基本信息
- 項目名稱:
- e-Rescue Guider—大型建筑物內(nèi)的救援向?qū)?
- 小類:
- 信息技術(shù)
- 大類:
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介:
- 本作品基于融合了射頻通信技術(shù)和超聲波測距技術(shù)的無線測距傳感器,設(shè)計了一種用于建筑物內(nèi)部精確定位和導航的救援輔助系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn)的定位模式可以滿足室內(nèi)定位救援輔助系統(tǒng)的要求。通過對無線傳感器陣列的研究,將為大型建筑安全與災難救援提供新的理論方法和技術(shù)手段,有效解決傳統(tǒng)建筑安全系統(tǒng)的瓶頸性技術(shù)難題。相關(guān)技術(shù)也具有良好的可推廣性和可移植性,其研究成果也適用于地鐵、礦山等特種建筑安全系統(tǒng),具有廣闊的應用前景。
- 詳細介紹:
- 隨著人類社會的發(fā)展與進步,在我們的周圍出現(xiàn)了越來越多的面積較大的局域環(huán)境,如一座高層大樓等,其內(nèi)部功能單元數(shù)量龐大,而目前存在的定位導航救援系統(tǒng)多定位在廣域環(huán)境下,缺乏對局域環(huán)境的支持,這些建筑內(nèi)部的安全問題日益引人注目。為了應對在大型建筑內(nèi)部可能發(fā)生的恐怖襲擊、保障設(shè)施故障、火災等突發(fā)事件,在盡可能短的時間內(nèi)解救建筑物內(nèi)的受困人群,或者到產(chǎn)生事故的位置進行處理,建立室內(nèi)無線定位與導航系統(tǒng)具有重要意義和實用價值。 本作品基于融合了射頻通信技術(shù)和超聲波測距技術(shù)的無線測距傳感器,設(shè)計了一種可方便移植的建筑物內(nèi)部精確定位和導航系統(tǒng)。在室內(nèi)環(huán)境中按照一定的規(guī)律布置若干個無線傳感器節(jié)點作為指引器,每個指引節(jié)點都具有射頻通信功能和發(fā)送、接收超聲波信號的功能,具有唯一的ID編號,節(jié)點內(nèi)部存儲了相應的位置信息和其ID號。 一旦移動目標進入該區(qū)域后,自身攜帶的接收器可以通過射頻通信的方式獲取到鄰近的指引節(jié)點的ID號、位置信息,并可以通過超聲測距的方式得到接收器和指引節(jié)點之間的直線距離,一旦得到鄰近的3個以上的指引節(jié)點信息,根據(jù)每個指引節(jié)點的位置、每個指引節(jié)點和接收器之間的距離,利用三角定位原理,就可以計算出接收器也就是移動目標的當前位置。接收器負責識別指引節(jié)點和測距,然后把這些信息傳送到與之相連的移動終端設(shè)備,由計算能力較強的移動終端完成比較復雜的定位計算。移動終端設(shè)備(基于嵌入式計算平臺)利用無線局域網(wǎng)把現(xiàn)場的各種信息如定位信息、視頻信息等發(fā)送到遠方的監(jiān)控中心服務器,服務器端的操作者可以監(jiān)視現(xiàn)場的移動目標,并可以執(zhí)行向移動目標發(fā)送任務,或者引導移動目標的行動。
作品圖片
-
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設(shè)計目的: 為應對大型建筑內(nèi)可能發(fā)生的恐怖襲擊、火災等突發(fā)事件,在盡可能短的時間內(nèi)解救受困人群,構(gòu)造了一套基于多用戶多功能系統(tǒng)。 