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人們對(duì)于以GPS為代表的定位和導(dǎo)航技術(shù)并不陌生，使用百度地圖等APP配合GPS在戶外場(chǎng)景中導(dǎo)航已經(jīng)成為日常生活中常見的一幕。隨著技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景的演進(jìn)，對(duì)于室內(nèi)導(dǎo)航的需求正在逐漸上升。室內(nèi)導(dǎo)航和室外導(dǎo)航有諸多不同的技術(shù)需求，而為室內(nèi)導(dǎo)航專門設(shè)計(jì)的硬件芯片有希望成為GPS的補(bǔ)充進(jìn)入相關(guān)的設(shè)備中。

為什么需要室內(nèi)定位和導(dǎo)航

說起室內(nèi)導(dǎo)航，大家的第一個(gè)想法可能就是，為什么不能用GPS?其主要原因在于信號(hào)和精度問題。GPS使用的是衛(wèi)星信號(hào)，在地面接收到的信號(hào)非常微弱，其最理想的使用場(chǎng)景在開闊且沒有遮擋的室外場(chǎng)景，而在室內(nèi)，甚至是在一些城市里建筑物比較密集的區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)被遮擋的情況，反映到定位上的表現(xiàn)就是遲遲無法搜索到GPS信號(hào)。

除了信號(hào)問題之外，另一個(gè)室內(nèi)導(dǎo)航和室外導(dǎo)航的區(qū)別在于精度。對(duì)于駕駛等室外導(dǎo)航應(yīng)用，通常精度需求在幾米的數(shù)量級(jí)就可以接受，而對(duì)于室內(nèi)導(dǎo)航來說其精度需求往往比室外導(dǎo)航有數(shù)量級(jí)的提升，因此必須有相應(yīng)的技術(shù)。

室內(nèi)定位和導(dǎo)航第一個(gè)重要應(yīng)用在于包括無人機(jī)在內(nèi)的機(jī)器人導(dǎo)航。對(duì)于大型貨倉等應(yīng)用場(chǎng)景，室內(nèi)定位和室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)至關(guān)重要。利用室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)，機(jī)器人可以制定最優(yōu)路線以到達(dá)目的地，而室內(nèi)定位技術(shù)則能在多機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景下提供每個(gè)機(jī)器人的位置，從而幫助每個(gè)機(jī)器人在導(dǎo)航時(shí)考慮到其他機(jī)器人的位置以避免堵塞。

除了機(jī)器人應(yīng)用之外，另一個(gè)重要的室內(nèi)導(dǎo)航和定位的技術(shù)是下一代智能設(shè)備，尤其是AR/VR頭戴設(shè)備。在典型的AR應(yīng)用中，虛擬內(nèi)容會(huì)顯示在現(xiàn)實(shí)世界中的固定位置(例如下圖中的宇航員和地球出現(xiàn)在桌子上)。

為了讓這些虛擬物體看上去更具真實(shí)感，我們希望這些虛擬物體能看上去是固定在物理世界中的某個(gè)位置而不會(huì)隨著用戶移動(dòng)而改變。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須有非常精準(zhǔn)的室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)。

舉例來說，如果我們希望在佩戴AR眼鏡時(shí)在桌子上召喚出一個(gè)地球和宇航員的虛擬物體，那么首先我們需要有室內(nèi)定位系統(tǒng)把桌子的位置給確定下來，從而當(dāng)用戶移動(dòng)到桌子附近的時(shí)候可以在桌子上顯示相關(guān)虛擬物體;此外，隨著用戶的位置移動(dòng)，必須要渲染虛擬物體不同的尺寸和視角以滿足真實(shí)感，因此會(huì)需要非常精確的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)知道用戶是怎么移動(dòng)的。

室內(nèi)定位原理和相關(guān)芯片分析

室內(nèi)定位最基本的原理是多基站原理，即根據(jù)設(shè)備和多個(gè)已知位置的基站之間的信號(hào)關(guān)系來判斷設(shè)備的位置。如果我們有三個(gè)以上的基站且能計(jì)算出設(shè)備到每個(gè)基站之間的距離，那么根據(jù)幾何原理我們就可以獲取設(shè)備的位置。

