CN108168561A - 一种消防灾害现场单兵室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消防灾害现场单兵室内定位系统，包括室外车载指挥系统、室内单兵作战系统和4G传输通道；室外车载指挥系统包括硬件服务器和软件调度系统，软件调度系统包含室内三维地图；室内单兵作战系统包括内置于消防人员鞋垫内的定位模块、手持终端以及喉震耳机，手持终端带有摄像头，定位模块和喉震耳机通过蓝牙模块与手持终端相连接；手持终端内置有APP软件，并通过4G传输通道与室外车载指挥系统进行信息传递，将消防人员的位置信息呈现在室内三维地图中，具有应急现场高清视频回传、火场消防人员室内精确定位、消防人员生命体征监控、火场建筑室内快速建模等功能。

Description

一种消防灾害现场单兵室内定位系统

技术领域

本技术所属的技术领域为消防指挥系统，涉及一种消防灾害现场单兵室内定位系统。

背景技术

当前，随着社会经济不断发展，城市化建设进程不断加快，高层地下建筑、超大综合体建筑、以及石油化工企业大量涌现，给灭火救援工作带来巨大压力和挑战。消防部队在灭火救援实战中，由于通信信号弱、盲点多、屏蔽严重等问题，影响了通信保障的实际效果。

在充满浓烟、高温以及昏暗的环境中目前的消防通讯装备根本不能满足消防灭火的要求，突出表现在：(1)指挥员不能掌握火场内消防员的位置，(2)指挥员不知道消防员的生命安危状态，(3)通讯系统复杂，耗时长，通讯设备携带困难，没有统一的无线接入网络，(4)现场通讯手段单一，仅依靠350M电台，抗干扰能力差，极易阻断通讯，(5)缺乏语音及图像传输功能，缺乏内外指挥功能，缺乏内外信息交互功能。由于以上缺陷，现场指挥员情况不明，心中无数，导致决策困难，贻误战机，更有甚者，因为没有定位系统导致消防员进入火场后，由于建筑物内房间间隔复杂，光线严重不足，遇到危险时不能通过有效途径安全撤出，最后导致有的消防员牺牲在火场。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种消防灾害现场单兵室内定位系统，具有应急现场高清视频回传、火场消防人员室内精确定位、消防人员生命体征监控、火场建筑室内快速建模等功能。

本发明提供了一种消防灾害现场单兵室内定位系统，包括室外车载指挥系统、室内单兵作战系统和4G传输通道；室外车载指挥系统包括硬件服务器和软件调度系统，软件调度系统包含室内三维地图；

室内单兵作战系统包括内置于消防人员鞋垫内的定位模块、手持终端以及喉震耳机，手持终端带有摄像头，定位模块和喉震耳机通过蓝牙模块与手持终端相连接；

手持终端内置有APP软件，并通过4G传输通道与室外车载指挥系统进行信息传递，将消防人员的位置信息呈现在室内三维地图中。

定位模块采用MEMS惯性传感器，MEMS惯性传感器内置有加速度计和陀螺仪。

软件调度系统采用B/S架构模式，且消防员随身携带的手持终端能够接收软件调度系统传来的三维地图模型，了解自己的位置信息及其他消防人员的位置信息。

手持终端接入4G网络后，各手持终端之间通过内置APP采用全双工模式工作，消防员之间、消防员和指挥员之间直接可以实时通信。

手持终端将采集到的音频信息、视频信息及位置信息传递至室外车载指挥系统。

还包括消防无人机和侦察机器人，均用于采集室内视频信息，并通过4G传输通道将视频信息传递至室外车载指挥系统。

调度人员结合消防人员的位置信息、语音信息以及上传的视频信息，下达相应的命令，且当消防官兵的位置信息在室内三维地图中超过30秒静止时，软件调度系统自动呼叫消防官兵，且下达支援该消防人员的命令。

为了实现精准定位，定位模块采用如下零速修正技术：

利用加速度计和陀螺仪检测到的加速度和角速度进行零速检测，在零速阶段人脚的速度为零，将零速作为外参考速度，建立Kalman滤波方程；

选取误差量为状态量，其中，为姿态误差角，δvⁿ为速度误差，δpⁿ为位置误差，ε^b为陀螺常值漂移，为加速度计常值漂移；

Kalman滤波器离散形式：

K——当前时刻，k-1——前一时刻，H_k——k时刻的量测矩阵，V_k——k时刻的量测噪声，W_k-1——k-1时刻的系统激励噪声，Γ_k/k-1——系统噪声驱动矩阵，Φ_k/k-1——系统状态一步转移矩阵，X_k——系统状态向量，Z_k——量测信息，

由于只有在零速阶段，外参考速度才为零，所以在摆动阶段只进行Kalman滤波一步预测，当检测到零速时，再进行完整的Kalman滤波更新。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)采用喉骨震动方式采集声音，和传统耳机相比具有以下优势：消除噪声，在非常嘈杂的环境下可进行不间断语音通信，消除丢音节问题，使说话的全部内容完整的传递出去；

(2)采用4G网络传输通道，非常可靠，能实时将音频、视频及室内定位信息传递至指挥中心；

(3)系统通信业务为全双工模式，设备开机后，可自动根据请求加入语音会议，消防员无需手动操作，消防员之间、消防员和指挥员之间可以实时通信，无需话语权抢占手动操作；

(4)对定位算法进行了改进，加入了零速修正技术，保证了定位的精确性。

附图说明

图1是本发明的工作流程示意图；

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

一种消防灾害现场单兵室内定位系统，包括室外车载指挥系统、室内单兵作战系统和4G传输通道；室外车载指挥系统包括硬件服务器和软件调度系统，软件调度系统包含室内三维地图；室内单兵作战系统包括内置于消防人员鞋垫内的定位模块、手持终端以及喉震耳机，手持终端带有摄像头，定位模块和喉震耳机通过蓝牙模块与手持终端相连接；持终端内置有APP软件，并通过4G传输通道与室外车载指挥系统进行信息传递，将消防人员的位置信息呈现在室内三维地图中。

