CN111856390A - 一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统及其定位方法，属于建筑火灾救援技术领域。通过在高层建筑的外围设置外部信标，并根据救援移动终端相对于外部信标的距离确定移动终端的位置坐标，实现对救援人员在水平方位和竖直方位的精准定位；同时设计轨迹跟踪单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵，对救援人员进行定位跟踪。与现有技术相比，本发明提出的城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统能够实现对救援人员的精准定位，并对救援人员行进轨迹进行跟踪，避免救援人员迷失方向，提高救援效率；同时，通过对救援人员的精准定位能提醒救援人员远离火源，保自身安全。

Description

一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统及其定位方法

技术领域

本发明属于建筑火灾救援技术领域，尤其是一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统及其定位方法。

背景技术

随着我国城市建设的快速发展，城市建筑的层级越来越高。然而随着高晨建筑向高层化、大型化发展的同时，由于楼层高、功能复杂、设备繁多，导致火灾发生时救援难度较大。即便是专业的救援队伍，在救援过程中也会发生意外，造成伤亡。

在高层楼宇火灾救援过程中，为了提高救援效率，通常会采用生命探测仪对楼宇中幸存人员进行探测，确定幸存人员位置后，然后由救援人员进入楼宇实施定点施救。因此，在救援过程中对救援人员进行精准定位能够便于救援人员快速确定自身方位，进而快速找到幸存人员实施营救，同时还能使救援人员远离火源，规避风险，在救援的同时，保证自身的安全。

但是，现有的定位系统只能对救援人员的水平方位进行较为准确的定位，而对救援人员在竖直方向定位较为困难。而当救援人员进入火灾楼宇后，由于室内结构复杂，同时火灾过程中会产生大量的浓烟，给救援人员带来极大的救援困难，而定位不准会导致救援人员难以确认自身位置，进而难以找寻到幸存者，大大降低救援效率；甚至还会因无法确认自身位置将自身置于险境。

发明内容

发明目的：提供一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统及其定位方法，以解决现有技术存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统，包括：

外部信标，包括室外定位模块、信号发射单元以及第一时钟单元；所述室外定位模块确定外部信标的基础位置，建立外部信标的基点坐标，为室内人员定位提供基点参考；所述第一时钟单元提供时间信息；所述信号发射单元发射外部信标位置和时间叠加信号；

救援移动终端，所述救援移动终端佩戴于救援人员身上，所述救援移动终端包括室内定位模块，所述室内定位模块包括信号接收单元、Lora无线传输模块、第二时钟单元、数字信号处理单元；所述Lora无线传输模块构建外部信标与救援移动终端的局部信息网络；所述信号接收单元接收外部信标发射的位置和时间叠加信号；所述第二时钟单元记录信号接收单元接收到信号接收单元发射的位置和时间叠加信号的时间；所述数字信号处理单元根据信号发射和接收的时间差计算救援移动终端与外部信标的距离确定救援移动终端的坐标；

上位机模块，包括信息存储单元以及轨迹跟踪单元；所述信息存储单元与数字信号处理单元通过无线传输模块建立实时通信连接，所述信息存储单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵并进行存储；所述轨迹跟踪单元调用信息存储单元存储的救援移动终端的坐标和时间矩阵建立救援人员的行进轨迹对救援人员进行定位跟踪。

在进一步的实施例中，所述外部信标的数量为3个，所述外部信标分别设于建筑的外围，所述外部信标连线构成三角形；

所述外部信标确定3个基点坐标分别为第一坐标(X₁,Y₁,Z₁)、第二坐标(X₂,Y₂,Z₂)以及第三坐标(X₃,Y₃,Z₃)；所述信号发射单元将这3个基点坐标同时发射至救援移动终端；所述第一时钟单元确定发射时间T并将发射时间T与基点坐标叠加形成叠加信号然后通过信号发射单元发送至救援移动终端；

