RTLS管理者入门：室内没有GPS | Marvelmind

0:01 各位同事好。今天我们来讨论工业应用中室内定位系统的基础知识。我们不谈博物馆、体育、商场或机场——那也是很好的领域，但不是本次的重点。我们谈的是工业场景：仓库、工厂、矿山、建筑工地、石油天然气炼厂、铁路、地铁、地下设施。我们来讨论这项技术的优势、基础和关键能力，系统是为什么而设计的，以及总体上为什么需要室内定位系统。主要有三大原因：安全、生产效率和自动化。首先是安全。

0:59 人员安全、事故预防、事故事后分析，以及防止设备或车辆损坏等。然后是生产效率：这涉及丢失的资产、丢失的设备。我们知道推车就在这栋楼里某个地方，但不知道在哪里；我们知道托盘在某个地方，但不知道在哪里，于是浪费时间去找。资产没有得到充分利用：叉车在行驶，但行驶得是否合理？叉车行驶的时间与停着等待的时间相比是多少？资产利用率是多少？当然还有自动化：各种自动化——机器人、无人机。

1:56 以及要自主行驶的AGV。为了能够行驶，它们需要以某种方式知道自己的位置。也可以使用其他一些系统，但无论如何，自主无人机、自主 机器人、自主导引车辆都需要室内定位系统。那么，GPS用于室内定位有什么问题？主要问题是室内没有GPS。之所以没有GPS，是因为在室内，来自GPS卫星的无线电信号根本无法穿透墙壁和屋顶。所以室内没有GPS。即使室内能收到GPS，其精度也不足以满足室内定位系统的要求。

2:55 因为典型的GPS精度只有几米。在工业应用和一般室内应用中，通常需要厘米级精度，而不是米级精度。而就GPS而言，与其说是米级，不如说是十米级精度。也有其他选择——例如安装摄像头——但成本更高，而且通常效果不好。例如，这个人是谁？当人们穿着统一的工作服、光线又差时，很难区分不同的人，甚至很难区分是人还是颜色相同的机械设备。所以在实践中很难实现。这就是人们使用室内

3:53 定位系统进行跟踪的原因。稍后我们会更详细地讨论移动 信标 （安装在人员身上的），或者移动 信标 （安装在机械设备、叉车或起重机上的）。这些就是移动 信标。所以再强调一次，必须非常清楚地理解：我们并不跟踪人，我们跟踪的是安装在人身上的移动信标。我们并不跟踪叉车、AGV或起重机，我们跟踪的是安装在AGV、起重机或任何资产上的移动信标。正因如此，它更复杂——同时又非常简单，因为只要能在物体上安装移动信标，几乎可以跟踪任何东西。这也是我们有不同类型移动信标的原因：小型的、大型的、带内置电池的、不带

4:51 电池的，防水防尘的、无防护的，带附加全向麦克风的、不带的，带外置天线的、内置天线的，有各种不同版本。但关键在于，有一个移动信标（有时也称为标签）安装在您的移动资产或人员身上，我们跟踪的是这个移动信标。然后，知道这个移动信标分配给了谁，就能知道我们在跟踪谁或什么，以及其位置。但接下来的大问题是：相对于什么来跟踪？这完全是定位的问题，也就是坐标的问题。在GPS系统中，我们相对于GPS卫星进行跟踪，它们在数千公里之外的远处飞行。而在室内定位

5:50 系统中，您是相对于某种东西进行跟踪。这是什么东西？它叫固定信标，有时也叫锚点。您把锚点安装在建筑物内。只有一个重要要求——我们后面还会再谈，但必须清楚地理解：要跟踪移动信标，它必须在30米范围内与两个或以上固定信标之间有直接视距（2D跟踪），或与三个或以上固定信标之间有直接视距（3D跟踪）。就这么简单。然后，您根据需要安装任意数量的固定信标，就能覆盖任意大的区域。所以，对于您想覆盖的

6:49 面积大小，实际上没有容量限制。如果需要覆盖20,000或100,000平方米的大型仓库，没问题，只是需要更多信标。它们有点像卫星，只不过不是GPS卫星，而是安装在墙上或天花板上某处的固定“卫星”。为什么装在那里？因为基本上这样能让固定信标与移动信标之间的遮挡尽可能少。所以它们安装在墙壁高处或天花板上，这样覆盖同样面积所需的固定信标数量也更少。它们通常由固定电源供电，这样就完全不必担心电池。但有时很

