子地图架构与信标布置 | Marvelmind

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子地图 架构(中文) & 信标 布置 | Marvelmind

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📅 2022-08-22

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构建与管理子地图:视频内容

这段全面的视频讲解Marvelmind超声波室内定位系统的子地图 架构(中文) 。视频说明了子地图为何必不可少,并详细介绍了 信标 布置策略、服务区定义、切换区以及三种系统 架构(中文):非反向架构、反向架构和多频非反向架构。指南还讨论了大型仓库中的覆盖难题、非视距障碍物,以及如何正确布置 信标 ,在复杂室内环境中实现±2厘米精度。

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这段全面的视频讲解Marvelmind超声波室内定位系统的子地图 架构(中文) 。视频说明了子地图为何必不可少,并详细介绍了 信标 布置策略、服务区定义、切换区,以及三种系统架构:非反向架构、反向架构和多频非反向架构。指南还讨论了大型仓库中的覆盖难题、非视距障碍物,以及如何正确布置信标,在复杂室内环境中实现±2厘米精度。

0:01 各位同事好。我们来讨论如何构建子地图。先说说这个主题——它既深又广。如您所见,要讲的内容相当多。我们先从已有的资料讲起,因为这个主题我们之前已经讲过,所以在深入学习本演示和本视频之前,请先看看那些资料。为什么需要子地图?我们先来了解一下术语。有很多新词,比如NIA架构、子地图、各种区域——我们逐一讨论。在讲子地图之前,先给一些基本的入门提示:如何布置信标,如何正确布置信标。我们有三种架构:非反向架构(NIA)、反向架构(IA)和多频NIA。它们有什么区别?为什么本演示重点讲反向架构?然后是基本的非反向架构、子地图,以及地图的冗余。

1:00 冗余是做什么用的?接下来是反向架构。反向架构是其中难度很大的主题,所以幻灯片这么多,构建方式这么多,出错的方式也这么多。因此我们建议先从非反向架构入手,熟练掌握之后再转向IA(反向架构)。当然还有一些特殊情况,这需要在之后的演示中深入讨论。最后是总结:为什么需要子地图?原因有很多,其中三个尤为重要。举例来说:您要覆盖像这样一个巨大的仓库,而一个子地图要求移动信标到固定信标的距离不超过30米。

1:59 但如果仓库是,比如说,200×200米,该怎么办?当然可以覆盖——没有问题,但您需要构建多个子地图。不可能只用一个地图、比如在角落放两个信标就全部覆盖。不行。子地图的最大尺寸——准确地说,不是子地图的最大尺寸,而是移动信标到为该子地图服务的固定信标的最大距离——是30米。这是第一个原因:距离。第二是非视距。比如即使在这里,也有货架。货架之间显然没有视距,这意味着需要在货架之间分别覆盖。货架把子地图分隔开。墙壁、房间、楼层——静态障碍物造成非视距的情况有很多。而非视距是关键因素。

2:58 它决定了一切——信标放在哪里,需要多少个固定信标。此外,移动信标本身也会出现非视距,比如有些障碍物在移动,或者有人在走动。这样,您装在 机器人上的移动信标就有可能被别的东西挡住。没关系,有一些解决方案,我们会讨论。再说一遍,三个主要原因:距离、静态物体遮挡、移动物体遮挡。我们已经有大量资料,包括一些讲解如何构建子地图的视频,请看看。您可以先暂停本视频,去看看那些更简单的视频,大致了解我们要讨论的内容。请查看: 操作手册(中文) 。再浏览一下 操作手册(中文) ,然后再深入学习本演示,这有助于理解。

3:57 接下来是一些术语。这是一段摘录。在 操作手册(中文)中讲得不算很深,但有助于入门。另外, 安装布置手册(中文) 也是很好的资料来源,因为它讲解了多种方法和几个关键主题,比如子地图、区域、多种架构。本演示讲得更深入,但请先在那里查看,然后循序渐进。还有一个复习视频,核心意思很简单:不要一上来就做复杂地图。先构建一个不太复杂的——入门级的就是只用两个固定信标的2D非反向架构。先把它建好,再一步步过渡到更复杂的地图和子地图。接下来是术语:什么是地图?地图是……

