“华为杯”第九届中国研究生电子设计竞赛结果产生

国防科技大学追梦队荣获唯一团体特等奖

    2014年8月，“华为杯”第九届中国研究生电子设计竞赛举行。经过层层遴选和激烈角逐，凭借基于室内人员自主定位技术的电子设计方案，来自国防科技大学的追梦队在本次竞赛中荣获唯一的团体特等奖，倪光南院士和陕西省副省长庄长兴为获奖者颁奖。该队成员包括谷阳（硕士生）、马明（博士生）和张弛（硕士生），指导老师为宋千研究员。此外，谷阳获得唯一的个人一等奖，宋千获得指导教师一等奖。

    近年来，卫星导航定位产业迎来井喷式发展，并在各行各业都得到广泛应用。但是由于遮挡和多径效应的影响，依旧存在着一个卫星导航定位技术无法企及的角落，这就是室内定位应用。目前应用最广泛的定位方式为卫星导航定位，如GPS、北斗等，其技术比较成熟，在开阔地的定位性能好，但在城市或室内环境中，由于存在着比较严重的多径、遮挡现象，严重影响了定位的准确性和持续性。为了克服这一局限性，研究界提出了基于分布式基站、地理“指纹”信息、电子标签等的各种室内定位方法，但是都需要事先部署和调试基站设施或者采集和建立地理“指纹”数据库，对于反恐处突、消防救援等应急应用，在定位精度、可靠性和机动能力等方面不能完全满足要求。

    国防科技大学电子科学与工程学院新体制雷达技术研究室敏锐地捕捉到这一研究方向，针对以上问题，经过近两年的刻苦攻关，研究成功基于微惯导的室内人员自主定位系统，不需要导航卫星信号，也无需部署基站和数据库，仅仅依靠人员身上的可穿戴传感器，就可以实现建筑物内、城市、密林、山区等环境下的自主、持续、准确、快速的定位，通过测量人的运动参数，加以解算得到人的位置信息，可实现稳定持续定位，是卫星导航失效情况下的一种重要“补盲”手段。

    该系统由一个安装于鞋尖的足部传感器模块和一个佩戴于腰部或肩部的处理节点组成，足部传感器模块通过低功耗无线链路录取脚步运动信息并传输至处理节点，处理节点对轨迹进行运算并通过长距离无线数传链路传输到指挥控制中心。目前该系统已经完成原理样机研制，不存在任何技术瓶颈和研制风险，正在进行产品的工程化设计。在实际写字楼环境行走15分钟，定位误差小于2米，性能指标达到国际领先水平。
 

      基于微惯导的人员自主定位系统，可广泛应用于军队、武警和特警部队的特种作战、反恐处突、公安维稳、消防救援、抢险救灾等任务，也可用于室内地图测绘和隧道、坑洞等勘测应用。

    特等奖获得者“追梦者”的代表谷阳表示，他们在设计传感器节点时，主要基于以下原则：一、尽量利用开源资源来缩短开发周期，使其适用性更广，并且提高系统的稳定性；二、控制传感器节点的整体成本，不使用昂贵的高端惯性测量单元；三、考虑到实际应用中的情况，传感器节点应具备充电，无线传输等功能，而且对节点的大小、重量、功耗有特定要求。

      由于Arduino平台的易用性和活跃的社区支持，他们选择了此平台开发传感器节点，包括Arduino编程语言、开发环境、以及相应的库函数，微处理器选择预装Arduinobootloader的ATmega328P芯片。在应用中，他们发现数据处理算法中的系统误差对定位结果的影响远大于惯性传感单元的器件误差的影响，因此没有选择特别昂贵的高端惯性传感单元，而是选择了InvenSense MPU-9150芯片，此芯片包含3自由度的加速度计与3自由度的陀螺仪，且在Arduino平台下已经被广泛使用。气压高度计与MPU-9150共用内部集成的I2C总线。主机可通过一个Micro USB接口对传感器节点进行程序烧写与调试，此接口也可用于充电。

    传感器节点在工作中不断地以较高速率传输测量得到的加速度与角速度数据，因而无线传输占用了大部分的电量。为了使传感器节点连续工作时间更长，要慎重考虑无线传输的功耗问题。蓝牙2.0或4.0芯片的工作电流大约为20mA，而他们在最终的系统中选择功耗更低的2.4GHz的24L01无线收发器，工作电流可以降低到8mA。此收发器的传输距离大于5米，可以将数据从足部传输到手持的处理节点。在算法方面，这项工作提出了结合建筑物先验知识、人的行走模型和环境信息辅助的独创性算法。

    谷阳也坦言，将两个节点合二为一是他们的一个努力方向，但是目前很难做到。原因如下：鞋尖运动数据处理计算量较大，Arduino处理器很难做到实时处理，需要更强大的处理器，因此占用的体积也更大；位置坐标结果需要发送至远端的指挥中心，因此对发送的功率和天线有更高的要求，需要容量更大的电池，对体积也提出了要求；总的来说，目前由于体积的原因，将传感器节点与处理节点合二为一都放在鞋尖，会影响人的正常行走，限制了应用。

    该系统的主要创新在于：在国内首次开展基于微惯导的室内人员定位技术研究，系统采用无线低功耗传输与微惯性传感器相结合的技术方案，并独创了先进的定位算法，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；在理论研究方面，提出了创新的人员行走模型统计、自适应零速检测、环境信息辅助的加权粒子滤波等三项算法，很大程度上抑制了惯性传感器漂移带来的影响，提高了定位精度；在系统集成方面，实现了完整的和工程化的硬件系统、通信链路与算法流程，工作可靠，效果良好。

    据了解，谷阳为信息与通信工程专业硕士研究生，研究方向为先进探测技术，在本次参赛过程中主要负责自适应零速检测算法及传感器漂移抑制算法等相关内容的研究；马明为信息与通信专业博士研究生，研究方向为信息获取处理与电路实现技术，主要负责传感器设计；张驰为信息与通信工程专业硕士研究生，研究方向为新体制雷达系统与技术，主要负责自主定位系统处理节点的设计。指导老师宋千，41岁，为国防科技大学电子科学与工程学院研究员，主要研究方向为新体制雷达理论和系统技术，承担过多个重点武器装备型号项目的雷达分系统研制，科研经验非常丰富。

    本次竞赛中，全国近800个参赛队分7个赛区首先进行初赛，然后选拔其中116个一等奖参赛队赴西安电子科技大学进行决赛。决赛分为作品展示和答辩两个环节，先评出15个一等奖，其中前10名进行大会公开演讲，再由参赛学员和老师无记名投票选出一个特等奖。这次的“海选”特等奖的办法也是历年来的第一次。

    由于该技术的创新性与实用性，受到了国内重要媒体的广泛报道，中央电视台新闻联播、新闻频道、军事频道、湖南卫视、湖南教育台、长沙晚报、中国科学报、新华网、新浪网、湖南红网等都对该技术进行了报道，多家研究机构与厂商表达了深入合作的意向。该团队将针对该技术更好地实现工程化，使之更加贴近实际的应用。