Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новой технологии локального позиционирования повышенной точности на основе технологии RealTrac

Номер контракта: 14.574.21.0059

Руководитель: Мощевикин Алексей Петрович

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
локальные системы позиционирования, беспроводные сети датчиков, фильтр частиц, распределенная сеть датчиков давления, встроенный анализатор движения, инерциальная навигационная система, преобразователь энергии

Цель проекта:
1. Проблема: недостаточная (для коммерческого применения) точность определения местоположения в реальном времени в локальных системах позиционирования внутри зданий. Несмотря на то, что технология локального позиционирования RealTrac, разработанная в коллективе исполнителей проекта, завоевала 1 место в международном конкурсе локации EvAAL-2013 (http://evaal.aaloa.org/), проведенный анализ состояния собственных разработок и тенденций развития науки в области локальных систем позиционирования показал, что технологию RealTrac можно улучшить по следующим показателям: 1) точность позиционирования в плоскостной геометрии при значительном увеличении периода опроса мобильных устройств; 2) точность определения абсолютной высоты и совокупная точность 3D-позиционирования; 3) удобство и быстрота развертывания системы на территории заказчика; 4) длительность работы автономных устройств от одной зарядки батареи; 5) стабильность работы всего программно-аппаратного комплекса; 6) возможность автоматического построения трехмерной карты здания с помощью мобильного устройства, не оснащенного видеокамерой (технология SLAM). 2. Цель: разработать новые технические решения, алгоритмы и методы обработки данных для улучшения показателей точности новой технологии локальной системы позиционирования RealTrac и ее применимости для решения различных задач.

Основные планируемые результаты проекта:
В проекте предполагается провести ряд исследований, направленных на повышение точности локации объектов за счет применения распределенных высокоточных датчиков давления (направление 1), встроенных анализаторов движения (направление 2) и методов слияния разнородной информации (направление 3). Важной компонентой любых распределенных систем является обеспечение автономных модулей электропитанием. В проекте предусмотрены прикладные научные исследования по изучению возможностей применения безбатарейного питания радиомодулей; создания прототипов таких схемотехнических решений; формирования требований к материалам, используемым в качестве накопительных элементов, для преобразователей энергии и сопряжения с датчиками (направление 4).

