【室内定位技术】——红外线技术

概述

室内定位有许多技术解决方案：超声波信号、超宽带技术、蓝牙低功耗技术、无线RFID网络的指纹识别方法、机载传感器（单目摄像头，立体成像和光探测和测距）。我们经常可以看到的实用场景例如在：仓库内的应用，自动导引车（AGV）根据激光扫描仪检测到的反射器特征点，通过三角测量进行定位。或汽车的姿态通过检查运动在车载摄像头获取的图像上引起的变化来估计车辆的姿势；还有就是结合惯性传感器和轮式编码器产生的信号，使用磁场图来精确定位室内机器人，而无需任何额外的基础设施；惯性传感器（加速度计，速率陀螺仪组合磁力计）等可用于估计移动机器人的角度位置，速度或加速度。

基于红外（IR）信标的线性定位系统旨在使用三角测量来定位室内行人，红外信标连接到购物袋上，安装在天花板2.3米高处的接收器是一个PD阵列，用于测量信标射线的入射角，然后计算出IR信标的室内位置，并将标识符信号发送到计算机通过无线通信进行处理。

红外线的定义

无线红外技术不是检测红外辐射，而是使用红外辐射来传输和接受数据和命令。无线红外技术最常见的例子之一可能是电视遥控器。遥控器中的传感器将红外激光器传输到电视中的传感器，电视中的传感器接收到相关指令后对电视进行操作，打开电视，转换电台等等。

无线红外技术通常有两种类型：定向和漫射。定向技术使用红外激光来传输信息，但红外光源和接收器之间必须有一个畅通无阻的视线，不能有阻挡物，我们经常在电视大片中看到的一些场景，要盗取某项机密或宝物的时候，需要通过高超的技巧来躲避红外光束，因为这些红外光束一旦被阻隔，就会触发警告。漫反射红外技术可以散射光束，使其更难阻挡。电视遥控器是漫反射红外无线技术的一个例子，只要你在同一个房间里，它就应该有效的控制电视。

我们每天看到的可见光只是电磁波谱的一小部分。电磁波谱包括所有类型的辐射，从医院使用的X射线到用于通信的无线电波。电磁波谱中的辐射按波长分类。短波长辐射，如伽马射线，X射线和紫外线是高能量的，可能非常危险；较长波长的辐射，如无线电、微波和红外线，危害较小

红外线是如何被发现的

1681年，先驱实验家埃德姆·马里奥特（Edme Mariotte）表明，玻璃虽然对阳光透明，但阻挡了辐射热；T他在光学方面作出了卓越的贡献，对光现象作了深入的研究，写出了《论颜色的本性》的论文，提出了角半径23°晕以及盲点的概念

根据美国宇航局的说法，红外光是由英国天文学家威廉·赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel）于1800年发现的。在一项测量可见光谱中颜色之间温差的实验中，他用棱镜将太阳光分拆不同的光谱，将温度计放置在可见光谱中每种颜色的光路中，他注意到温度从蓝色增加到红色，并发现在可见光谱的红色端之外，温度测量值更温暖。在电磁波谱中，红外波发生在高于微波的频率和正好低于红色可见光的频率，因此得名“红外线”

红外线的应用

红外辐射用于工业、科学、军事、商业和医疗应用。使用主动近红外照明的夜视设备可以在不检测到观察者的情况下观察人或动物。红外天文学使用配备传感器的望远镜来穿透空间的尘埃区域，如分子云，探测行星等物体，并观察宇宙早期的高度红移物体。红外热像仪用于检测绝缘系统中的热损失，观察皮肤中血流的变化，以及检测电气元件的过热。

军事和民用应用包括目标获取、监视、夜视、归位和跟踪。正常体温下的人类主要以10μm（微米）左右的波长辐射。非军事用途包括热效率分析、环境监测、工业设施检查、生长操作检测、远程温度传感、短程无线通信、光谱学和天气预报

参看下图，波长越小能力越大，危险性越强

短波长红外线

波长范围为1.4至3微米。主要用于电信和军事目的

中波长红外线

波长范围为3至8微米，这用于化学工业和天文学

长波长红外线

波长范围为8至15微米，天文望远镜和光纤通信在长波长红外的帮助下成为可能

远红外线

波长范围为15至1000微米。它主要用于癌症和肿瘤治疗。

红外技术在室内定位的应用

在大多数情况下，红外光对人眼是不可见的，这使得该技术与基于可见光的室内定位相比侵入性更小。基于红外信号定位的系统架构差异很大，利用红外信号的三种一般方法是:1)使用有源信标，2)使用自然(即热)辐射的红外成像，或3)人工光源。

有源信标

主动信标方法基于放置在室内空间中已知位置的固定红外接收器和位置未知的移动信标。系统架构可以在每个房间只包括一个接收机，用于简单的房间精确定位,或者一个具有附加AoA能力的接收机，用于子房间精确定位。为了达到米级或更高的精度，基于有源信标的红外跟踪系统的配置必须包括部署在每个房间中的几个接收器，以区分房间的各个区域。请注意，红外信号无法穿透不透明材料，如墙壁和天花板。

热辐射

使用自然红外辐射的定位系统被称为被动红外定位系统。工作在长波长红外光谱(8微米至15微米，也称为温度记录区域)的传感器能够从自然热辐射中获得周围世界的完全被动的图像。因此，没有必要采用主动红外照明器或任何其他专用热源。热红外辐射可用于远程确定人或物体的温度，而无需佩戴标签或发射器。现有的热探测器是热摄像机、宽带探测器、用于运动检测的热电红外传感器或用于将热梯度转换为电能或无接触测量温度的热电偶。但是有一个明显的缺点是：被动红外方法受到来自太阳的强辐射的损害。

人工光源

基于主动红外光源和红外敏感CCD摄像机的光学红外室内定位系统是工作在可见光谱中的光学系统的常见替代方案。使用红外摄像机的实施要么基于主动红外led

视频游戏控制台Xbox(微软Kinect 2011)的运动传感设备Kinect使用连续投射的红外结构光，通过红外摄像机捕捉3D场景信息，3D结构可以根据结构化IR光点的伪随机图案的变形来计算，以30赫兹的帧速率可以同时跟踪3.5米远的人。据报道，在2米距离处的精度为1厘米。Kinect软件开发套件的发布激发了一些第三方开发，用于自动跟踪、机器人导航和手势控制，甚至外科手术导航。由Evolution Robotics (2010)开发的北极星系统也是基于红外激光点的投影，北极星只使用两个投影点来确定真空吸尘器的位置和方向