新研发系统解决室内精确定位难题

　　一栋大楼起火，火场内情况复杂，如何指导消防队员进场救人、灭火?依靠GPS或北斗等导航卫星定位?不行，因为GPS或北斗在室内等环境下误差较大，有时甚至会失效。如何不依靠卫星定位系统完成人员在室内的精准定位，这是一个世界性难题。而国防科技大学研制的“基于微惯导的人员自主定位系统”，破解了这一难题，其精度和稳定性在同类产品当中达到国际领先水平，可以在特种作战、消防救援、反恐处突等领域发挥巨大作用。在8月底举行的第九届中国研究生电子设计竞赛决赛中，国防科技大学的“追梦队”依靠这一系统，获得此次比赛唯一的团队特等奖。

　　决定研发 灵感来自一场火灾事故

　　2013年1月，杭州萧山某机电厂发生火灾事故，3名消防战士在复杂的起火厂房里迷路，失去了年轻的生命。国防科技大学电子科学与工程学院研究生马明听到这一消息后，感到很震惊。

　　3名消防战士为什么会迷路?难道导航定位发挥不了作用吗?马明多方查阅资料得知，在建筑物内部以及山区、密林等环境中，卫星导航定位技术无法可靠工作，存在一定盲区。随着卫星导航应用的开展，盲区问题也将越来越突出。

　　能不能设计一种可以进行自主定位的设备，帮助消防队员找到方向?马明心里涌现出这样一个念头。甚至，他大胆推断这类设备可以用于未来的城市作战。

　　2013年寒假期间，马明开始在网上搜寻各种资料，了解国内外研究进展。当发现国内还没有人开展类似研究，美国也只是尝试开发时，马明下决心研发室内自主定位的设备。

　　研发过程 从简单到复杂，从短程到远程

　　这一想法得到了马明的导师宋千研究员的支持。同一课题组的同学谷阳和张驰也对此感兴趣，加入了研究团队。他们做了分工，谷阳负责算法，马明负责足部传感器的研制，张驰负责手臂处理节点的设计。

　　半年内，他们学机械、查算法、编程序、做仿真，终于完成了一个简易的定位系统。然而，这一定位系统只能用在较为简单的环境中。如果要将产品使用环境设定在应急要求极高的火场，就意味着从总体设计、电路焊接到组装调试，都要做到精益求精。测试中，简易系统各项性能指标、精度要求无法满足应急任务需求。他们决定推翻重来。

　　宋千重新安排了组内每个人的任务，谷阳负责最关键的系统总体设计和算法程序。“因为我们的惯性芯片与普通手机中的相同，存在较大的惯性漂移，如何在算法中克服，得到更高的定位精度，是最大的难点。”谷阳说，系统采用的芯片是智能手机中常见的惯性芯片，研究人员通过独创的算法，克服了惯性漂移等难题，使定位精度达到很高水准。

　　2014年初，经过几百次成功的短程试验后，他们开始把定位系统的试验拓展到长远距离。这时，问题出现了，每10分钟会丢失0.1秒的数据。

　　0.1秒，人的位移并不较大，原始数据没有直观的错误，一般的人很难发现。然而，应急场合的0.1秒误差，很可能就是生命的代价!3人把可能存在的问题列出来，一一进行排查。终于，他们从数万行的代码里发现了一个逻辑错误，将其改正后，成功挽回了0.1秒的误差。

　　试验成功 真实位置与屏幕上基本重合

　　2014年3月，该系统从离线处理转向实时处理，仅仅改变两个字，差别却是天与地。屏幕上人的坐标点杂乱无章，没有轨迹，更不用说显示具体位置。失败、改进、再失败、再改进……他们没有妥协，反而愈挫愈勇，干脆把“家”安在了实验室。

　　5月的一个下午，马明像以往一样戴着足部传感器和处理节点，在实验楼中行走，此时，屏幕上显示出马明清晰的行走轨迹。谷阳和张驰兴奋不已，又让马明重复了几遍。真的成功了!

　　为进一步验证系统的适应性和稳健性，他们决定到外面的环境中进行试验。他们打听到长沙万达广场有一处写字楼已完工但未交付，便立即带上仪器前去。在楼内，3人一次又一次地进行试验，发现问题再进行改进。

　　8月，一份出色的答卷交出：每行走1000米，系统的累积误差只有2—4米，也就是说平均每走一步，脚的真实位置与屏幕上的位置重合95%以上。

　　试验现场 行走轨迹清晰呈现在屏幕上

　　近日，在国防科技大学，研制人员向记者试验了“基于微惯导的人员自主定位系统”：将足部传感器绑在鞋子上，处理节点捆在手臂上，然后在实验大楼中行走。记者在指控中心的屏幕上，看到了他行走的清晰轨迹：上楼、左拐、进屋、出门、下楼、回到起点，步行的每一步都在屏幕上清晰地显示了出来。

　　据介绍，该系统由一个U盘大小的足部传感器与一块约3厘米厚的手臂处理节点构成。足部传感器测量鞋尖的惯性数据，无线传输至手臂处理节点，解算得到位置坐标，并通过远距离无限传输链路，传至指控中心。

　　该系统能够在没有卫星导航信号的环境下，在室内实现精确定位，精度和稳定性均已达到国际先进水平。这是国内首次开展基于微惯导的室内人员定位技术研究，采用无线低功耗传输与微型惯性传感器相结合的技术方案，并独创了先进的定位算法，在国际上尚属首次，极大地提高了系统的实用性;在硬件研制方面，实现了国际上最小的足部传感器模块，采用低功耗的微型惯性导航传感器和无线传输链路，体积重量小，使用灵活。

　　应用前景 可用于救火和隧道测绘等

　　目前，GPS/北斗等导航卫星定位技术成熟、应用广泛，在开阔区域定位性能好，但在城市环境下，定位可靠性降低，误差增大，在室内等环境甚至失效。

　　宋千介绍说，在建筑物内部以及山区、密林等环境中，卫星导航信号存在盲区，无法精确定位。“基于微惯导的人员自主定位系统”，不需要卫星导航信号，不需要事先安装外部设施，不受覆盖范围的限制，在室内实现精确定位，精度和稳定性均已达到国际先进水平。

　　该系统具有很大的应用价值。民用方面，它能够在隧道、涵洞、山谷等这些导航卫星信号无法接收的地点完成测绘和勘查任务，还可以用于在高层建筑或复杂的大型建筑中的消防救援等;军用方面，可以用于城市环境中的特种作战、反恐处突等。

　　名词解释 室内定位

　　室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。