室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用于游泳運(yùn)動測量的可行性分析

于向懷 向政 孟祥濤

【摘? 要】為將室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用于游泳運(yùn)動測量，論文對幾種主流室內(nèi)定位技術(shù)的原理和國內(nèi)發(fā)展情況展開介紹，包括無線保真（Wi-Fi）、藍(lán)牙、ZigBee、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、超寬帶、偽衛(wèi)星、慣性導(dǎo)航和水聲定位系統(tǒng)。論文基于國內(nèi)定位技術(shù)原理及最新精度，討論無額外設(shè)備輔助的室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用于游泳運(yùn)動測量的可行性，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)提出多傳感器組合導(dǎo)航定位方案應(yīng)用于游泳運(yùn)動測量的方案。

【Abstract】In order to apply indoor positioning technology to swimming measurement， this paper introduces the principle and domestic development of several mainstream indoor positioning technologies， including Wi-Fi， Bluetooth， ZigBee， cellular network， UWB， pseudo-satellite， inertial navigation and underwater acoustic positioning system. Based on the principle of domestic positioning technology and the latest precision， this paper discusses the feasibility of indoor positioning technology applied to swimming measurement without the assistance of additional equipment， and on this basis summarizes the scheme of multi-sensor combined navigation and positioning scheme applied to swimming measurement.

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)定位;游泳運(yùn)動測量;應(yīng)用可行性分析

【Keywords】indoor positioning; swimming measurement; feasibility analysis of application

【中圖分類號】TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0171-03

1 研究背景及意義

基于位置的服務(wù)（location-based service，LBS）已經(jīng)成為人們生活中必不可少的一部分，LBS服務(wù)應(yīng)用前提是提供準(zhǔn)確的定位信息。目前，人們可依賴全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GNSS）主要是美國的GPS（Global Positioning System），可以達(dá)到亞米級的室外定位精度。但是建筑物對衛(wèi)星信號的遮擋效果極強(qiáng)，室內(nèi)定位無法利用GNSS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)人群的70%～90%的活動時間均在室內(nèi)，且室內(nèi)環(huán)境下的其他定位服務(wù)應(yīng)用，如掃地機(jī)器人等對LBS服務(wù)的需求十分迫切。在無法使用衛(wèi)星定位的情況下，開展精確室內(nèi)定位技術(shù)研究是整個室內(nèi)定位市場的迫切需求。

2011年谷歌通過無線保真（wireless fidelity， Wi-Fi）信息和通信基站信息等發(fā)布室內(nèi)地圖指紋，覆蓋包括商場超市、機(jī)場、車站等建筑物，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方案; 我國在“十二五”期間啟動并開展了“羲和”計劃，目的是構(gòu)建室內(nèi)精度3m、室外精度1m的精密定位服務(wù)系統(tǒng);“十三五”規(guī)劃也對室內(nèi)定位進(jìn)行了支持。

本文以國內(nèi)外主流的室內(nèi)定位技術(shù)作為參考，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，探討其在游泳運(yùn)動中應(yīng)用的可行性，并且對國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展作了一定的分析和展望。

2 室內(nèi)定位技術(shù)方案

定位方案室外大尺度環(huán)境下有GPS、天文、地貌等，不作贅述。室內(nèi)方案有：無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）定位、藍(lán)牙定位、ZigBee定位、蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位、超寬帶（UWB）定位、偽衛(wèi)星室內(nèi)定位、射頻識別定位、超聲波定位、雷達(dá)定位、紅外定位等方案。以下對室內(nèi)定位方案按照原理、特點(diǎn)、產(chǎn)品、可行性的方向進(jìn)行分析介紹。

2.1 無線局域網(wǎng)定位

無線局域網(wǎng)部署方便，成本較低，且不需要外部輔助設(shè)備，定位精度是亞米級，相對較高，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位中。MinhTuHoang等人基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出Wi-Fi-RSSI指紋室內(nèi)定位方法，與傳統(tǒng)的RNN解決方案不同，針對移動的軌跡進(jìn)行計算定位，同時結(jié)合RSSI信號進(jìn)行計算，定位精度可達(dá)0.75m。從可行性分析角度，因?yàn)樗畬︻l率2.4GHz波長125mm和頻率5GHz波長60mm波長的電磁波都有吸收作用，并且對5GHz頻率吸收更多，所以認(rèn)為技術(shù)路線不可行。