7:48 难提供电源，因为那里根本没有电。这种情况下，可以在信标旁边安装一块大电池为其供电，它可以供电一年甚至更久。当然，一年后需要取下电池，充电比如24小时，然后再装回去。在此期间，信标由其内置电池供电，内置电池可以维持几天，而不是几周或几个月。接下来的大问题当然是：我如何获取数据？系统装好了，很好，我们有了定位，但我如何拿到定位结果？数据是什么？数据可以从两个不同的来源获取：一个是移动

8:46 信标，另一个是 调制解调器有关。 调制解调器，有时也称为路由器或控制器，本质上是控制整个系统的中央控制器或设备。它让您可以提取移动信标的位置数据。控制器或 调制解调器 通过免许可频段的无线电与每个固定信标和移动信标通信。然后，它通过USB（基本上就是您手机上用的那种USB）或这些引脚输出位置数据，因为有时用USB连接更方便，有时用引脚连接更方便。信标也完全一样。移动信标的优势在于，例如，如果您跟踪的不是人员或叉车，

9:45 而是自主 机器人 或无人机，那么机器人本身就需要精确地知道自己此刻的位置——不是从 调制解调器 获取再以某种方式发回数据。那样也可以，但路径有点太长了。机器人可以直接从移动信标获取数据，同样可以根据机器人情况使用USB或引脚。无人机也一样。所以获取数据非常非常容易。数据采用开放协议、开放格式，这意味着您可以轻松获取这些数据，并将其与仓库管理系统或图形用户界面结合，或发送到任何地方。例如， 调制解调器 也可以有不同的形态。正如我们之前提到的，信标有不同的形态，调制解调器也可以有不同的版本——例如

10:45 Super-Modem。它还内置WiFi，因此可以获取数据，通过WiFi再经互联网发送到世界任何地方。比如您的仓库在印度，而老板在德国或其他地方，您可以把数据直接发送到老板的IP地址，直观地展示仓库里正在发生什么：资产在哪里、有多少次移动、叉车完成了哪些作业等。在这种情况下非常非常方便。关于技术的基础知识：所有精确的室内定位系统都使用飞行时间，但飞行时间各有不同。我们使用的是超声波的飞行时间，正因如此，我们的系统是

11:46 具备厘米级精度的商用系统。超宽带（UWB）也是一项很好的技术，但超宽带使用的是超宽带电磁脉冲的飞行时间——与无线电、WiFi甚至光是同一类脉冲。它们也是电磁脉冲，只是频率不同。所以超宽带同样使用飞行时间技术。而光学技术（例如激光雷达）或GPS，也都使用飞行时间。通过精确测量飞行时间，并精确知道传播速度——在我们的系统中是超声波的传播速度，超宽带或GPS则是电磁波的传播速度——就可以计算出

12:43 距离。一旦算出距离，再知道固定信标的位置，就可以计算出移动信标的位置。就这么简单。基本上，您有一个固定信标和另一个固定信标，分别计算超声波从这个信标和那个信标传播的飞行时间，交点就是移动信标的位置。就这么简单。当然，背后是复杂的技术，比如滤波等等。但本次介绍讲的是基础知识以及如何使用。所以，飞行时间是底层技术。关于同步：我们靠的不是各自的时钟，而是类似雷暴的原理：先有一个无线电脉冲，同步固定信标、移动信标和调制解调器——它们全部

13:43 都能非常精确地知道时间。时间一旦同步，它们就开始计算超声波的飞行时间。简而言之就是这样。也有一些不使用飞行时间的替代系统，它们使用RSSI（无线电信号强度指示），也就是无线电信号的强度，例如蓝牙BLE、WiFi或LoRa。它们利用的是无线电信号的强度。但在室内，信号强度波动很大。所以这些系统本质上就不精确，因为在室内很难让信号强度不那么波动。室内有大量反射，即使什么都没

