专利名称：一种消防员室内外3d无缝定位及姿态检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种消防员定位及姿态检测系统，具体涉及一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统。属于消防员导航及定位、人体姿态检测、行为分析与识别领域。
背景技术：
目前，随着人口的增加，人均土地面积越来越少，建筑楼群逐渐朝大型化、高层化发展。这种结构复杂的高层建筑一旦发生火灾，消防员进入后由于烟雾和楼层结构等各种原因很难进行自我定位，当消防员被困之后，即使有对讲机等无线通讯设备，由于消防员自身并不能对自己所在位置准确判断，因此很难及时向外部人员报告其准确楼层和位置，因而错过最佳营救时机；准确的人体运动状态检测是估计消防员当前生命安全状态的重要依据。不仅仅是消防行业，随着智能手机、iPad等各种智能终端设备的普及，消防员定位及姿态检测技术的市场需求也越来越迫切。本实用新型主要涉及两个主要的理论及技术问题:一是消防员的室内外3D无缝定位，二是消防员的运动姿态检测。消防员导航定位技术是指借助于专用的设备实现对个人的实时定位和跟踪。消防员导航技术通常包括室外导航定位技术及室内导航定位技术。人体姿态检测通常是指利用加速度计、陀螺仪等自包含传感器，通过检测人体特定部位的角度及加速度的变化来实现人的运动姿态检测。对于工作在复杂火场环境中的消防员，准确的室内外3D定位及姿态检测是消防员生命安全的重要保障，也是其完成火场探测和救援任务的基本前提。目前，消防员室内外导航定位技术按照其定位机制的不同主要分为:基于GPS(全球定位系统)的定位技术、基于RFID (射频标签)的定位技术、基于无线局域网络的定位技术、基于自包含传感器(加速度计、陀螺仪、磁力计等)的定位技术等等。中国专利申请201010023030.6和201210013467.0都是采用基于射频RFID的消防员定位方法，这种方法的缺点是需要对环境进行特殊改造，要在环境中布置一定数量的RFID读写器，使用不便，精度较低，适合环境简单。基于无线传感网络的方法，如W1-Fi技术，Zibgee技术等，利用信号强度进行定位，这种方法的不足是需要架设无线传感网络，成本高，且无线信号易受干扰，精度较差。中国专利申请201010201512.6，采用了一种GNSS (全球卫星导航系统)、UffB (超宽带技术)以及MEMS (微电子机械系统)混合定位的方式，并提出了一种基于卫星信号强度及信噪比的无缝切换规则，该方法的不足之处是环境中需要事先布置好复杂的UWB定位标签，并且该方法采用的MEMS定位技术是传统的积分机制的惯性定位技术，这种传统积分机制的惯性定位在人行走过程中对平台对准的要求很高，而且定位误差会随着时间的增长而不断累积，这种方式也是无法应用到消防员复杂的火场救援环境中的。文献《基于GPS和自包含传感器的消防员室内外无缝定位算法研究》(2010，中国科学技术大学[D], pl9-25)提出了一种基于GPS和自包含传感器的定位方法,但是该方法并没有考虑人行走过程中身体摆动对偏航角的影响，这样人在行走过程中身体的左右摆动会对行人航迹推算定位算法的分解结果产生严重的影响，该方法只能做到平面范围内的室内外定位，无法提供楼层高度和消防员的运动状态信息。中国专利申请201010539511.2公开了 一种基于Mesh网状网架构的消防员火场定位系统，该系统由无线监控主机、若干无线定位子机和若干无线中继组成，该系统采用惯性定位技术，利用Mesh网进行通信，可以实现消防员的平面定位和姿态检测功能，但是该系统仅采用了传统积分机制的惯性定位技术，而传统积分机制惯性定位技术其定位结果本身就会随着使用时间的累积而发散，因此该方法无法保证较长时间定位的有效性，并且该方法仅依靠惯性定位技术，只能提供相对定位信息而无法提供绝对位置信息，无法及时消除惯性定位的累积误差，也无法提供消防员所在楼层高度信息。中国专利201110047495.X通过三个实施例公开说明了一种用于火灾现场的，可进行三维定位，并协助消防员迅速实施灭火救援行动的消防员现场导航装置。实施例1中，其三维导航模块包含GPS模组和地磁惯性导航模组，采用惯性导航和地磁导航的组合导航方法。惯性/地磁组合导航的方法受磁力计的输出误差影响严重，而磁力计的输出很容易受到周围环境软硬铁磁效应的影响，该实用新型中没有对三轴磁力计的输出误差进行补偿，因此该种方法的定位精度受环境因素影响很大，如在钢制结构的建筑物内，磁力计的输出受铁磁效应影响十分严重，采用实施例1的方法则无法得到准确的定位结果。