一种基于惯性测量元件的三维定位系统技术方案

本发明专利技术为一种基于惯性测量元件的三维定位系统，该系统包括数据采集终端与服务器端；所述数据采集终端包括传感器模块、第一微控制器、第一无线模块，所述第一微控制器的输入端连接传感器模块，第一微控制器的输出端连接第一无线模块，传感器模块、第一微控制器、第一无线模块集成在一起，数据采集终端固定在行人腰部；所述服务器端包括第二无线模块、第二微控制器、PC机，所述第二微控制器的输入端通过第二无线模块与数据采集终端的第一无线模块连接，第二微控制器的输出端连接PC机；所述传感器模块包括9轴惯性传感器模块和气压传感器模块。该系统能实时检测位于建筑物内消防员的运动状态，实现对消防员的三维定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性测量元件的三维定位系统
本专利技术所属三维定位
，具体涉及一种基于惯性测量元件的三维定位系统。
技术介绍
随着经济建设高速发展，城市规模不断扩大，社会财富大量积累，城市火灾、突发灾害事故等发生几率逐年增高，各类灾害对人类社会所造成的危害愈发触目惊心。现代城市火灾与突发灾害事故的特点表现在：一是：连锁性增强，一旦发生灾害，很容易出现连锁灾害或衍生灾害，形成大型、恶性火灾或重大灾害事故；二是：易燃易爆材料较多，火灾蔓延速度极快，过火面积迅速扩大，灾害事故殃及面多且广，指挥决策失误或者扑救不及时，在很短时间就可能酿成无法估量的生命和财产损失，还可能造成严重的环境污染和人们的负面心理效应，直接影响社会安定和经济发展，造成重大经济损失和较大政治影响。三是：灾害突发地点建筑布局复杂，楼宇结构不清楚，对消防部队的现场指挥和消防人员定位等方面都是新的巨大的考验，现场应急指挥通信保障能力及对灾害地点建筑格局和楼宇结构的了解能力等在这样的情况下暴露出明显的不足。因而，针对城市火灾与突发灾害事故的灭火救援力量的调度、指挥、部署、增援、协同作战等都提出了新的更高的要求。根据城市火灾与突发灾害事故的特点，研制新型的消防员室内定位系统，是消防救援力量调度指挥的基础，也是保障消防人员安全的硬件基础，具有重要的经济价值和社会价值。目前已有的三维定位系统大致可以分为以下几类：(1)基于无线信号发射设备的WiFi，RFID定位方式。这一类定位方式，主要通过接收WiFi，RFID发射的无线信号进行定位。但是由于火场环境的不确定性很高，无法提前布置无线信号发射设备，所以这一类定位方式无法应用于未知环境。(2)基于惯性导航(MEMS惯性传感器)的定位方式。惯性传感器无法提供行人的高度信息，所以单纯的使用惯性传感器无法实现行人的三维定位，比如2015年苏菲(苏菲,金志刚,王柄鉴.基于惯性传感器的便携式消防员搜救系统[J].计算机应用研究,2015,32(12):3677-3681.)提出的基于惯性传感器的便携式消防员搜救系统，选用微陀螺仪、微加速度计集成传感器和单轴/双轴磁阻传感器对消防员的运动数据进行采集，用STM32F103RBT6微控制器处理数据。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于惯性测量元件的三维定位系统，其可以实时检测位于建筑物内消防员的运动状态，采集消防员的运动数据，结合行人航位推算方法和从传感器模块中采集的高度信息对消防员进行三维定位。本专利技术的技术方案是：一种基于惯性测量元件的三维定位系统，其特征在于该系统包括数据采集终端与服务器端；所述数据采集终端包括传感器模块、第一微控制器、第一无线模块，所述第一微控制器的输入端连接传感器模块，第一微控制器的输出端连接第一无线模块，传感器模块、第一微控制器、第一无线模块集成在一起，数据采集终端固定在行人腰部；所述服务器端包括第二无线模块、第二微控制器、PC机，所述第二微控制器的输入端通过第二无线模块与数据采集终端的第一无线模块连接，第二微控制器的输出端连接PC机；所述传感器模块包括9轴惯性传感器模块和带温度补偿的气压传感器模块，所述第一微控制器内加载有行人航位推算方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)本申请采用惯性传感器与气压传感器相结合的方式，并且将数据采集终端固定在腰上，使用单轴加速度的周期性对行人的运动状态进行检测，可以在一定程度上使定位数据解算简单化，同时使用的9轴惯性传感器模块精度更高，输出数据的稳定性更好。2)本专利技术提供一种基于惯性测量元件的三维定位系统，采用模块化设计，将系统分为了数据采集终端与服务器端两个部分，定位信息的获取与初步解算在数据采集终端进行，定位信息的综合计算与显示在服务器端进行，降低了对数据采集终端的性能要求，使系统简易化。3)本专利技术利用传感器模块实时采集消防员行走时的惯性参量、所处高度等信息，结合行人航位推算算法，可以实时计算出消防员的航向、相对位置信息；无线模块将数据采集终端采集到的定位数据实时传输到服务器端，经过Python的串口模块接收之后进行再处理，可以直观的将消防员的定位结果显示在服务器端。经过实际测试结果得知，行人正常行走100m，定位误差在1.5m以内，实现了本系统的功能。3)本申请系统可以用于正常情况下室内外的三维定位、发生火灾的情况下建筑物内消防员的三维定位等，能应用于未知环境。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于惯性测量元件的三维定位系统的硬件框图；图2为本专利技术提供的一种基于惯性测量元件的三维定位系统数据采集终端的软件流程图；图3为本专利技术提供的一种基于惯性测量元件的三维定位系统服务器端的软件流程图；图4为本专利技术提供的一种基于惯性测量元件的三维定位系统仿真实验结果；图中，1数据采集终端、2服务器端、11传感器模块、12第一微控制器、13第一无线模块、21第二无线模块、22第二微控制器、23PC机。