什么是行人航位推算 (PDR)？

您有沒(méi)有過(guò)這樣的經(jīng)歷：您正跟著手機(jī)的 GPS 在街上行走，突然間 GPS 系統(tǒng)無(wú)法確定您的位置？也許此時(shí)您剛好在城市中的一排摩天大樓附近，或是在樹(shù)林里一條人跡罕至的小路上。無(wú)論如何，此時(shí)周邊環(huán)境遮擋了您的 GPS 信號(hào)。行人航位推算技術(shù)就是專門針對(duì)此類情景的一項(xiàng)有用技術(shù)。

航位推算就是指在沒(méi)有任何外部參考的情況下，利用已知起始位置，結(jié)合隨著時(shí)間的推移而估算的移動(dòng)速度和前進(jìn)方向，來(lái)推定未來(lái)到達(dá)位置的過(guò)程。將這個(gè)概念延伸到人類運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，特別是行走或跑步的情況，就是行人航位推算。

行人航位推算 (PDR) 是怎樣運(yùn)作的？

行人航位推算使用慣性感應(yīng)（加速度計(jì)、陀螺儀，有時(shí)也會(huì)使用磁力計(jì)）來(lái)估計(jì)速度和方向。步行的基本模型包括步數(shù)、步長(zhǎng)和方向。如果您知道步長(zhǎng)和步數(shù)，就可以推斷出距離。再加上方向，就能得到一個(gè)完整的航位推算輸出結(jié)果。

通過(guò)融合多個(gè)傳感器輸出，PDR/行人航位推算算法即可計(jì)算出基本構(gòu)成元素。這包括步數(shù)檢測(cè)、步長(zhǎng)、步行方向和設(shè)備方向（您是將手機(jī)握在手里，還是放在口袋里？）這些基本構(gòu)成元素拼湊在一起，就能確定總體軌跡。與其他有關(guān)計(jì)步和活動(dòng)分類（您在走路、跑步還是靜止不動(dòng)？）的輸出結(jié)果相結(jié)合，就能了解您已經(jīng)行進(jìn)的距離。

PDR 有哪些局限性，解決方案是什么

在 GPS 不可靠的情況下了解自己的位置，這是行人航位推算的主要好處之一。而且，由于它基于慣性感應(yīng)，因此不必依賴外部測(cè)量源（如衛(wèi)星）。但如果 PDR 如此出色，為什么還要費(fèi)心費(fèi)力去使用 GPS 呢？

我們得承認(rèn)，PDR 有其自身的局限性。不依賴外部資源是一把雙刃劍。這意味著它不會(huì)迷失方向，但也意味著它無(wú)法自行糾錯(cuò)。它可以做出估計(jì)（也就是航位推算的“推算”部分）。使用 GPS，在信號(hào)較好時(shí)，系統(tǒng)可以隨著時(shí)間的推移校正定位。

要在短期內(nèi)確定方向，IMU 的陀螺儀角位置信息比加速度計(jì)或磁力計(jì)更可靠。它能在短期內(nèi)輸出一致、可用的數(shù)據(jù)。磁力計(jì)或加速度計(jì)也可以確定方向，但需要更長(zhǎng)時(shí)間、更穩(wěn)定的測(cè)量。同樣，航位推算在短期內(nèi)也很有用。GPS 則可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定的位置測(cè)量。主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量能力的補(bǔ)充。PDR 算法是可靠定位解決方案中不可或缺的組成部分。

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS) 和其他優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS) 是另一種用于確定位置的系統(tǒng)。GPS 在室外環(huán)境中非常有用，RTLS 在建筑物或其他密閉空間內(nèi)有著類似的實(shí)用價(jià)值。比如追蹤商品在庫(kù)房里的位置、顧客在購(gòu)物中心內(nèi)的位置或患者在醫(yī)院中的位置，這都是 RTLS 非常有用并且 GPS 無(wú)法可靠覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景。

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)最常用的技術(shù)包括超寬帶、藍(lán)牙和 Wi-Fi。每種技術(shù)的信號(hào)各有不同，但基本原理保持不變。選定信號(hào)類型都有許多固定參考點(diǎn)。隨后用戶攜帶一個(gè)標(biāo)簽（例如小型收發(fā)器或手機(jī)），該標(biāo)簽可以在這些參考點(diǎn)之間來(lái)回發(fā)送信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)定位。

大多數(shù) RTLS 的工作原理是確定相對(duì)于標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度，隨后在至少有 3 個(gè)參考點(diǎn)的情況下即可確定位置。但有些技術(shù)不需要多個(gè)參考點(diǎn)或錨點(diǎn)。超寬帶可使用單個(gè)錨點(diǎn)確定位置，無(wú)需進(jìn)行三角定位。藍(lán)牙可以確定到達(dá)角和離開(kāi)角。如果使用更多的參考點(diǎn)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高。這些系統(tǒng)相對(duì)一致且具有確定性；但與慣性系統(tǒng)相比，它們的功耗也很高。而在這方面，PDR 再度顯現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。如果 RTLS 與 PDR 配合，打造成一種更為全面的解決方案，它就能降低自身系統(tǒng)更新的頻率，并依靠 PDR 來(lái)“填補(bǔ)空白”。

省電是一項(xiàng)非常重要的優(yōu)勢(shì)，但 PDR 對(duì) RTLS 或 GPS 系統(tǒng)還有其他好處。為完整起見(jiàn)，我在下面再次給出優(yōu)勢(shì)列表，不過(guò)這次匯總的是在任何基于位置的系統(tǒng)中添加 PDR 的好處：

• 更低的功耗：降低 RTLS/GPS 更新的頻率，并依靠功耗較低的 PDR 算法，從而為標(biāo)簽/設(shè)備省電。

• 填補(bǔ)信號(hào)覆蓋空白：如果系統(tǒng)找不到標(biāo)簽（原因可能是存在遮擋、延遲問(wèn)題、超出范圍）設(shè)備無(wú)法連接到衛(wèi)星，則可以使用 PDR 估算值來(lái)填補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)。

• 更高的系統(tǒng)精度：RTLS 和 GPS 系統(tǒng)專門關(guān)注定位，但不會(huì)直接跟蹤方向或速度。與其他系統(tǒng)相比，行人航位推算可通過(guò)更高的頻率提供更高級(jí)的粒度層，從而產(chǎn)生更平滑的路徑。例如，在條件最優(yōu)的情況下，GPS 的精度為 3 米。

• 降低安裝成本：使用 PDR 解決方案時(shí)，RTLS 工作所需的信標(biāo)更少。

切記，PDR 確實(shí)是一項(xiàng)出色的技術(shù)，但最適合作為各種基于位置的技術(shù)的補(bǔ)充。它可以單獨(dú)使用，但是如果沒(méi)有任何真實(shí)信號(hào)為其提供支持，隨著時(shí)間的推移，它將不再可靠。但如果在短期內(nèi)使用，它可以為其他系統(tǒng)增添不少好處。CEVA 深耕傳感器融合領(lǐng)域已有 20 多年，在我們?cè)揪透叨染_的慣性傳感器融合的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了強(qiáng)大的 PDR 算法。

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