您的位置:中国科技新闻网 > 科技新闻 > 人才济济 成果丰硕
人才济济 成果丰硕
发表时间 2018-03-22 11:47 来源 本站原创

  ——记北京航空航天大学自动化与电气工程学院范耀祖教授及其团队

  陀螺仪与惯性航系统,广泛应用于航空、航天、航海、导弹、宇宙飞行器的定位、显示、控制等军用及油田勘探、农业测量、汽车、铁路等民用领域中。北京航空航天大学自动化与电气工程学院范耀祖教授和他的团队在该领域中默默耕耘,为该领域事业应用与发展做出了突出的贡献,取得了一批重要的成果,同时培养出一批勇于创新的领军人才。

  与时俱进 创新成果丰硕

  范耀祖1936年出生于江苏省常熟市,1953年考入北京航空学院飞机设备系,毕业后留校任教。1983年被聘为副教授,1991年晋升为教授,一年后,他又被批准为博士生导师。

  范耀祖曾在前苏联列宁格勒精密机械学院进修,进行惯性导航平台的理论和设计研究。20世纪90年代作为高级访问学者就职于前苏联莫斯科航空学院,研究智能导航系统。在任职自动控制系惯性导航教研室主任期间,他主要从事陀螺仪理论与制造、惯性导航系统、组合导航系统等领域的研究,他的团队培养出140多名硕士、20多名博士(含3名外国搏士)及多名博士后。

  1958年,范耀祖参加了我国第一架无人机的研制。后来,在林士鄂教授的主持下参与研制出我国第一台液浮陀螺仪样机、动调陀螺仪及其后继产品的研制。他在20世纪60年代参与了我国精密陀螺仪研究室建设,20世纪末作为科技部特聘专家参与了我国智能交通系统(ITS)建设。

  范耀祖是我国首个动力调谐陀螺的主要研制者之一。动力调谐陀螺仪作为惯性导航系统的关键部件,很大程度上决定了系统质量的可靠性。在林士鄂教授的主持研制下,研制取得了成功,获得了航空工业总公司科技进步二等奖,并出版了“动力调谐陀螺仪”一书作为教材,为国内同行广泛使用。在平台、捷联惯性导航及组合导航领域,范耀祖先后完成包括‘973’、‘863’计划等一系列国家、省部级研究项目,与陈哲教授合作研制的“多余度陀螺罗经测井系统”获得航空工业总公司科学技术进步三等奖,他领导的团队在国内首先开展组合导航系统民用化研究,对后续民用组合导航产品的发展产生重要影响。

  进入20世纪90年代,智能交通系统开始兴起,作为国家科技部特聘专家,范耀祖组建了北航-首科ITS研究中心,参与了我国智能交通系统框架设计,作为主要负责人参与主持了北京市建国50周年献礼工程,实现了长安街沿线2条公交线路车辆GPS定位监控,新型汽车导航定位系统获得了中国首届智能交通系统设计大赛三等奖。他们还参与北京邮电大学李道本教授提出的LAS-CDMA技术的应用。ITS与LAS-CDMA组合可提高ITS定位精度。

  在多年的科研经历中,范耀祖曾经担任中国惯性技术协会常务理事、国家ITS专家组成员、国家ITS框架研究专家组成员、“单片机与嵌入式系统应用”杂志编委、北京首科集团-北航智能交通系统(ITS)研究中心副主任、“ITS丛书”主编、“海陆空惯性技术”杂志编委、河南理工大学兼职教授、深圳清华大学研究院顾问等职并获得囯家特别津贴。

  自20世纪80年代以来,范耀祖发表了《动力调谐陀螺病态数据处理》、《飞行员助手系统》等80余篇论文,先后参与出版了《智能仪表》、《动力调谐陀螺仪》、《惯性导航系统》、 《车辆定位导航系统》等专著。他还参与了惯性导航/组合导航和智能交通系统的各类基金10多项。

  桃李不言 下自成蹊

  众人拾柴火焰高。团队协作是事业不断取得成果的基石。多年来,范耀祖不仅在自己的研究事业上勇挑重担,取得了累累硕果,而且专注于教学工作,培养出一大批勇于创新的领军人才。

  智能视频监控作为社会安防领域非常重要手段,目前成为平安城市、雪亮工程的主要建设内容。全国过半的摄像头已经完成高清化改造,警务电子化和信息化已逐步完成,在此安防监控行业发展趋势下,问题也逐渐展现出来:视频监控领域始终围绕着“看得清”的问题不断推进,随着4K、H.265等技术的普及,视频清晰度不断提升,摄像头数量快速增加,但“看”始终以单个摄像头为单位,而摄像头的分布是零散的、杂乱的,被动监看式的监控模式已无法满足安防监控的实际需要,视频监控由被动的记录调阅到主动的跟踪分析研判是行业发展的迫切需求。

