武大發(fā)布“聽聲辨位”中國芯 五年突破“卡脖子”難題

手機(jī)導(dǎo)航一進(jìn)隧道就不準(zhǔn)了?在商場地下停車場找不到自己的車……這些問題，已經(jīng)有人幫你解決了——武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陳銳志教授，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年研發(fā)的音頻室內(nèi)定位技術(shù)正式投入商用，并發(fā)布了全球首款基于RISC-V高精度音頻室內(nèi)定位芯片。在日前結(jié)束的第七屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽中，武漢大學(xué)師生團(tuán)隊(duì)正是憑借這一成果，斬獲高教主賽道金獎(jiǎng)。

讓手機(jī)幫你“聽聲辨位”

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛投用，我國的室外導(dǎo)航技術(shù)愈發(fā)成熟，但衛(wèi)星導(dǎo)航存在室內(nèi)空間不可用不可達(dá)、室內(nèi)定位精度低的“先天缺陷”。陳銳志團(tuán)隊(duì)承接的國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，瞄準(zhǔn)這一難題，以期達(dá)到室內(nèi)外高精度導(dǎo)航無縫銜接的目標(biāo)。陳銳志提出的解決方案，是音頻室內(nèi)定位。

音頻怎樣定位?陳銳志舉了一個(gè)通俗易懂的例子：在自然界，雷聲與閃電同步發(fā)生，但是人們聽到雷聲與看到閃電存在時(shí)間差，利用這一現(xiàn)象就能判斷雷電的遠(yuǎn)近。

陳銳志團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的音頻定位成套方案中，需要給室內(nèi)空間的多個(gè)點(diǎn)位安裝基站(發(fā)射器)，基站不斷發(fā)射電信號和聲波。電信號像閃電一樣“跑得快”，聲波像雷聲一樣“跑得慢”，手機(jī)接收兩種信號后，就能分析出距離某個(gè)基站的距離，再根據(jù)多個(gè)不同基站的距離，就能準(zhǔn)確定位。普通手機(jī)的定位精度，最高能達(dá)到0.42米。

“現(xiàn)在人人都有手機(jī)，所以我們的方案首先針對手機(jī)來研發(fā)。”陳銳志介紹，該方案可以讓普通用戶不用額外投資，就能享受便利，“不僅是手機(jī)，還有智能手表、智能家居等，只要是有麥克風(fēng)的設(shè)備，不用任何改裝，就能聽到我們的‘廣播’，確定你目前的位置。”

那么，一直“廣播”不會(huì)擾民嗎?陳銳志笑道，基站發(fā)送的音頻波段手機(jī)可以聽到，但人耳聽不到，人們不會(huì)感覺到它的存在。

五年突破“卡脖子”難題

經(jīng)過陳銳志的一番解釋，音頻室內(nèi)定位好像很簡單。可實(shí)際操作起來，它非常困難。

“每一步的推進(jìn)都很難。”陳銳志教授回國任教后帶的首屆研究生郭光毅說。五年來，他跟隨陳銳志全程參與了該項(xiàng)目的研究，目前在實(shí)驗(yàn)室做博士后工作。

郭光毅介紹，第一個(gè)大難題就是要尋找合適的音頻波段，既不擾民，又不受別的聲音信號干擾，還能廣泛覆蓋。當(dāng)時(shí)測算，可用資源僅有6K。為尋找合適的環(huán)境友好型頻段，團(tuán)隊(duì)用了近一年時(shí)間，最終將頻段確定為16kHz-23kHz。

“我們就像是手捧一把米，卻要做出豐盛的飯菜，讓大家能吃、夠吃。”陳銳志如此形容攻克窄帶漫游技術(shù)的困難程度。

另一個(gè)難題是，聲音在環(huán)境中會(huì)被玻璃、墻壁等障礙物反射，如何智能識別反射信號與直達(dá)信號，是決定定位精度的關(guān)鍵。團(tuán)隊(duì)成員也是經(jīng)歷了好幾個(gè)月，才攻克這一難題。

“解決一個(gè)個(gè)問題，靠的往往是集思廣益。我們常常就一個(gè)難點(diǎn)吵得不可開交，最后只好搬出陳老師來當(dāng)裁判。”郭光毅笑道。陳銳志的辦公室專門放了一張長桌，墻上裝著電子白板，就是為了方便團(tuán)隊(duì)成員交流討論。

小芯片蘊(yùn)藏?cái)?shù)百億市場

音頻定位成套方案逐漸成熟后，陳銳志團(tuán)隊(duì)將目光從消費(fèi)級(手機(jī)適用)轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)級(非手機(jī)設(shè)備)。

“室內(nèi)定位的作用，不僅僅在于普通市民可以室內(nèi)導(dǎo)航，更是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。比如，幫智能機(jī)器人省掉許多昂貴的定位傳感器，讓自動(dòng)駕駛汽車可以不在隧道、停車場里失去向?qū)В瑤椭悄芄S更方便快捷地調(diào)配物資等。”陳銳志說。要實(shí)現(xiàn)這些功能，就必須有手機(jī)之外的設(shè)備。

于是，2020年10月，陳銳志團(tuán)隊(duì)成立了研究成果孵化企業(yè)——知路導(dǎo)航研究院。不到一年時(shí)間，公司就推出了高精度音頻室內(nèi)定位芯片Kepler A100。

跟美國UWB專業(yè)級、Wi-Fi(RTT)消費(fèi)級等各類定位技術(shù)相比，Kepler A100芯片系統(tǒng)復(fù)雜度低，建設(shè)與維護(hù)成本低。使用該芯片及其系列產(chǎn)品，用戶可開發(fā)或集成專用設(shè)備，可用于火車站、高鐵站、地鐵站、機(jī)場航站樓、會(huì)展中心、大型場館、地下礦區(qū)等場景，服務(wù)于公共安全、工業(yè)生產(chǎn)、應(yīng)急管理等重要領(lǐng)域。

目前，在南京南站、廣州白云機(jī)場和德清會(huì)展中心，這款芯片已經(jīng)投入使用，反響良好。在南京南站55萬平方米的超大室內(nèi)場所，Kelper A100能夠?yàn)楣裁窬峁?shí)時(shí)位置服務(wù)，達(dá)到支撐警勤調(diào)配、聯(lián)防聯(lián)控的作用;在德清會(huì)展中心，該芯片可為場館方、參展方、游客提供一體化位置服務(wù)。

陳銳志團(tuán)隊(duì)測算，截至2021年，國內(nèi)不同行業(yè)場景的高精度室內(nèi)定位市場需求超過1000億元，而且增長迅速。未來5年，基于Kepler A100的音頻定位技術(shù)，有望占據(jù)四分之一的市場份額。

人物簡介

陳銳志，1963年11月生，博士、教授、博導(dǎo)，芬蘭科學(xué)與人文院院士，現(xiàn)任武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。導(dǎo)航定位領(lǐng)域國際著名學(xué)者，致力于智能手機(jī)室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位和低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)的理論研究與核心技術(shù)開發(fā)，推動(dòng)我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)從室外拓展到室內(nèi)，從地面提升到低軌空間。(柯稱 吳江龍 劉清清)