Перечень научных и научно-технических результатов, подлежащих получению при выполнении ПНИ
1 Описание распределенной сетевой схемы подключения стационарных точек доступа RealTrac в условиях применения технологий NAT (Network Address Translation, трансляция сетевых адресов), DNS (Domain Name System, система доменных имен) и DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol, протокол динамической конфигурации узлов).
2 Сформулированные принципы построения структуры сети локальной системы позиционирования и передачи данных, использующей ретрансляторы, а также спроектированные механизмы управления ее работой, учитывающие требования экономии электроэнергии в мобильных узлах сети.
3 Метод фильтрации данных датчиков атмосферного давления (далее - ДАД), обеспечивающий надежное обнаружение относительного изменения высоты объекта до 2-х метров.
4 Метод обработки данных распределенных ДАД для достижения точности определения местоположения объекта менее 2-х метров по абсолютной высоте.
5 Метод определения вероятностной ошибки измерений расстояний, проведенных времяпролетным способом, на основе анализа уровня принимаемого сигнала.
6 Метод применения ДАД для улучшения точности позиционирования по высоте с помощью встроенного анализатора движения.
7 Метод применения датчиков магнитного поля (далее - ДМП) в системах локации в зданиях с сильно искаженным магнитным полем Земли.
8 Алгоритм и схема работы встроенного классификатора типов движения (ходьба, бег, состояния покоя, состояние подъема/спуска по лестнице).
9 Алгоритм восстановления траектории движения для нескольких модификаций модели объекта "человек", для модели объектов "тележка" (2D-движение) и "вагонетка" (1D-движение).
10 Алгоритм одновременного решения задач локации объекта и построения его окружения (SLAM, Simultaneous Localization And Mapping).
11 Алгоритм уточнения локации по однократному измерению от магнитометра и информации о карте искажений магнитного поля земли внутри помещения, позволяющий уточнять локацию в случае плохого приема сигнала.
12 Проект технического задания на проведение ОКР "Разработка датчика магнитного поля на основе магнитомягких материалов".
13 Проект технического задания на проведение ОКР "Разработка радио модуля для технологии локального позиционирования и передачи данных".
14 Документация на доработанный протокол сбора данных и управления (ПСДУ, INCP, InterNano Communication Protocol) в системе RealTrac.
15 Рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках, технико-экономическая оценка результатов ПНИ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Резюмируя предлагаемые работы по четырем направлениям необходимо отметить ключевые моменты и технические решения, обладающие мировой новизной:
- использование методики SLAM в локальных системах позиционирования приведет к значительному сокращению времени на настройку системы за счет введения техники одновременного построения карты местоположений базовых станций и относительного позиционирования мобильного объекта, а значит, повысит коммерческую привлекательность разрабатываемой технологии;
- объединение информации от встроенного анализатора движения и распределенных датчиков давления позволит добиться повышения точности позиционирования объектов лучше 1 метра по абсолютной высоте;
- объединение разнородной информации (измерение ToF, уровень входного сигнала, траектория, сгенерированная встроенным анализатором движения, другая контекстной информации) позволит добиться повышения точности позиционирования в трех измерениях до 1.5 метров без необходимости длительной предварительной настройки системы;
- обработка распределенных данных абсолютного давления, полученных с мобильных и стационарных устройств, в шахтах позволит сформировать новые сервисы, повышающие безопасность труда горнорабочих;
- использование методики SLAM в локальных системах позиционирования приведет к возможности построения магнитных карт зданий (особенно для зданий с сильным искажением магнитного поля) с возникновением возможности построения систем позиционирования в зданиях на основании данных только от датчиков магнитного поля;
- проведение исследований по уменьшению суммарного энергопотребления в системе позволит увеличить срок службы автономных устройств с батарейным питанием, а в некоторых случаях – сделать его практически бесконечным при использовании технологий преобразования разных видов колебаний (звуковых, механических, электромагнитных) в накопленный заряд, что, в свою очередь, также повысит рыночную ценность разрабатываемой технологии RealTrac.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработка локальной системы позиционирования, обеспечивающей определение местоположения в пространстве с точностью до 1.5 метров по всем измерениям (широта, долгота, высота), позволит решить большое количество задач в промышленности и других областях. В случае если такая система сможет адаптивно подстраивать свои параметры в ходе функционирования, возможные области применения могут еще более расшириться. Так, например, при введении функций автоматического определения местоположения базовых станций, система локального позиционирования может быть развернута в местах, где предварительная настройка системы невозможна (например, для позиционирования пожарных в местах ликвидации аварий).
Актуальность работ по предлагаемому проекту также подтверждается ростом рынка технологий локального позиционирования. По данным MarketsAndMarkets (отчет Global Real-Time Locations Systems (RTLS) market by Product, Technology, Application, Industry Vertical & Geography (2013-2020)) общий объем рынка RTLS к 2020 году составит 3.7 млрд. долларов. Среднегодовой прирост объема рынка намного превышает соответствующие показатели других отраслей.
