一棟大樓起火，火場內情況復雜，如何指導消防隊員進場救人、滅火?依靠GPS或北斗等導航衛(wèi)星定位?不行，因為GPS或北斗在室內等環(huán)境下誤差較大，有時甚至會失效。如何不依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)完成人員在室內的精準定位，這是一個世界性難題。而國防科技大學研制的“基于微慣導的人員自主定位系統(tǒng)”，破解了這一難題，其精度和穩(wěn)定性在同類產品當中達到國際領先水平，可以在特種作戰(zhàn)、消防救援、反恐處突等領域發(fā)揮巨大作用。在8月底舉行的第九屆中國研究生電子設計競賽決賽中，國防科技大學的“追夢隊”依靠這一系統(tǒng)，獲得此次比賽唯一的團隊特等獎。
決定研發(fā) 靈感來自一場火災事故
2013年1月，杭州蕭山某機電廠發(fā)生火災事故，3名消防戰(zhàn)士在復雜的起火廠房里迷路，失去了年輕的生命。國防科技大學電子科學與工程學院研究生馬明聽到這一消息后，感到很震驚。
3名消防戰(zhàn)士為什么會迷路?難道導航定位發(fā)揮不了作用嗎?馬明多方查閱資料得知，在建筑物內部以及山區(qū)、密林等環(huán)境中，衛(wèi)星導航定位技術無法可靠工作，存在一定盲區(qū)。隨著衛(wèi)星導航應用的開展，盲區(qū)問題也將越來越突出。
能不能設計一種可以進行自主定位的設備，幫助消防隊員找到方向?馬明心里涌現(xiàn)出這樣一個念頭。甚至，他大膽推斷這類設備可以用于未來的城市作戰(zhàn)。
2013年寒假期間，馬明開始在網(wǎng)上搜尋各種資料，了解國內外研究進展。當發(fā)現(xiàn)國內還沒有人開展類似研究，美國也只是嘗試開發(fā)時，馬明下決心研發(fā)室內自主定位的設備。
研發(fā)過程 從簡單到復雜，從短程到遠程
這一想法得到了馬明的導師宋千研究員的支持。同一課題組的同學谷陽和張馳也對此感興趣，加入了研究團隊。他們做了分工，谷陽負責算法，馬明負責足部傳感器的研制，張馳負責手臂處理節(jié)點的設計。
半年內，他們學機械、查算法、編程序、做仿真，終于完成了一個簡易的定位系統(tǒng)。然而，這一定位系統(tǒng)只能用在較為簡單的環(huán)境中。如果要將產品使用環(huán)境設定在應急要求極高的火場，就意味著從總體設計、電路焊接到組裝調試，都要做到精益求精。測試中，簡易系統(tǒng)各項性能指標、精度要求無法滿足應急任務需求。他們決定推翻重來。
宋千重新安排了組內每個人的任務，谷陽負責最關鍵的系統(tǒng)總體設計和算法程序?！耙驗槲覀兊膽T性芯片與普通手機中的相同，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?！惫汝栒f，系統(tǒng)采用的芯片是智能手機中常見的慣性芯片，研究人員通過獨創(chuàng)的算法，克服了慣性漂移等難題，使定位精度達到很高水準。
2014年初，經過幾百次成功的短程試驗后，他們開始把定位系統(tǒng)的試驗拓展到長遠距離。這時，問題出現(xiàn)了，每10分鐘會丟失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)沒有直觀的錯誤，一般的人很難發(fā)現(xiàn)。然而，應急場合的0.1秒誤差，很可能就是生命的代價!3人把可能存在的問題列出來，一一進行排查。終于，他們從數(shù)萬行的代碼里發(fā)現(xiàn)了一個邏輯錯誤，將其改正后，成功挽回了0.1秒的誤差。
試驗成功 真實位置與屏幕上基本重合
2014年3月，該系統(tǒng)從離線處理轉向實時處理，僅僅改變兩個字，差別卻是天與地。屏幕上人的坐標點雜亂無章，沒有軌跡，更不用說顯示具體位置。失敗、改進、再失敗、再改進……他們沒有妥協(xié)，反而愈挫愈勇，干脆把“家”安在了實驗室。
5月的一個下午，馬明像以往一樣戴著足部傳感器和處理節(jié)點，在實驗樓中行走，此時，屏幕上顯示出馬明清晰的行走軌跡。谷陽和張馳興奮不已，又讓馬明重復了幾遍。真的成功了!
為進一步驗證系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)健性，他們決定到外面的環(huán)境中進行試驗。他們打聽到長沙萬達廣場有一處寫字樓已完工但未交付，便立即帶上儀器前去。在樓內，3人一次又一次地進行試驗，發(fā)現(xiàn)問題再進行改進。
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，也就是說平均每走一步，腳的真實位置與屏幕上的位置重合95%以上。
試驗現(xiàn)場 行走軌跡清晰呈現(xiàn)在屏幕上
近日，在國防科技大學，研制人員向記者試驗了“基于微慣導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)點捆在手臂上，然后在實驗大樓中行走。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、進屋、出門、下樓、回到起點，步行的每一步都在屏幕上清晰地顯示了出來。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)由一個U盤大小的足部傳感器與一塊約3厘米厚的手臂處理節(jié)點構成。足部傳感器測量鞋尖的慣性數(shù)據(jù)，無線傳輸至手臂處理節(jié)點，解算得到位置坐標，并通過遠距離無限傳輸鏈路，傳至指控中心。
該系統(tǒng)能夠在沒有衛(wèi)星導航信號的環(huán)境下，在室內實現(xiàn)精確定位，精度和穩(wěn)定性均已達到國際先進水平。這是國內首次開展基于微慣導的室內人員定位技術研究，采用無線低功耗傳輸與微型慣性傳感器相結合的技術方案，并獨創(chuàng)了先進的定位算法，在國際上尚屬首次，極大地提高了系統(tǒng)的實用性;在硬件研制方面，實現(xiàn)了國際上最小的足部傳感器模塊，采用低功耗的微型慣性導航傳感器和無線傳輸鏈路，體積重量小，使用靈活。
應用前景 可用于救火和隧道測繪等
目前，GPS/北斗等導航衛(wèi)星定位技術成熟、應用廣泛，在開闊區(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，在室內等環(huán)境甚至失效。
宋千介紹說，在建筑物內部以及山區(qū)、密林等環(huán)境中，衛(wèi)星導航信號存在盲區(qū)，無法精確定位。“基于微慣導的人員自主定位系統(tǒng)”，不需要衛(wèi)星導航信號，不需要事先安裝外部設施，不受覆蓋范圍的限制，在室內實現(xiàn)精確定位，精度和穩(wěn)定性均已達到國際先進水平。
該系統(tǒng)具有很大的應用價值。民用方面，它能夠在隧道、涵洞、山谷等這些導航衛(wèi)星信號無法接收的地點完成測繪和勘查任務，還可以用于在高層建筑或復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 室內定位
室內定位是指在室內環(huán)境中實現(xiàn)位置定位，主要采用無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術集成形成一套室內位置定位體系，從而實現(xiàn)人員、物體等在室內空間中的位置監(jiān)控。
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