4:55 ……一组子地图。一个地图也可以只包含一个子地图。例如,您从我们这里购买了入门套件,想部署一个2D非反向架构,放置两个固定信标,那么您的地图就只包含两个固定信标、一个移动信标和一个 调制解调器。所以它既是一个子地图,同时也是一个地图。就这么简单。地图可以非常简单,但这些都是简单的情况,不需要这么详细的视频。我们的 操作手册(中文) 已经足够, 安装布置手册(中文) 也足够了。本视频讲的是更复杂的场景:需要多个子地图、需要复杂的反向架构子地图等等。那么什么是超级地图(Supermap)?超级地图是未来的功能,目前还没有,但已经有客户在说:“我们需要超过250个信标,需要超过250个子地图。”所以是的,这将在……

5:59 ……超级地图中实现,但目前还没有。那么什么是子地图?子地图是两个或更多固定信标的组合。好吧,这个后面会更深入地讨论。子地图是信标的组合,是一个较小的地图,它是我们刚才讨论的大地图的一部分。每个子地图中都有一个距离表,后面会有单独的幻灯片介绍。距离表是子地图的一部分,其中列出了子地图内各信标之间的距离——要么是自动测量的,要么是您手动输入的。服务区也是子地图的一个组成部分,它的意思基本上是:“好,这个子地图负责这个区域。”因为这个子地图中的信标总有一个区域是它们……

6:57 ……要服务的,但需要您手动定义。在构建由多个子地图组成的大型地图时,这非常有用。当一个地图只有一个子地图时,服务区是推荐项,而非必需。切换区非常简单:两个子地图相互重叠,它们之间的重叠区域就是切换区。当移动信标从一个子地图的服务区移动到另一个子地图时,在这段时间里它同时由两个子地图服务,之后再由第二个子地图服务。这就是典型的切换,就像蜂窝网络中那样。接下来是IA(反向架构)、非反向架构与多频NIA(非反向架构)的对比。它们的定义可以有很多种,但基本的区分因素是:谁在发射超声波?

7:57 我们一直在谈超声波。至于无线电,它们一直都在通信。请记住,移动信标和固定信标之间并不通过无线电直接通信,它们都与 调制解调器有关。 调制解调器 通信,它就像中央控制器,像一只蜘蛛掌控着所有设备。所以它们都与 调制解调器通信。这说明什么?再说一遍,构建子地图和复杂地图与无线电无关——基本上与无线电无关,主要与超声波频率有关。所以当我说“频率”时,除非特别说明,指的都是超声波频率,而不是无线电频率。在反向架构中,固定信标发射超声波。在非反向架构中,移动信标发射超声波,固定信标接收。而在多频NIA(非反向架构)中,移动信标发射超声波,但它们是同时发射的……

8:56 ……并且使用不同的频率。目前我们提供八种不同的频率,在IA(反向架构)中可使用多达八种超声波频率,在多频NIA(非反向架构)中也可使用多达八种。对于普通的非反向架构,频率无所谓,因为固定信标只负责接收,可以是任意频率。接收时频率无关紧要,因为Super-Beacon可以同时接收所有频率,但只能发射一种频率,即该信标的原生频率。好,超声波频率我们已经讲过了。目前有八种频率。这很好,因为一两年前我们只有五种,对于相对较小的地图来说够用了。但对于大型地图,频率越多,自由度越大。所以在采购时如果拿不准,请尽量多选几种不同频率。

9:55 因为这能为您的地图带来更大的灵活性。好,回到更深入的定义和解释。什么是地图?地图是子地图的组合。例如,这个地图由两个子地图组成:一个子地图和另一个子地图。每个子地图由两个信标组成:信标10和信标11组成第一个子地图,信标11和信标12组成第二个子地图。请注意,信标11同时属于子地图1和子地图2。目前我们支持多达150个子地图,如果每个子地图可达约1000平方米,那么理论上,如果您有一个非常非常大的开阔机库,覆盖面积可达25万平方米。非常大。但实际上,限制通常来自非视距,比如

10:54 墙壁、货架等等。所以实际上,这250个子地图可能会用在小得多的区域里,或者还会有其他限制。目前一个地图最多支持250个信标。为什么?因为每个地图只由一个 调制解调器控制。记住:一个地图,一个调制解调器。地图建好后,为了不让任何东西变动——通常构建地图要花不少时间——就把它冻结。冻结地图意味着固定信标的角色、服务区、位置等都不会再改变。您可以冻结并保存地图。这非常有用,因为它

