溫室智能裝備系列之九十八溫室內(nèi)定位技術(shù)研究新趨勢(shì)

馬偉,康佩鋒

溫室內(nèi)定位技術(shù)

溫室內(nèi)定位技術(shù)是基于定位系統(tǒng)（IPS）數(shù)據(jù)，對(duì)可視化靜態(tài)坐標(biāo)或基于靜態(tài)坐標(biāo)獲得的移動(dòng)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)高保真室內(nèi)定位立體重構(gòu)，或在地圖上顯示并跟蹤目標(biāo)位置的技術(shù)。

目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，作物精準(zhǔn)管理以及智能化機(jī)器人作業(yè)都需要精準(zhǔn)定位，因此實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)智能運(yùn)行設(shè)備的準(zhǔn)確定位意義重大。在大型連棟溫室內(nèi)，負(fù)責(zé)自動(dòng)運(yùn)輸物料及采收產(chǎn)品的AGV系統(tǒng)，功能越來(lái)越多樣，運(yùn)行路線網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，溫室內(nèi)AGV的準(zhǔn)確定位是保障系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，溫室內(nèi)根據(jù)作物收獲時(shí)間和生長(zhǎng)周期劃分生產(chǎn)空間，成為溫室高效利用的一種有效手段，對(duì)溫室內(nèi)空間分區(qū)控制病蟲(chóng)害也十分有利，可根據(jù)溫室空間內(nèi)病蟲(chóng)害分布情況實(shí)施變量噴藥，有效地保護(hù)環(huán)境并節(jié)省農(nóng)藥的使用，這一做法逐步成為主流趨勢(shì)。這些需求和趨勢(shì)都是對(duì)溫室內(nèi)區(qū)域的差異化利用和對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)研究提出了要求，但溫室內(nèi)定位有諸多技術(shù)難點(diǎn)，由于溫室內(nèi)有較多遮擋物，傳統(tǒng)的GPS定位因?yàn)樾盘?hào)太弱無(wú)法滿足精度要求，新的室內(nèi)定位方法成為研究熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外溫室內(nèi)定位技術(shù)研究新趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于溫室內(nèi)定位技術(shù)的研究新趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：

GPS定位

溫室內(nèi)無(wú)GPS信號(hào)或者信號(hào)很弱的情況下，室外的GPS定位信號(hào)無(wú)縫過(guò)渡到室內(nèi)的定位系統(tǒng)成為研究焦點(diǎn)，其中室內(nèi)定位和室外定位的數(shù)據(jù)快速精確結(jié)合是關(guān)鍵難點(diǎn)。國(guó)外的一些技術(shù)框架，例如Cartogram系統(tǒng)建立在Google Maps平臺(tái)之上，但可自主控制數(shù)據(jù)的隱私性，數(shù)據(jù)不提供給Google[1]。

WiFi定位

該技術(shù)是利用信號(hào)強(qiáng)度的精確解析來(lái)獲取操作者當(dāng)前位置的信息。通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷用戶與路由器接入點(diǎn)的距離，一般可通過(guò)離用戶最近一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)獲得用戶當(dāng)前的位置。不足之處是室內(nèi)如果沒(méi)有足夠的WiFi接入點(diǎn)，就會(huì)因?yàn)樾盘?hào)的延遲而降低室內(nèi)定位的精度。圖1所示為定位原理圖，噴藥機(jī)器人或噴藥作業(yè)智能裝置當(dāng)前坐標(biāo)為Rx，預(yù)先將位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

地磁定位

利用地磁傳感器感應(yīng)地球磁場(chǎng)及周圍金屬物體的磁場(chǎng)，來(lái)確定用戶的位置。優(yōu)點(diǎn)是不需要單獨(dú)布置外圍的信號(hào)裝置，但要預(yù)先對(duì)每個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定。另外傳感器容易受到外部鋼鐵物件磁場(chǎng)的干擾，從而導(dǎo)致讀數(shù)不精確。當(dāng)用戶在室內(nèi)作業(yè)移動(dòng)時(shí)，位置的精度相對(duì)靜止時(shí)會(huì)提高。