14:40 发生，信号强度也会剧烈变化。所以它们不精确——误差以米计。而飞行时间技术，对超宽带而言可以达到10到30厘米；对我们的超声波加无线电技术而言，则是厘米级——±2厘米，比超宽带好约十倍。那么，作为管理者和终端用户，您需要记住的首要要求是：视距。如果您布置好信标，却想跟踪拐角后面或托盘后面的东西，不行，那是不会成功的，根本不会成功。所以，全部的技巧——再加一点科学和大量技术——就在于如何布置信标（固定信标），以便用尽可能少的

15:39 信标数量覆盖尽可能大的面积。请记住，只有一个要求，我们前面已经提到过：要实现2D跟踪，人员身上的移动信标必须在30米范围内看到两个或以上固定信标。如果看不到，就需要再布置一个固定信标。好，这样它就能看到，人员的位置就能确定。如果有一台叉车，例如这台叉车无法被这个固定信标跟踪，那就需要再布置一个信标和另一个信标。这两个信标能看到叉车，比如叉车在这里，于是叉车的位置就能确定。系统会知道人员和叉车的位置。人员会收到警告：拐角后面有一台叉车。叉车司机也会收到警告：前面有人，请

16:39 小心。所以根本的一点就是：视距。视距是必需的。所有不需要视距的方案等等——在某些理论情况下也许可行——但对您来说，请记住基本原则：视距是必需的，必须有。如果您需要精确的室内定位，视距就是必需的。设计系统时要把视距放在心上。接下来，同样很快地介绍一下能力的基础知识：精度。精度可能是室内定位系统的关键特性，尤其是在室内。我们的系统可提供±2厘米精度。超宽带是一项很好的技术，精度大约差十倍，即10到30厘米。BLE本来并不是为定位设计的，但经常被用来定位。

17:38 不过，我们不建议将其用于工业应用。它的精度比我们的系统差约100倍，大约2到5米，相当于房间级别。能否进行1D跟踪？可以，例如长隧道、走廊，或者仅仅是电梯中的距离。可以。2D？非常常见——在2D XY平面内跟踪人员、叉车和各类资产。3D？当然可以。但在这种情况下，移动信标必须在30米范围内同时看到三个或以上固定信标。例如用于无人机、仓库中存放的托盘，或许多其他3D应用。能否跟踪

18:37 车辆？当然可以。把移动信标安装在车辆上——例如推车、叉车或汽车——就能跟踪其位置。跟踪人员？当然可以，而且有多种跟踪方式。我们展示过夹克或背心，也可以用头盔、胸牌、手表甚至腰带，取决于具体应用。跟踪起重机？完全可以。同样，我们跟踪的不是起重机的吊钩，而是安装在起重机吊钩上的移动信标。能否不仅测量吊钩在XYZ中的位置，还测量其摆动？当然可以。我们是否提供加速度计数据或陀螺仪数据？当然提供。能否

19:36 不仅计算位置，还计算航向，也就是方向？可以。通常的做法是在车辆或起重机上安装两个移动信标，有时甚至在人员身上安装两个。能否用于自主机器人？可以，这是主要应用之一。用于自主无人机？可以，实际上无人机和机器人是一回事，只是机器人通常在2D中，无人机在3D中。甚至船艇？有什么区别？区别不大，只是船艇用的设备通常具有防水防尘的IP防护。最大覆盖面积是多少？实际上没有限制。就像蜂窝网络一样：只需加装固定信标，就能覆盖任意大的区域。所以通常20,000、100,000平方米都不成问题。

20:33 这是指有大量货架的仓库；如果只是开阔区域，甚至可以更大。被跟踪资产的数量：目前开箱即用支持150个单元。可以是人员、机器人、叉车，也可以是机器人、人员、叉车和无人机同时存在。是的。能否扩展？可以，可以扩展到数千个单元。道理相同：在这种情况下，不仅需要加装信标，还需要加装调制解调器以提高容量。信标之间的最大距离是多少？在典型应用中，我建议可达30米。这基本上就是固定信标网络的密度。但在一些特殊情况下——例如1D和隧道，并使用能为超声波提供额外增益的Horn——距离可达150