11:51 能防止地图意外丢失,毕竟构建这些地图要花大量时间。未来的功能是超级地图。如前所述,一些客户来找我们说:“太棒了,我们很喜欢。能覆盖超过250个信标的范围吗?”可以。地图和超级地图之间没有根本性的区别。简单来说,超级地图是地图的组合,就像地图是子地图的组合一样。如果每个地图包含250个信标,把这些地图组合成超级地图,就可以覆盖几乎无限的空间。这和蜂窝网络完全一样。如果您熟悉蜂窝网络,可以把我们的子地图看作小区,地图看作小区簇,超级地图看作更大的小区簇。这样一来,您甚至可以覆盖整个世界,都没有问题。

12:51 所以,如前所述,超级地图是未来的功能。一旦您需要,我们就会准备好。但到目前为止,我们所有客户的需求都在150个信标和250个子地图之内,因为这已经是相当大的面积了。关于超级地图:超级地图将由 Super-Beacon控制。而 Super-Beacon 本质上是一个软件,从各个地图收集数据。每个地图都由 Super-Modem控制(因为地图很大),而 Super-Modem 把数据流式传输到超级地图, Super-Modem,以及 Super-Modem 则向作为最终用户的您呈现整个超级地图,看起来就是一个统一的地图。如果您不知道它由多个地图组成,可能根本不会注意到。因为对您来说,它看起来就像一个包含成千上万个信标和成千上万个子地图的巨大地图。

13:50 所以基本上是一样的。接下来是子地图。什么是子地图?如前所述,一个地图可以只有一个子地图,比如基本的入门套件;也可以有多达250个子地图。这就是子地图。记住,子地图是为了服务某个区域而组合在一起的一组信标。什么区域?服务区。即使您没有专门或明确地定义服务区——比如像这样点击、点击、点击,指定这些信标或这个子地图负责这个区域——即使没有定义,也存在一个隐含的距离限制,即30

14:49 米(默认值)。也就是说,一旦超过30米,除非您手动调大,信标就会停止监听超声波。这意味着它们甚至无法确定30米以外的移动信标位置。可以手动设置为50米等。当然,我们建议在30米以内使用,但您也可以通过 手动(中文) 设置调到50米,这样可以覆盖更大范围,或者手动构建非常大的子地图,比如40米或60米。是的,在某些情况下甚至可以做到。不推荐这样做,但在某些特殊情况下,比如噪声很低、使用19 kHz或25 kHz这样的低频超声波时,实际上也能覆盖长达50米的距离。

15:47 但一般情况下是30米以内。所以为简单起见,我们说每个子地图可达1000平方米,也就是大约33×33米。子地图可以是1D、2D或3D的,这是一个2D的例子,即XY。如果只有一个移动信标和一个固定信标,就可以构建1D子地图,这也是可以的。例如,在走廊、窄通道或隧道中,您不关心横向位置,只关心X坐标。这时构建1D子地图是很推荐的方式。2D是常用的设置,因为人们通常做人员跟踪,或

16:46 机器人 跟踪、叉车跟踪之类,所以是2D。也有3D。3D与2D没有本质区别,只是不用2个信标,而是用4个。我们稍后会更多地讨论冗余,但推荐用4个。因为3D跟踪至少需要3个信标,而其中一个很容易被遮挡。为了至少有一定的冗余,我们的入门套件包含五个信标:四个固定信标和一个移动信标。四个固定信标为3D跟踪提供了“三加一”冗余。这就是3D使用四个固定信标的原因。至于建议,前面已经提到,比如2D可以构建完全重叠的子地图,我们会稍微深入讨论。3D跟踪的常规设置是“三加一”冗余。

17:44 系统会从四个信标组成的不同三角形组合中自动选择,自动选用不越过连线的组合。在2D中,这一点非常重要。您可以看到这里有一个“鼻子”(服务方向指示),如果把移动信标开得离这条线太近,系统就无法区分是在这一侧还是那一侧。我们稍后会深入讨论,但核心信息是:在2D中,不要越过两个固定信标之间的连线。在3D中没有这个限制。但在2D中不行,因为系统仅凭几何关系无法区分移动信标在这一侧还是那一侧——它测得的距离是相同的。所以不要越线。在大多数情况下,

18:44 甚至不要靠近,因为误差会急剧增大,毕竟信标布置或计算中总会有一些误差。所以不要太靠近这条线,更不要越过它。服务区:我们稍后会深入讨论,但我们建议始终设置服务区。如果只有一个由一两个信标组成的基本子地图,服务区是推荐项而非必需。但如果有多个子地图,比如这种情况,服务区几乎是必需的。为什么?假设这个信标和那个信标之间的距离只有五米,这个信标和那个信标之间也是五米。好,但请记住,每个信标都能

