Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0059

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0059
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет"
Название доклада
Разработка новой технологии локального позиционирования повышенной точности на основе технологии RealTrac
Докладчик
Мощевикин Алексей Петрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
В качестве решаемых задач можно обозначить провести исследования и выполнить ряд опытно-конструкторских работ, 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 поисковые прикладные (частично опытно-конструкторские) исследования по изучению возможностей применения безбатарейного питания радиомодулей; создания прототипов таких схемотехнических решений (направление 4).
Актуальность и новизна исследования
Резюмируя работы по четырем направлениям необходимо отметить ключевые технические решения, обладающие мировой новизной:
- использование методики SLAM в локальных системах позиционирования приводит к значительному сокращению времени на настройку системы за счет введения техники одновременного построения карты местоположений базовых станций и относительного позиционирования мобильного объекта;
- объединение информации от встроенного анализатора движения и распределенных датчиков давления позволяет добиться повышения точности позиционирования объектов лучше 1 метра по абсолютной высоте;
- объединение разнородной информации (измерение ToF, уровень входного сигнала, траектория, другая контекстная информация) позволяет добиться повышения точности позиционирования в трех измерениях до 1.5 метров без необходимости длительной предварительной настройки системы;
- обработка распределенных данных абсолютного давления в шахтах позволяет сформировать новые сервисы, повышающие безопасность труда горнорабочих;
- использование методики SLAM приводит к возможности автоматического построения магнитных карт зданий;
- проведение исследований по уменьшению суммарного энергопотребления в системе позволяет 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.
Описание исследования

Создано описание распределенной сетевой схемы подключения стационарных точек доступа RealTrac в условиях применения технологий NAT, DNS и DHCP. При этом при разработке структуры сети локальной системы позиционирования и передачи данных учтены требования по необходимости включения ретрансляторов в структуру сети, а также требования экономии электроэнергии в мобильных узлах сети. Модифицирован и дополнен протокол сбора данных и управления (ПСДУ) в системе RealTrac.

Разработанный метод фильтрации данных ДАД обеспечивает надежное обнаружение относительного изменения высоты объекта до 2-х метров. А использование данных от распределенных датчиков давления позволяет достичь точности определения местоположения объекта менее 2-х метров по абсолютной высоте.

Разработан метод определения вероятностной ошибки измерений расстояний, проведенных времяпролетным способом, на основе анализа уровня принимаемого сигнала. Он использован при оценке расстояний в фильтрах локации объектов.

Разработан алгоритм одновременного решения задач локации объекта и построения его окружения (SLAM) для применения в разработанной технологии RealTrac.

Предложена методика построения карт магнитного поля. На ее основе и с помощью методики SLAM разработан метод применения ДМП в системах локации в зданиях с сильно искаженным магнитным полем Земли, а также алгоритм уточнения локации по многократным измерениям магнитометром вектора магнитного поля и информации о карте искажений магнитного поля Земли внутри помещения.

Разработаны несколько методов обработки данных инерциальных датчиков (акселерометр, гироскоп, магнетометр) МЭМС типа. Создан алгоритм и схема работы встроенного классификатора типов движения для определения следующих видов движения: ходьба, бег, состояния покоя, состояние подъема/спуска по лестнице. Разработаны алгоритмы восстановления траектории движения для трех модификаций модели объекта "человек" (ребенок массой 30 кг, взрослый человек массой 80 кг, пожилой человек массой 60 кг), для модели объектов "тележка" (2D-движение) и "вагонетка" (1D-движение). Разработан метод применения ДАД для улучшения точности позиционирования по высоте c помощью встроенного анализатора движения.

Разработаны и изготовлены макеты ДМП и радио модуля в количестве трех и пяти штук соответственно. Создан экспериментальный сегмент сети, позволяющий провести экспериментальные исследования для верификации разработанных методов и алгоритмов, определения условий их применения, а также возможности применения ДАД и датчиков движения в системе локации RealTrac. Разработаны требуемые программная и конструкторская документация.

Разработаны Программы и методики лабораторных испытаний для проведения экспериментальных исследований созданных макетов датчиков магнитного поля и радио модулей, а также экспериментального сегмента сети. Проведены соответствующие исследования и проанализированы результаты.

Разработаны проекты технического задания на проведение ОКР "Разработка датчика магнитного поля на основе магнитомягких материалов" и "Разработка радио модуля для технологии локального позиционирования и передачи данных".

Разработаны рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. Из основных необходимо выделить рекомендации использовать технологии UWB для построения локальных систем позиционирования и технологии инерциальной навигации для последующего комплексирования информации от них при расчете местоположения объекта, траектории его перемещения и текущей ориентации в 3D-пространстве.

Результаты исследования

Перечень научных и научно-технических результатов, полученных 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.

Результаты научно-технических разработок по пп. 4-6, 8-10 носят мировой инновационный характер, по пп. 3, 7, 11 соответствуют общемировому уровню, по пп. 1-2, 12-14 представляют собой новое инженерно-техническое решение с элементами новизны, в том числе в постановке задач.

Практическая значимость исследования
Актуальность работ по проекту подтверждается ростом рынка технологий локального позиционирования. По данным MarketsAndMarkets общий объем рынка RTLS к 2020 году составит 3.7 млрд. долларов. Среднегодовой прирост объема рынка намного превышает соответствующие показатели других отраслей.
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.
Проект направлен, в том числе, на улучшение характеристик разрабатываемых решений для закрепления лидирующих позиций технологии RealTrac в мире. Кроме этого, результаты некоторых исследований в рамках работ могут быть применены инвариантно. Это касается, в первую очередь, применения разработанных алгоритмов в инерциальных системах навигации.
На этапе 4 ПНИ в проекте сменился индустриальный партнер. Им стало крупное предприятие ОАО “ДжиЭс-Нанотех” (г. Калининград) вместо ЗАО “РТЛ-Сервис” (г. Москва). ОАО “ДжиЭс-Нанотех” заинтересовано в результатах работ, особенно в применении разработок в сфере инерциальной навигации. Результаты работ по проекту будут использованы при создании автономного многокомпонентного самокалибруемого инерциального модуля позиционирования на базе МЭМС, планируемого к серийному выпуску. Модуль предназначен для передачи измеренных и рассчитанных данных по запросу от внешних устройств и является основным элементом инерциальной системы позиционирования. Основными назначениями модуля являются расчет ориентации устройства и расчет траектории его перемещения в пространстве. Область применения продукта – беспилотные летательные аппараты, системы локального позиционирования, навигационные системы, системы автоматики и робототехники, и др.