一棟大樓起火，火場(chǎng)內(nèi)情況復(fù)雜，如何指導(dǎo)消防隊(duì)員進(jìn)場(chǎng)救人、滅火?依靠GPS或北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星定位?不行，因?yàn)镚PS或北斗在室內(nèi)等環(huán)境下誤差較大，有時(shí)甚至?xí)?。如何不依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)完成人員在室內(nèi)的精準(zhǔn)定位，這是一個(gè)世界性難題。而國(guó)防科技大學(xué)研制的“基于微慣導(dǎo)的人員自主定位系統(tǒng)”，破解了這一難題，其精度和穩(wěn)定性在同類(lèi)產(chǎn)品當(dāng)中達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，可以在特種作戰(zhàn)、消防救援、反恐處突等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。在8月底舉行的第九屆中國(guó)研究生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽決賽中，國(guó)防科技大學(xué)的“追夢(mèng)隊(duì)”依靠這一系統(tǒng)，獲得此次比賽唯一的團(tuán)隊(duì)特等獎(jiǎng)。
決定研發(fā) 靈感來(lái)自一場(chǎng)火災(zāi)事故
2013年1月，杭州蕭山某機(jī)電廠發(fā)生火災(zāi)事故，3名消防戰(zhàn)士在復(fù)雜的起火廠房里迷路，失去了年輕的生命。國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院研究生馬明聽(tīng)到這一消息后，感到很震驚。
3名消防戰(zhàn)士為什么會(huì)迷路?難道導(dǎo)航定位發(fā)揮不了作用嗎?馬明多方查閱資料得知，在建筑物內(nèi)部以及山區(qū)、密林等環(huán)境中，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)無(wú)法可靠工作，存在一定盲區(qū)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的開(kāi)展，盲區(qū)問(wèn)題也將越來(lái)越突出。
能不能設(shè)計(jì)一種可以進(jìn)行自主定位的設(shè)備，幫助消防隊(duì)員找到方向?馬明心里涌現(xiàn)出這樣一個(gè)念頭。甚至，他大膽推斷這類(lèi)設(shè)備可以用于未來(lái)的城市作戰(zhàn)。
2013年寒假期間，馬明開(kāi)始在網(wǎng)上搜尋各種資料，了解國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。當(dāng)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有人開(kāi)展類(lèi)似研究，美國(guó)也只是嘗試開(kāi)發(fā)時(shí)，馬明下決心研發(fā)室內(nèi)自主定位的設(shè)備。
研發(fā)過(guò)程 從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從短程到遠(yuǎn)程
這一想法得到了馬明的導(dǎo)師宋千研究員的支持。同一課題組的同學(xué)谷陽(yáng)和張馳也對(duì)此感興趣，加入了研究團(tuán)隊(duì)。他們做了分工，谷陽(yáng)負(fù)責(zé)算法，馬明負(fù)責(zé)足部傳感器的研制，張馳負(fù)責(zé)手臂處理節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。
半年內(nèi)，他們學(xué)機(jī)械、查算法、編程序、做仿真，終于完成了一個(gè)簡(jiǎn)易的定位系統(tǒng)。然而，這一定位系統(tǒng)只能用在較為簡(jiǎn)單的環(huán)境中。如果要將產(chǎn)品使用環(huán)境設(shè)定在應(yīng)急要求極高的火場(chǎng)，就意味著從總體設(shè)計(jì)、電路焊接到組裝調(diào)試，都要做到精益求精。測(cè)試中，簡(jiǎn)易系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)、精度要求無(wú)法滿足應(yīng)急任務(wù)需求。他們決定推翻重來(lái)。
宋千重新安排了組內(nèi)每個(gè)人的任務(wù)，谷陽(yáng)負(fù)責(zé)最關(guān)鍵的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和算法程序?！耙?yàn)槲覀兊膽T性芯片與普通手機(jī)中的相同，存在較大的慣性漂移，如何在算法中克服，得到更高的定位精度，是最大的難點(diǎn)?！惫汝?yáng)說(shuō)，系統(tǒng)采用的芯片是智能手機(jī)中常見(jiàn)的慣性芯片，研究人員通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的算法，克服了慣性漂移等難題，使定位精度達(dá)到很高水準(zhǔn)。
2014年初，經(jīng)過(guò)幾百次成功的短程試驗(yàn)后，他們開(kāi)始把定位系統(tǒng)的試驗(yàn)拓展到長(zhǎng)遠(yuǎn)距離。這時(shí)，問(wèn)題出現(xiàn)了，每10分鐘會(huì)丟失0.1秒的數(shù)據(jù)。
0.1秒，人的位移并不較大，原始數(shù)據(jù)沒(méi)有直觀的錯(cuò)誤，一般的人很難發(fā)現(xiàn)。然而，應(yīng)急場(chǎng)合的0.1秒誤差，很可能就是生命的代價(jià)!3人把可能存在的問(wèn)題列出來(lái)，一一進(jìn)行排查。終于，他們從數(shù)萬(wàn)行的代碼里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)邏輯錯(cuò)誤，將其改正后，成功挽回了0.1秒的誤差。
試驗(yàn)成功 真實(shí)位置與屏幕上基本重合
2014年3月，該系統(tǒng)從離線處理轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)處理，僅僅改變兩個(gè)字，差別卻是天與地。屏幕上人的坐標(biāo)點(diǎn)雜亂無(wú)章，沒(méi)有軌跡，更不用說(shuō)顯示具體位置。失敗、改進(jìn)、再失敗、再改進(jìn)……他們沒(méi)有妥協(xié)，反而愈挫愈勇，干脆把“家”安在了實(shí)驗(yàn)室。
5月的一個(gè)下午，馬明像以往一樣戴著足部傳感器和處理節(jié)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)樓中行走，此時(shí)，屏幕上顯示出馬明清晰的行走軌跡。谷陽(yáng)和張馳興奮不已，又讓馬明重復(fù)了幾遍。真的成功了!