具体实施方式为了便于理解本专利技术的技术方案，将在以下描述作进一步说明。但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。参照图1所示：一种基于惯性测量元件的三维定位系统，包括数据采集终端1与服务器端2；所述数据采集终端包括传感器模块11、第一微控制器12、第一无线模块13，所述第一微控制器的输入端连接传感器模块，第一微控制器的输出端连接第一无线模块，传感器模块11、第一微控制器12、第一无线模块13集成在一起，数据采集终端固定在行人腰部；所述服务器端包括第二无线模块21、第二微控制器22、PC机23，所述第二微控制器的输入端通过第二无线模块与数据采集终端的第一无线模块连接，第二微控制器的输出端连接PC机；所述第一微控制器内加载有行人航位推算方法，第一微控制器用来采集传感器模块的数据，并对这些数据进行初步的处理，计算出消防员的步长、校正欧拉角等；控制第一无线模块将步长、温度、高度信息以及校正后的欧拉角发送到服务器端。所述第二微控制器用于控制第二无线模块接收数据采集终端发送来的数据，然后将这些数据发送到PC机的串口。所述惯性测量元件为9轴惯性传感器模块。所述行人航位推算方法是一个根据行人步长和航向计算其距离室内已知初始位置的相对行走距离的算法，包括步伐检测、步长推算、方向推算三个部分。通过行人身上携带的9轴惯性传感器模块中的三轴加速度计的输出数据与计步阈值比较，判断行人是否跨出一步，若成功检测到行人跨出一步，则根据行人走动时惯性传感器的航向角输出和估计的步长l来计算行人跨步完成后的位置坐标。若已知行人第k-1步的位置坐标为(Xk-1,Yk-1)，则其第k步的位置坐标(Xk，Yk)为：所述步伐检测采用过阈值检测法，并利用一段时间的延时来排除因人体抖动造成的误计步，所述计步阈值的具体数值大小通过实验获得。其中，所述传感器模块包括9轴惯性传感器模块和带温度补偿的气压传感器模块，9轴惯性传感器模块的型号为LPMS-ME1，气压传感器的型号为BMP180。所述第一微控制器12的核心芯片为STM32芯片，主频速率为70M以上，优选STM32F103ZET6芯片；所述第二微控制器22的核心芯片选用STM8L101芯片。所述第一无线模块和第二无线模块为支持空闲信道评估(CCA)功能的、工作在433MHz的无线数据传输模块CC1101。使用时，将数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯性测量元件的三维定位系统，其特征在于该系统包括数据采集终端与服务器端；所述数据采集终端包括传感器模块、第一微控制器、第一无线模块，所述第一微控制器的输入端连接传感器模块，第一微控制器的输出端连接第一无线模块，传感器模块、第一微控制器、第一无线模块集成在一起，数据采集终端固定在行人腰部；所述服务器端包括第二无线模块、第二微控制器、PC机，所述第二微控制器的输入端通过第二无线模块与数据采集终端的第一无线模块连接，第二微控制器的输出端连接PC机；所述传感器模块包括9轴惯性传感器模块和带温度补偿的气压传感器模块，所述第一微控制器内加载有行人航位推算方法。

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性测量元件的三维定位系统，其特征在于该系统包括数据采集终端与服务器端；所述数据采集终端包括传感器模块、第一微控制器、第一无线模块，所述第一微控制器的输入端连接传感器模块，第一微控制器的输出端连接第一无线模块，传感器模块、第一微控制器、第一无线模块集成在一起，数据采集终端固定在行人腰部；所述服务器端包括第二无线模块、第二微控制器、PC机，所述第二微控制器的输入端通过第二无线模块与数据采集终端的第一无线模块连接，第二微控制器的输出端连接PC机；所述传感器模块包括9轴惯性传感器模块和带温度补偿的气压传感器模块，所述第一微控制器内加载有行人航位推算方法。2.根据权利要求1所述的基于惯性测量元件的三维定位系统，其特征在于所述行人航位推算方法包括步伐检测、步长推算、方向推算三个部分，通过行人身上携带的9轴惯性传感器模块中的三轴加速度计的输出数据与计步阈值比较，判断行人是否跨出一步，若成功检测到行人跨出一步，则根据行人走动时9轴惯性传感器模块的航向角输出和估计的步长l来计算行人跨步完成后的位置坐标；若已知行人第k-1步的位置坐标为(Xk-1，Yk-1)，则其第k步的位置坐标(Xk，Yk)为：3.根据权利要求1所述的基于惯性测量元件的三维定位系统，其特征在于9轴惯性传感器模块的型号为LPMS-ME1，气压传感器的型号为BMP180；所述第一微控制器的核心芯片为STM32芯片；所述第二微控制器的核心芯片选用STM8L101芯片；所述第一无线模块和第二无线模块为CC1101无线数据传输模块。4.根据权利要求3所述的基于惯性测量元件的三维定位系统，其特征在于所述第一微控制器的核心芯片为STM32F103ZET6芯片。5.根据权利要求1所述的基于惯性测量元件的三维定位系统，其特征在于数据采集终端的工作方式为：1)上电后，完成系统初始化、步数清零、获取初始欧拉角，开启第一微控制器中的定时器，定时25ms，定时时间到达之后对消防员行走过程中的线性加速度进行采样，获取行人的线性加速度；2)根据线性加速度的值判断是否达到计步阈值，计步阈值设定为-0.23，若线性加速度的值不小于计步阈值则返回继续判断是否到达...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥烨，倪立强，王静宜，苏彦莽，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12