室內(nèi)定位的基礎(chǔ)版本可以說是藍(lán)牙/WiFi信號(hào)定位。此類定位技術(shù)上根據(jù)設(shè)備到已知基站(路由器)之間的WiFI/藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度信息來估計(jì)設(shè)備的位置。由于WiFi/藍(lán)牙信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)收到出了距離之外的其他因素影響(例如遮擋)，因此基于WiFI/藍(lán)牙的室內(nèi)定位精度通常在米數(shù)量級(jí)。

除了利用WiFi/藍(lán)牙等基于信號(hào)強(qiáng)度來估計(jì)距離之外，還可以利用超寬帶(UWB)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高精度的室內(nèi)定位。UWB定位芯片目前得到了業(yè)界的認(rèn)可，蘋果的最新iPhone即搭載了自主研發(fā)的U1芯片用于UWB定位。

UWB定位技術(shù)是基于UWB信號(hào)規(guī)范。與傳統(tǒng)的無線通信高功率高集中度的頻譜不同，UWB把信號(hào)功率分散在非常寬的頻譜上。因此，即使UWB信號(hào)總的功率并不低，但是每個(gè)頻點(diǎn)的功率密度很低，因此對(duì)于其他使用該頻段的通信協(xié)議造成的干擾非常小。

UWB超寬帶頻譜信號(hào)反映到時(shí)域就是一個(gè)非常短的脈沖。因此，其時(shí)域信號(hào)與雷達(dá)的脈沖信號(hào)很接近，這也是為什么UWB可以利用類似雷達(dá)的原理去做與基站之間的距離估計(jì)以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。與基于WiFi/藍(lán)牙無線信號(hào)強(qiáng)度的距離估計(jì)相比，基于UWB的距離估計(jì)使用的是信號(hào)的飛行時(shí)間(與雷達(dá)相同)，即設(shè)備發(fā)射一列UWB脈沖信號(hào)并根據(jù)回波的時(shí)間差來估計(jì)與基站的距離。因此，UWB信號(hào)做定位不受遮擋的影響，可以做到更高的定位精度(十厘米級(jí)別精度，相比米級(jí)別的精度好了一個(gè)數(shù)量級(jí))。

蘋果的U1芯片目前已經(jīng)進(jìn)入主流手機(jī)，我們認(rèn)為UWB高精度室內(nèi)定位可望為下一代智能設(shè)備中的重要應(yīng)用賦能，這類應(yīng)用包括AR等相關(guān)應(yīng)用。從芯片設(shè)計(jì)的角度考慮，UWB芯片的主要設(shè)計(jì)難度在于如何設(shè)計(jì)一個(gè)能在很寬頻率范圍內(nèi)都有較好頻率響應(yīng)的射頻系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)中的帶通射頻系統(tǒng)不同，UWB系統(tǒng)的頻率范圍要高10倍以上，而UWB信號(hào)在每一個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)功率密度都很低，因此如何克服寬帶內(nèi)噪聲的問題將是接收機(jī)的一個(gè)重要課題。

此外，UWB系統(tǒng)的天線需要滿足寬頻帶，這與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的窄帶天線不同。如果UWB定位系統(tǒng)中的設(shè)備端需要同時(shí)判斷基站與設(shè)備之間的方向關(guān)系，那么還會(huì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)天線陣列，這也增加了設(shè)計(jì)的難度。從功耗上來說，UWB的功耗通常較低，因此我們可望看到UWB技術(shù)進(jìn)入更多的智能設(shè)備中。

室內(nèi)導(dǎo)航芯片

室內(nèi)定位可以提供設(shè)備的位置(精確到米或者0.1米的數(shù)量級(jí))，而室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)則從另一個(gè)角度提供設(shè)備的精確運(yùn)動(dòng)軌跡。

精確運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于許多任務(wù)來說至關(guān)重要(例如家用掃地機(jī)器人就需要能知道自己的運(yùn)動(dòng)軌跡以判斷哪些位置已經(jīng)掃過哪些沒有)，而精確運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于每次測(cè)量之間相對(duì)誤差的需求往往小于10厘米，因此光靠室內(nèi)定位就不夠用(例如每次室內(nèi)定位的精度在10厘米級(jí)別，那么兩次定位之間的相對(duì)誤差最多就會(huì)到20厘米，對(duì)于軌跡來說誤差太大)。