2.2 藍(lán)牙定位

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)部署的成本比較低，使用安全性很高，但藍(lán)牙信號容易被干擾，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較差。常用的定位方法包含了質(zhì)心法、近鄰探測法和指紋定位方法等。由北京郵電大學(xué)牽頭的“曦和”室內(nèi)外高精度位置服務(wù)平臺采用的是藍(lán)牙方案，定位精度可以達(dá)到1～3m。藍(lán)牙定位成本低、功耗小，但容易被干擾。從可行性分析角度，認(rèn)定其不可行，因?yàn)樗{(lán)牙使用的也是2.4GHz電磁波。

2.3 ZigBee

ZigBee定位技術(shù)適用于距離比較近、定位頻率要求較低的場景，ZigBee是通過多個ZigBee節(jié)點(diǎn)之間相通信計算通信時間，從而實(shí)現(xiàn)定位，優(yōu)點(diǎn)是功耗低、成本低，常用的ZigBee定位方法是質(zhì)心定位法、近鄰探測法等。ZheDong提出基于指紋識別定位的ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)方案，在定位區(qū)域中按點(diǎn)不斷收集RSSI數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后構(gòu)建成指紋數(shù)據(jù)庫，為定位打下基礎(chǔ)。之后采用面積加權(quán)的K近鄰方法，實(shí)現(xiàn)了1.5m的定位精度。從可行性角度分析，因?yàn)樾盘柋凰找约岸ㄎ痪葐栴}，認(rèn)定其不可行。

2.4 蜂窩網(wǎng)絡(luò)

蜂窩定位方式是依托手機(jī)作為定位終端，通過測量手機(jī)和多個運(yùn)營商基站的通訊距離，從而獲得手機(jī)的位置，其功耗低、成本低，常用的定位方法主要是TDOA和近鄰探測法。Varshavsky等人提出的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位方法，通過計算信號RSSI進(jìn)行定位，定位精度可以達(dá)到2～4m。從可行性角度分析同上，被吸收以及定位精度不符合需求。其波長頻率分布較復(fù)雜，根據(jù)不同運(yùn)營商有不同的頻率波段，暫不分析。

2.5 超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）依然是基于無線信號的定位方式，但其通過對納秒量級的脈沖進(jìn)行調(diào)制到GHz的方案進(jìn)行定位，根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會的規(guī)范，規(guī)定3.110.6GHz為UWB的工作頻率，主要優(yōu)勢是抗干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)，具有很高的定位準(zhǔn)確度和定位精度。Dongchen Ni等提出一種基于卡爾曼濾波算法結(jié)合3-DTOA的UWB定位系統(tǒng)方案，定位精度在5～10cm。UWB定位系統(tǒng)有定位精度高、穿透性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)備成本較為昂貴，不適合大面積推廣部署。從可行性分析角度，因?yàn)閁WB技術(shù)是一種使用1GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術(shù)，根據(jù)水的吸收譜，認(rèn)定其不可行。

2.6 偽衛(wèi)星室內(nèi)定位

偽衛(wèi)星定位技術(shù)的原理類似于室外的GPS技術(shù)，將衛(wèi)星信號引入室內(nèi)，但定位精度受限于偽衛(wèi)星與接收機(jī)構(gòu)成的幾何圖形強(qiáng)度。LOCATA公司開發(fā)了利用TimeLoc技術(shù)進(jìn)行時間同步的Locata Net偽衛(wèi)星定位，室內(nèi)定位精度可以達(dá)到厘米級。偽衛(wèi)星定位技術(shù)目前的不足主要是偽衛(wèi)星和GNSS衛(wèi)星時間同步、信號傳播的多徑衰落問題。較為成熟的產(chǎn)品暫無，從游泳應(yīng)用可行性分析角度來看，該方案因?yàn)樗奈諉栴}不可行。

2.7 射頻識別

RFID采用射頻的方式進(jìn)行通信，計算傳輸時間從而定位，作用距離很短，但是可以在毫秒級時間內(nèi)達(dá)到厘米級精度，并且布局簡單，成本較低，廣泛應(yīng)用于倉庫管理中。Andrea Motroni提出基于相位的UHF-RFID無源標(biāo)簽室內(nèi)定位法，定位精度可以達(dá)到20cm。但從可行性角度分析來看，其定位距離過短，并且頻率為135kHz～2.45GHz，也會被水吸收。

