一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置制造方法
【專利摘要】一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，該裝置包括室外信號(hào)接收基站、個(gè)人智能定位單元以及室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端。本發(fā)明主要應(yīng)用在消防救援與災(zāi)害搜救現(xiàn)場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞的場(chǎng)合，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)預(yù)置節(jié)點(diǎn)式的室內(nèi)定位需要提前安裝、外部供電、易受破壞的缺點(diǎn)；同時(shí)又能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)自主式室內(nèi)定位裝置的漂移大、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定位裝置領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用在消防救援與災(zāi)害搜救現(xiàn)場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞場(chǎng)合的三維空間定位裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界每年火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為地震災(zāi)害的五倍，而發(fā)生的頻率更是委居各種災(zāi)害之首?；馂?zāi)造成的危害極其嚴(yán)重，它不僅會(huì)造成人員傷亡、基礎(chǔ)設(shè)施損害，還能造成整個(gè)城市生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的紊亂，負(fù)面影響極大。
[0003]近年來，我國在經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展等方面取得了巨大成就，城市建設(shè)和發(fā)展更是突飛猛進(jìn)。城市規(guī)模擴(kuò)大、城市人口劇增以及大量復(fù)雜高層建筑、大型商場(chǎng)、大型物流倉庫等建筑大量涌現(xiàn)，使得消防員常常需要面臨救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、人員危險(xiǎn)系數(shù)高、二次災(zāi)難頻發(fā)等新問題。消防部隊(duì)承擔(dān)的各類火災(zāi)撲救和搶險(xiǎn)救援任務(wù)越來越重，災(zāi)難救援現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的轟燃、火焰、熱輻射、濃煙、有毒氣體、黑暗、建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜等多種復(fù)雜環(huán)境給消防偵察工作帶來極大不便，災(zāi)情的復(fù)雜性日益增大，滅火救援行動(dòng)危險(xiǎn)性越來越高，消防官兵在滅火救援和業(yè)務(wù)訓(xùn)練中出現(xiàn)傷亡的情況時(shí)有發(fā)生，人身安全難以得到保證。究其原因，主要是由于在傳統(tǒng)的消防裝備條件下，消防官兵進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，難以實(shí)時(shí)精確跟蹤定位，只能通過自身攜帶呼救器和方位燈遇險(xiǎn)報(bào)警，后方無法判斷消防官兵是否遇到危險(xiǎn)以及遇險(xiǎn)官兵所處位置，致使不能及時(shí)安排救助遇險(xiǎn)隊(duì)員，消防隊(duì)員生命安全難以保證。同時(shí)，后方消防救援指揮專家，不知道火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，也很難對(duì)消防救援工作給予全面準(zhǔn)確的指揮。因此，消防救援工作迫切需求一種能夠確定消防隊(duì)員的停止、行走、奔跑等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并精準(zhǔn)確定消防隊(duì)員在救援現(xiàn)場(chǎng)位置的消防單兵室內(nèi)三維空間定位系統(tǒng)。
[0004]現(xiàn)有依托衛(wèi)星、基站、UWB、RSSI等技術(shù)的室內(nèi)實(shí)時(shí)定位技術(shù)，均需在建筑物內(nèi)部提前預(yù)置節(jié)點(diǎn)，而火災(zāi)發(fā)生時(shí)必須停電停氣，難以通過預(yù)置節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，存在“非自主”及“定位難”的技術(shù)瓶頸，無法滿足消防需求。
