加拿大卡爾頓大學(xué)研發(fā):用Xsens為救援人員進(jìn)行室內(nèi)定位

　　卡爾頓大學(xué)Carleton University始建于1942年，最初由安大略湖省的基督教青年會(huì)發(fā)起籌建，并于1957年正式成為大學(xué)加拿大公立大學(xué)。目前卡爾頓大學(xué)在加拿大具有較高的知名度，在最新的2018年麥克林雜志加拿大大學(xué)排名中，位列綜合類(lèi)大學(xué)第5名。加拿大卡爾頓大學(xué)

　　當(dāng)救援人員前往失火或危險(xiǎn)建筑物中營(yíng)救受害者時(shí)，他們所面臨的是未知的救援環(huán)境：他們不知道自己將面臨什么危險(xiǎn)，也不知道與被害者之間的障礙在何處。在發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí)，救援人員通常會(huì)短時(shí)間內(nèi)在建筑物中迷失方向。

　　如果急救員、士兵等救援人員能在受災(zāi)建筑物內(nèi)獲得導(dǎo)航定位的幫助，他們就能更快更安全地開(kāi)展救援行動(dòng)。但是室內(nèi)接收GPS會(huì)面臨無(wú)信號(hào)或信號(hào)不穩(wěn)定的情況，那么在不依靠衛(wèi)星定位的情況下，如何為室內(nèi)、隧道或地底的人員進(jìn)行追蹤定位？

　　位于加拿大渥太華的卡爾頓大學(xué)應(yīng)政府要求接受了這項(xiàng)挑戰(zhàn)，由該大學(xué)嵌入式和多傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(EMSLab)的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。他們開(kāi)發(fā)這個(gè)項(xiàng)目的核心是一個(gè)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)跟蹤器：Xsens MTi-300 AHRS，體積雖小但重要性高，為操作復(fù)雜的無(wú)線電和光學(xué)傳感器陣列提供了安全的基礎(chǔ)。通過(guò)這個(gè)傳感器，操作人員能在任何建筑物中繪制三維地圖。

　　EMSLab系統(tǒng)使用的攝像頭、激光雷達(dá)和UWB接收器都配備了MTi-300 AHRS來(lái)提供一致的三維參照系

　　如何在沒(méi)有地圖的情況下導(dǎo)航

　　卡爾頓大學(xué)這項(xiàng)研究項(xiàng)目的任務(wù)非常困難：在沒(méi)有地圖或指引計(jì)劃的情況下，對(duì)進(jìn)入建筑物內(nèi)的人員進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)三維環(huán)境動(dòng)作跟蹤。

　　為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，卡爾頓大學(xué)研究小組開(kāi)發(fā)了一款便攜式設(shè)備，由每個(gè)被追蹤的人攜帶。該設(shè)備由一組協(xié)同工作的無(wú)線電、光學(xué)和運(yùn)動(dòng)傳感器組成。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人-卡爾頓大學(xué)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)工程系副教授Mohamed Atia說(shuō)：“為了跟蹤人員在三維空間中的位置，我們制作了一個(gè)可單人攜帶或佩戴的多傳感器設(shè)備。我們開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)由一個(gè)視覺(jué)相機(jī)、一個(gè)用于測(cè)距和目標(biāo)檢測(cè)的LiDAR激光傳感器以及一個(gè)超寬帶(UWB)接收器組成，該接收器通過(guò)采集UWB信標(biāo)來(lái)定位三維空間中操作員在建筑物里的位置。”

　　當(dāng)這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，便能構(gòu)建一個(gè)顯示障礙物（例如墻壁、窗戶(hù)、門(mén)和地板）的三維多層地圖，并將載體定位在地圖內(nèi)。

　　實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的最大技術(shù)難點(diǎn)是如何整合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)——即傳感器融合的過(guò)程。由于卡爾頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可佩戴或攜帶在身上，當(dāng)操作員走路、爬行或跑步時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在三維空間中不斷上升、下降、旋轉(zhuǎn)和傾斜。如果未經(jīng)校準(zhǔn)，這種俯仰、翻滾和偏航運(yùn)動(dòng)會(huì)使激光雷達(dá)、相機(jī)和UWB的測(cè)量數(shù)據(jù)彼此不一致，并且會(huì)隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)的偏差。

