一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法技术

一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法，用于为在火灾现场执行应急抢险救援任务的消防员提供其自身位置信息。该定位方法仅需一枚参考节点，由进入火场的消防员临时放置在执行救援任务的环境中，随后结合消防员的运动速度与姿态数据，建立“虚拟参考节点阵列”，利用无线测距原理获得消防员与虚拟参考节点之间的相对距离，建立测距方程组，解算消防员所处的位置。消防员开始执行任务时，首先经惯性导航系统实现自主定位；当满足构建虚拟参考节点阵列的条件之后，利用消防员携带的惯性传感器计算出的速度与姿态信息，构建虚拟参考节点阵列；最后，求解消防员与虚拟参考节点之间满足的测距方程组，实现消防员的室内定位。

A method of fireman's indoor location based on single reference node / inertial combination

An indoor location method of firefighters based on single reference node / inertial combination is used to provide their own location information for firefighters carrying out emergency rescue and rescue tasks in the fire scene. The location method only needs one reference node, which is temporarily placed by firefighters entering the fire scene in the environment of carrying out rescue tasks. Then combined with the movement speed and attitude data of firefighters, the \virtual reference node array\ is established. The relative distance between firefighters and virtual reference nodes is obtained by using the principle of wireless distance measurement, and the distance measurement equations are established to calculate the location of firefighters \u3002 When firefighters start to carry out their tasks, they first realize their own positioning through the inertial navigation system; when the conditions for building a virtual reference node array are met, they use the speed and attitude information calculated by the inertial sensor carried by firefighters to build a virtual reference node array; finally, they solve the distance equations between firefighters and virtual reference nodes to achieve the indoor firefighters Location.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法
本专利技术涉及一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法，利用消防员进入火场后临时投放的单个参考节点、消防员自身携带的移动节点、三轴加速度计以及三轴陀螺仪，确定消防员所处位置。适用于为在火灾现场执行应急抢险救援任务的消防员提供其自身位置信息。
技术介绍
建筑物火灾事故是造成人民财产损失，威胁人民生命安全的重大事故，多年来在我国时有发生。发生建筑物火灾事故时，需要消防员担负起进入火灾现场抢险救援的重要任务。在此期间，确保消防员的人身安全，也是有效处理事故、及时控制火情的重要前提条件。但是由于大型建筑的构造往往十分复杂，消防员在紧急情况下容易因为不熟悉建筑构造而迷路，对消防员救援任务的开展造成干扰，影响消防员的工作效率，甚至会对消防员的生命安全构成威胁。因此，为了保障消防员的生命安全，提高其抢险救援任务的执行效率，需要对消防员室内定位系统的可靠性与准确性进行研究。由于建筑物对于卫星定位信号的阻挡，GPS定位系统在室内的定位精度明显下降，甚至无法使用。在目前蓬勃发展的室内定位技术中，基于WiFi、蓝牙、红外等设备，即依赖无线定位网络的室内定位系统取得了一定的成果，有部分技术已经进入应用市场。但利用无线信号定位时，首先要在建筑物内的各个已知点布设信号发射装置，由人体携带的接收装置接收信号并判断距离，而在已经起火的建筑物内和有火情的高温场所，很难现场布置多个参考节点并迅速获得它们之间的相对位置。在此背景下，本专利技术提出了一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法。一方面，该方法只需在室内放置一个参考节点，系统结构简单，无需事先布放多个用于定位的参考节点，能有效降低硬件复杂性和安装复杂性，更适用于火灾等突发状况下的应急救援场景；另一方面，该方法将无线测距定位与惯性导航算法进行组合，能够有效抑制单一惯性导航存在的累积误差，也能够避免参考节点与移动节点之间无线信号收发出现异常时直接造成定位系统瘫痪，提高了定位系统的可靠性。此外，该方法利用高斯-牛顿迭代法在单参考节点/惯性组合定位结果的基础上进行单次或多次迭代，可以在一定程度上降低算法中存在的近似误差，改善最小二乘线性拟合对异常噪声过于敏感的问题，提高定位精度。