基于IMU的消防单兵室内定位系统及算法研究

发布时间：2020-08-12 02:49

【摘要】：准确判断消防员在室内的位置,保证消防单兵的生命安全是火灾救援生作中亟待解决的问题。论文综合考虑了消防员的步态运动、活动范围和现场环境等因素,利用惯性测量单元(Inertial measurement unit,IMU)设计并实现了消防单兵室内定位系统,提出了一种基于步态信息辅助的室内定位算法。论文的主要研究内容如下:首先,论文根据单兵运动过程中的步态变化规律,对比了多种定位装置的优劣,设计了一种可嵌入鞋垫式的IMU单兵定位系统。实际测试结果表明鞋垫式定位系统具有动态特征清晰,有助于快速跟踪单兵运动中的步伐周期。其次,针对单一惯性测量元件在多步态运动下步频检测兼容性差的问题,提出一种集加速度、跖骨压力、足跟压力多路数据的步频检测方法,并引入了在零速区间、静态空闲区和步态运动区下的处理机制,实验表明该机制能够克服单一元件的测量误差,提高了步频检测能力。再次,提出了一种基于人工萤火虫参数优化的随机森林分类算法,实现了单兵多步态分类;考虑到不同步态、步速、身高等因素对实际运动步长的影响,构建了一种基于步态信息辅助的自调参非线性步长估计模型,测试结果表明该模型对于单兵运动中的步长估计具有良好的动态自适应性,解决了在室内复杂环境下的误差累积效应。最后,针对消防单兵在运动过锃中由于脚部摆动导致的航向估计误差,提出了一种基于步态信息辅助的航向修正方法,通过实际测试该方法能够准确估计单兵运动中的航向。综上,本文通过对单兵运动时的步频、步长、航向信息的准确计算,利用行人航迹推算原理,实现了一套高精度的单兵室内定位算法。测试结果表明:室内定位的水平精度±3%,垂直精度±0.5%,运动轨迹闭合精度±3‰,可满足消防单兵的室内定位要求。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：E11
【图文】：

率是消防领域亟待解决的难题。就国内而言，每年由于大中型建筑物火灾事故所造成的大量经济损失和人员伤引起了国内各界人士的广泛关注。如图1.1所示为2018年全国起火原因起数分布情图中可以看出，每年起火原因很多。其中，电气设备引起的火灾事故占比最大，年火灾起数的34.6%，用火不慎等其它不明确原因也占比较高。如图1.2所示为20国分片区火灾及伤亡分布情况[1]。从图中可以看出，我国火灾形势严峻，在各行稍有不慎就有可能引发火情。据不完全统计，国内每年抢险救灾事件高达数十万起。2016年，全国共接报火灾起，亡1582人，伤1065人，直接财产损失37.2亿元；2017年1至10月，全国共接报.9万起，亡1065人，伤679人，直接财产损失26.2亿元；2018年全国共接报火灾23，造成1407人死亡、798人受伤、直接财产损失达36.75亿元。与去年同期相比，升57.9%[1-3]。2018年全国消防救援队伍接警出动115.7万起，出动消防救援人员12人次，出动消防车辆219.3万辆次，从灾害事故中营救遇险被困人员15万人，疏散.6万人，抢救保护财产价值312亿元。因此，如何保障消防员在火场中的生命安全火灾救援工作的整体运行效率，减少人员伤亡及财产损失是亟待解决的重要问题

图1.2 2018年全国分片区火灾及伤亡分布情况灾现场环境恶劣，情况复杂，为了保证消防员在抢险救灾中的生命安全，战整体效率的提升，就需要研究并设计出面对恶劣复杂环境下的单兵作战随着科学技术的不断发展，安全工程行业也对单兵作战装备的科技含量提高标准。稳定、可靠、高效的消防单兵设备是消防领域技术水平的一个重安全科研单位需要研究的重点。而单兵室内定位就是其中需要解决的一个当前现有的室内外定位设备无法在陌生及复杂的火灾现场为消防员提供稳服务。因此，研究并设计出一种能够在消防员进入建筑事故现场后进行长踪，为现场指挥人员提供精准的消防单兵在作战过程中的位置信息、状态况等安全评估信息的消防设备是目前亟待解决的现实问题。防单兵室内定位系统主要是用来解决消防员在救灾现场无法准确定位的难挥人员提供准确可靠的消防人员在室内作战过程中的位置信息，提高消防灾现场的整体运行效率。然而，利用GPS、北斗等卫星实现的位置服务具，在一些建筑高楼、地下、隧道等遮挡性严重的场所，造成卫星信号被严用在室内环境作战下的单兵定位系统中[4,6]。传统的基于无线信号强度的室

1 绪论3图1.3为2018年北京龙旗瑞公司开始利用MEMS微惯性测量元件实现消防员在室内的单兵定位测试现场，采用惯性传感器推算每个消防员在室内的位置。可见，目前已经开始探索利用惯性测量元件来解决消防员的室内位置定位难题了。图1.3 消防单兵作战现场图虽然，目前我国在消防领域安全方面进行了相关的研究探索，但距实际应用还有一定距离。而目前基本采用惯性测量单元的相关融合算法实现单兵运动的位置定位，尚没有一套完整的、解决消防员在多步态、长时间复杂环境下的单兵定位系统。因此，本文是在现有室内定位研究成果的基础上，综合考虑了消防员的步态运动、活动范围和现场环境等因素，设计并实现了基于IMU的消防单兵室内定位系统，提出了一种基于步态信息的单兵定位算法。目的在于能够为适应多步态、长时间、多任务的消防装备提供技术支持

【参考文献】

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本文编号：2789940