慣性定位

慣性定位是使用手機(jī)中的運(yùn)動(dòng)/旋轉(zhuǎn)（加速度計(jì)/陀螺儀）傳感器的系統(tǒng)。慣性定位是通過(guò)航位推算來(lái)計(jì)算的。這是通過(guò)使用確定的起始點(diǎn)并基于估計(jì)速度、距離和方向等參數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前位置的過(guò)程。優(yōu)點(diǎn)是成本效益高，因?yàn)樗恍枰布杀净蛱崆皩?duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定。缺點(diǎn)是由于起點(diǎn)必須通過(guò)另一種室內(nèi)定位方法來(lái)確定，因此不能單獨(dú)使用。慣性測(cè)量只能用于用戶相對(duì)于他們開(kāi)始的地方確定一個(gè)相對(duì)位置的時(shí)候使用[2]。

區(qū)域圍欄檢測(cè)技術(shù)

Geofencing作為室內(nèi)區(qū)域圍欄檢測(cè)技術(shù)其需求非常強(qiáng)大。強(qiáng)大的區(qū)域檢測(cè)和移動(dòng)接近解決方案是溫室內(nèi)定位研究的熱點(diǎn)。其中SPREO的區(qū)域檢測(cè)技術(shù)研究是全球領(lǐng)先的。如果移動(dòng)設(shè)備處于小區(qū)域內(nèi)或小區(qū)域外，則可以100%精確地檢測(cè)到觸發(fā)適當(dāng)?shù)奶卣骱蛣?dòng)作。SPREO的位置感知軟件開(kāi)發(fā)包和移動(dòng)應(yīng)用程序提供了精確的室內(nèi)位置定位分析，區(qū)域邊緣特征獲取和基于接近度的上下條件預(yù)警通知。采用數(shù)學(xué)算法將復(fù)雜的傳感器和室內(nèi)定位輸入抽象化，以實(shí)時(shí)提供精確的位置。與任何信標(biāo)或WiFi基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)縫配合使用。研究最新成果是提供二次開(kāi)發(fā)的接口實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的擴(kuò)展[3]。

點(diǎn)云圖像定位

基于圖像的室內(nèi)環(huán)境定位是需要應(yīng)用和需求首要解決的問(wèn)題之一，建立3D的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，能為定位提供最接近的匹配圖像，通過(guò)重建后點(diǎn)云圖像數(shù)據(jù)來(lái)判別室內(nèi)的位置，準(zhǔn)確率是94%。進(jìn)一步研究表明，通過(guò)已知地理坐標(biāo)的六個(gè)自由度的圖像建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，把獲取的周圍環(huán)境的大圖像分割成許多小的單元格，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)使得每個(gè)單元格都具備預(yù)先的搜索結(jié)構(gòu)，識(shí)別精確度達(dá)到95%[4-6]。圖像對(duì)室內(nèi)定位的研究方法如表1所示[7]。

結(jié)束語(yǔ)

溫室內(nèi)定位技術(shù)是將室內(nèi)定位技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)進(jìn)行了很好地結(jié)合，是當(dāng)前以及未來(lái)的熱門研究領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景，未來(lái)研究工作可能會(huì)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

（1）現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)化。主要是針對(duì)目前技術(shù)存在的缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。從之前的對(duì)比可以看出，目前技術(shù)的主要缺點(diǎn)集中在精度低、作用距離短、易受干擾、功耗大、依賴輔助設(shè)施、造價(jià)高等方面，針對(duì)某一技術(shù)的某一缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將大幅提高該技術(shù)的實(shí)用性。

（2）多技術(shù)融合提高精度。鑒于目前的主流技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，各技術(shù)的融合將是取長(zhǎng)補(bǔ)短的有力方法。例如分級(jí)定位逐級(jí)提高定位精度，實(shí)現(xiàn)溫室不同場(chǎng)景對(duì)定位精度的需求。

（3）定位方法的準(zhǔn)確應(yīng)用。當(dāng)前的定位技術(shù)都是建立在鄰近信息、場(chǎng)景分析和幾何特征三種定位方法之上的，靈活合理地應(yīng)用這些定位方法，提出推行真正適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的應(yīng)用方案，將會(huì)帶動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化智能化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[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(xiàng)目支持：國(guó)家留學(xué)基金委項(xiàng)目，北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和青年基金項(xiàng)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(nèi)定位技術(shù)研究新趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（31）：61-62.