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：综合考量惯性导航的定位精度与系统参考节点布放的复杂程度，提出一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法，该方法仅需一枚参考节点，且可由进入火场的消防员临时放置在执行救援任务的环境中，随后结合消防员的运动速度与姿态数据，建立“虚拟参考节点阵列”，利用测距原理获得消防员携带的移动节点与虚拟参考节点之间的相对距离，建立测距方程组，解算消防员在当前采样时刻所处的位置。本专利技术的技术解决方案为：一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法，其特点在于通过下列步骤实现：(1)仅需一枚参考节点，且可由进入火场的消防员临时放置在执行救援任务的环境中；(2)当满足构建虚拟参考节点阵列的条件之后，利用消防员携带的三轴加速度计以及三轴陀螺仪计算出的速度与姿态信息，结合参考节点所在位置，构建虚拟参考节点阵列；(3)利用无线测距原理获得消防员与虚拟参考节点之间的相对距离，建立测距方程组，解算消防员在当前采样时刻所处的位置。所述步骤(2)中的虚拟参考节点阵列构建方法为：消防员将单个参考节点放置在执行救援任务的环境中，令该参考节点作为消防员室内导航坐标系原点XAT＝(xt,yt,Zt)T＝(0,0,0)T，利用无线电信号传播的时间确定消防员与参考节点之间的距离r。对于第i个和第i+1个测距周期，对应的无线测距观测方程为：结合消防员工作时的运动参数，设第i个测距周期时消防员的运动速度为Vbi＝(vxi,vyi,vzi)T，测距周期为T，则相邻测距周期的消防员位置关系满足：将上述式子整理可得：构建无线测距观测方程时，利用的是消防员在不同位置时与参考节点之间的测量距离。如果把其中的xt+vxi·T、yt+vyi·T和zt+vzi·T作为一个整体，这就相当于把消防员的运动参数传递给了实际布放的参考节点XAT＝(xt,yt,zt)T，则测距方程的物理意义变成消防员在Xb(i+1)处与不同参考节点的声学测距。其中，虚拟参考节点VT＝(xt+vxi·T,yt+vyi·T,zt+vzi·T)T所述步骤(3)中的测距方程解算消防员位置方法为：当消防员位于火灾现场Xbn处时，根据相邻测距周期的消防员位置关系，得到：所以，第i个测距周期的消防员位置Xbi与Xbn的关系满足：则第i个测距周期对应的测距方程可以写成利用虚拟参考节点VT的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：‖Xbn-VTi‖＝ri将上述各式整理后，采用最小二乘即可解算得到消防员的当前位置Xbn：Xbn＝(ATA)-1ATB其中，Ai＝(VTi-VTi-1)T本专利技术的原理是：由进入火场的消防员将单个参考节点临时放置在执行救援任务的环境中，随后结合消防员的运动速度与姿态数据，建立“虚拟参考节点阵列”，利用测距原理获得消防员携带的移动节点与虚拟参考节点之间的相对距离，建立测距方程组，解算消防员在当前采样时刻所处的位置。消防员开始执行任务时，首先根据其所在的初始位置，经惯性导航系统实现自主定位，同时利用无线测距设备测出消防员携带的移动节点与参考节点之间的距离；当满足构建虚拟参考节点阵列的条件之后，利用消防员携带的三轴加速度计以及三轴陀螺仪计算出的速度与姿态信息，结合参考节点所在位置，构建虚拟参考节点阵列；最后，列写消防员(移动节点)与虚拟参考节点之间满足的测距方程组，通过最小二乘法求解该方程组，并辅以高斯-牛顿迭代法提高定位解算精度，实现消防员的室内定位。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)单参考节点无线测距定位系统，只需在室内放置一个参考节点，系统结构简单，无需事先布放多个用于定位的参考节点，能有效降低硬件复杂性和安装复杂性，更适用于火灾等突发状况下的应急救援场景。对三轴陀螺仪输出的数据进行解算可以连续获得消防员的运动方向及姿态信息，对三轴加速度计输出的数据进行处理可以获得消防员的速度信息。(2)该方法将无线测距定位与惯性导航算法进行组合，能够有效抑制单一惯性导航存在的累积误差，也能够避免参考节点与移动节点之间无线信号收发出现异常时直接造成定位系统瘫痪，提高了定位系统的可靠性。利用高斯-牛顿迭代法在单参考节点/惯性组合定位结果的基础上进行单次或多次迭代，可以在一定程度上降低算法中存在的近似误差，改善最小二乘线性拟合对异常噪声过于敏感的问题，提高定位精度。附图说明图1为本专利技术涉及基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法流程图；图2为本专利技术涉及虚拟参考节点阵列构建示意图。具体实施方式本专利技术技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法，其特点在于：/n(1)仅需一枚参考节点，且可由进入火场的消防员临时放置在执行救援任务的环境中；/n(2)当满足构建虚拟参考节点阵列的条件之后，利用消防员携带的三轴加速度计以及三轴陀螺仪计算出的速度与姿态信息，结合参考节点所在位置，构建虚拟参考节点阵列；/n(3)利用无线测距原理获得消防员与虚拟参考节点之间的相对距离，建立测距方程组，解算消防员在当前采样时刻所处的位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法，其特点在于：
(1)仅需一枚参考节点，且可由进入火场的消防员临时放置在执行救援任务的环境中；
(2)当满足构建虚拟参考节点阵列的条件之后，利用消防员携带的三轴加速度计以及三轴陀螺仪计算出的速度与姿态信息，结合参考节点所在位置，构建虚拟参考节点阵列；
(3)利用无线测距原理获得消防员与虚拟参考节点之间的相对距离，建立测距方程组，解算消防员在当前采样时刻所处的位置。


2.根据权利要求1所述的一种基于单参考节点/惯性组合的消防员室内定位方法，其特征在于：综合了无线测距、三轴加速度传感器以及三轴陀螺仪三种传感器的不同特点，获取消防员所在位置信息。单参考节点无线测距定位系统，只需在室内放置一个参考节点，系统结构简单，无...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延顺，王楠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11