CN108734356B - 一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法，该方法包括应急现场指挥中心的服务器平台，消防员随身装备的GPS定位模块、惯性导航模块、带增强现实眼镜的空气呼吸器、以及信息处理与传输的终端设备，通过GPS定位与惯性导航定位求取惯性导航坐标系到世界坐标系转换关系，获得消防员在建筑内部的具体位置。再根据指挥中心指定的目标位置，规划消防员至目标位置的室内最佳路径。通过本发明方法，可以有效提升消防员灭火救援行动速度，保障消防员行动安全。

Description

一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位与最佳路径规划方法，特别是涉及一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法。

背景技术

随着城市快速发展，大型建筑火灾时有发生。在大型建筑内部实施灭火救援时，由于火灾现场烟雾浓度极高，建筑内部结构复杂，消防员容易迷失方向，减缓行动速度，错过最佳灭火与救援时机，同时增加了消防员自身安全的危险性。

现在比较成熟的定位与路径规划系统主要是室外定位与路径规划系统，比如室外车载的高德、谷歌等定位与路径规划系统。以上的定位方式广泛地采用了基于全球定位系统，有的同时在蜂窝无线网络可以覆盖到的地方辅助以蜂窝无线定位。针对室内情况，室外定位与路径规划系统往往依赖与室外良好的网络与数据基础，但是北斗/GPS和蜂窝信号进入室内之后会严重衰减，同时会有严重的多径效应产生，定位精度非常低。UWB(UltraWideband)系统可实现较高精度的室内定位，但是需在建筑内提前部署，部署范围广、难度大，并且在发生火灾断电情况下不可使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用一种高精度可行的室内定位设备，结合建筑的内部结构CAD图纸及路径规划算法，规划消防员至指定位置的最佳路径，并通过增强现实技术呈现给消防员，提高消防员灭火救援行动速度，降低危险系数。

要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法，包括如下步骤：

步骤1，应急现场指挥中心服务器平台从数据库中提取失火建筑信息，失火建筑信息包括建筑CAD图、建筑的GPS坐标、各个楼层高度信息，并将失火建筑信息发送到前往火灾现场实施灭火救援的消防员信息处理与传输终端(可以使用IOS或者安卓智能设备)上；

步骤2，消防员在未进入建筑前开启随身装备的GPS定位模块、惯性导航模块、带增强现实眼镜的空气呼吸器和信息处理与传输终端设备，记此刻到进入建筑内部这段时间内共上传了n个坐标点，GPS定位模块上传的第i个世界坐标系齐次坐标值是P_GPSi(x_i y_i z_i1)，对应惯性导航模块上传的惯性导航坐标系坐标值是P_INSi(x_i y_i z_i 1)，x_i y_i z_i分别表示X、Y、Z轴坐标值，设定惯性导航坐标系经过矩阵T变换之后与世界坐标系重合，根据最小二乘法原理建立如下公式：

上式中，n是GPS定位模块和惯性导航模块上传的坐标点数量，i代表坐标点序号，X是待求的转换关系参数的α β γ Δx Δy Δz集合，矩阵T表达式为：

其中α、β、γ分别表示惯性导航坐标系坐标值绕X、Y、Z轴旋转的角度、Δx、Δy、Δz分别表示惯性导航坐标系坐标值沿X、Y、Z轴平移的距离；

步骤3，当消防员进入失火建筑内部进行灭火救援，信息处理与传输终端根据惯性导航模块上传的Z坐标值及楼层高度信息，判断消防员当前在失火建筑所处的楼层，再根据步骤2所得到的转换关系，依据惯性导航坐标系坐标值求取消防员所在的世界坐标系坐标值，结合建筑所在的世界坐标系坐标值，得到消防员在建筑的具体位置，并将位置及当前楼层CAD图推送显示在增强现实眼镜中；

步骤4，应急现场指挥中心服务器平台根据火灾现场实施采集的信息，为消防员指定行动目标位置，并传输到信息处理与传输终端设备，信息处理与传输终端设备根据消防员当前所在的位置、建筑内部结构，以及目标位置，规划最佳行动路径并显示在增强现实眼镜镜片上，指引消防员迅速到达目标位置。

