基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng):
- e-Rescue Guider—大型建筑物內(nèi)的救援向?qū)?
- 來(lái)源:
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi):
- 信息技術(shù)
- 大類(lèi):
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介:
- 本作品基于融合了射頻通信技術(shù)和超聲波測(cè)距技術(shù)的無(wú)線(xiàn)測(cè)距傳感器,設(shè)計(jì)了一種用于建筑物內(nèi)部精確定位和導(dǎo)航的救援輔助系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的定位模式可以滿(mǎn)足室內(nèi)定位救援輔助系統(tǒng)的要求。通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器陣列的研究,將為大型建筑安全與災(zāi)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(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹:
- 隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步,在我們的周?chē)霈F(xiàn)了越來(lái)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(dǎo)航救援系統(tǒng)多定位在廣域環(huán)境下,缺乏對(duì)局域環(huán)境的支持,這些建筑內(nèi)部的安全問(wèn)題日益引人注目。為了應(yīng)對(duì)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(zāi)等突發(fā)事件,在盡可能短的時(shí)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(jìn)行處理,建立室內(nèi)無(wú)線(xiàn)定位與導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。 本作品基于融合了射頻通信技術(shù)和超聲波測(cè)距技術(shù)的無(wú)線(xiàn)測(cè)距傳感器,設(shè)計(jì)了一種可方便移植的建筑物內(nèi)部精確定位和導(dǎo)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(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)作為指引器,每個(gè)指引節(jié)點(diǎn)都具有射頻通信功能和發(fā)送、接收超聲波信號(hào)的功能,具有唯一的ID編號(hào),節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存儲(chǔ)了相應(yīng)的位置信息和其ID號(hào)。 一旦移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域后,自身攜帶的接收器可以通過(guò)射頻通信的方式獲取到鄰近的指引節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)、位置信息,并可以通過(guò)超聲測(cè)距的方式得到接收器和指引節(jié)點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離,一旦得到鄰近的3個(gè)以上的指引節(jié)點(diǎn)信息,根據(jù)每個(gè)指引節(jié)點(diǎn)的位置、每個(gè)指引節(jié)點(diǎn)和接收器之間的距離,利用三角定位原理,就可以計(jì)算出接收器也就是移動(dòng)目標(biāo)的當(dāng)前位置。接收器負(fù)責(zé)識(shí)別指引節(jié)點(diǎn)和測(cè)距,然后把這些信息傳送到與之相連的移動(dòng)終端設(shè)備,由計(jì)算能力較強(qiáng)的移動(dòng)終端完成比較復(fù)雜的定位計(jì)算。移動(dòng)終端設(shè)備(基于嵌入式計(jì)算平臺(tái))利用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)把現(xiàn)場(chǎng)的各種信息如定位信息、視頻信息等發(fā)送到遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心服務(wù)器,服務(wù)器端的操作者可以監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)目標(biāo),并可以執(zhí)行向移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送任務(wù),或者引導(dǎo)移動(dòng)目標(biāo)的行動(dòng)。
作品圖片
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作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的: 為應(yīng)對(duì)大型建筑內(nèi)可能發(fā)生的恐怖襲擊、火災(zāi)等突發(fā)事件,在盡可能短的時(shí)間內(nèi)解救受困人群,構(gòu)造了一套基于多用戶(hù)多功能系統(tǒng)。 基本思路: 1實(shí)現(xiàn)三大系統(tǒng)(視頻監(jiān)控、精確定位、搜救)整合 2實(shí)現(xiàn)人員分布、定位、跟蹤、搜救設(shè)備組態(tài)化管理 3實(shí)現(xiàn)終端之間、終端服務(wù)器的互聯(lián)互通、信息共享 4實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)IP化”“承載業(yè)務(wù)IP化” 創(chuàng)新點(diǎn): 1低功耗傳感器設(shè)計(jì) 2移動(dòng)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(shí)用功能 7融合視頻流、數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù) 8多用途救援系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù): 1硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) 2沖突避免算法 3多徑效應(yīng)規(guī)避算法 4精確定位 5虛擬現(xiàn)實(shí)地圖設(shè)計(jì) 6航位推測(cè)法 7基于時(shí)延帶寬優(yōu)化算法 8基于障礙物路徑規(guī)劃與導(dǎo)航 9視頻采集壓縮傳輸 技術(shù)指標(biāo): 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(wú)線(xiàn)接收距離:20~100m 工作頻率:2.4 G(16信道) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視頻幀率:15幀/s 多點(diǎn)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(xué)性、先進(jìn)性