此外，实施例I中GPS模组的定位信息仅作为初始定位参考，没有对GPS定位和惯性定位信息做融合，累积定位误差无法得到适时消除，只能通过重启设备的方式消除累积误差，难以保证长时间定位的准确性。实施例2中，采用RFID进行楼层高度识别，采用GPS模组进行GPS定位。采用RFID进行楼层高度识别，需要事先布置大量RFID电子标签，而GPS在室内环境下的定位结果是不可信的，因此实施例2很难在室内情况下实际应用。实施例3采用信号到达时间差定位算法，这种定位方法受多路效应及障碍物的遮挡影响严重。该实用新型所公开的方法，无法做到对消防员的运动姿态进行实时监测，没有对多种定位信息进行融合，难以保证长时间的定位精度。中国专利申请201210203123.6公开了一种消防员灭火救援定位指挥系统，该救援指挥系统包括通信基站、操作显示模块、单兵终端、信标和信标读写器，该方法能够实现消防员的定位，但是需要消防员每到达一个预定位置时就要对所带设备进行相应操作，紧急火场环境下，容易出现遗漏或者错误操作的情况，不是一种主动连续定位方法。消防员姿态检测目前主要分为基于视觉和基于穿戴式传感器两种。基于视觉的人体姿态检测会严重受到外界环境的影响，比如光照条件、遮挡情况、背景复杂程度等。基于穿戴式传感器的人体姿态检测一般通过检测人体躯干特定部位的角度或者加速度，通过阈值法进行姿态的判断。中国专利200910028156.X通过两个加速度计作为姿态传感器，通过设定加速度阈值能够识别静止、跑步、跳跃等姿态，但是难以区分弯腰和躺下等动作，并且由于该方法只采用了两个单轴加速度计，因此无法做到三轴加速度的实时测量，装置的佩戴位置及方向也有着严格的限制。中国专利申请201210185040.9提出了一种基于惯性导航模块和GPS的老年人摔倒检测定位装置，该装置利用神经网络、机器学习等算法能够较为准确的识别出老人摔倒的情况，但是该方法仅依靠GPS定位，当GPS信号出现遮挡时则定位功能失效,无室内定位功能，并且该方法利用一块惯性导航模块，只能实现单一的摔倒检测，无法区分比如弯腰、站立、行走、躺下等多种姿态，不适宜消防员复杂的室内外火场环境的3D无缝定位及姿态检测需求。综上，现有的消防员定位及姿态检测技术难以同时实现消防员室内外复杂火场环境下的连续3D无缝定位及多种运动姿态检测的需求。
发明内容本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统。针对消防员室内外复杂火场环境的应用背景，充分结合GPS定位及惯性定位技术的优点，设计一种实时、可靠、准确度高，能够为消防员同时提供室内外复杂环境下连续无缝3D定位及多种运动姿态检测功能的系统及其方法。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统，包括一基于STM32单片机的主控制电路板，一基于Sim-900的GPRS数据传输模块，一 GPS定位模块,一远程监控客户端以及分别佩戴于使用者的腰部及大腿外侧的惯性导航模块I和惯性导航模块II ;所述主控制电路板通过串口分别与所述GPRS数据传输模块、GPS定位模块以及惯性导航模块I和惯性导航模块II相连；所述GPRS数据传输模块利用GPRS网络采用基于TCP的Socket通信技术与绑定的远程监控客户端连接通信。该系统还包括连接于主控制电路板的电源。所述主控制电路板包括STM32单片机，以及分别与STM32单片机连接的液晶显示模块、存储模块EEPR0M24C256、按键、温度传感器、烟雾传感器和扩展I/O 口。所述惯性导航模块I和惯性导航模块II均包括一三轴加速度计，一三轴磁力计，一三轴陀螺仪，所述惯性导航模块I还包括气压计。一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统的检测方法，步骤如下:I)上电初始化；2)接收GPS信号，进行GPS定位；3)楼层高度和运动姿态的识别:利用气压计的数据进行楼层高度的判别，对惯性导航模块I和惯性导航模块II各个传感器三轴磁力计、三轴加速度计、三轴陀螺仪的数据融合之后输出的角度及加速度信息，通过查表法估计当前被测人员的运动状态；若当前运动状态为行走则转入步骤4)，否则转入步骤5)；4)行人航迹推算定位信息:根据主控制电路板中存储的步长及步频参数，利用惯性导航模块I的加速度及偏航角信息进行行人航迹推算定位；5)远程监控客户端接收消防员定位及姿态检测装置上传的信息，将GPS定位结果和行人航迹推算定位结果进行融合，并通过调用卫星地图的接口函数将最终定位结果标定在地图上，同时远程监控客户端完成当前消防员的运动状态以及火场内部环境温度各类信息的提示功能。