定位模块采用MEMS惯性传感器，MEMS惯性传感器内置有加速度计和陀螺仪。

软件调度系统采用B/S架构模式，且消防员随身携带的手持终端能够接收软件调度系统传来的三维地图模型，了解自己的位置信息及其他消防人员的位置信息。

手持终端接入4G网络后，各手持终端之间通过内置APP采用全双工模式工作，消防员之间、消防员和指挥员之间直接可以实时通信。

手持终端将采集到的音频信息、视频信息及位置信息传递至室外车载指挥系统。

还包括消防无人机和侦察机器人，均用于采集室内视频信息，并通过4G传输通道将视频信息传递至室外车载指挥系统。

调度人员结合消防人员的位置信息、语音信息以及上传的视频信息，下达相应的命令，且当消防官兵的位置信息在室内三维地图中超过30秒静止时，软件调度系统自动呼叫消防官兵，且下达支援该消防人员的命令。

为了实现精准定位，定位模块采用如下零速修正技术：

利用加速度计和陀螺仪检测到的加速度和角速度进行零速检测，在零速阶段人脚的速度为零，将零速作为外参考速度，建立Kalman滤波方程；

选取误差量为状态量，其中，为姿态误差角，δvⁿ为速度误差，δpⁿ为位置误差，ε^b为陀螺常值漂移，为加速度计常值漂移；

Kalman滤波器离散形式：

K——当前时刻，k-1——前一时刻，H_k——k时刻的量测矩阵，V_k——k时刻的量测噪声，W_k-1——k-1时刻的系统激励噪声，Γ_k/k-1——系统噪声驱动矩阵，Φ_k/k-1——系统状态一步转移矩阵，X_k——系统状态向量，Z_k——量测信息，

由于只有在零速阶段，外参考速度才为零，所以在摆动阶段只进行Kalman滤波一步预测，当检测到零速时，再进行完整的Kalman滤波更新。

Kalman滤波全套算法可分为五个基本过程：

①状态一步预测

②状态一步预测均方误差

③滤波增益

④状态估计

⑤状态估计均方误差

P_k＝(I-K_kH_k)P_k/k-1

当系统状态处于摆动阶段时人脚的速度不为零，即没有量测信息Z_k，所以Kalman滤波器只能进行前两步的一步预测部分；只有当检测到零速时才有量测信息Z_k，这时Kalman滤波器才能够完整进行五个基本过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于，包括室外车载指挥系统、室内单兵作战系统和4G传输通道；室外车载指挥系统包括硬件服务器和软件调度系统，软件调度系统包含室内三维地图；

室内单兵作战系统包括内置于消防人员鞋垫内的定位模块、手持终端以及喉震耳机，手持终端带有摄像头，定位模块和喉震耳机通过蓝牙模块与手持终端相连接；

手持终端内置有APP软件，并通过4G传输通道与室外车载指挥系统进行信息传递，将消防人员的位置信息呈现在室内三维地图中。

2.根据权利要求1所述的一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于：定位模块采用MEMS惯性传感器，MEMS惯性传感器内置有加速度计和陀螺仪。

3.根据权利要求2所述的一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于：软件调度系统采用B/S架构模式，且消防员随身携带的手持终端能够接收软件调度系统传来的三维地图模型，了解自己的位置信息及其他消防人员的位置信息。

4.根据权利要求1所述的一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于：手持终端接入4G网络后，各手持终端之间通过内置APP采用全双工模式工作，消防员之间、消防员和指挥员之间直接可以实时通信。

5.根据权利要求1所述的一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于：手持终端将采集到的音频信息、视频信息及位置信息传递至室外车载指挥系统。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于：还包括消防无人机和侦察机器人，均用于采集室内视频信息，并通过4G传输通道将视频信息传递至室外车载指挥系统。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于：调度人员结合消防人员的位置信息、语音信息以及上传的视频信息，下达相应的命令，且当消防官兵的位置信息在室内三维地图中超过30秒静止时，软件调度系统自动呼叫消防官兵，且下达支援该消防人员的命令。

8.根据权利要求2所述的一种消防灾害现场单兵室内定位系统，其特征在于：为了实现精准定位，定位模块采用如下零速修正技术：

利用加速度计和陀螺仪检测到的加速度和角速度进行零速检测，在零速阶段人脚的速度为零，将零速作为外参考速度，建立Kalman滤波方程；

选取误差量为状态量，其中，为姿态误差角，δvⁿ为速度误差，δpⁿ为位置误差，ε^b为陀螺常值漂移，为加速度计常值漂移；

Kalman滤波器离散形式：

K——当前时刻，k-1——前一时刻，H_k——k时刻的量测矩阵，V_k——k时刻的量测噪声，W_k-1——k-1时刻的系统激励噪声，Γ_k/k-1——系统噪声驱动矩阵，Φ_k/k-1——系统状态一步转移矩阵，X_k——系统状态向量，Z_k——量测信息，

由于只有在零速阶段，外参考速度才为零，所以在摆动阶段只进行Kalman滤波一步预测，当检测到零速时，再进行完整的Kalman滤波更新。