- 定位技術(shù)來(lái)說(shuō),GPS信號(hào)由于受建筑物的影響而大大衰減,而超聲定位的發(fā)射測(cè)距法由于超聲波的吸收嚴(yán)重而影響傳輸距離,藍(lán)牙技術(shù)因設(shè)備昂貴不能廣泛推廣。 定位精度來(lái)說(shuō),我們引入了沖突避免算法,確保測(cè)距精度達(dá)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(yīng)規(guī)避算法,將定位精度提高到4-9cm,實(shí)現(xiàn)cm級(jí)精確定位。 關(guān)鍵技術(shù)來(lái)說(shuō),自主研發(fā)使傳感器維護(hù)更加容易,穩(wěn)定性更高。無(wú)線(xiàn)傳感器相對(duì)于商用傳感器成本大大降低,自行設(shè)計(jì)的傳感器發(fā)送接收中斷流程和傳感器休眠機(jī)制使能源損耗大大降低。 技術(shù)特點(diǎn): 1基于無(wú)線(xiàn)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(hù)移動(dòng)終端與服務(wù)器 2基于超聲波和射頻信號(hào)到達(dá)時(shí)間差低功耗低成本傳感器自主研發(fā) 3基于可標(biāo)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(shí)技術(shù) 5基于節(jié)點(diǎn)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(jì) 6大型建筑物內(nèi)救援、反恐演習(xí)、機(jī)器人控制、安保等多功能系統(tǒng)
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.08年8月入選“百項(xiàng)工程”,院系第一 2.09年4月《Mobile Positioning System in Buildings》被IEEE Wicom2009國(guó)際會(huì)議收錄 3.09年5月入選“國(guó)家創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)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(dòng)計(jì)算全國(guó)會(huì)議收錄 5.09年5月Movie Moving公司提出收購(gòu)計(jì)劃 6.09年5月中聯(lián)科技、津科電子公司做出用戶(hù)分析報(bào)告 7.09年6月進(jìn)行了科技查新 8.09年6月項(xiàng)目受天津市長(zhǎng)、團(tuán)市委書(shū)記和天大校長(zhǎng)肯定 9.09年6月《基于無(wú)線(xiàn)傳感器陣列的室內(nèi)精確定位系統(tǒng)》被核心期刊《自動(dòng)化與儀表》錄用 10.09年6月獲得“挑戰(zhàn)杯”南開(kāi)大學(xué)特等獎(jiǎng) 11.09年6月獲得“挑戰(zhàn)杯”天津市特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段,已請(qǐng)公司進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)測(cè)試,并給出用戶(hù)測(cè)試報(bào)告
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- √實(shí)物、產(chǎn)品 √模型 √圖紙 √磁盤(pán) √現(xiàn)場(chǎng)演示 √圖片 √錄像 √樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明: 當(dāng)明確事發(fā)地點(diǎn),救援人員輸入目的地,即可規(guī)劃出最優(yōu)路徑;當(dāng)不明確地點(diǎn),需地毯式搜索,可用此系統(tǒng)標(biāo)記障礙物或危險(xiǎn)區(qū)域,并通過(guò)地圖告知其他人員,也可標(biāo)記已搜索過(guò)房間,避免重復(fù)搜索。技術(shù)特點(diǎn): 1自主研發(fā)無(wú)線(xiàn)傳感器,大大降低成本和功耗,支持多項(xiàng)功能 2基于到達(dá)時(shí)間差的方法克服了其他定位系統(tǒng)精度低,成本高的問(wèn)題 3利用帶寬優(yōu)化算法有效解決了多用戶(hù)爭(zhēng)搶網(wǎng)絡(luò)帶寬問(wèn)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(biāo)記障礙物空間最優(yōu)路徑搜索應(yīng)對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境 6基于xml電子地圖的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),增強(qiáng)了系統(tǒng)移植性和體驗(yàn)感 7節(jié)點(diǎn)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(xí)、機(jī)器人控制、安保等多用途系統(tǒng) 前景預(yù)測(cè): 本系統(tǒng)為大型建筑安全與災(zāi)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(lèi)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(jìn)行室內(nèi)定位時(shí),由于射頻信號(hào)穿透建筑物的墻壁后,信號(hào)強(qiáng)度變得非常弱,并且室內(nèi)障礙物較多,多徑現(xiàn)象嚴(yán)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(kuò)充。同時(shí),房間中存在著一些死角,如果物體到達(dá)這些位置,紅外接收機(jī)不能正確檢測(cè),嚴(yán)重影響了系統(tǒng)定位的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)擴(kuò)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(hào)強(qiáng)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(hào)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(guó)內(nèi)外對(duì)大型建筑災(zāi)難救援的研究,僅限于對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)的局部改進(jìn)。國(guó)外如Benfield Greig 災(zāi)難研究中心和英國(guó)倫敦大學(xué)設(shè)計(jì)了基于災(zāi)難模型的仿真系統(tǒng), 美國(guó)國(guó)家技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所開(kāi)發(fā)了災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的PAD 通訊技術(shù)等。國(guó)內(nèi)如郭厚焜等研究了基于圖像處理的火災(zāi)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(wèn)題; 楊昆研究了將GIS 的定位、查詢(xún)、空間分析功能與消防系統(tǒng)的結(jié)合, 以實(shí)現(xiàn)消防信息的空間可視化??傮w來(lái)看, 這些研究均針對(duì)某一具體問(wèn)題進(jìn)行研究, 未在系統(tǒng)層面解決問(wèn)題。 傳感器進(jìn)入智能建筑安全領(lǐng)域后, 主要應(yīng)用于建筑狀態(tài)監(jiān)測(cè)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研究開(kāi)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(duì)其安全性進(jìn)行預(yù)測(cè)的系統(tǒng)。斯坦福大學(xué)也開(kāi)發(fā)了一套建筑物內(nèi)用于極端事件和長(zhǎng)時(shí)間周期性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)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(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全方位、多變量的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 馬子彥等研究了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的城市消防報(bào)警系統(tǒng), 提高火警受理速度和準(zhǔn)確性。但是, 對(duì)于WSN 在建筑災(zāi)難救援領(lǐng)域的研究和應(yīng)用, 國(guó)內(nèi)外尚未提出一套完整的理論體系。