所述步骤2)中GPS定位具体方法如下:21)判断GPS定位是否为有效定位:判断搜星个数是否大于4，再判断水平精度因子是否小于3，若两个条件均符合则为有效定位并转入步骤22)，否则为无效定位并转入步骤 23)；22)判断GPS定位是否为可信定位:首先，解算相邻两帧间GPS经纬度相隔距离，若所述距离小于2m则判断为可信定位，将GPS定位信息作为最终的定位结果，转入步骤23)；否则为不可信定位，转入步骤3)；23)根据GPS判断结果标记相应标志位或者清O,所述标志位包括:GPS有效标志位，GPS可信标志位。所述步骤3)中消防员的运动状态包括:行走、站立、弯腰、肌下、坐下、躺下、爬行。所述步骤3)中对惯性导航模块I和惯性导航模块II各个传感器三轴磁力计、三轴加速度计、三轴陀螺仪的数据融合之后输出角度及加速度信息的原理及过程为:31)惯性导航模块采集三轴陀螺仪信号，采用四元数姿态表达式，积分求得陀螺仪姿态角，然后采用三轴磁力计和三轴加速度计，利用大地磁场和重力磁场在地理坐标和运动坐标系之间的方向余弦进行绝对角度的解算。最后利用卡尔曼滤波对得到的姿态角度进行融合。最终惯性导航模块可以稳定的输出融合后的姿态角度及三轴加速度信息。采用这种方式的好处是，可以利用加速度计与磁力计克服单独采用陀螺仪引起的姿态角的发散，利用陀螺仪可以克服由于振动对加速度计的影响以及由于软硬铁磁对于磁力计的影响。四元数与欧拉角的相互转换:根据欧拉定理，刚体绕固定点的位移也可以是绕该点的若干次有限转动的合成。在欧拉转动中，将参与坐标系转动三次得到星体坐标系。在三次转动中每次的旋转轴是被转动坐标系的某一坐标轴，每次的转动角即为欧拉角。因此，用欧拉角确定的姿态矩阵是三次坐标转换矩阵的乘积。这些坐标转换矩阵都有如下标准形式:
权利要求1.一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统，包括一基于STM32单片机的主控制电路板，一基于Sim-900的GPRS数据传输模块，一 GPS定位模块,一远程监控客户端以及分别佩戴于使用者的腰部及大腿外侧的惯性导航模块I和惯性导航模块II ;其特征在于，所述主控制电路板通过串口分别与所述GPRS数据传输模块、GPS定位模块以及惯性导航模块I和惯性导航模块II相连；所述GPRS数据传输模块利用GPRS网络采用基于TCP的Socket通信技术与绑定的远程监控客户端连接通信。
2.如权利要求1所述的一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统，其特征在于，该系统还包括连接于主控制电路板的电源。
3.如权利要求1所述的一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统，其特征在于，所述主控制电路板包括STM32单片机，以及分别与STM32单片机连接的液晶显示模块、存储模块EEPR0M24C256、按键、温度传感器、烟雾传感器和扩展I/O 口。
4.如权利要求1所述的一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统，其特征在于，所述惯性导航模块I和惯性导航模块II均包括一三轴加速度计，一三轴磁力计，一三轴陀螺仪，所述惯性导航模块I还包括气压计。
专利摘要本实用新型公开了一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统。该系统包括一基于STM32单片机的主控制电路板，一基于Sim-900的GPRS数据传输模块，一GPS定位模块，一远程监控客户端以及惯性导航模块I和惯性导航模块II；主控制电路板通过串口分别与GPRS数据传输模块、GPS定位模块以及惯性导航模块I和惯性导航模块II相连；GPRS数据传输模块利用GPRS网络与绑定的远程监控客户端连接通信。本实用新型实现了消防员室内外3D无缝定位及姿态检测，可准确的对消防员的运动状态进行识别判断，同时可以实现对消防员的室内外3D无缝定位，针对消防人员的应用场合，系统可以扩展有毒气体传感器、烟雾、温度等传感器，对于保障复杂火场环境下作业的消防员的生命安全具有重要意义。
文档编号G01S19/49GK202975337SQ201220735859
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者周风余, 田国会, 袁宪锋, 李岩, 周晨磊, 袁通, 晁彦举, 刘志勇, 台述鹏, 赵文斐 申请人:山东大学