步骤2中，GPS定位模块上传世界坐标系下的坐标值，采用的是国际标准WGS84坐标系统，惯性导航设备上传自身坐标系下的坐标值，其原点位于设备开机时刻。

所述应急现场指挥中心服务器平台用于存储、处理建筑CAD图，接收、处理消防员火灾现场发来的实时信息数据，为消防员发送指令。

所述数据库中存储有建筑CAD图，建筑CAD图只包含建筑物墙体、门窗、楼梯、安全出口信息。

所述GPS定位模块，用于在建筑外GPS信号强时，记录消防员位置并将位置数据传输到信息处理与传输终端设备。

所述惯性导航模块，用于记录消防员相对于该模块开启时的相对位置坐标，并将相对位置坐标传输到信息处理与传输终端设备。

所述带增强现实眼镜的空气呼吸器，除了用于面部防护及提供氧气，还带有增强现实眼镜，该眼镜能够叠加现实图片、符号、文字及信息而不影响消防员的正常视线。

所述信息处理与传输终端设备，用于接收处理GPS定位模块、惯性导航模块的数据和应急现场指挥中心服务器平台传输的数据，同时向增强现实眼镜、应急现场指挥中心服务器平台发送数据。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

1、本发明在灭火救援情况下，通过GPS定位、惯性导航以及建筑CAD，为消防员规划建筑内部行动最佳路径，减少在可见度极低调价下的摸索时间，有效提升了灭火救援行动速度，降低消防员危险性；

2、本发明通过信号处理与传输模块，将消防员在建筑内部的精确定位实时传输至后台的现场指挥中心，便于现场指挥人员对火场兵力部署直观掌控，提高灭火救援能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法软硬件结构框图。

图2是本发明灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法流程图。

图3是本发明灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法增强现实眼镜显示效果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参见图1。一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法包括现场指挥中心服务器平台，消防员随身装备的GPS定位模块、惯性导航模块、带增强现实眼镜的空气呼吸器、信息处理与传输终端等设备。

所述的现场指挥中心服务器平台，是指在灭火救援现场的指挥车中的计算机软硬件平台，该平台通过无线传输技术实现与火场内部消防员通信，向消防员传递指挥命令及辅助信息，并接收消防员从失火建筑内部传输的现场信息。

所述的GPS定位模块，用于实时记录消防员未进入失火建筑内时的世界坐标系坐标值，一旦消防员进入建筑内部，由于GPS信号削弱，该坐标值变得不精确而不可用。

所述的惯性导航模块，用于实时记录消防员惯性导航坐标系坐标值，该坐标值不需要依靠外界卫星或基站提供定位基准，不受建筑内外信号影响，其原点位于惯性导航设备启动那一刻所在位置，X、Y、Z坐标轴方向由自身标定。

所述的带增强现实眼镜的空气呼吸器，是指在常见的空气呼吸器中加装增强现实智能眼镜，该眼镜采用共轭全息波导成像技术，视场角达到30°，分辨率高达1280×720，可以将图像、符号及文字显示在镜片中而不影响消防员正常视线。

所述的信息处理与传输终端，是指移动嵌入式处理器及无线传输模块，处理器通过数据线与GPS定位模块、惯性导航模块、增强现实眼镜模块相连，进行数据信号传输与处理，无线传输模块用来与现场指挥中心服务器平台通信。

如图2，一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法，包括下述步骤：

1)现场指挥中心平台从数据库提取失火建筑CAD图，该图纸是在标准建筑CAD图基础上简化而来，只包含墙体、门窗、楼梯、安全出口等简要信息，同时附加该建筑的GPS坐标、各个楼层高度等信息。然后将建筑信息发送到前往火灾现场实施灭火救援的消防员信息处理与传输终端上。

2)消防员在未进入建筑前开启随身装备，记此刻到进入建筑内部这段时间内共上传了n个坐标点，GPS定位模块上传的世界坐标系齐次坐标值是P_GPSi(x_i y_i z_i 1)，对应惯性导航模块上传的惯性导航坐标系坐标值是P_INSi(x_i y_i z_i 1)。假设惯性导航坐标系经过矩阵T变换之后与世界坐标系重合，根据最小二乘法原理，建立公式：