所述信号接收单元分别接收这3个外部信标发射的叠加信号；所述第二时钟单元记录叠加信号的接收时间；所述数字信号处理单元根据信号发射和接收的时间差计算救援移动终端与外部信标的距离确定救援移动终端的坐标(X_T，Y_T，Z_T)，其中外部信标与救援移动终端的坐标数据存在如下关系：

式中，C为光速，t₁为信号接收单元接收到第一坐标信号的时间差，t₂为信号接收单元接收到第二坐标信号的时间差，t₃为信号接收单元接收到第三坐标信号的时间差；

所述轨迹跟踪单元根据救援移动终端的位置坐标对应时间建立救援人员的行进轨迹，对救援人员进行实时定位，救援人员的行进轨迹用矩阵表示为：

G_T1＝{(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)……(X_Ti，Y_Ti，Z_Ti，T_n)}，i＝1，2，3……n；

式中，n为外部信标发射信号的次数，Ti为外部信标第i次发射信号的时间。

在进一步的实施例中，所述外部信标的室外定位模块采用GPS定位系统确定水平方向的基点坐标；所述外部信标的竖直方向的基点坐标设为0；通过此设置能够降低数字信号处理单元的计算难度，降低系统的反应时效，快速获得救援移动终端的坐标，进而对救援人员进行精准定位。

在进一步的实施例中，所述上位机模块还包括延时呼叫模块，所述延时呼叫模块实时调取信息存储单元的数据，确定单位时间t内救援人员的第一位置(x₁,y₁,z₁)和第二位置(x₁,y₁,z₁)，并计算救援人员单位时间t内的移动距离L：

设定单位时间t内救援人员安全移动距离l并与救援人员实际移动距离L对比，当L<l时，呼叫模块判定救援人员处于危险境遇，呼叫外部救援；通过设置延时呼叫模块，能够在救援人员处于危险时，能够及时获得援助，保护救援人员的人身安全。

在进一步的实施例中，所述室内人员定位系统还包括场景监控模块；所述场景监控模块包括摄像组件，所述摄像组件设于救援移动终端上，所述摄像组件与上位机模块通讯连接；所述上位机模块包括图像处理单元；所述摄像组件拍摄救援人员周围场景图像，所述图像处理单元对图像进行数字化处理并显示；建筑外部的救援人员能够根据显示的图像判断救援人员的救援环境，当救援人员救援环境恶化时及时提醒救援人员快速撤离。

在进一步的实施例中，所述摄像组件包括安装壳体、设于安装壳体内的驱动电机和减速机以及与减速机的输出端固定连接的转动平台，所转动平台上设有摄像机；所述安装壳体与救援移动终端固定连接，所述驱动电机和减速机的外壳与安装壳体内壁固定连接，所述驱动电机的输出端与减速机的输入端固定连接；所述摄像机转动拍摄救援人员周围场景图像；驱动电机运行通过减速机带动转动平台转动，使摄像机拍摄救援人员周围的场景，便于建筑外部人员完全获取救援人员四周的场景图像，协助室内救援人员进行救援。

在进一步的实施例中，所述场景监控模块还包括图像采集卡，所述图像采集卡将摄像机拍摄的图像转化成数字信号并传输至上位机模块的图像处理单元；所述图像采集卡采用AV-878A图像采集卡；通过图像采集卡提高图像采集速度和解析度，进而快速获得清晰的拍摄图像。

在进一步的实施例中，所述图像处理单元建立空间三维图像P(x,y,z)与摄像图片的二维图像P(X,Y)的线性模型：

式中，F为摄像机的摄像头的焦距；

联合图像坐标系并用齐次坐标形式表示为：

式中，s为比例因子，α_x＝F/dX，为X^·轴上的尺度因子，α_y＝F/dY，为为Y^·轴上的尺度因子，X^· ₀、Y^· ₀分别为摄像机坐标系原点在图像坐标系中的位置，R为摄像机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵；t为摄像机坐标系与世界坐标系之间的平移向量。矩阵M₁的参数α_x、α_y、X^· ₀、Y^· ₀只与摄像机内部参数有关，因此将这些参数称为摄像机内部参数；矩阵M₂的参数R、t由摄像机相对于世界坐标系的方位决定。