19:42 监听30米甚至更远的距离。比如这里有一个移动信标——不是这里,而是在这个区域。这个区域显然更适合由这些信标服务,因为它们更近,朝向也对着这个方向,等等。但从这个区域到那个区域,可能也就10米或15米。所以那个信标也很容易尝试服务这里,或者说,那两个信标也会试图服务这个区域。这样不好,因为对同一个位置会出现两种意见:一个来自这个子地图,一个来自那个子地图。首先,有两种意见。其次,这会增加额外负载。意见一致时很好,但它们总会有出入。

20:40 系统就必须做出选择。现在我们只讨论两个子地图,但您可能有很多小子地图。当距离只有五米左右——子地图的尺寸只有五米时——可能会有五个、十个不同的子地图相互重叠。那将一团糟,系统根本无法工作。所以我们的建议非常简单:只要有不止一个子地图,服务区就几乎是必需的。请注意,子地图是信标的组合,而服务区基本上是这个子地图负责的区域。我说子地图,指的是信标——两个、三个或四个信标,取决于您有多少信标。所以子地图和服务区不是一回事。希望这一点清楚了。接下来是信标的高度。请记住,对于2D,您必须

21:39 输入高度。您必须输入固定信标和移动信标的高度,因为在子地图中,所有信标都位于地面以上的某个高度。地面在子地图里是一个虚拟的概念,在实际中就是真实的地面。您把信标装在离地三米、五米或十米的地方。有时它是虚拟的,但无论如何,您都必须手动输入,因为系统无法计算高度。系统能够测量信标之间的距离并自动构建距离表,但无法测量高度——没有参照物,因为系统不知道地面在哪里。所以固定信标的高度必须手动输入。对于2D,还必须输入移动信标的高度,因为是2D,系统必须知道它的高度。

22:38 所以如果固定信标在三米高,而叉车上的移动信标在2.2米高,就必须输入移动信标的高度。3D则不同,3D只需输入固定信标的高度,移动信标的高度在3D中会被测量出来。地图是自动构建的,这是Super-Beacon的一大优势:您只需在房屋或场地内实际放置好信标,比如放一个信标、再放一个信标,就能构建子地图。这个地图是自动建成的,因为在您冻结子地图之前,系统一直在测量信标之间的距离——从信标1到信标2,或者在本例中从信标10到信标11、从信标11到信标10,并据此填充距离表。

23:37 表中有10到11、11到10的距离。如果距离分别是5.01米和5.03米,系统会认为:好,只相差两厘米,测量是正确的,于是距离表显示为白色。这就可以了。您可以冻结地图,地图就绪了,或者说子地图就绪了。然后做什么?比如构建另一个子地图,像这个。再说一遍,只要您对信标布置、距离表和服务区都满意,就可以冻结子地图。如果您的地图只有一个子地图,那么也可以同时冻结地图。如果不是,就继续构建另一个子地图、再一个子地图……当所有子地图都构建好并冻结后,就可以冻结地图,因为地图本质上就是

24:36 子地图的组合。这是距离表。对于Super-Beacon、Industrial Super-Beacon或任何能够发射和接收超声波的Super-Beacon,距离表都可以自动构建。所以您不需要手动输入信标的位置,也不需要手动测量信标之间的距离。而且,只要条件允许,我们强烈建议让系统自动构建距离表。为什么?我们在其他专题中讨论过:真实的米与超声波测得的“米”并不完全相同,在校准之前两者存在差异。所以冻结时请确保距离表是白色的。在这个例子中,它不是白色,而是绿色,

25:35 因为它是手动填写的。正常情况下它会是白色。比如30.129米和30.120米——两个方向相差九毫米,这没问题,会显示为白色。如果距离表中有红色单元格,系统就是在明确告诉您:从这个信标到那个信标的距离不一致,有问题。什么问题?可能没有视距,可能位置不理想,也可能有视距但信标彼此朝向不对,等等。系统基本上是在说:距离表还没就绪,不要继续,不要冻结子地图,在解决问题之前什么都不要做,否则一切都可能出问题。关于这一点有单独的视频。所以,