[0005]本發(fā)明提出一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)預(yù)置節(jié)點(diǎn)式的室內(nèi)定位需要提前安裝、外部供電、易受破壞的缺點(diǎn)；同時(shí)又能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)自主式室內(nèi)定位裝置的漂移大、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。此外，該室內(nèi)自主三維空間定位裝置還具有架設(shè)簡(jiǎn)單、速度快，無需提前標(biāo)定，穩(wěn)定性強(qiáng)，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠重點(diǎn)應(yīng)用在消防救援與災(zāi)害搜救現(xiàn)場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞的場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)預(yù)置節(jié)點(diǎn)式的室內(nèi)定位需要提前安裝、外部供電、易受破壞等問題；同時(shí)又能夠有效抑制傳統(tǒng)自主式室內(nèi)定位裝置的漂移大、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，本發(fā)明公開的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置。該定位裝置具有架設(shè)簡(jiǎn)單、速度快，無需提前標(biāo)定，穩(wěn)定性強(qiáng)，定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠重點(diǎn)應(yīng)用在消防救援與災(zāi)害搜救現(xiàn)場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞的場(chǎng)合。[0007]本發(fā)明公開的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，包括:室外信號(hào)接收基站、個(gè)人攜帶智能定位單元以及室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端。其中，室外信號(hào)接收基站是基于近場(chǎng)電磁測(cè)距原理的一種信號(hào)接收基站，用于接收近場(chǎng)電磁標(biāo)簽發(fā)出的近場(chǎng)電磁信號(hào)，同時(shí)具備定位信息傳送能力；個(gè)人攜帶智能定位單元主要包括近場(chǎng)電磁標(biāo)簽、慣性測(cè)量單元、地磁測(cè)量單元、個(gè)人信號(hào)發(fā)射裝置和電池；室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端包括接收室外信號(hào)接收基站的接收器、接收個(gè)人攜帶智能定位單元的接收器、數(shù)據(jù)處理終端和顯示終端。
[0008]進(jìn)一步的，所述3個(gè)室外信號(hào)接收基站均安裝在消防車上，包括:室外信號(hào)接收基站I (1-1)、室外信號(hào)接收基站2(1-8)、室外信號(hào)接收基站3(1-10);室外信號(hào)接收基站1(1-1)、2 (1-8)、3 (1-10)由5部分組成:近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2_8)、定位信息接收器(2-7)、數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)、信息傳輸器(2-2)、室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)；其中，數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)統(tǒng)一調(diào)度近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)、定位信息接收器(2-7)和信息傳輸器(2-2);數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 I (2-5)，控制近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8);近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)，用于分析消防員的近場(chǎng)電磁信號(hào)(2-10)特征，形成位置信息，通過數(shù)字接口 1(2-5)傳輸給數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4);數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 2 (2-6)，控制定位信息接收器(2-7);定位信息接收器(2_7)接收個(gè)人智能定位單元(1-12)的慣性位置信息(2-9);數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 3(2-3)將融合的近場(chǎng)電磁位置信息和慣性位置信息傳輸給信息傳輸器(2-2)，信息傳輸器(2-2)通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式(2-1),將融合后的信息傳輸給室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4);室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)借助消防車上的車載電源，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，為各個(gè)部件供電；室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)通過電平轉(zhuǎn)換1(2-13)為信息傳輸器(2-2)供電；通過電平轉(zhuǎn)換2(2-14)為數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)供電；通過電平轉(zhuǎn)換3(2-15)為近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器供電；通過電平轉(zhuǎn)換4(2-11)為定位信息接收器供電。
[0009]所述個(gè)人智能定位單元(1-12)，佩戴于消防員(4-1)腰部皮帶上(4-2)。所述個(gè)人智能定位單元(1-12)的慣性參考坐標(biāo)系(4-3)定義如下:x軸(4-4)指向消防員(4-1)左側(cè)，y軸(4-5)指向消防員(4-1)前方，z軸(4-6)指向消防員(4-1)下方。
