CN106793088A - 一种无线传感网室内应急定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网室内应急定位系统及方法。该系统包括多个移动作业的人如消防员，每个人是一个节点，他们穿戴一套应急定位设备，该设备由位置传感器、运动传感器和通信模块组成。位置传感器测量值可以是测距信号、测角信号或位置矢量测量，这些传感器测量各传节点之间的相对测量值，形成一个传感器网络节点之间的几何拓扑关系，确定传感器之间的相对位置。多个节点穿戴的应急定位设备由通信模块组网连接，形成一个动态无线传感器网络。多个节点的位置测量值和运动传感器测量值传送到数据处理单元，估计这些节点在地图上的位置，并在“位置地图可视化界面”单元可视化。本发明利用轻量型的可穿戴设备无线传感器进行自主定位。

Description

一种无线传感网室内应急定位系统及方法

技术领域

本发明涉及室内环境下人或物应急定位技术领域，特别是一种无线传感网室内应急定位系统及方法。

背景技术

在消防救援等应急任务中，现场作业人员的实时位置信息对于科学合理地布置救援力量，优化资源分配，最大化整体任务的作业效率十分关键。当作业人员位于室外时，可以采用全球导航卫星系统(GNSS)确定其位置。然而，消防员进入室内后，缺乏有效的定位手段在应急状态下确定作业人员的位置，现场调度员无法实时知道消防员的位置，进入室内作业的消防员只能凭自己的经验和感觉确定自己的救援路径。在室内作业的消防员遇到危险时，由于调度员和其他同伴不能知道该遇险消防员的位置，无法在第一时间提供紧急救援，消防员的生命安全受到极大威胁。同时，由于现场调度员无法知道进入室内的消防员的实时位置，无法优化消防员的任务分配，导致整体作业效率不高。当作业人员位于室内时，缺乏有效的定位手段在应急状态下确定作业人员的位置。

目前广泛使用的美国GPS、俄罗斯GLONASS系统，以及正在部署中的欧洲Galileo系统、我国的北斗二代导航系统都属于全球导航卫星系统。它们的导航定位原理都是在精确已知导航信号发射源(即卫星)在某一时刻的位置和速度的基础上，通过测定接收设备与卫星之间的距离或多普勒等参数来获取接收设备的位置和速度等导航参数。以GPS为例，接收机获得卫星广播的信号并利用本地复现的伪随机码取得距离观测值，并解调信号当中调制的导航电文。导航电文中提供的参数可以用来计算的卫星位置及时钟误差等信息，在得到四颗以上可见卫星位置、速度等信息后，可以计算得到接收机的位置、速度和时间。基于以上工作原理，GNSS定位系统工作的前提条件是接收机能够接收四颗以上的卫星信号，并正确解调卫星导航电文数据流。然而在室内由于信号遮挡导致接收机不能正常接收到导航卫星信号，因此GNSS技术无法用于确定室内人员位置。

惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)的工作原理是基于牛顿提出的惯性定律。载体的运动过程可以分解为平移和旋转，INS使用的惯性敏感元件包括加速度计和陀螺仪，二者可以分别测量载体的平移和旋转动态，在已知的初始状态基础上进行积分来确定载体当前时刻的位置、速度和姿态等导航参数。在工作过程中它完全依靠自身设备，无需依赖任何外界信息，因此可以独立完成导航任务而不受外界干扰。INS具有较好短期精度，但是其导航定位精度随时间恶化。通常将惯性导航系统INS与GNSS组合，利用GNSS系统定位误差不随时间累计的特点来修正INS系统，抑制其导航精度随时间恶化；当有外界干扰、短时遮挡等使得GNSS卫星信号恶化甚至不能被跟踪时，INS可以依靠其短时精度来弥补无信号时段的导航定位解的空白。然而，当GNSS信号长时间被遮挡时(如用户位于室内)，INS定位缺乏有效的误差修正参考源，GNSS/INS组合导航的定位精度也随时间恶化，导致INS系统或组合导航系统在室内不能使用。