26:33 在距离表完全变白之前,不要继续,不要尝试跟踪,否则跟踪效果会很差,出现跳变等各种问题。距离表必须是白色的,然后再冻结。服务区我们已经讨论过,这里讲快一点。我们建议即使只有一个子地图也设置服务区。为什么?如果您在单个子地图中不设置服务区,比如信标之间相距两米——两米或四米都行——您可能会想:好,我的地图很小,所以更新率会很高。不,更新率并不会更高,因为如果您不设置服务区来定义预期的子地图尺寸,比如三乘三米或五乘五米,系统是不知道的。

27:31 系统会构建一个30米的子地图。虽然没有显示出来,但它就是一个30米的子地图。子地图是30米,超声波就要传播30米才能进行下一次更新。所以您得到的不是一个三四米的小子地图,而是一个30米的子地图。因此,即使只有一个子地图,也要定义服务区。对于多个子地图,服务区几乎是必需的,我们已经讨论过。如果不定义,相邻的子地图就会对同一个信标的位置给出多种意见,结果一团糟。两三个子地图时或许能工作——可能能工作,但不推荐。很可能跟踪效果会很差,因为意见不一等等。而如果区域相对较小、子地图又很多,那就会彻底乱套。所以只要

28:30 有不止一个子地图,就一定要构建服务区。服务区可以是1D、2D和3D的。在1D中,它基本上就是距离限制。距离限制的意思就是告诉信标:不要监听超过设定值的距离,比如10米。在这种情况下,超声波飞行10米以后,系统就不再监听。如果移动信标在11米处,它会这样:走、走、走——9米,仍被跟踪;9.5米,仍被跟踪;10米,仍被跟踪;10.5米?没了,已经看不到了。它在范围之外,不可见。所以要小心:如果设置得太小,移动信标就会在范围之外,无法被跟踪,就像不存在一样。

29:28 所以我们一贯建议:如果您卡住了,就按Default(恢复默认),删除地图,用默认设置从头重建。默认值是30米,您的移动信标很可能在这个范围内。当然,也要尽量让子地图和服务区尽可能小。但如果卡住了或丢失了移动信标,就删除地图——先保存起来备用,再删除——然后用30米的服务区从头重建。这就是隐含的距离限制,即隐含的服务区。对于3D,子地图就像一个层:您定义2D子地图以及地面以上和地面以下的高度,所以它像一个层,形状是2D子地图,再加上向上和向下的高度。

30:27 这就是3D的情况。服务区和距离限制非常相似。如果没有定义服务区,就会使用距离限制。但如果定义了服务区,就以服务区为准,不再有距离限制。否则,比如这个信标监听超声波的距离限制会是多少?是子地图的最大尺寸再加上一些安全余量。前面已经提到,服务区很重要,原因有很多。首先是切换区——避免多种意见并存。另一个因素是位置更新率。当然,通常您希望更新率尽可能高,但更新率取决于超声波的飞行时间,而超声波的飞行时间又取决于这个

31:26 子地图的尺寸。更新率也取决于其他一些参数,比如无线电配置等,但影响最大的是子地图的尺寸。所以子地图越小,更新率就越高。因此,如果更新率对您很重要,请通过定义服务区来减小子地图的尺寸。如今,服务区可以通过点击来定义——点、点、点,点、点、点,最多八个点。如果出于某种原因您需要更多,请告诉我们,也许我们会增加。但目前服务区最多可以有八个点,即八个角。切换区非常简单。切换区就是两个子地图的重叠区域。在这个

32:24 区域中,比如说这个区域只有第一个子地图在服务,那个区域是第二个子地图在服务,而在这个区域,两个相邻的子地图都在服务。所以有软切换和硬切换之分。软切换当然更好,因为在这个区域两个子地图都在服务。进入切换区时,有几种切换类型:第一种、第二种和第三种。第一种是:进入切换区时,它已经可以同时被原来的子地图和新的子地图跟踪,于是立刻跳到新的子地图。

33:24 第二种是:它继续前进,此时已经同时由两个子地图服务,但仍然报告来自原来那个子地图的位置,直到到达其服务区的边缘。然后在这里,立刻跳到第二个子地图报告的坐标。当然,整个网络规划和布置的目的就是避免任何跳变,通常跳变是看不出来的。但如果子地图构建得不够完美或没有对齐等,那么在进入服务区或切换区、以及离开时,就会出现跳变,大小取决于误差有多大。第三种切换