[0010]個(gè)人智能定位單元(1-12)利用X軸陀螺儀(3-1)、y軸陀螺儀(3-3)、z軸陀螺儀(3-4)組成的陀螺系統(tǒng)(3-2)測(cè)量消防員的角運(yùn)動(dòng)；利用X軸加速度計(jì)(3-6)、y軸加速度計(jì)(3-7)、z軸加速度計(jì)(3-8)組成的加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)測(cè)量消防員的線運(yùn)動(dòng)；利用X軸磁強(qiáng)計(jì)(3-11)、y軸磁強(qiáng)計(jì)(3-12)、z軸磁強(qiáng)計(jì)(3_13)組成的磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3_14)測(cè)量消防員的磁場(chǎng)環(huán)境信息；利用溫度傳感器(3-16)測(cè)量消防員周邊及其個(gè)人智能定位單元(1-12)內(nèi)部器件工作溫度。
[0011]X軸陀螺儀(3_l)、y軸陀螺儀(3-3)和z軸陀螺儀(3_4)通過數(shù)據(jù)采集I (3_5)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19) ;x軸加速度計(jì)(3-6)、y軸加速度計(jì)(3_7)、z軸加速度計(jì)(3_8)通過數(shù)據(jù)采集2 (3-10)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19) ^軸磁強(qiáng)計(jì)(3-11)、y軸磁強(qiáng)計(jì)(3_12)、z軸磁強(qiáng)計(jì)(3-13)過數(shù)據(jù)采集3 (3-15)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19);溫度傳感器(3_16)通過數(shù)據(jù)采集4 (3-18)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19);信號(hào)預(yù)處理組件(3-19)通過將采集到的陀螺系統(tǒng)(3-2)、加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)、磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)和溫度傳感器(3-16)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換接口(3-20)傳輸至個(gè)人信息融合器(3-21)。[0012]個(gè)人信息融合器(3-21)同時(shí)負(fù)責(zé)通過IO接口(3-22)控制近場(chǎng)電磁標(biāo)簽(3_17)的信號(hào)發(fā)送。個(gè)人信息融合器(3-21)綜合采集到的陀螺系統(tǒng)(3-2)、加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)、磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)和溫度傳感器(3-16)信息，計(jì)算消防員的慣性位置信息。個(gè)人信息融合器(3-21)通過數(shù)字接口 4(3-22)，控制個(gè)人信號(hào)發(fā)射裝置(3-23)向外界傳送慣性位置信
息。 [0013]進(jìn)一步的，該裝置的個(gè)人智能定位單元(1-12)算法為:預(yù)處理后的傳感器(5-1)，將傳感器信息1(5-2)傳輸進(jìn)誤差補(bǔ)償模塊(5-3)中，誤差補(bǔ)償模塊(5-3)將經(jīng)過外部修正(5-4)后的傳感器信息2(5-5)傳輸進(jìn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，解算模塊(5-6)中，進(jìn)行位置推算，獲得慣性位置推算信息(5-7);經(jīng)過外部修正(5-4)后的傳感器信息2(5-5)進(jìn)入人體運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則判定模塊(5-11)計(jì)算修正量和觸發(fā)信息(5-12)，來控制信息融合濾波器(5-13)的工作情況，信息融合濾波器(5-13)根據(jù)融合結(jié)果推算出外部修正(5-4)模式和慣性位置推算信息誤差(5-10);通過誤差消除手段(5-8)，最終得到慣性位置信息(5-9)。
[0014]數(shù)據(jù)分析終端供電系統(tǒng)(6-1)、顯示終端(6-3)、數(shù)據(jù)處理終端(6-6)、定位信息接收器2(6-10)和室外基站信息接收器(6-13);數(shù)據(jù)處理終端(6-6)通過數(shù)字接口 5(6-11)獲取定位信息接收器2 (6-10)接收到的慣性位置信息(6-9);通過數(shù)字接口 6(6-12)獲取室外基站信息接收器(6-13)接收到的3個(gè)室外基站分析信息(6-14);數(shù)據(jù)處理終端(6-6)對(duì)慣性位置信息(6-9)和室外基站分析信息(6-14)進(jìn)行融合處理，并將消防員的最終位置信息(6-5)傳輸?shù)斤@示終端(6-3)，其中數(shù)據(jù)處理終端(6-6)具有人機(jī)交互能力；數(shù)據(jù)分析終端供電系統(tǒng)(6-1)通過電平轉(zhuǎn)換5(6-2)為顯示終端(6-3)供電；通過電平轉(zhuǎn)換6(6-4)為數(shù)據(jù)處理終端(6-6)供電；通過電平轉(zhuǎn)換7 (6-7)為室外基站接收器(6-13)供電；通過電平轉(zhuǎn)換8(6-8)為定位信息接收器2 (6-13)供電。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0016]I)本發(fā)明提供的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，利用架設(shè)在室外的三個(gè)室外接收基站，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)預(yù)置節(jié)點(diǎn)式的室內(nèi)定位需要提前安裝、外部供電、易受破壞的缺點(diǎn)。