В качестве областей применения, выявленных индустриальным партнером проекта ЗАО "РТЛ-Сервис" в ходе предварительных маркетинговых исследований разрабатываемой технологии RealTrac трехмерного позиционирования объектов, голосовой связи и передачи медиаданных, рассматриваются: горнодобывающая промышленность, логистика, мониторинг транспорта, медицина, крупное производство, развлекательные и массовые мероприятия, пенитенциарная система, охрана и МЧС, опасное производство.
Возможной областью применения результатов проекта является электронная промышленность (создание датчиков магнитного поля на основе магнитомягких материалов).
Основным способом использования ожидаемых результатов является интеграция их в разрабатываемую технологию RealTrac, которую выводит на рынок индустриальный партнер проекта.
Благодаря модульному принципу построения системы, конечные интеграторы в разных областях промышленности и народного хозяйства не будут испытывать проблем при включении программно-аппаратных решений RealTrac в уже существующие комплексы.
Дополнительным способом использования результатов является возможность формирования новых продуктов. К ним могут относиться разработка новых мобильных персонализированных приборов (например, для устойчивой связи с пониженным энергопотреблением) и устройств автоматики (например, автоматическое реле, срабатывающее при сближении двух объектов).
Подтверждением эффективности этого подхода являются следующие факты.
В 2013 году в партнерстве с крупными интеграторами по угольной промышленности ООО "Интелмайн" и ООО "Ингортех" (г. Екатеринбург) начаты поставки оборудования в шахты Российской Федерации. Назначение поставляемого технического комплекса "Исеть", в состав которого входит оборудование RealTrac, – обеспечить мониторинг передвижения горнорабочих и механизмов в пределах шахты закрытого типа, обеспечить возможность оперативной мобильной голосовой связи с диспетчером, повысить безопасность труда шахтеров, а в будущем – реализовать новые решения шахтной автоматики, в том числе на основе анализа распределенной карты атмосферного давления в тоннелях.
Объем рынка для технологии RealTrac в угольной промышленности оценивается в 200 млн. рублей в год (что составляет примерно 10% всего рынка средств автоматизации в угольных шахтах). Решения, применяемые для России, могут применяться в других странах с похожим регламентом по безопасности работ в шахтах и карьерах.
Направления "логистика" и "безопасность" также активно развиваются. В 2014 и 2015 годах ЗАО "РТЛ-Сервис" заключило первые контракты на работы по организации сети мониторинга подвижных объектов на складах крупных сборочных производств.
Многообещающим видится направление использования разработок по данной теме в пенитенциарной системе, особенно для контроля лиц с наложением ограничений на свободу их передвижения. В качестве потенциально крупного заказчика можно выделить МЧС и подобные службы за рубежом.
Планируется провести ряд доработок технологии до возможности применения ее в условиях повышенной опасности и отсутствия стационарного электропитания, как правило, отсутствующего на месте аварий после крупных катастроф.
Характерным приложением является осуществление позиционирования и связи между группой пожарных, находящихся внутри задымленного помещения. Диспетчер имеет возможность визуализировать у себя на мониторе автоматически построенную карту здания (по данным от встроенных датчиков движения и автоматическим замерам расстояний между всеми участниками спасательной группы), определить местоположение всех сотрудников пожарной службы, а также может связаться с ними голосовой связью в режиме дуплекса или полудуплекса. Все разговоры и данные от всех датчиков, в том числе информация о самочувствии пожарных, автоматически записываются на сервере.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году…
1. Разработан метод фильтрации данных ДАД, обеспечивающий надежное обнаружение относительного изменения высоты объекта до 2-х метров.
2. Разработан метод обработки данных распределенных ДАД для достижения точности определения местоположения объекта менее 2-х метров по абсолютной высоте.
3. Разработан метод определения вероятностной ошибки измерений расстояний, проведенных времяпролетным способом, на основе анализа уровня принимаемого сигнала.
4. Разработан метод применения ДАД для улучшения точности позиционирования по высоте с помощью встроенного анализатора движения.
5. Разработана методика построения карт магнитного поля.
6. Разработан метод применения ДМП в системах локации в зданиях с сильно искаженным магнитным полем Земли.
7. Разработаны алгоритм и схема работы встроенного классификатора типов движения для определения следующих видов движения: ходьба, бег, состояние покоя, состояние подъема/спуска по лестнице.
8. Разработан алгоритм восстановления траектории движения для нескольких модификаций модели объекта "человек", для модели объектов "тележка" (2D-движение) и "вагонетка" (1D-движение).
9. Разработан алгоритм одновременного решения задач локации объекта и построения его окружения (SLAM, Simultaneous Localization And Mapping).
10. Разработан алгоритм уточнения локации по однократному измерению от магнитометра и информации о карте искажений магнитного поля земли внутри помещения, позволяющий уточнять локацию в случае плохого приема сигнала.
Подана заявка на патент на полезную модель "Встроенная печатная J-образная антенна" (дата регистрации 4 августа 2015 года).
Опубликовано две статьи, индексируемые в Scopus.
[1]. A. Moschevikin, et al. Realtrac Technology at the Evaal-2013 Competition // Journal of Ambient Intelligence and Smart Environments, 2015, vol. 7, pp. 353–373.
[2]. M. Serezhina, et al. Using Radiating Cable for Time-of-Flight CSS Measurements Indoors and Outdoors / / Proceedings of the 8th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications, Warsaw, Poland, September 24-26, 2015, vol. 1, pp. 91-101.