21:32 米，这对长隧道很有帮助。系统既可在室内工作，也可在室外工作。室内和室外没有区别，只是室外信标通常防护等级更高——正如我们讨论过的——能防水防尘。另外附赠一点：既然我们已经了解了基础知识，而工程师们常常用各种术语把您搞糊涂，这里给大家一份术语速查。GPS是全球定位系统，基本上就是您定位手机或汽车时用的系统。GPS在室内不起作用，这正是任何室内定位系统的出发点。还有所谓的GNSS，即全球导航卫星系统。GPS是GNSS系统之一，但不是

22:29 全部。还有俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略（Galileo），日本和中国（北斗）也有各自的系统。它们都是全球导航卫星系统，其中知名度很高的是美国的GPS。实时定位系统、室内定位系统、室内导航系统和室内GPS实际上是一回事，只是同一事物的不同叫法。例如，实时定位系统这个名称并没有说明是室内还是室外，但人们说实时定位系统时，通常指的是室内定位系统。有时它不仅涉及定位，还涉及导航——例如用于机器人。但请记住，RTLS、IPS、INS和室内GPS实际上是一回事。移动信标和标签：同样是一回事，取决于您使用的是什么

23:27 技术。我们使用“移动信标”和“固定信标”这两个术语，而在超宽带领域，人们通常使用“标签”和“锚点”。调制解调器、路由器或控制器也是同一个东西：它是控制整个系统的中央设备，让您可以从系统中获取位置数据。同样，ultrasound和ultrasonic（超声波）是可以互换的术语，意思相同。对于任何精确室内系统或任何室内系统，一个重要参数是位置更新率，基本上就是您多久能获得一次移动资产或人员的位置数据。当然是实时的，但什么叫实时？在某些情况下——例如人员跟踪——通常是1赫兹，即每秒更新一次；1到4赫兹，即每秒更新四次。这

24:26 对于人员跟踪已经足够。对于车辆，通常也差不多：1到8赫兹，即每秒更新1到8次，与GPS的更新率非常相似。但在其他一些应用中，例如无人机，或在某些情况下的虚拟现实，这就不够了，需要高得多的更新率——比如20、30、100赫兹，即每秒更新100次。而对于半静态或静态资产，可能每分钟一次、每五分钟一次就够了。为什么这很重要？因为它影响许多参数，尤其是电池寿命。如果您的移动信标由电池供电而非接电源，电池寿命就很重要。每秒更新次数越少，电池寿命就越长。飞行时间：我们

25:23 已经讨论过了。TOF即飞行时间——超声波的飞行时间、无线电的飞行时间或光的飞行时间，在技术上是一样的，只是物理原理略有不同。底层物理原理：三边定位是根据飞行时间测得的距离计算位置的方法。如果有三个距离，就是三边定位，可以计算XYZ；如果只有两个距离，就是双边定位，可以计算2D，即XY。总的来说，就是多边定位。UWB即超宽带，是一项很好的定位技术，它使用无线电以及无线电脉冲的飞行时间——短无线电

26:22 脉冲——这也是超宽带之所以是一项好技术的原因。BLE是低功耗蓝牙，是一种通信协议，在某些情况下可用于定位。但正如我们讨论过的，它使用的不是飞行时间，而是无线电信号强度来估算距离，而这种估算非常不精确。所以，用超宽带可以得到10到30厘米的精度，用超声波可以得到约2厘米，而用BLE得到的位置精度是2到5米。RFID：有些人把RFID当作室内定位系统，但实际上，即使能这样称呼，它也是相当初级的室内定位系统，因为它是射频识别。基本上，这意味着

27:20 它是门禁式系统。除非您就在门口或读写门旁边，否则不知道位置。在这种情况下，您确实知道这个人在某个时间经过了这个位置点。但他之前在哪里、之后会去哪里？没人知道。所以RFID不是实时定位系统，因为您不知道当前位置，只知道带有RFID标签的人在某个时刻经过RFID读写器时的位置。LoRa代表远距离（long range），同样是一种通信协议，通常像BLE一样用于数据传输，但有些人用它来定位。和BLE一样：可以用，但定位相当不准确，因此不

28:19 推荐用于工业应用的室内定位。LiDAR即光探测与测距，它也使用飞行时间，但这里是激光的飞行时间。它非常适合障碍物检测，尤其对于机器人或AGV，也可以用于定位。非常感谢各位同事。如有任何问题，当然欢迎访问我们的网站，或发邮件至info@marvelmind.com。谢谢。