[0017]2)本發(fā)明利用近場(chǎng)電磁進(jìn)行三維測(cè)距，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)自主式室內(nèi)定位裝置的漂移大、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)；利用慣性測(cè)量單元、地磁測(cè)量單元，對(duì)近場(chǎng)電磁信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，增強(qiáng)了近場(chǎng)電磁信號(hào)的準(zhǔn)確性，使得定位裝置可以進(jìn)行全區(qū)域定位跟蹤。
[0018]3)本發(fā)明公開的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，包括室外信號(hào)接收基站、個(gè)人攜帶智能定位單元以及室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端公，具有架設(shè)簡(jiǎn)單、速度快，無需提前標(biāo)定，穩(wěn)定性強(qiáng)，定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明室內(nèi)自主三維空間定位裝置系統(tǒng)框圖；
[0020]圖2為本發(fā)明室外信號(hào)接收基站系統(tǒng)組成框圖；
[0021]圖3為本發(fā)明個(gè)人攜帶智能定位單元組成框圖；
[0022]圖4為本發(fā)明個(gè)人攜帶智能定位單元安裝示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明個(gè)人攜帶智能定位單元解算框圖；
[0024]圖6為本發(fā)明室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端組成框圖；
[0025]圖7為本發(fā)明室內(nèi)自主三維空間定位裝置工作流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]根據(jù)附圖1-7，具體描述本發(fā)明公開的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置。該裝置包括室外信號(hào)接收基站、個(gè)人智能定位單元以及室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端。其中，室外信號(hào)接收基站是基于近場(chǎng)電磁測(cè)距原理的一種信號(hào)接收基站，用于接收近場(chǎng)電磁標(biāo)簽發(fā)出的近場(chǎng)電磁信號(hào)，同時(shí)具備定位信息傳送能力；個(gè)人智能定位單元主要包括近場(chǎng)電磁標(biāo)簽、慣性測(cè)量單元、地磁測(cè)量單元、個(gè)人信號(hào)發(fā)射裝置和電池；室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端包括接收室外信號(hào)接收基站的接收器、接收個(gè)人智能定位單元信息的定位信息接收器、數(shù)據(jù)處理終端和顯示終端。
[0027]當(dāng)居民住宅、大型商場(chǎng)等復(fù)雜建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防員攜帶個(gè)人智能定位單元(1-12)進(jìn)入火場(chǎng)，個(gè)人智能定位單元(1-12)發(fā)送個(gè)人信息(1-3、1-9、1-11)到室外信號(hào)基站I (1-1)、室外信號(hào)基站2 (1-8)和室外信號(hào)基站3 (1-10)。個(gè)人智能定位單元(1-12)發(fā)送的個(gè)人信息I (1-3)包括近場(chǎng)電磁信號(hào)和慣性位置信息；同理個(gè)人信息2(1-9)、個(gè)人信息3(1-11)包括近場(chǎng)電磁信號(hào)和慣性位置信息。室外信號(hào)基站I (1-1)、室外信號(hào)基站2 (1-8)和室外信號(hào)基站3 (1-10)將接收到的個(gè)人信息I (1-3)、個(gè)人信息2 (1-9)、個(gè)人信息4 (1-11)進(jìn)行分別計(jì)算后，通過無線傳輸方式I (1-2)、無線傳輸方式2 (1-6)和無線傳輸方式3 (1-7)傳輸至室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4)。室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4)分析接收到的室外信號(hào)基站I (1-1)、室外信號(hào)基站2(1-8)、室外信號(hào)基站3(1-10)的信息和個(gè)人智能定位單元(1-12)發(fā)送的個(gè)人信息4(1-5)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，綜合計(jì)算出消防員的自身位置，其中個(gè)人信息4 (1-5)僅包含慣性位置信息。