  范耀祖团队对智能监控中如何实现对目标的大范围跟踪开展深入研究,在沉浸式视频漫游监控、视频预处理、图像匹配、多摄像头网络协同算法等方面,掌握了核心关键技术,为视频监控向视频信息化应用提升提供了技术支撑。

  该技术目前已经应用于多个项目实践中,包括以上海虹桥机场、成都双流机场等为代表的机场运行监控,以北京西客站为代表的人流密集区域监控,以及面向智能交通出行服务的交通实时监测与发布系统等方面。

  目前,范耀祖教授培养的毕业生在多个领域成长为技术骨干,并在原有研究的基础上把惯性导航及组合导航推广到各个方面,并取得了很好的成果。

  博士后出站留校任教富立教授,在微小型机器人控制与设计、多传感器信息融合、低成本捷联航姿系统、微型旋翼无人机设计、不确定非线性稳定性及主动振动控制研究方面取得系列成果,主持研制的自主式微型捷联航姿系统显著提高了飞机复杂振动环境下系统的估计精度,已在我国自行研制的多种型号飞机上成功应用,并获得国防科技进步二等奖。她获得国家发明专利13项,发表学术论文80余篇。

  博士毕业后留校任教的王艳东副教授,在惯性导航系统建模及误差补偿、惯导系统初始对准、卫星导航软件接收的研究与实现,以及INS/GPS/天文雷达组合导航等理论研究上做了大量分析工作。她以上述各种组合导航系统为对象研究Kalman滤波、非线性滤波、自适应滤波及鲁棒性滤波等各种滤波算法及系统故障诊断方法,有效提高系统精度和可靠性,也为采用低精度惯性元件陀螺、加速度计组成低成本惯导系统打下了基础。她在卫星导航系统接收机的研究方面实现了高动态时中频信号的准确解算和可见星的有效判断与定位解算。在静基座快速对准、飞行中自对准、舰载机传递对准及飞行中传递对准部分成果已经得到了应用。

  博士后出站留校任教的张海副教授,长期从事最优估计理论、导航领域的教学与科研工作,作为课题及子课题负责人先后完成、参加多项国家863计划、科技部支撑项目、部级预研项目、国家重点研发计划等研究。近年在国内外期刊、会议发表学术论文30余篇,以第一发明人获得国家发明专利授权19项,担任两个国内学术期刊编委。在最优估计理论方面他重点研究自适应卡尔曼滤波问题,原创性地提出了二阶互差分处理思想,有效解决了测量噪声方差估计问题,提高自适应滤波鲁棒性与精度;原创性地提出了高鲁棒性的灰度梯度方向一致性边缘检测与图像特征提取方法,在模糊、噪声等干扰情况下相对现有算法具有明显优势,在视觉导航等领域有很大的应用价值;在低成本惯性器件应用领域,摸索出一套行之有效的测量精度提高方法,并开发出多种智能硬件原理样机,部分成果已经帮助创业公司获得风险投资并规模化应用;在视觉及视觉/惯性组合导航领域,创新性提出多种有别于目前主流SLAM处理架构的低计算复杂度方法,已经在研究院所重点任务中发挥作用。

  目前是北京大学教授的博士毕业生张飞舟,一直从事导航定位及其应用方面的教学与科研工作。他结合国防科工委北斗二代民用产业化专项“多频多星座兼容软件接收机”以及“质量检测平台检测规范标准研究”课题,在多星座卫星导航信号处理算法和接收机完好性算法方面进行了深入研究;结合城市交通导航问题,建立了分布式交通路径规划原理模型,完善了面向城市交通动态分段路径诱导方法,构建了面向城市交通的动态路径诱导原型系统平台;应用3S技术建立了跨国流域水污染突发事件应急反应系统,进行系统集成和示范应用,建立跨国流域河流水环境综合数据库和维护管理系统,建立水量和水质模型,建立跨国流域水污染突发事件应急反应系统,为国家跨国流域的水环境安全管理提供支撑服务;获得国家发明专利1项,获得了计算机软件著作权4项,编著《物联网技术导论》、《物联网应用与解决方案》、《智慧城市及其解决方案》和《空间信息智能处理》等。

  已是天睿空间科技股份有限公司CEO的沈晓蓉,瞄准智能视频监控领域的技术变革与迫切的应用需求,围绕着“看得清”、“看的全”、“看得快”等几个关键问题,对如何实现对目标的大范围跟踪开展深入研究,在沉浸式视频漫游监控、视频预处理、图像匹配、多摄像头网络协同算法等方面,掌握了核心关键技术,为视频监控向视频信息化应用提升提供了技术支撑。技术目前已经应用于多个项目实践中,包括以上海虹桥机场、成都双流机场等为代表的机场运行监控,以北京西客站为代表的人流密集区域监控,以及面向智能交通出行服务的交通实时监测与发布系统等方面。