34:23 是取平均。靠近这边时,主要采用这个子地图;到中间时各占50%;到另一端时主要采用那个子地图;离开后当然就完全采用另一个子地图了。这有助于让潜在的跳变变得平滑。但在构建时,有时能看到跳变反而更方便。硬切换是指移动信标进入了服务区,但由于某种原因没有被切换到第二个子地图,系统就必须启动硬切换流程。硬切换流程基本上是从头开始重新寻找它。软切换没有延迟——它就这样一直走,顺利通过。

35:22 就像这样走过去。这就是软切换。而在硬切换中,它走到这里,由于某种原因丢失了,并且会丢失若干次位置更新——可能两次、三次、五次,甚至十次。如果每秒更新八次,就可能丢失一到两秒,然后在这里被重新找到,之后恢复正常跟踪。当然,必须避免硬切换。但硬切换总比完全丢失要好。硬切换是一项功能,但它是信标丢失时的最后手段。

36:21 如何布置信标?在讲如何构建子地图和多个子地图之前,我们先简单谈谈如何布置信标。只有一条规则支配一切:视距、视距、视距。如何布置信标?信标的布置应使移动信标与固定信标之间出现非视距的概率尽可能小。所以通常——不是总是,但在95%的情况下——固定信标装在高处,靠近天花板或在墙壁高处,而移动信标装在车辆、 机器人或无人机的顶部。所以传感器要放在顶部,因为这样被遮挡的概率最小。当然,人可能会躲到桌子下面,或者躲在

37:20 叉车后面。但这种概率要比把移动信标放在胸前或口袋里小得多。那样几乎可以肯定,大部分时间都会处于非视距状态。所以固定信标放在高处,移动信标也放在顶部。固定信标朝下,移动信标朝上。“朝向”的意思是:请记住并查看 操作手册(中文),每个换能器发射的超声波波束约为90度。所以四个侧面换能器提供360度的水平覆盖,垂直方向有180度覆盖。略微偏置的麦克风在水平方向自然具有360度覆盖,垂直方向接近180度。

38:19 垂直方向很难精确地说,因为朝向地平线方向它仍然能接收,但信号很弱,灵敏度在地平线处下降。所以我们说,固定信标通常应位于地平线以上20到30度以上。如果固定信标非常远,比如在这里,几乎处于地平线上,灵敏度就可能下降,各种麻烦事就可能发生。这不是本演示的主题。但请记住,固定信标要装得足够高,这样就不会接近地平线。而如果把它放在移动信标的地平线以下,比如像这样,麦克风就根本听不到,因为它看不到信标——信标在下方,会形成阴影。

39:18 信标会处于阴影中。比如这里就是这个麦克风的阴影区。这里不是阴影,但这里会是阴影。明白了吗?基本上就是视距——保持在视距之内。布置信标时,要用尽可能少的信标覆盖同一区域,并让被遮挡的可能性尽可能小。通常的做法是:把信标装在墙壁高处,不要太高也不要太低,从移动信标看去高于地平线20度以上,并且被遮挡的可能性尽可能小。还要记住,如有可能,布置信标时要能构建尽可能小的子地图和服务区,这样就能获得尽可能高的更新率。前面已经提到的其他提示:记得输入

40:18 固定信标的高度。这些都是常见错误,请避免。对于移动信标,在2D和1D中也必须输入高度,否则位置就不准确——仍会测量出位置,但会有偏移。您不需要这个误差。另外,有时把信标装在角落里时,并不需要朝上发射的传感器。向上发射有什么意义?那里没有需要服务的对象。所以如果不需要,就禁用朝上的换能器。或者另一个换能器正对着相邻的墙——也不需要。通常这不会有害,只是额外耗电等。但有时确实有害,因为它会发射超声波,可能产生一些特殊的驻

41:17 波之类的。如果离墙太近,就可能干扰脉冲。关于超声波功率——比如,在远距离的情况下,我们通常建议启用50个脉冲。50个脉冲是什么意思?以我们典型的31 kHz频率为例,每个脉冲大约一厘米长,所以整个脉冲串长50厘米。如果墙离您只有10厘米,而您朝墙发射,脉冲开始传播——当然反射信号会晚一些到达,但反射信号的相位可能相差180度,这意味着它会抵消主波。当然,开头部分抵消不了,因为反射已经延迟了,它是这样来回走的。但最后一部分可能会被有效地