[0028]本發(fā)明包含3個(gè)室外信號(hào)接收基站，均安裝在消防車上，主要包括:室外信號(hào)接收基站I (1-1)、室外信號(hào)接收基站2 (1-8)、室外信號(hào)接收基站3 (1-10)。室外信號(hào)接收基站(1-1、1-8、1-10)主要由5部分組成:近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)、定位信息接收器(2_7)、數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)、信息傳輸器(2-2)、室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)。數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)統(tǒng)一調(diào)度近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)、定位信息接收器(2-7)和信息傳輸器(2-2)。數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 I (2-5)，控制近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)；近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)，分析消防員的近場(chǎng)電磁信號(hào)(2-10)特征，形成位置信息，通過數(shù)字接口(2-5)傳輸給數(shù)據(jù)分析處理裝置。數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 2(2-6)，控制定位信息接收器(2-7);定位信息接收器(2-7)接收個(gè)人智能定位單元(1-12)的慣性位置信息(2-9)。數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 3(2-3)將融合的近場(chǎng)電磁位置信息和慣性位置信息傳輸給信息傳輸器(2-2),信息傳輸器(2-2)通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式(2-1)，將融合后的信息傳輸給室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4)。室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)借助消防車上的車載電源，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，為各個(gè)部件供電。室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)通過電平轉(zhuǎn)換1(2-13)為信息傳輸器(2-2)供電；通過電平轉(zhuǎn)換2 (2_14)為數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)供電；通過電平轉(zhuǎn)換3 (2-15)為近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器供電；通過電平轉(zhuǎn)換4(2-11)為定位信息接收器供電。
[0029]本發(fā)明包含個(gè)人智能定位單元(1-12)，其佩戴于消防員(4-1)腰部皮帶上(4-2)。個(gè)人智能定位單元(1-12)的慣性參考坐標(biāo)系(4-3)定義如下:x軸(4-4)指向消防員(4-1)左側(cè)，y軸(4-5)指向消防員(4-1)前方，z軸(4-6)指向消防員(4-1)下方。個(gè)人智能定位單元(1-12)利用X軸陀螺儀(3-1)、y軸陀螺儀(3-3)、z軸陀螺儀(3-4)組成的陀螺系統(tǒng)(3-2)測(cè)量消防員的角運(yùn)動(dòng)。個(gè)人智能定位單元(1-12)利用X軸加速度計(jì)(3-6)、y軸加速度計(jì)(3-7)、z軸加速度計(jì)(3-8)組成的加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)測(cè)量消防員的線運(yùn)動(dòng)。個(gè)人智能定位單元(1-12)利用X軸磁強(qiáng)計(jì)(3-11)、y軸磁強(qiáng)計(jì)(3_12)、z軸磁強(qiáng)計(jì)(3_13)組成的磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)測(cè)量消防員的磁場(chǎng)環(huán)境信息。個(gè)人智能定位單元(1-12)利用溫度傳感器(3-16)測(cè)量消防員周邊及其個(gè)人智能定位單元(1-12)內(nèi)部器件工作溫度。X軸陀螺儀(3-1)、y軸陀螺儀(3-3)和z軸陀螺儀(3-4)通過數(shù)據(jù)采集I (3_5)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19) ;x軸加速度計(jì)(3-6)、y軸加速度計(jì)(3_7)、z軸加速度計(jì)(3_8)通過數(shù)據(jù)采集2(3-10)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19) ^軸磁強(qiáng)計(jì)(3-11)、y軸磁強(qiáng)計(jì)(3_12)、z軸磁強(qiáng)計(jì)(3-13)過數(shù)據(jù)采集3 (3-15)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19);溫度傳感器(3_16)通過數(shù)據(jù)采集4(3-18)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19)。信號(hào)預(yù)處理組件(3-19)通過將采集到的陀螺系統(tǒng)(3-2)、加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)、磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)和溫度傳感器(3-16)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換接口(3-20)傳輸至個(gè)人信息融合器(3-21)。個(gè)人信息融合器(3-21)同時(shí)還負(fù)責(zé)通過IO接口(3-22)控制近場(chǎng)電磁標(biāo)簽(3-17)的信號(hào)發(fā)送。