基本思路: 1實現(xiàn)三大系統(tǒng)(視頻監(jiān)控、精確定位、搜救)整合 2實現(xiàn)人員分布、定位、跟蹤、搜救設(shè)備組態(tài)化管理 3實現(xiàn)終端之間、終端服務器的互聯(lián)互通、信息共享 4實現(xiàn)建筑物內(nèi)“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡IP化”“承載業(yè)務IP化” 創(chuàng)新點: 1低功耗傳感器設(shè)計 2移動終端精確定位 3三種定位模式與自定位功能 4自定義xml電子地圖 5基于障礙物最優(yōu)路徑規(guī)劃 6搜索記錄、安全鎖等實用功能 7融合視頻流、數(shù)據(jù)流業(yè)務 8多用途救援系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù): 1硬件設(shè)計開發(fā) 2沖突避免算法 3多徑效應規(guī)避算法 4精確定位 5虛擬現(xiàn)實地圖設(shè)計 6航位推測法 7基于時延帶寬優(yōu)化算法 8基于障礙物路徑規(guī)劃與導航 9視頻采集壓縮傳輸 技術(shù)指標: 工作溫度:-40~+85°C 射頻載波頻率:435.9MHZ 超聲波載波頻率:40KHZ 空閑工作電流:40uA 無線接收距離:20~100m 工作頻率:2.4 G(16信道) 點對點視頻幀率:15幀/s 多點監(jiān)視視頻幀率:1-15幀/s 分辨率:1cm 精確定位:4cm 模糊定位:2.5m 最大速度:5m/s
科學性、先進性
- 定位技術(shù)來說,GPS信號由于受建筑物的影響而大大衰減,而超聲定位的發(fā)射測距法由于超聲波的吸收嚴重而影響傳輸距離,藍牙技術(shù)因設(shè)備昂貴不能廣泛推廣。 定位精度來說,我們引入了沖突避免算法,確保測距精度達1cm。利用此信息,結(jié)合三角定位、最小二乘法、卡爾曼濾波、多徑效應規(guī)避算法,將定位精度提高到4-9cm,實現(xiàn)cm級精確定位。 關(guān)鍵技術(shù)來說,自主研發(fā)使傳感器維護更加容易,穩(wěn)定性更高。無線傳感器相對于商用傳感器成本大大降低,自行設(shè)計的傳感器發(fā)送接收中斷流程和傳感器休眠機制使能源損耗大大降低。 技術(shù)特點: 1基于無線傳感器的具備精確定位、信息交互功能、信息記錄、集視頻音頻于一體的多用戶移動終端與服務器 2基于超聲波和射頻信號到達時間差低功耗低成本傳感器自主研發(fā) 3基于可標記障礙物的空間最優(yōu)路徑搜索 4基于自定義xml三維電子地圖的虛擬現(xiàn)實技術(shù) 5基于節(jié)點有效性考慮的三種定位模式及自定位功能的安全性設(shè)計 6大型建筑物內(nèi)救援、反恐演習、機器人控制、安保等多功能系統(tǒng)
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.08年8月入選“百項工程”,院系第一 2.09年4月《Mobile Positioning System in Buildings》被IEEE Wicom2009國際會議收錄 3.09年5月入選“國家創(chuàng)新實驗計劃“,院系第一 4.09年5月《室內(nèi)防暴救援系統(tǒng)》被可穿戴移動計算全國會議收錄 5.09年5月Movie Moving公司提出收購計劃 6.09年5月中聯(lián)科技、津科電子公司做出用戶分析報告 7.09年6月進行了科技查新 8.09年6月項目受天津市長、團市委書記和天大校長肯定 9.09年6月《基于無線傳感器陣列的室內(nèi)精確定位系統(tǒng)》被核心期刊《自動化與儀表》錄用 10.09年6月獲得“挑戰(zhàn)杯”南開大學特等獎 11.09年6月獲得“挑戰(zhàn)杯”天津市特等獎
作品所處階段
- 實驗室階段,已請公司進行過系統(tǒng)測試,并給出用戶測試報告
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- √實物、產(chǎn)品 √模型 √圖紙 √磁盤 √現(xiàn)場演示 √圖片 √錄像 √樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明: 當明確事發(fā)地點,救援人員輸入目的地,即可規(guī)劃出最優(yōu)路徑;當不明確地點,需地毯式搜索,可用此系統(tǒng)標記障礙物或危險區(qū)域,并通過地圖告知其他人員,也可標記已搜索過房間,避免重復搜索。