Главная | Проекты | АПК бесшовного позиционирования объектов внутри и вне помещений

АПК бесшовного позиционирования объектов внутри и вне помещений

Аппаратно-программный комплекс для высокоточного позиционирования объектов в режиме реального времени с использованием различных источников геоданных, с обеспечением плавного перехода между ними.

Задача

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) - GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou - давно и широко используются для определения местонахождения на открытом пространстве. Задачу позиционирования объектов внутри помещений частично решают Wi Fi сети, сотовые технологии стандартов 2G/3G/4G, специализированные системы видеоаналитики и пр.

Несмотря на стремительное развитие технологий, в сфере позиционирования все же остаются серьезные проблемы:

  • Недостаточно высокая точность определения местоположения объекта как внутри, так и вне помещений;
  • Потеря информации о местоположении при перемещении объекта из помещения на открытое пространство и обратно;
  • Зависимость точности позиционирования от условий окружающей среды: температуры воздуха, влажности, запылённости/задымленности и т.д.;
  • Существенные ограничения работы ГНСС вплоть до полной потери сигнала в помещениях.

Задача точного позиционирования объекта как внутри, так и вне помещений является крайне актуальной для таких областей, как производство, строительство, логистика, добыча ископаемых, коммерция, медицина, спортивная аналитика. Во всех этих отраслях требуется постоянный мониторинг и позиционирование объектов и персонала по принципу «всегда и везде». Эта задача является одной из основных в проектировании инновационных систем «Умный город», стремительно развивающихся в городах по всему миру.

Задачей разработчиков стало создание системы высокоточного позиционирования объектов как внутри, так и вне помещений с обеспечением плавного перехода между различными источниками геоданных.

Решение

Целью разработки экспериментального образца аппаратно-программного комплекса (ЭО АПК) бесшовного позиционирования объектов является реализация и отладка методов и алгоритмов высокоточного бесшовного позиционирования, отвечающих следующим требованиям:

  • Точность позиционирования – десятки (а в некоторых областях и единицы) сантиметров.
  • Скорость объектов может достигать десятков км/ч, при этом позиционирование должно быть в реальном времени.
  • Радиус действия – сотни метров.

Бесшовность и высокая точность позиционирования достигается за счёт интеллектуального комбинирования геоданных от различных источников – подход Sensor Fusion. Используемые источники геоданных:

  • Радиочастотная система собственной разработки;
  • ГНСС (GPS, ГЛОНАСС);
  • Инерциальные датчики: акселерометр, гироскоп, магнетометр.

В основе ЭО АПК бесшовного позиционирования объектов лежит аппаратная система радиочастотного 2D-позиционирования, обеспечивающая локализацию объектов внутри и вне помещений с сантиметровой точностью. Система радиочастотного позиционирования использует сверхширокополосную технологию радиосвязи (англ. UWB – Ultra Wide Band) и реализована с использованием принципов программно-определяемого радио (англ. SDR – Software Defined Radio) на базе универсальной SDR-платформы. Данная система реализована в виде отдельного ЭО АПК высокоточного радиочастотного 2D позиционирования объектов.

Преимущества решения:

  • Повышение точности позиционирования до 2 см (10 см у аналогов);
  • Повышение дальности позиционирования до 500 м (300 м у аналогов);
  • Позиционирование объектов, движущихся с высокой скоростью (до 50 км/ч) в реальном времени;
  • Уникальные возможности высокоточного бесшовного позиционирования с плавным переходом при определении положения объекта во внутреннем и наружном пространстве;
  • Оптимальность для использования в стратегически важных проектах национального масштаба (полностью российская разработка).

Детали

Этапы проекта:

  • Разработка алгоритмов и ЭО АПК высокоточного радиочастотного 2D позиционирования объектов внутри помещений (2018).
  • Разработка алгоритмов и ЭО АПК бесшовного гибридного 3D позиционирования объектов внутри и вне помещений (2019).
  • Тестирование, отладка, испытания разработанного ЭО АПК бесшовного позиционирования (2020).

Разработанный ЭО АПК радиочастотного позиционирования состоит из трёх якорей (Anchor A, B, C) и одной метки (Tag). Якоря взаимодействуют с меткой по радиочастотному UWB-каналу. Между собой они синхронизированы по оптоволоконной линии связи (FOL – Fiber Optical Link) с использованием протокола субнаносекундной синхронизации. Метка периодически отправляет блинк-посылки. Якоря фиксируют моменты времени прихода посылок от метки и отправляют информацию на сервер (системный контроллер), по сети Ethernet. ПО на сервере вычисляет координаты метки в локальной системе координат с использованием алгоритма TDoA (Time Difference of Arrival) и визуализирует положение метки.

Якоря и метка ЭО АПК радиочастотного позиционирования реализованы на базе универсального аппаратного узла, состоящего из RF-фронтенда – высокопроизводительного SDR-трансивера и сигнального процессора (англ. BBP – BaseBand Processor), функции которого выполняет микросхема программируемой логики (ПЛИС).

Технические преимущества:

  • Субнаносекундная синхронизация якорей;
  • Радиочастотная технология UWB, обеспечивает максимальную точность позиционирования и высокую дальность при низком энергопотреблении.
  • Позиционирование объектов в режиме реального времени;
  • Подход Sensor Fusion: интеллектуальное комбинирование геоданных от источников различного типа;
  • Используемые источники геоданных: RF-позиционирование, ГНСС, инерциальные системы;
  • Принцип SDR, используемый в системе RF-позиционирования обеспечивает высокую гибкость и масштабируемость.

Технологии

Языки программирования и фреймворки C/C++, Qt
Языки описания аппаратных средств Verilog, SystemVerilog
OS Windows, Linux
CVS Git (Gitlab, Atlassian Bitbucket)
Back-end Java 12, Spring Boot 2 (Core, Data, Security), Hibernate, Maven, PostgreSQL, Neo4J, Minio, Firebase
IDE Qt Creator
EDA Intel Quartus Prime
 

Публикации

    Проект поддержан Рамочной сетевой программой BRICS в области науки и инноваций. При финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

    Соглашение о предоставлении субсидии между ФГАОУ ВО «СПбПУ» и Министерством науки и высшего образования Российской Федерации от 27.11.2018 г. № 14.584.21.0035.

    Уникальный идентификатор – RFMEFI58418X0035

    Ключевые исполнители

    • Руководитель группы аппаратной разработки: А.А. Антонов
    • Руководитель группы программной разработки: А.О. Беляевский

    Дополнительные материалы

    file

    Бесшовное позиционирование объектов

    Листовка о проекте