基于指纹的室内定位是常用的低成本室内定位技术，它具有低成本，广泛可获得等优点。采用的信号源包括WiFi，蓝牙，地磁等泛在信号。然而，这类定位技术需要事先采集定位信号数据库。两个因素限制了这一类技术在应急情形下的可用性：1)当事先没有在涉危建筑内采集相应的定位信号数据库时，则无法使用该定位技术；2)即使事先采集了相应的定位信号数据库，但是在有紧急事件发生时(如火灾发生时)，建筑物内的电磁环境相比于数据库采集时已经发生了变化，如电源已断电，地磁环境也发生变化，导致指纹匹配定位发生错误，甚至不可用。

其他室内定位技术可以分为射频类和非射频类技术，每种定位技术在定位精度、定位可用性方面有各自的优缺点。比如，惯性导航不依赖基础设施，适合在大型区域的应用，但需高精度定位基准对传感器进行频繁校正以维持可用性。蜂窝定位适合大型区域定位，但是定位精度较差(误差>100米)。高精度射频定位技术多采用基于角度或距离交会，精度可达亚米甚至厘米级，如Locata伪卫星、超宽带UWB定位技术和蓝牙天线阵列、光源信号、音频等高精度室内定位技术，然而这类技术主要弊端是硬件成本高，工作范围小，需要事先在工作区域布置定位基站，难以在应急应用中采用。

在专利申请号为CN201510407691的发明中，设计了一种消防员应急室内定位系统，该系统由位于室外的同步站点、定位站点和位于室内的消防员随身携带的定位终端构成。该系统需要通过同步站点同步定位站点，并生产无线信号由定位站点向定位终端同步发射。该系统需要通过有线或无线方式将多个同步站点和定位站点同步，导致系统复杂，需依赖外部电源的可获得性，在应急情形下配置耗时较长，难以操作。更重要的是，除了无线信号外，该发明未考虑其他位置观测技术测量节点间的拓扑关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线传感网室内应急定位系统及方法，在应急任务中，每个作业员(如消防员)佩戴一个无线传感器装置，在作业员移动作业过程中，该无线传感器装置进行移动测量。若干个移动无线传感器装置组成一个动态传感器网络，利用传感器之间的相对测量值(包括距离和角度)，形成一个传感器网络节点之间的几何拓扑关系，确定传感器之间的相对位置。本方法不需要依赖任何事先布置好的基础设施或事先收集的信息数据库，能够在应急情形下快速部署，独立工作确定网络中每个节点的位置，用于应急任务中的调度指挥和紧急救援，提高作业员的安全性和整体作业任务的效率。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，其技术方案具体为：

一种无线传感网室内应急定位系统，包括1)位置传感器；2)运动传感器；3)通信模块；4)锚点；5)定位数据处理单元；6)位置地图可视化用户界面。移动节点和位置已知的锚点组成传感器网络，测量传感网节点锚点之间的几何拓扑关系，进行联合数据解算，确定每个节点的相对位置或绝对位置。

该系统包括多个移动作业的人如消防员，每个人是一个节点，他们穿戴一套应急定位设备，该设备由位置传感器、运动传感器和通信模块组成。同时，在若干个已知位置布置锚点，锚点和节点配备位置传感器，测量他们之间的几何拓扑关系。位置传感器测量值可以是测距信号、测角信号或位置矢量测量，这些传感器测量各传节点之间的相对测量值，形成一个传感器网络节点之间的几何拓扑关系，确定传感器之间的相对位置。多个节点(节点1、节点2…节点n)穿戴的应急定位设备由通信模块组网连接，形成一个动态无线传感器网络。多个节点的位置测量值和运动传感器测量值传送到数据处理单元，估计这些节点在地图上的位置，并在“位置地图可视化界面”单元可视化。