  博士毕业生徐超,针对超长航时无人机高可靠性导航需求,研制了冗余架构的微机电组合导航系统,将导航系统可靠性提高了1~2个数量级,导航精度提高了一个数量级,并且具备故障自诊断、自修复能力,有力支撑了此类型无人机的可靠性导航需求。针对中低精度微机电惯导系统在中高级无人机飞控领域的应用需求,创新性地将空速、陀螺仪输出与载体运动模型相结合,提出了惯性器件故障情况下的姿态确定算法,实测姿态精度优于0.5°,大大降低了惯导系统失效导致的飞机失控风险。针对高精度微机电惯导系统弹用、民用领域,开展了目前最高精度微机电惯导系统研制工作,低成本纯惯性导航精度已经具有实际应用能力。

  北方工业大学王力教授继承和延续了北航范耀祖团队在卫星导航,智能交通领域的研究方向与成果,带领研究团队主要在以下三个方向形成了一定特色:

  在城市道路交通信号控制领域,通过近10年的探索,已成为国内智能交通控制领域科研与创新的重要力量,形成包括面向人工智能的新一代智能交通控制装备、检测装备和控制系统在内的一批创新产品和技术,已完成北京市昌平区,山东省潍坊市两个市级示范应用。



面向人工智能的新一代智能交通控制装备

  在车路协同领域,基于场景驱动控制技术探索和研究了多种实际交通应用,研发的特种车辆优先控制装备成功服务于2017“一带一路”国际合作高峰论坛;研发的面向无人驾驶的车路协同智能控制装备,成功在交通部通州测试场应用;研发的人车路环综合试验平台,集成包括无人驾驶智能车平台,智能信号管控平台,智能交通检测平台,模拟驾驶与脑科学平台等。



特种车辆优先控制装备



人车路环综合试验平台

  在动静态一体化智能交通领域,创新实践动态道路交通与静态停车相结合的城市交通精细化管理理念,有效盘活城市动静态交通发展需求,理念已被北京市交通委、石景山交通委等部门纳入总体规划并已进行实施。



石景山交通委停车总体规划

  北京大学张飞舟教授一直从事导航定位及其应用方面的教学与科研工作,并在北航范耀祖团队研究方向与成果的基础上,延续和拓展了研究内容。具体学术研究成果如下:

  1.多频多星座卫星导航软件接收机仿真平台算法研究

  结合国防科工委北斗二代民用产业化专项“多频多星座兼容软件接收机”以及“质量检测平台检测规范标准研究”课题,在多星座卫星导航信号处理算法和接收机完好性算法方面进行了深入研究。这一研究已在国内权威核心学术期刊发表第一作者EI收录学术论文2篇(分别发表在《北京大学学报(自然科学版)》2008年第6期、《武汉大学学报(信息科学版)》2009年第5期)、核心期刊《计算机工程与科学》和《计算机测量与控制》发表2篇,并于2010年3月获得授权计算机软件著作权1项。


 

  2.动态路径诱导以及车辆动态调度优化算法研究

  在卫星导航应用动态路径诱导方面,针对路径诱导算法的实时性、动态路径诱导算法以及路径诱导与交通信号控制的集成研究的主要方向,结合城市交通导航问题,建立了分布式交通路径规划原理模型,完善了面向城市交通动态分段路径诱导方法,构建了面向城市交通的动态路径诱导原型系统平台,获得国家发明专利1项,获得了计算机软件著作权3项。

  3.基于3S技术的跨国流域水污染突发事件预警预测预系统研究

  在卫星导航定位在3S集成技术方面,针对水环境突发事件,应用3S技术建立了跨国流域水污染突发事件应急反应系统,进行系统集成和示范应用。研究基于空间信息技术的水环境状况综合监测技术及快速传输手段,建立跨国流域河流水环境综合数据库和维护管理系统;开发基于3S技术的跨国流域水环境查询系统,建立水量和水质模型;搭建基于3S技术的跨国流域水污染计算机仿真系统,对跨国水环境污染突发事件进行预报预警,建立跨国流域水污染突发事件应急反应系统,为国家跨国流域的水环境安全管理提供支撑服务。

  4.物联网技术研究

  卫星导航定位作为影响物联网发展的关键技术与物联网的发展息息相关相互促进在物联网时代,卫星导航产业遇到了前所未有的机遇和挑战,进入了一个全新发展阶段。编著《物联网技术导论》、《物联网应用与解决方案》、《智慧城市及其解决方案》和《空间信息智能处理》,为物联网技术的产、学、研、用提供了一个清晰的理论框架和明确的研究方向。

  “桃李不言,下自成蹊。”范耀祖教授虚怀若谷,谦虚谨慎,在工作中默默无闻,不务虚名,但他的言传身教和杰出成果,却在无声中影响了他的学生和团队成员们,启发并激励他们取得了杰出的成绩。对于未来,他们也将会继往开来,积极创新,力争做出更大的贡献。