為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)健性，他們決定到外面的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。他們打聽(tīng)到長(zhǎng)沙萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)有一處寫(xiě)字樓已完工但未交付，便立即帶上儀器前去。在樓內(nèi)，3人一次又一次地進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題再進(jìn)行改進(jìn)。
8月，一份出色的答卷交出：每行走1000米，系統(tǒng)的累積誤差只有2—4米，也就是說(shuō)平均每走一步，腳的真實(shí)位置與屏幕上的位置重合95%以上。
試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) 行走軌跡清晰呈現(xiàn)在屏幕上
近日，在國(guó)防科技大學(xué)，研制人員向記者試驗(yàn)了“基于微慣導(dǎo)的人員自主定位系統(tǒng)”：將足部傳感器綁在鞋子上，處理節(jié)點(diǎn)捆在手臂上，然后在實(shí)驗(yàn)大樓中行走。記者在指控中心的屏幕上，看到了他行走的清晰軌跡：上樓、左拐、進(jìn)屋、出門(mén)、下樓、回到起點(diǎn)，步行的每一步都在屏幕上清晰地顯示了出來(lái)。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)由一個(gè)U盤(pán)大小的足部傳感器與一塊約3厘米厚的手臂處理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。足部傳感器測(cè)量鞋尖的慣性數(shù)據(jù)，無(wú)線傳輸至手臂處理節(jié)點(diǎn)，解算得到位置坐標(biāo)，并通過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)限傳輸鏈路，傳至指控中心。
該系統(tǒng)能夠在沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的環(huán)境下，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確定位，精度和穩(wěn)定性均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展基于微慣導(dǎo)的室內(nèi)人員定位技術(shù)研究，采用無(wú)線低功耗傳輸與微型慣性傳感器相結(jié)合的技術(shù)方案，并獨(dú)創(chuàng)了先進(jìn)的定位算法，在國(guó)際上尚屬首次，極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)用性;在硬件研制方面，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上最小的足部傳感器模塊，采用低功耗的微型慣性導(dǎo)航傳感器和無(wú)線傳輸鏈路，體積重量小，使用靈活。
應(yīng)用前景 可用于救火和隧道測(cè)繪等
目前，GPS/北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星定位技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，在開(kāi)闊區(qū)域定位性能好，但在城市環(huán)境下，定位可靠性降低，誤差增大，在室內(nèi)等環(huán)境甚至失效。
宋千介紹說(shuō)，在建筑物內(nèi)部以及山區(qū)、密林等環(huán)境中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)存在盲區(qū)，無(wú)法精確定位?！盎谖T導(dǎo)的人員自主定位系統(tǒng)”，不需要衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，不需要事先安裝外部設(shè)施，不受覆蓋范圍的限制，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確定位，精度和穩(wěn)定性均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
該系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。民用方面，它能夠在隧道、涵洞、山谷等這些導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法接收的地點(diǎn)完成測(cè)繪和勘查任務(wù)，還可以用于在高層建筑或復(fù)雜的大型建筑中的消防救援等;軍用方面，可以用于城市環(huán)境中的特種作戰(zhàn)、反恐處突等。
名詞解釋 室內(nèi)定位
室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)位置定位，主要采用無(wú)線通訊、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。
020-22131700
首頁(yè)