一种无线传感网室内应急定位方法，包括如下步骤：

步骤1、放置锚点，配置位置传感器和通信模块，确定其位置；

步骤2、移动节点配置位置传感器、运动传感器和通信模块；

步骤3、开启锚点和节点的位置传感器、运动传感器和通信模型；

步骤4、锚点和节点的通信模块建立网络连接，并与定位数据处理单元相连，将位置传感器和运动传感器的数据传输到定位数据处理单元；

步骤5、定位数据处理单元联合位置传感器和运动传感器数据，结合锚点位置信息，解算节点的位置；

步骤6、结合节点的位置信息和运动传感器数据，确定节点的位置和运动状态等信息；

步骤7、在位置地图可视化用户界面现实节点位置、运动状态信息。

进一步，位置传感器用于确定传感器网络中节点锚点之间的几何拓扑关系，其测量值可以是测距信号、测角信号、位置矢量任何一种，或他们的任意组合。

进一步，使用射频收发设备测量节点锚点之间的几何关系，包括但不限于蓝牙，超宽带，正交频分多址射频信号，码分多址射频信号，多进多出射频信号。

进一步，使用非射频收发设备测量节点锚点之间几何关系，包括但不限于激光扫描设备，红外线扫描设备，深度相机，单目相机，多目相机。

进一步，部分或全部节点使用运动传感器测量自身的运动状态，向定位数据处理单元报告该节点自身的运动状态。

进一步，利用所测量的节点锚点之间几何关系的测量值，计算出每个节点的相对于锚点或其他节点的位置，从而推算出其节点的位置。

本发明具有以下有益效果：

本发明在应急任务中，每个作业员(如消防员)佩戴一个无线传感器装置，在作业员移动作业过程中，该无线传感器装置进行移动测量。若干个移动无线传感器装置组成一个动态传感器网络，利用传感器之间的相对测量值(包括距离和角度)，形成一个传感器网络节点之间的几何拓扑关系，确定传感器之间的相对位置。本方法不需要依赖任何事先布置好的基础设施或事先收集的信息数据库，能够在应急情形下快速部署，独立工作确定网络中每个节点的位置，用于应急任务中的调度指挥和紧急救援，提高作业员的安全性和整体作业任务的效率。

附图说明

图1为本发明无线传感网室内应急定位的结构示意图；

图2为本发明无线传感器网络节点锚点几何拓扑关系测量示意图；

图3为为本发明无线传感网室内应急定位系统的配置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如附图1所示，该系统包括多个移动作业的人如消防员，每个人是一个节点，他们穿戴一套应急定位设备，该设备由位置传感器、运动传感器和通信模块组成。位置传感器测量值可以是测距信号、测角信号或位置矢量测量，这些传感器测量各传节点之间的相对测量值，形成一个传感器网络节点之间的几何拓扑关系，确定传感器之间的相对位置。多个节点(节点1、节点2…节点n)穿戴的应急定位设备由通信模块组网连接，形成一个动态无线传感器网络。多个节点的位置测量值和运动传感器测量值传送到数据处理单元，估计这些节点在地图上的位置，并在“位置地图可视化界面”单元可视化。本发明不需要事先在工作场所预先安装任何基础设施，也不需要观测全球卫星定位系统(GNSS)信号，利用轻量型的可穿戴设备无线传感器进行自主定位。本发明适用于紧急事态发生时(如消防救灾)，在没有外部支撑条件或定位基础设施进行支持的情况下，对室内空间的人(如消防员)或物进行快速定位。

如图3所示，一个消防作业队通常由一辆或多辆消防车组成并抵达现场，抵达现场后消防官兵根据任务分工，有的在指挥台调度，有的消防员进入室内现场。在指挥台调度的人员开启消防车上的无线传感器(其位置已知，作为锚点)，同时可以在涉危大楼周围布置若干锚点(数量可以为1个或多个)，在可视化地图界面上标出锚点位置(如图1所示)，并将锚点坐标录入定位数据处理单元。