上式中，X是转换关系参数的α β γ Δx Δy Δz集合，矩阵T表达式为：

3)当消防员进入失火建筑内部进行灭火救援，此时GPS定位模块定位精度太低而不可用。信息处理与传输终端根据惯性导航上传的Z坐标值及楼层高度信息，判断消防员当前处于失火建筑的楼层，再根据步骤步骤2)所求的转换关系，依据惯性导航坐标系坐标值求取消防员所在的世界坐标系坐标值。结合建筑所在的世界坐标系坐标值，可以明确消防员在建筑的具体位置，并将位置及当前楼层CAD图推送显示在增强现实眼镜中，效果如图3所示。

4)指挥中心根据火灾现场实施采集的信息，为消防员指定行动目标位置，并传输到信息处理与传输终端设备。终端根据消防员当前所在的位置，建筑内部结构，以及目标位置，规划最佳行动路径并显示在增强现实眼镜镜片上，指引消防员迅速到达目标位置。

本发明提供了一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种灭火救援情况下的室内定位与路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，应急现场指挥中心服务器平台从数据库中提取失火建筑信息，失火建筑信息包括建筑CAD图、建筑的GPS坐标、各个楼层高度信息，并将失火建筑信息发送到前往火灾现场实施灭火救援的消防员信息处理与传输终端上；

步骤2，消防员在未进入建筑前开启随身装备的GPS定位模块、惯性导航模块、带增强现实眼镜的空气呼吸器和信息处理与传输终端设备，记此刻到进入建筑内部这段时间内共上传了n个坐标点，GPS定位模块上传的第i个世界坐标系齐次坐标值是P_GPSi(x_i y_i z_i 1)，对应惯性导航模块上传的惯性导航坐标系坐标值是P_INSi(x_i y_i z_i 1)，x_i y_i z_i分别表示X、Y、Z轴坐标值，设定惯性导航坐标系经过矩阵T变换之后与世界坐标系重合，根据最小二乘法原理建立如下公式：

上式中，n是GPS定位模块和惯性导航模块上传的坐标点数量，i代表坐标点序号，X是待求的转换关系参数的α β γ Δx Δy Δz集合，矩阵T表达式为：

其中α、β、γ分别表示惯性导航坐标系坐标值绕X、Y、Z轴旋转的角度、Δx、Δy、Δz分别表示惯性导航坐标系坐标值沿X、Y、Z轴平移的距离；

步骤3，当消防员进入失火建筑内部进行灭火救援，信息处理与传输终端根据惯性导航模块上传的Z坐标值及楼层高度信息，判断消防员当前在失火建筑所处的楼层，再根据步骤2所得到的转换关系，依据惯性导航坐标系坐标值求取消防员所在的世界坐标系坐标值，结合建筑所在的世界坐标系坐标值，得到消防员在建筑的具体位置，并将位置及当前楼层CAD图推送显示在增强现实眼镜中；

步骤4，应急现场指挥中心服务器平台根据火灾现场实施采集的信息，为消防员指定行动目标位置，并传输到信息处理与传输终端设备，信息处理与传输终端设备根据消防员当前所在的位置、建筑内部结构，以及目标位置，规划最佳行动路径并显示在增强现实眼镜镜片上，指引消防员迅速到达目标位置；

步骤2中，GPS定位模块上传世界坐标系下的坐标值，采用的是国际标准WGS84坐标系统，惯性导航设备上传自身坐标系下的坐标值，其原点位于设备开机时刻；

所述数据库中存储有建筑CAD图，建筑CAD图只包含建筑物墙体、门窗、楼梯、安全出口信息；

所述GPS定位模块，用于在建筑外GPS信号强时，记录消防员位置并将位置数据传输到信息处理与传输终端设备；

所述惯性导航模块，用于记录消防员相对于惯性导航模块开启时的相对位置坐标，并将相对位置坐标传输到信息处理与传输终端设备；

所述信息处理与传输终端设备，用于接收处理GPS定位模块、惯性导航模块的数据和应急现场指挥中心服务器平台传输的数据，同时向增强现实眼镜、应急现场指挥中心服务器平台发送数据。

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