個(gè)人信息融合器(3-21)綜合采集到的陀螺系統(tǒng)(3-2)、加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)、磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)和溫度傳感器(3-16)信息，計(jì)算消防員的慣性位置信息。其算法主要為:預(yù)處理后的傳感器(5-1),將傳感器信息I (5-2)傳輸進(jìn)誤差補(bǔ)償模塊(5-3)中，誤差補(bǔ)償模塊(5-3)將經(jīng)過外部修正(5-4)后的傳感器信息2 (5-5)傳輸進(jìn)SINS (捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，Strapdown Inertial Navigation System)解算模塊(5-6)中，進(jìn)行位置推算，獲得慣性位置推算信息(5-7);經(jīng)過外部修正(5-4)后的傳感器信息2 (5-5)進(jìn)入人體運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則判定模塊(5-11)計(jì)算修正量和觸發(fā)信息(5-12)，來控制信息融合濾波器(5-13)的工作情況，信息融合濾波器(5-13)根據(jù)融合結(jié)果推算出外部修正(5-4)模式和慣性位置推算信息誤差(5-10);通過誤差消除手段(5-8)，最終得到慣性位置信息(5-9)。個(gè)人信息融合器(3-21)通過數(shù)字接口 4(3-22)，控制個(gè)人信號(hào)發(fā)射裝置(3-23)向外界傳送慣性位置信息。電池模塊(3-24)為個(gè)人智能定位單元(1-12)各分系統(tǒng)供電。[0030]本發(fā)明包含室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4)，其主要包括:數(shù)據(jù)分析終端供電系統(tǒng)(6-1)、顯示終端(6-3)、數(shù)據(jù)處理終端(6-6)、定位信息接收器2(6-10)和室外基站信息接收器(6-13)。數(shù)據(jù)處理終端(6-6)通過數(shù)字接口 5(6-11)獲取定位信息接收器2 (6_10)接收到的慣性位置信息(6-9);通過數(shù)字接口 6(6-12)獲取室外基站信息接收器(6-13)接收到的3個(gè)室外基站分析信息(6-14)。數(shù)據(jù)處理終端(6-6)對(duì)慣性位置信息(6-9)和室外基站分析信息(6-14)進(jìn)行融合處理，并將消防員的最終位置信息(6-5)傳輸?shù)斤@示終端(6-3)，其中數(shù)據(jù)處理終端(6-6)具有一定的人機(jī)交互能力。數(shù)據(jù)分析終端供電系統(tǒng)(6-1)通過電平轉(zhuǎn)換5(6-2)為顯示終端(6-3)供電；通過電平轉(zhuǎn)換6(6-4)為數(shù)據(jù)處理終端(6_6)供電；通過電平轉(zhuǎn)換7(6-7)為室外基站接收器(6-13)供電；通過電平轉(zhuǎn)換8(6-8)為定位信息接收器2 (6-13)供電。
[0031]本發(fā)明室內(nèi)自主三維空間定位裝置工作模式為:系統(tǒng)開機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)自檢(7-1)，包括室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4)、室外信號(hào)基站I (1-1)、室外信號(hào)基站2(1-8)、室外信號(hào)基站3 (1-10)和對(duì)應(yīng)數(shù)量的個(gè)人智能定位單元(1-12);系統(tǒng)自檢成功(7-2)后每個(gè)消防員攜帶I套個(gè)人智能定位單元(1-12)，在室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4)設(shè)定的原點(diǎn)位置靜止站立10秒鐘，進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)；初始對(duì)準(zhǔn)成功(7-4)后整個(gè)系統(tǒng)開始啟動(dòng)(7-5);系統(tǒng)啟動(dòng)后(7-6)室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4)、室外信號(hào)基站I (1-1)、室外信號(hào)基站2 (1-8)、室外信號(hào)基站3(1-10)和對(duì)應(yīng)數(shù)量的個(gè)人智能定位單元(1-12)進(jìn)行廣播校驗(yàn)；廣播校驗(yàn)成功(7-8)后，整個(gè)系統(tǒng)開始正常工作(7-9)。
[0032]本發(fā)明主要應(yīng)用在消防救援與災(zāi)害搜救現(xiàn)場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞的場(chǎng)合，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)預(yù)置節(jié)點(diǎn)式的室內(nèi)定位需要提前安裝、外部供電、易受破壞的缺點(diǎn)；同時(shí)又能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)自主式室內(nèi)定位裝置的漂移大、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。本發(fā)明公開的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，具有架設(shè)簡(jiǎn)單、速度快，無需提前標(biāo)定，穩(wěn)定性強(qiáng)，定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠重點(diǎn)應(yīng)用在消防救援與災(zāi)害搜救現(xiàn)場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞的場(chǎng)合。