42:15 抵消。所以原本有50个好的脉冲,结果只剩10个或15个好的脉冲,其余的可能都被太近的反射抵消了。怎么解决?很简单:不要装得离墙太近。所谓太近,比如说是小于30厘米。不要这样装,或者不要启用朝墙发射的换能器。那样毫无意义——对您没有帮助,反而可能有害。另外要旋转信标。比如,我们建议装在墙上,但实际上不要平贴在墙上,而是装在墙上并略微转向中心。这样更好,因为您需要的是良好的覆盖,良好的覆盖就是像这样。请记住,每个换能器大约提供90度的覆盖。所以有时只需要一个换能器,比如这个,只用它就够了。

43:14 举例来说:您有一个墙角,墙角是90度。如果把信标装在墙角正中间,就禁用其他所有换能器,只保留4号换能器,也就是中间那个,正对服务区中心。这样效果非常好,原因有几个。首先,因为装在墙角,不会出现前面说的额外抵消。其次,请记住,我们的系统非常精确,人们通常还想获得更高的精度。而要获得更高的精度,建议只用一个发射换能器,而不是五个。五个换能器能提供很好的覆盖,但它们彼此之间略有偏移——一两厘米,这会产生影响。很难精确说明,但它不再是一个点,而是一个“粗点”,带来了一些不确定性。

44:14 同样很难用数学证明。但如果只有一个换能器、一个发射器,肯定有帮助,因为点要小得多,所以精度更高。这还有助于节电:只驱动一个换能器而不是五个,能显著节省电能。有时甚至有助于增加距离,因为同样的功率分给五个换能器和集中给一个换能器是不同的。通常帮助不大,因为换能器反正已经功率饱和,但有时确实有帮助。还要记住,调制解调器可以放在任何位置,只要它能覆盖每个固定信标和移动信标。所以这里不多讨论调制解调器,有单独的无线电

45:12 演示专门讲这个问题。所以,无论我们讲频率还是其他什么,调制解调器都可以放在任何地方,可以没有视距,这无所谓。但当然,它必须与每个信标——移动信标和固定信标——都保持无线电连接。移动信标尤其困难,因为对于固定信标,您几乎可以保证连接——您测试过,排除了问题。而移动信标在移动,天线条件和各种条件都在变化,所以对移动信标来说更难。这也是为什么会有未来的子地图功能。比如,您有一栋多层高楼,用一个调制解调器覆盖多个楼层非常困难。可以做到,但需要专门布置特殊天线,因为无线电信号很弱,功率只有约10 dBm。

46:11 这样的无线电信号很难穿透楼层提供覆盖。第二个提示:关于这一点已经有专门的视频,请查看那些视频,这里不多讲。但在某些特殊情况下——同样,这里不展开——信标布置得过宽或过窄。比如,这已经是另一个话题了,这个地图会过宽,因为移动信标离连线太近。过窄的情况是:移动信标离得太远,比如这两个信标构成了地图,而移动信标在这里——比例失调。所谓失调,就是比例达到比如1比10。典型的推荐比例大约是1比1、1比1/3、1比3之类,

47:09 这是好的。但1比10或10比1就太过了。此外,还有一种关于精确Z坐标(高度)的特殊配置,也请查看相关视频,这里不展开。但请注意,这涉及从地面起飞的飞行器。如果把信标放在地面上,在飞行器起飞之前会有困难,请在那里仔细查看。所以,比如说,无人机不是飞到外面,而是在建筑物内部飞行。获得精确Z坐标的简便方法,基本上就是把固定信标装在天花板上,并且飞行高度永远不超过这些信标。这样在精确Z坐标方面基本上就不会有任何问题。

48:08 关于2D和不越线——前面已经提到,我们再来看看。为什么越线会有问题:这是一个典型的2D子地图,无论是反向架构还是非反向架构,情况都一样。这是真实位置,您可以看到这个“鼻子”,表示我们在这一侧区域服务。但如果越来越靠近,甚至越过连线,系统就无法区分了。您可能在这里,但系统仍然认为您在那里。比如您这样移动,实际上系统会显示一个镜像位置,因为系统无法区分。它仍然能接收这一侧的信号,但无法区分。

49:05 无论您在这里还是那里,基于两个固定信标的基本几何关系,在几何上是无法区分的。但我们建议:甚至不要太靠近连线。为什么?前面提到过:过宽、过窄。一旦太靠近——系统的工作原理是三边定位,在这种情况下是双边定位——它测量距离,而这一侧和那一侧的距离几乎相同,系统就可能开始混淆。如果您的计算或测量不是非常精确,比如有两厘米的误差,那么当您太靠近时,看起来就像已经在这条线上了,于是会出现各种麻烦。尤其是当信标装得很高时——比如您放了两个信标,这个和这个,在那边。这两个