2.8 超聲波定位

超聲波定位方案利用反射式測距方法結(jié)合多邊方案從而確定物體位置，系統(tǒng)由測距器和接收器組成。定位時，由測距器向接收器發(fā)送信號，接收器接收到后反向傳輸會測距器，從而獲取傳播時間，確定位置。超聲波定位精度較高，可達(dá)到厘米級，且結(jié)構(gòu)簡單。從可行性分析角度，超聲波在水下可以傳播，原理上可行，但定位精度與體積相關(guān)，但精度越高，其產(chǎn)品越大，不可應(yīng)用于游泳運(yùn)動。

2.9 紅外定位

紅外線室內(nèi)定位方案主要采用2種方法：第一種方法采用被紅外線IR標(biāo)識作為定位目標(biāo)，通過室內(nèi)的接收器接收紅外射線，從而進(jìn)行定位;第二種方案是將紅外線信號組成紅外線網(wǎng)布置在整個待測空間，通過對信號的反射等對目標(biāo)進(jìn)行定位。但目前僅適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對簡單物體的軌跡精確定位記錄以及室內(nèi)自走機(jī)器人的位置定位。從可行性分析角度，布置場景花費(fèi)較大，游泳館場景布置需要定制，從光的吸收角度，水對紅外線有一定的吸收作用，所以認(rèn)定方案不可行。

2.10 雷達(dá)定位

雷達(dá)定位的原理是通過發(fā)射機(jī)將電磁波能量定向射出，物體對電磁波進(jìn)行反射，雷達(dá)通過接收到反射的電磁波信號，計算傳播時間和方向，從而獲取定位物體的位置。雷達(dá)定位方案在室外場景下已經(jīng)廣泛應(yīng)用，尤其在軍事中，室內(nèi)定位可以利用小型的雷達(dá)方案。其現(xiàn)有產(chǎn)品眾多，暫不一一列舉。因從可行性分析角度來看，雷達(dá)使用的信號依然是電磁波，水對電磁波的吸收作用很強(qiáng)，認(rèn)定方案不可行。

2.11 視覺定位

視覺定位是利用兩幀圖像之間的差異進(jìn)行分析，從而獲得相對位置偏移。其方案較多，有單目、多目以及RGBD等，使用較為靈活?，F(xiàn)有產(chǎn)品無，方案具有一定的可行性，但無現(xiàn)成產(chǎn)品可直接使用，需要開發(fā)或者定制，水下定位需要注意的是水對光的折射作用。

3 游泳池內(nèi)測速方案的設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

由于水對各種信號的吸收以及佩戴傳感器體積限制，最后設(shè)計方案采用視覺定位和慣性導(dǎo)航定位作為分部件平臺，采用卡爾曼濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了1個游泳池測速定位系統(tǒng)，主要技術(shù)要求為：在長寬尺寸為50m×25m，水深不超過3m的標(biāo)準(zhǔn)游泳池內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時間小于1s，定位誤差1m以內(nèi)。設(shè)計思路如下。

3.2.1 硬件方案

視覺方案硬件部分需要的僅為1個高清攝像頭和游泳運(yùn)動員顏色鮮明的衣服。慣性導(dǎo)航硬件部分采用MTI-3作為主要測量單元，使用CC3200作為主控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和收發(fā)。

3.2.2 算法方案

采用Yolo v5算法進(jìn)行主體跟蹤，同時進(jìn)行計算定位;慣性導(dǎo)航按照航位推算方法進(jìn)行測姿測速，但容易發(fā)散;結(jié)合二者優(yōu)勢和劣勢，采用卡爾曼濾波方法對二者數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而得到高精度的定位結(jié)果。

3.2.3 軟件方案

基于C語言開發(fā)平臺開發(fā)顯示界面，同時實(shí)現(xiàn)相機(jī)的開關(guān)機(jī)、圖像采集、圖像定位的啟停工作，并且對位置進(jìn)行計算，游泳結(jié)束后還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行動畫反演，同時與視覺圖像進(jìn)行互補(bǔ)與對比，為游泳運(yùn)動員提供更直觀的參考。

4 結(jié)論

本文對無線保真（Wi-Fi）、藍(lán)牙、ZigBee、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、超寬帶、偽衛(wèi)星、慣性導(dǎo)航和水聲定位系統(tǒng)等幾種主流室內(nèi)定位技術(shù)的原理和國內(nèi)發(fā)展情況進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)提出多傳感器組合導(dǎo)航定位方案應(yīng)用于游泳運(yùn)動測量的方案，并就方案的算法方面、硬件方面及軟件方案進(jìn)行了介紹。

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