[0033]最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:該定位裝置包括室外信號(hào)接收基站、個(gè)人智能定位單元以及室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端；其中，設(shè)置3個(gè)室外信號(hào)接收基站，用于接收近場(chǎng)電磁標(biāo)簽發(fā)出的近場(chǎng)電磁信號(hào)，同時(shí)具備定位信息傳送能力；個(gè)人智能定位單元包括近場(chǎng)電磁標(biāo)簽、慣性測(cè)量單元、地磁測(cè)量單元、個(gè)人信號(hào)發(fā)射裝置和電池；室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端包括接收室外信號(hào)接收基站的接收器、接收個(gè)人智能定位單元信息的定位信息接收器、數(shù)據(jù)處理終端和顯示終端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:3個(gè)室外信號(hào)接收基站均安裝在消防車上，包括:室外信號(hào)接收基站I (1-1)、室外信號(hào)接收基站2(1-8)、室外信號(hào)接收基站3(1-10);室外信號(hào)接收基站1(1-1)、2 (1-8)、3 (1-10)由5部分組成:近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)、定位信息接收器(2-7)、數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)、信息傳輸器(2-2)、室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12);其中，數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)統(tǒng)一調(diào)度近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)、定位信息接收器(2-7)和信息傳輸器(2-2);數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 I (2-5)，控制近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8);近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器(2-8)，用于分析消防員的近場(chǎng)電磁信號(hào)(2-10)特征，形成位置信息，通過數(shù)字接口 1(2-5)傳輸給數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4);數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 2(2-6)，控制定位信息接收器(2-7);定位信息接收器(2-7)接收個(gè)人智能定位單元(1-12)的慣性位置信息(2-9)；數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)通過數(shù)字接口 3(2-3)將融合的近場(chǎng)電磁位置信息和慣性位置信息傳輸給信息傳輸器(2-2),信息傳輸器(2-2)通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式(2-1),將融合后的信息傳輸給室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端(1-4);室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)借助消防車上的車載電源，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，為各個(gè)部件供電；室外信號(hào)接收基站供電系統(tǒng)(2-12)通過電平轉(zhuǎn)換1(2-13)為信息傳輸器(2-2)供電；通過電平轉(zhuǎn)換2(2-14)為數(shù)據(jù)分析處理裝置(2-4)供電；通過電平轉(zhuǎn)換3 (2-15)為近場(chǎng)電磁信號(hào)接收器供電；通過電平轉(zhuǎn)換4(2-11)為定位信息接收器供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:所述個(gè)人智能定位單元(1-12)，佩戴于消防員(4-1)腰部皮帶上(4-2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:所述個(gè)人智能定位單元(1-12)的慣性參考坐標(biāo)系(4-3)定義如下:x軸(4-4)指向消防員(4-1)左側(cè)，y軸(4-5)指向消防員(4-1)前方，z軸(4-6)指向消防員(4_1)下方。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:個(gè)人智能定位單元(1-12)利用X軸陀螺儀(3-1)、y軸陀螺儀(3-3)、z軸陀螺儀(3-4)組成的陀螺系統(tǒng)(3-2)測(cè)量消防員的角運(yùn)動(dòng)；利用X軸加速度計(jì)(3-6)、y軸加速度計(jì)(3-7)、z軸加速度計(jì)(3-8)組成的加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)測(cè)量消防員的線運(yùn)動(dòng)；利用X軸磁強(qiáng)計(jì)(3-11)、y軸磁強(qiáng)計(jì)(3-12)、z軸磁強(qiáng)計(jì)(3-13)組成的磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)測(cè)量消防員的磁場(chǎng)環(huán)境信息；利用溫度傳感器(3-16)測(cè)量消防員周邊及其個(gè)人智能定位單元(1-12)內(nèi)部器件工作溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:x軸陀螺儀(3-1)、y軸陀螺儀(3-3)和z軸陀螺儀(3-4)通過數(shù)據(jù)采集1(3-5)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19) ；x軸加速度計(jì)(3-6)、y軸加速度計(jì)(3-7)、z軸加速度計(jì)(3_8)通過數(shù)據(jù)采集2(3-10)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19) ^軸磁強(qiáng)計(jì)(3-11)、y軸磁強(qiáng)計(jì)(3_12)、z軸磁強(qiáng)計(jì)(3-13)過數(shù)據(jù)采集3 (3-15)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19);溫度傳感器(3_16)通過數(shù)據(jù)采集4(3-18)進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理組件(3-19);信號(hào)預(yù)處理組件(3-19)通過將采集到的陀螺系統(tǒng)(3-2)、加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)、磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)和溫度傳感器(3-16)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換接口(3-20)傳輸至個(gè)人信息融合器(3-21)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:個(gè)人信息融合器(3-21)同時(shí)負(fù)責(zé)通過IO接口(3-22)控制近場(chǎng)電磁標(biāo)簽(3-17)的信號(hào)發(fā)送。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:個(gè)人信息融合器(3-21)綜合采集到的陀螺系統(tǒng)(3-2)、加速度計(jì)系統(tǒng)(3-9)、磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)(3-14)和溫度傳感器(3-16)信息，計(jì)算消防員的慣性位置信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:個(gè)人信息融合器(3-21)通過數(shù)字接口 4(3-22)，控制個(gè)人信號(hào)發(fā)射裝置(3-23)向外界傳送慣性位置信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:該裝置的個(gè)人智能定位單元(1-12)算法為:預(yù)處理后的傳感器(5-1)，將傳感器信息1(5-2)傳輸進(jìn)誤差補(bǔ)償模塊(5-3)中，誤差補(bǔ)償模塊(5-3)將經(jīng)過外部修正(5-4)后的傳感器信息2(5-5)傳輸進(jìn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，解算模塊(5-6)中，進(jìn)行位置推算，獲得慣性位置推算信息(5-7);經(jīng)過外部修正(5-4)后的傳感器信息2 (5-5)進(jìn)入人體運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則判定模塊(5_11)計(jì)算修正量和觸發(fā)信息(5-12)，來控制信息融合濾波器(5-13)的工作情況，信息融合濾波器(5-13)根據(jù)融合結(jié)果推算出外部修正(5-4)模式和慣性位置推算信息誤差(5-10);通過誤差消除手段(5-8)，最終得到慣性位置信息(5-9)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)自主三維空間定位裝置，其特征在于:所述室外信號(hào)數(shù)據(jù)分析終端包括:數(shù)據(jù)分析終端供電系統(tǒng)(6-1)、顯示終端(6-3)、數(shù)據(jù)處理終端(6-6)、定位信息接收器2 (6-10)和室外基站信息接收器(6-13);數(shù)據(jù)處理終端(6-6)通過數(shù)字接口 5(6-11)獲取定位信息接收器2 (6-10)接收到的慣性位置信息(6-9);通過數(shù)字接口 6(6-12)獲取室外基站信息接收器(6-13)接收到的3個(gè)室外基站分析信息(6_14)；數(shù)據(jù)處理終端(6-6)對(duì)慣性位置信息(6-9)和室外基站分析信息(6-14)進(jìn)行融合處理，并將消防員的最終位置信息(6-5)傳輸?shù)斤@示終端(6-3)，其中數(shù)據(jù)處理終端(6-6)具有人機(jī)交互能力；數(shù)據(jù)分析終端供電系統(tǒng)(6-1)通過電平轉(zhuǎn)換5(6-2)為顯示終端(6-3)供電；通過電平轉(zhuǎn)換6(6-4)為數(shù)據(jù)處理終端(6-6)供電；通過電平轉(zhuǎn)換7(6-7)為室外基站接收器(6-13)供電；通過電平轉(zhuǎn)換8(6-8)為定位信息接收器2 (6-13)供電。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK103954930SQ201410198798
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】蘇中, 付國棟, 范軍芳, 劉寧, 李擎, 張?jiān)孪? 高可, 李超 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué), 北京德維創(chuàng)盈科技有限公司