技術(shù)特點: 1自主研發(fā)無線傳感器,大大降低成本和功耗,支持多項功能 2基于到達時間差的方法克服了其他定位系統(tǒng)精度低,成本高的問題 3利用帶寬優(yōu)化算法有效解決了多用戶爭搶網(wǎng)絡帶寬問題 4精確定位、信息交互記錄、路徑規(guī)劃、視頻監(jiān)控等多功能 5基于可標記障礙物空間最優(yōu)路徑搜索應對復雜現(xiàn)場環(huán)境 6基于xml電子地圖的虛擬現(xiàn)實技術(shù),增強了系統(tǒng)移植性和體驗感 7節(jié)點有效性考慮的三種定位模式及自定位功能提高系統(tǒng)安全性 8大型建筑物內(nèi)救援、反恐演習、機器人控制、安保等多用途系統(tǒng) 前景預測: 本系統(tǒng)為大型建筑安全與災難救援提供新的理論方法和技術(shù)手段,有效解決傳統(tǒng)建筑安全系統(tǒng)的瓶頸性技術(shù)難題,相關(guān)技術(shù)具有良好的可推廣性和可移植性。
同類課題研究水平概述
- 定位方式: 1.GPS全球定位系統(tǒng) 利用現(xiàn)有GPS系統(tǒng)進行室內(nèi)定位時,由于射頻信號穿透建筑物的墻壁后,信號強度變得非常弱,并且室內(nèi)障礙物較多,多徑現(xiàn)象嚴重,因此GPS系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境中的定位結(jié)果并不理想。 2.Activebadges室內(nèi)定位系統(tǒng) 有線網(wǎng)絡的使用大大增加了系統(tǒng)的成本,一定程度上限制了系統(tǒng)容量的擴充。同時,房間中存在著一些死角,如果物體到達這些位置,紅外接收機不能正確檢測,嚴重影響了系統(tǒng)定位的實時性和準確性。 3.Bat室內(nèi)定位系統(tǒng) Bat 定位系統(tǒng)的誤差可以控制在3~4m,但是它沿襲ActiveBadge使用了有線網(wǎng)絡,系統(tǒng)擴容同樣受到成本的限制。 4.RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng) RADAR系統(tǒng)把信號強度作為估算射頻發(fā)射器與接收器間距的依據(jù)。在建筑物內(nèi),射頻信號傳輸環(huán)境是不斷變化的,如果采用同一傳輸模型,不可避免地影響了系統(tǒng)的精確度。 救援系統(tǒng): 國內(nèi)外對大型建筑災難救援的研究,僅限于對傳統(tǒng)系統(tǒng)的局部改進。國外如Benfield Greig 災難研究中心和英國倫敦大學設(shè)計了基于災難模型的仿真系統(tǒng), 美國國家技術(shù)與標準研究所開發(fā)了災難現(xiàn)場基于無線局域網(wǎng)的PAD 通訊技術(shù)等。國內(nèi)如郭厚焜等研究了基于圖像處理的火災定位技術(shù); 祝福等研究了結(jié)合樓層平面圖的火警具體位置顯示問題; 楊昆研究了將GIS 的定位、查詢、空間分析功能與消防系統(tǒng)的結(jié)合, 以實現(xiàn)消防信息的空間可視化??傮w來看, 這些研究均針對某一具體問題進行研究, 未在系統(tǒng)層面解決問題。 傳感器進入智能建筑安全領(lǐng)域后, 主要應用于建筑狀態(tài)監(jiān)測。美國加州大學伯克利分校研究開發(fā)了一套可以感知大樓、橋梁和其他建筑物系統(tǒng)的狀態(tài)信息, 從而對其安全性進行預測的系統(tǒng)。斯坦福大學也開發(fā)了一套建筑物內(nèi)用于極端事件和長時間周期性的監(jiān)測系統(tǒng)。國內(nèi)中科院合肥智能所等單位將WSN 技術(shù)引入煤礦, 構(gòu)建井下動態(tài)、實時、全方位、多變量的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng); 馬子彥等研究了基于無線網(wǎng)絡的城市消防報警系統(tǒng), 提高火警受理速度和準確性。但是, 對于WSN 在建筑災難救援領(lǐng)域的研究和應用, 國內(nèi)外尚未提出一套完整的理論體系。