50:05 信标装在离地三到五米的高度。当您太靠近连线并尝试跟踪时,又会出现这种过宽、过窄的误差。实际上,您会非常非常接近这条线。因为从相对的角度看,您需要测量较长的距离,却又离这条线很近,出现误差的可能性很高,误差就会表现出来:走着走着,突然跳变,比如跳到这一侧。因为系统会认为这不可能——实际上您可能还没有越线,但由于余量和误差,系统可能把您放到另一侧。规则很简单:不要太靠近两个信标之间的连线。多近算近?没有明确的硬性规则,取决于地图构建得有多好,但

51:04 总体来说,不要比固定信标间距的十分之一更近。再说一遍,这不是硬性规则,只是一个提示和建议。第一部分就到这里,看起来这个演示会更长。请观看第二部分,可能还有第三部分。非常感谢。

✓ 要点总结

  • 借助多子地图架构,室内定位覆盖范围可突破单个子地图30米的距离限制
  • 货架、墙壁和其他障碍物造成的非视距遮挡,是决定子地图布置的主要因素
  • 共有三种系统架构:非反向架构(简单)、反向架构(复杂)和多频非反向架构;建议先学习非反向架构
  • 服务区和切换区是管理移动信标在重叠子地图之间过渡的关键概念
  • 正确的信标布置方法以及每个子地图内准确的距离表,是实现±2厘米精度的保证
  • 先从简单的2个信标非反向架构部署入手,再尝试复杂的多子地图反向架构系统

👥 适用对象:系统架构师与大规模部署团队

在大型设施中部署超声波室内定位系统的系统集成商、仓库自动化专家和机器人工程师。本内容解决一个关键难题:如何利用多子地图架构,将精确室内定位的覆盖范围扩展到单个信标的距离限制之外。

? 常见问题

问:在Marvelmind室内定位系统中,单个子地图的最大距离是多少?
在单个子地图内,移动信标到固定信标的最大距离约为30米。对于超出这一范围的大型设施(如仓库),需要使用多个相互重叠、带有切换区的子地图。
问:仓库室内定位部署中,非视距问题由什么引起?
货架、墙壁和楼板等静态障碍物会造成非视距,阻挡超声波信号。这些障碍物决定了子地图的布置,需要在通道之间和不同楼层分布信标,以保持覆盖。
问:非反向架构和反向架构的子地图有什么区别?
在非反向架构中,移动信标发射超声波,固定信标接收。在反向架构中,固定信标发射超声波,移动信标接收。反向架构更复杂,但更适合某些部署场景。建议先掌握非反向架构,再进阶。
问:在子地图之间移动时,切换区如何工作?
切换区是相邻子地图之间的重叠区域。当移动信标从一个子地图的服务区移动到另一个子地图时,会短暂地同时接收两个子地图的信号,从而实现无缝过渡,类似于蜂窝网络中的切换。
问:为什么要为子地图构建服务区?
服务区明确定义每个子地图覆盖的区域。对于单子地图部署,服务区是可选的;但对于大型多子地图系统,服务区必不可少,可以明确覆盖范围,避免在复杂仓库环境中出现定位歧义。

ⓘ 子地图架构与多区域覆盖

构建子地图是在大型仓库、制造工厂和自主 机器人 环境中部署超声波室内定位系统的基础。这份详细的技术指南解释了为什么需要子地图来突破单信标覆盖的限制——移动信标到固定信标的距离最远约30米。演示介绍了部署子地图的三个关键原因:大型设施中的覆盖范围扩展、货架和墙壁造成的非视距遮挡处理,以及移动物体干扰的缓解。视频介绍了基本术语,包括地图、子地图、服务区和切换区——切换区是移动信标在相邻子地图之间过渡的重叠区域。视频比较了三种系统架构:非反向架构(推荐新手使用)、反向架构(较复杂)和多频非反向架构,它们的区别在于由哪种信标发射超声波。指南强调先掌握较简单的配置,再尝试复杂的多子地图部署,并介绍了信标布置方法、距离表,以及在多层仓库和大面积自主 机器人 部署中实现精确室内定位性能的实用提示。

# 主题

子地图信标布置

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