数据处理单元根据操作员通过可视化地图界面输入的锚点坐标和锚点传感器测量的互相之间的位置观测量，检核锚点坐标的正确性。当发现锚点坐标与观测量不一致时，操作员检查两个可能的错误源：1)锚点在地图上标注的位置与实际位置不符合；2)地图比例尺不正确。针对第一个错误源，其方法是根据锚点在地图上的位置与其他地物的相对关系，与实际现场的地物相对关系进行比对，发现不符合时纠正锚点在地图上的位置。针对第二个错误源，根据锚点间的坐标观测量(距离和/或角度)进行联合平差，计算地图比例尺与测量的实际比例尺的差异，以测量实际比例尺为准，并发现个别锚点可能的位置错误，进行相应的调整。该过程在操作员的交互辅助操作下，由计算机软件自动完成。

进入室内的消防员佩戴并开启本发明所指的无线传感器。所有的无线传感器连同锚点通过无线网络自动联网，并自动启动位置测量单元。所有节点锚点位置传感器测量的到其他可见的节点锚点的位置观测量，构成几何拓扑观测网络，如图2。位置测量观测值通过无线通信单元传输到数据处理单元，数据处理单元根据位置测量观测值和锚点位置联合平差，计算各无线传感节点的位置。位置计算过程采用最小二乘法和卡尔曼滤波由计算机软件自动完成。

计算的传感器节点位置在可视化地图上显示。可视化地图可以是基于影像的室内外地图，也可以是只有比例尺关系的空白网格图。可视化地图供调度员科学合理指挥救援人员更高效地完成任务，同时在救援人员面临危险时可以根据其位置快速提供救援。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种无线传感网室内应急定位系统，其特征在于，包括位置传感器；运动传感器；通信模块；锚点；定位数据处理单元；位置地图可视化用户界面；移动节点和位置已知的锚点组成传感器网络，测量传感网节点锚点之间的几何拓扑关系，进行联合数据解算，确定每个节点的相对位置或绝对位置。

2.如权利要求1所述的一种无线传感网室内应急定位系统，其特征在于，系统中每个移动节点和锚点配备有位置传感器，这些传感器测量值确定传感器网络中节点和锚点之间的几何拓扑关系。

3.一种无线传感网室内应急定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、放置锚点，配置位置传感器和通信模块，确定其位置；

步骤2、移动节点配置位置传感器、运动传感器和通信模块；

步骤3、开启锚点和节点的位置传感器、运动传感器和通信模型；

步骤4、锚点和节点的通信模块建立网络连接，并与定位数据处理单元相连，将位置传感器和运动传感器的数据传输到定位数据处理单元；

步骤5、定位数据处理单元联合位置传感器和运动传感器数据，结合锚点位置信息，解算节点的位置；

步骤6、结合节点的位置信息和运动传感器数据，确定节点的位置和运动状态等信息；

步骤7、在位置地图可视化用户界面现实节点位置、运动状态信息。

4.如权利要求3所述的一种无线传感网室内应急定位方法，其特征在于，位置传感器用于确定传感器网络中节点锚点之间的几何拓扑关系，其测量值可以是测距信号、测角信号、位置矢量任何一种，或他们的任意组合。

5.如权利要求3所述的一种无线传感网室内应急定位方法，其特征在于，使用射频收发设备测量节点锚点之间的几何关系，包括但不限于蓝牙，超宽带，正交频分多址射频信号，码分多址射频信号，多进多出射频信号。

6.如权利要求3所述的一种无线传感网室内应急定位方法，其特征在于，使用非射频收发设备测量节点锚点之间几何关系，包括但不限于激光扫描设备，红外线扫描设备，深度相机，单目相机，多目相机。

7.如权利要求3所述的一种无线传感网室内应急定位方法，其特征在于，部分或全部节点使用运动传感器测量自身的运动状态，向定位数据处理单元报告该节点自身的运动状态。

8.如权利要求3所述的一种无线传感网室内应急定位方法，其特征在于，利用所测量的节点锚点之间几何关系的测量值，计算出每个节点的相对于锚点或其他节点的位置，从而推算出待定位节点的位置。

9.如权利要求3所述的一种无线传感网室内应急定位方法，其特征在于，利用所测量的节点锚点之间几何关系的测量值，计算出节点的相对于其他节点的位置，从而推算出待定位节点的位置。