加拿大卡尔顿大学研发:用Xsens为救援人员进行室内定位
加拿大卡尔顿大学研发:用Xsens为救援人员进行室内定位
卡尔顿大学Carleton University始建于1942年，最初由安大略湖省的基督教青年会发起筹建，并于1957年正式成为大学加拿大公立大学。目前卡尔顿大学在加拿大具有较高的知名度，在最新的2018年麦克林杂志加拿大大学排名中，位列综合类大学第5名。加拿大卡尔顿大学
当救援人员前往失火或危险建筑物中营救受害者时，他们所面临的是未知的救援环境：他们不知道自己将面临什么危险，也不知道与被害者之间的障碍在何处。在发生火灾或地震时，救援人员通常会短时间内在建筑物中迷失方向。
如果急救员、士兵等救援人员能在受灾建筑物内获得导航定位的帮助，他们就能更快更安全地开展救援行动。但是室内接收GPS会面临无信号或信号不稳定的情况，那么在不依靠卫星定位的情况下，如何为室内、隧道或地底的人员进行追踪定位？
位于加拿大渥太华的卡尔顿大学应政府要求接受了这项挑战，由该大学嵌入式和多传感器系统实验室(EMSLab)的专家团队负责。他们开发这个项目的核心是一个独特的运动跟踪器：Xsens MTi-300 AHRS，体积虽小但重要性高，为操作复杂的无线电和光学传感器阵列提供了安全的基础。通过这个传感器，操作人员能在任何建筑物中绘制三维地图。
EMSLab系统使用的摄像头、激光雷达和UWB接收器都配备了MTi-300 AHRS来提供一致的三维参照系
如何在没有地图的情况下导航
卡尔顿大学这项研究项目的任务非常困难：在没有地图或指引计划的情况下，对进入建筑物内的人员进行准确的实时三维环境动作跟踪。
为了实现这个目标，卡尔顿大学研究小组开发了一款便携式设备，由每个被追踪的人携带。该设备由一组协同工作的无线电、光学和运动传感器组成。项目负责人-卡尔顿大学系统与计算机工程系副教授Mohamed Atia说：“为了跟踪人员在三维空间中的位置，我们制作了一个可单人携带或佩戴的多传感器设备。我们开发的系统由一个视觉相机、一个用于测距和目标检测的LiDAR激光传感器以及一个超宽带(UWB)接收器组成，该接收器通过采集UWB信标来定位三维空间中操作员在建筑物里的位置。”
当这些技术结合起来，便能构建一个显示障碍物（例如墙壁、窗户、门和地板）的三维多层地图，并将载体定位在地图内。
实现该系统的最大技术难点是如何整合多个传感器的数据——即传感器融合的过程。由于卡尔顿大学开发的系统可佩戴或携带在身上，当操作员走路、爬行或跑步时，系统会在三维空间中不断上升、下降、旋转和倾斜。如果未经校准，这种俯仰、翻滚和偏航运动会使激光雷达、相机和UWB的测量数据彼此不一致，并且会随着时间的推移导致输出数据的偏差。
解决方案：稳定、准确的三维参照系，由三个MTi-300 AHRS组成。每个MTi-300 AHRS分别固定在LiDAR传感器、摄像头和UWB接收器上，测量每个传感器的滚转、俯仰和偏航位移，精度达毫米级，从而能够对传感器的输出进行实时连续补偿。
更多留学干货内容，欢迎继续关注学在加拿大官网和美国留学网以及我们的官方微信服务号。
更多留学申请规划问题欢迎扫码联系小助手免费咨询获取干货资料包
加拿大卡尔顿大学研发:用Xsens为救援人员进行室内定位
Mohamed Atia说：“对AHRS的关键要求是准确性和稳定性。在任务过程中，AHRS提供的三维参照系里即使是微小的误差也会迅速放大，因此我们要求所选择的AHRS能提供精准的测量，随着时间和温度的变化仍能保持其准确性，且漂移几乎为零。为了适应设备的便携性，它还需要体积轻巧。” 加拿大综合类大学
卡尔顿大学的系统还有一个巧妙的技巧：操作员佩戴同样来自Xsens的MTw Awinda无线动作捕捉系统，该系统能识别动作类型，例如运动和爬行，并在没有UWB信号的情况下进行航位推算。Mohamed Atia表示，无线技术是Awinda产品的一个重要特性，因为它使SLAM系统更易于穿戴。他补充道，“MTw Awinda系统还执行同步数据采样，精确到±10µs，这为我们融合系统中所有其他传感器提供了时间基准。” 学在加拿大
拯救生命的创新
卡尔顿大学的便携式系统在早期的现场试验中证明了从原则上来说，准确可靠的SLAM可以在任何没有卫星定位信号的室内立体空间中发挥作用。Mohamed Atia的期望是，经过进一步改进，这项技术有朝一日能助于拯救生命。“在军事、工业或紧急服务环境中，能够准确地了解建筑物内人员的位置至关重要，”他说。“当救援人员受伤或寻求帮助时，他的同事们能知道其位置，因此可以准确地在需要的地方和时间部署人员。在建筑火灾或战场等高压环境中，速度可以挽救生命。我们的技术以MTi-300为核心，使受灾人员能够更快地被找到并获得救助。”
卡尔顿大学坐落于加拿大首都渥太华市中心，校园占地超过 62 公顷，校园内风景秀丽，毗邻政府机构、实验室、图书馆，学习氛围相当浓郁。学校是安大略湖大学联盟成员之一，还是加拿大大学及学院委员会的成员，也是国际大学联合会成员。学校下设 15 个教学研究学院、75 个科研中心、提供本硕专业大项超过 50 种、与超过 33 个国家政府单位及学术机构设置超过 85 门学术交流课程并签订学生交流互换协议。拥有加拿大最有名的新闻系、理工学院、工业设计系，是一所文化、艺术、学术兼备的优良学府。
