室內根據作物收獲時間和生長周期劃分生產空間，成為溫室高效利用的一種有效手段，對溫室內空間分區控制病蟲害也十分有利，可根據溫室空間內病蟲害分布情況實施變量噴藥，有效地保護環境并節省農藥的使用，這一做法逐步成為主流趨勢。這些需求和趨勢都是對溫室內區域的差異化利用和對室內定位技術研究提出了要求，但溫室內定位有諸多技術難點，由于溫室內有較多遮擋物，傳統的GPS定位因為信號太弱無法滿足精度要求，新的室內定位方法成為研究熱點。

國內外溫室內定位技術研究新趨勢

國內外對于溫室內定位技術的研究新趨勢主要包括以下幾個方面：

GPS定位

溫室內無GPS信號或者信號很弱的情況下，室外的GPS定位信號無縫過渡到室內的定位系統成為研究焦點，其中室內定位和室外定位的數據快速精確結合是關鍵難點。國外的一些技術框架，例如Cartogram系統建立在Google Maps平臺之上，但可自主控制數據的隱私性，數據不提供給Google[1]。

WiFi定位

該技術是利用信號強度的精確解析來獲取操作者當前位置的信息。通過信號強度來判斷用戶與路由器接入點的距離，一般可通過離用戶最近一個點的信號獲得用戶當前的位置。不足之處是室內如果沒有足夠的WiFi接入點，就會因為信號的延遲而降低室內定位的精度。圖1所示為定位原理圖，噴藥機器人或噴藥作業智能裝置當前坐標為Rx，預先將位置對應的信號強度存入數據庫。

地磁定位

利用地磁傳感器感應地球磁場及周圍金屬物體的磁場，來確定用戶的位置。優點是不需要單獨布置外圍的信號裝置，但要預先對每個區域的磁場進行標定。另外傳感器容易受到外部鋼鐵物件磁場的干擾，從而導致讀數不精確。當用戶在室內作業移動時，位置的精度相對靜止時會提高。

慣性定位

慣性定位是使用手機中的運動/旋轉（加速度計/陀螺儀）傳感器的系統。慣性定位是通過航位推算來計算的。這是通過使用確定的起始點并基于估計速度、距離和方向等參數來計算當前位置的過程。優點是成本效益高，因為它不需要硬件成本或提前對各個區域進行標定。缺點是由于起點必須通過另一種室內定位方法來確定，因此不能單獨使用。慣性測量只能用于用戶相對于他們開始的地方確定一個相對位置的時候使用[2]。

區域圍欄檢測技術

Geofencing作為室內區域圍欄檢測技術其需求非常強大。強大的區域檢測和移動接近解決方案是溫室內定位研究的熱點。其中SPREO的區域檢測技術研究是全球領先的。如果移動設備處于小區域內或小區域外，則可以100%精確地檢測到觸發適當的特征和動作。SPREO的位置感知軟件開發包和移動應用程序提供了精確的室內位置定位分析，區域邊緣特征獲取和基于接近度的上下條件預警通知。采用數學算法將復雜的傳感器和室內定位輸入抽象化，以實時提供精確的位置。與任何信標或WiFi基礎設施無縫配合使用。研究最新成果是提供二次開發的接口實現面向應用的擴展[3]。

點云圖像定位

基于圖像的室內環境定位是需要應用和需求首要解決的問題之一，建立3D的圖像數據庫，能為定位提供最接近的匹配圖像，通過重建后點云圖像數據來判別室內的位置，準確率是94%。進一步研究表明，通過已知地理坐標的六個自由度的圖像建立一個數據庫，把獲取的周圍環境的大圖像分割成許多小的單元格，通過數據庫使得每個單元格都具備預先的搜索結構，識別精確度達到95%[4-6]。圖像對室內定位的研究方法如表1所示[7]。

結束語

溫室內定位技術是將室內定位技術與設施農業智能化生產進行了很好地結合，是當前以及未來的熱門研究領域，有著廣泛的應用前景，未來研究工作可能會從以下幾個方面進行：

（1）現有技術優化。主要是針對目前技術存在的缺點進行優化。從之前的對比可以看出，目前技術的主要缺點集中在精度低、作用距離短、易受干擾、功耗大、依賴輔助設施、造價高等方面，針對某一技術的某一缺點進行優化改進，將大幅提高該技術的實用性。

（2）多技術融合提高精度。鑒于目前的主流技術各有優缺點，各技術的融合將是取長補短的有力方法。例如分級定位逐級提高定位精度，實現溫室不同場景對定位精度的需求。

（3）定位方法的準確應用。當前的定位技術都是建立在鄰近信息、場景分析和幾何特征三種定位方法之上的，靈活合理地應用這些定位方法，提出推行真正適合農業生產場景的應用方案，將會帶動設施農業生產的自動化智能化發展。

參考文獻

[1] Find out where you are， with or without GPS[EB/OL].[2017-10-11]. http：//www.here.com/en/products-services/products/here-positioning/here-positioning#.

[2] What is the best system for achieving 'Blue Dot' indoors？[EB/OL].[2017-10-13].https：//www.jibestream.com/blog/what-is-the-best-system-for-achieving-blue-dot-indoors.

[3] Accurate zone detection and proximity technology are easier said than done[EB/OL].[2017-10-13].http：//spreo.co/geofencing.

[4] Jason Zhi Liang， Nicholas Corso， Eric Turner. Image Based Localization in Indoor Environments[C].International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation， 2013.

[5] Video and Image Processing （VIP） Lab[EB/OL].http：//www-video.eecs.berkeley.edu.

[6] Jerry Zhang， Aaron Hallquist， Eric Liang，et al. LOCATION-BASED IMAGE RETRIEVAL FOR URBAN ENVIRONMENTS：Image Processing （ICIP）[C]. IEEE International Conference，2011.

[7] Rainer Mautz， SebastianTilch.Optical Indoor Positioning Systems[C]. International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation （IPIN），2011.

*項目支持：國家留學基金委項目，北京市農林科學院創新團隊和青年基金項目。

[引用信息]馬偉，康佩鋒.溫室智能裝備系列之九十八溫室內定位技術研究新趨勢[J].農業工程技術，2017，37（31）：61-62.