解決方案：穩(wěn)定、準(zhǔn)確的三維參照系，由三個(gè)MTi-300 AHRS組成。每個(gè)MTi-300 AHRS分別固定在LiDAR傳感器、攝像頭和UWB接收器上，測(cè)量每個(gè)傳感器的滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航位移，精度達(dá)毫米級(jí)，從而能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲞M(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)補(bǔ)償。

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加拿大卡爾頓大學(xué)研發(fā):用Xsens為救援人員進(jìn)行室內(nèi)定位

　　Mohamed Atia說(shuō)：“對(duì)AHRS的關(guān)鍵要求是準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在任務(wù)過(guò)程中，AHRS提供的三維參照系里即使是微小的誤差也會(huì)迅速放大，因此我們要求所選擇的AHRS能提供精準(zhǔn)的測(cè)量，隨著時(shí)間和溫度的變化仍能保持其準(zhǔn)確性，且漂移幾乎為零。為了適應(yīng)設(shè)備的便攜性，它還需要體積輕巧。” 加拿大綜合類(lèi)大學(xué)

　　卡爾頓大學(xué)的系統(tǒng)還有一個(gè)巧妙的技巧：操作員佩戴同樣來(lái)自Xsens的MTw Awinda無(wú)線動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)能識(shí)別動(dòng)作類(lèi)型，例如運(yùn)動(dòng)和爬行，并在沒(méi)有UWB信號(hào)的情況下進(jìn)行航位推算。Mohamed Atia表示，無(wú)線技術(shù)是Awinda產(chǎn)品的一個(gè)重要特性，因?yàn)樗筍LAM系統(tǒng)更易于穿戴。他補(bǔ)充道，“MTw Awinda系統(tǒng)還執(zhí)行同步數(shù)據(jù)采樣，精確到±10µs，這為我們?nèi)诤舷到y(tǒng)中所有其他傳感器提供了時(shí)間基準(zhǔn)。” 學(xué)在加拿大

　　拯救生命的創(chuàng)新

      卡爾頓大學(xué)的便攜式系統(tǒng)在早期的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中證明了從原則上來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確可靠的SLAM可以在任何沒(méi)有衛(wèi)星定位信號(hào)的室內(nèi)立體空間中發(fā)揮作用。Mohamed Atia的期望是，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)，這項(xiàng)技術(shù)有朝一日能助于拯救生命。“在軍事、工業(yè)或緊急服務(wù)環(huán)境中，能夠準(zhǔn)確地了解建筑物內(nèi)人員的位置至關(guān)重要，”他說(shuō)。“當(dāng)救援人員受傷或?qū)で髱椭鷷r(shí)，他的同事們能知道其位置，因此可以準(zhǔn)確地在需要的地方和時(shí)間部署人員。在建筑火災(zāi)或戰(zhàn)場(chǎng)等高壓環(huán)境中，速度可以挽救生命。我們的技術(shù)以MTi-300為核心，使受災(zāi)人員能夠更快地被找到并獲得救助。”

      卡爾頓大學(xué)坐落于加拿大首都渥太華市中心，校園占地超過(guò) 62 公頃，校園內(nèi)風(fēng)景秀麗，毗鄰政府機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室、圖書(shū)館，學(xué)習(xí)氛圍相當(dāng)濃郁。學(xué)校是安大略湖大學(xué)聯(lián)盟成員之一，還是加拿大大學(xué)及學(xué)院委員會(huì)的成員，也是國(guó)際大學(xué)聯(lián)合會(huì)成員。學(xué)校下設(shè) 15 個(gè)教學(xué)研究學(xué)院、75 個(gè)科研中心、提供本碩專(zhuān)業(yè)大項(xiàng)超過(guò) 50 種、與超過(guò) 33 個(gè)國(guó)家政府單位及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)設(shè)置超過(guò) 85 門(mén)學(xué)術(shù)交流課程并簽訂學(xué)生交流互換協(xié)議。擁有加拿大最有名的新聞系、理工學(xué)院、工業(yè)設(shè)計(jì)系，是一所文化、藝術(shù)、學(xué)術(shù)兼?zhèn)涞膬?yōu)良學(xué)府。