室內(nèi)導(dǎo)航的主要技術(shù)是SLAM技術(shù)，即同時(shí)完成定位和環(huán)境的地圖建模。目前應(yīng)用在消費(fèi)應(yīng)用中的SLAM技術(shù)可以分成兩類，一類是基于慣性傳感器加視覺的SLAM方案，另一類是僅僅基于視覺的SLAM方案。

SLAM對(duì)于算力的需求很高。這是因?yàn)镾LAM算法的本質(zhì)是找到環(huán)境中的特征點(diǎn)，根據(jù)環(huán)境特征點(diǎn)的變化來估計(jì)設(shè)備的移動(dòng)軌跡。例如，SLAM算法需要首先從攝像頭傳感器的圖像中去提取特征點(diǎn)(可以用傳統(tǒng)的sift等特征，也可以用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征)，之后需要做特征點(diǎn)匹配算法，再之后才是移動(dòng)估計(jì)。這一套算法在DSP或CPU上的執(zhí)行效率都不夠高，因此需要使用專用加速器芯片來實(shí)現(xiàn)高效率SLAM。

隨著室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用在機(jī)器人和AR/VR設(shè)備上的普及，我們可望見到SLAM加速器芯片或?qū)Ｓ肐P進(jìn)入相關(guān)設(shè)備SoC。

目前，室內(nèi)導(dǎo)航SLAM芯片在學(xué)術(shù)界已經(jīng)得到了廣泛的重視，也有一些芯片研究發(fā)表在ISSCC或VLSI Symposium等重要的會(huì)議上。對(duì)于基于IMU和視覺的SLAM，MIT的Amr Suleiman在今年早些時(shí)候發(fā)表了Navion系列芯片，該芯片把IMU+視覺 SLAM的整個(gè)計(jì)算流水線都放到了芯片上，同時(shí)做了圖像壓縮、稀疏計(jì)算優(yōu)化等優(yōu)化，最終能實(shí)現(xiàn)低至2mW的計(jì)算功耗，因此非常適合微型無人機(jī)等需要SLAM但是對(duì)于功耗非常敏感的應(yīng)用。

在純視覺SLAM方面，由于沒法借助IMU，而必須純粹靠視覺特征點(diǎn)的匹配和位移去做運(yùn)動(dòng)軌跡估計(jì)，因此算法要更復(fù)雜一些。該領(lǐng)域的芯片最新的研究成果是密歇根大學(xué)發(fā)表在ISSCC 2019上的視覺SLAM加速芯片，該芯片使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做特征提取，并且對(duì)于特征點(diǎn)匹配、深度估計(jì)等都做了相應(yīng)優(yōu)化，最終整體芯片的功耗僅240mW。

展望未來

隨著下一代智能設(shè)備和機(jī)器人應(yīng)用的普及，我們認(rèn)為相應(yīng)的室內(nèi)定位和室內(nèi)導(dǎo)航專用硬件會(huì)成為一個(gè)專門的品類，而相應(yīng)的芯片也會(huì)有可觀的出貨量，蘋果的UWB室內(nèi)定位芯片就是一個(gè)例子。

在室內(nèi)定位方面，以UWB為代表的下一代室內(nèi)定位芯片將會(huì)逐漸成為主流。室內(nèi)定位芯片主要是射頻系統(tǒng)芯片，我們認(rèn)為中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)在該領(lǐng)域并不落后美國(guó)太多，因此如果UWB真正得到廣泛認(rèn)可我們期望看到許多中國(guó)芯片廠商成為該領(lǐng)域的重要出貨商。

在室內(nèi)導(dǎo)航方面，SLAM芯片實(shí)質(zhì)上是專用的算法加速芯片，其本質(zhì)類似于攝像頭ISP。因此，該芯片的主要挑戰(zhàn)不僅僅在于電路設(shè)計(jì)，而更在于算法的選擇和參數(shù)調(diào)優(yōu)，一旦有了公認(rèn)的主流算法，那么中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)在相應(yīng)的芯片設(shè)計(jì)方面將會(huì)很快占據(jù)主導(dǎo)地位。這一點(diǎn)其實(shí)和人工智能芯片很像，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定成為主流算法之后，中國(guó)已經(jīng)誕生了許多家能走在世界前列的人工智能芯片公司。一旦室內(nèi)導(dǎo)航SLAM系統(tǒng)和算法確定之后，中國(guó)芯片公司也將會(huì)成為主流供貨商。