在进一步的实施例中，所述图像处理单元包括噪声处理单元，所述噪声处理单元首先将原始图像f(x,y)划分为若干像素窗口ε，并将图像中的灰度值等效为高度值,然后对小窗口的数据用曲面来拟合：

式中，g(x,y)为窗口ε的拟合曲面函数，i，j分别为窗口ε区域内像素点的横坐标，m，n表示窗口ε区域内横向与纵向的像素个数，a_ij表示拟合曲面的拟合系数；

计算拟合误差：

对E(a_ij)进行求导得到a_ij值，进而获取最佳拟合曲面g(x,y)：

拟合曲面函数g(x,y)的梯度幅值为:

设定阈值G，比较G(x,y)与G的大小，当G(x,y)<G时，判断对应的拟合曲面点g(x,y)为边缘点，并得到边缘特征图。

为了实现上述目的，本发明还提供以下技术方案：

一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统的定位方法，包括如下步骤：

步骤1：首先在高层建筑外围底面上设定3个不共线的外部信标确定3个基点坐标，这3个基点坐标分别为第一坐标(X₁,Y₁,Z₁)、第二坐标(X₂,Y₂,Z₂)以及第三坐标(X₃,Y₃,Z₃)；

步骤2：3个外部信标同时将基点坐标数据与发射时间T进行叠加形成叠加信号，并通过信号发射单元发送至救援移动终端；

步骤3：救援移动终端的信号接收单元接收叠加信号，数字信号处理单元根据接收信号的时间差计算救援移动终端与3个外部信标的距离，并确定救援移动终端的坐标(X_T，Y_T，Z_T)，其中外部信标与救援移动终端的坐标数据存在如下关系：

式中，C为光速，t₁为信号接收单元接收到第一坐标信号的时间差，t₂为信号接收单元接收到第二坐标信号的时间差，t₃为信号接收单元接收到第三坐标信号的时间差；

步骤4：信息存储单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵并进行存储；轨迹跟踪单元调用信息存储单元存储的救援移动终端的坐标和时间矩阵建立救援人员的行进轨迹对救援人员进行定位跟踪，救援人员的行进轨迹用矩阵表示为：

G_T1＝{(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)……(X_Ti，Y_Ti，Z_Ti，T_n)}，i＝1，2，3……n；

式中，n为外部信标发射信号的次数，Ti为外部信标第i次发射信号的时间。

有益效果：本发明提出了一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统及其定位方法，通过在高层建筑的外围设置外部信标，根据救援移动终端相对于外部信标的距离获取移动终端的位置坐标，实现救援人员的水平方向定位和竖直方向定位，进而实现救援人员的精准定位；同时设计轨迹跟踪单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵，实现对救援人员的定位跟踪。本发明还设计场景监控模块获取移动终端周围场景，便于救援人员进入火灾楼宇进行救援时，室外人员协助观察救援人员周围场景，在救援人员救援过程中提醒救援人员规避风险。与现有技术相比，本发明提出的城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统能够实现对救援人员的精准定位，并对救援人员行进轨迹进行跟踪，提高救援效率；同时还能规避救援过程中的意外风险，保护救援人员的安全。

附图说明

图1是本发明的城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统的结构示意图。

图2是本发明的摄像组件的结构示意图。

图3是本发明的图像坐标系、摄像坐标系以及世界坐标系的对应关系图。

图1至图3各处标记分别为：外部信标10、救援移动终端20、上位机模块30、摄像组件40、安装壳体41、驱动电机42、减速机43、转动平台44、摄像机45。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

申请人认为，在高层建筑火灾救援过程中，由于高程建筑结构复杂，同时火灾中会产生大量浓烟，导致进入楼宇的救援人员难以确定自身位置，这既增加了救援难度，还降低救援效率；同时一旦救援人员对自身位置判断失误，还极易将自身置于危险之中，需要实施二次救援。因此在救援过程中需要对救援进行精准定位，而目前的定位系统一般采用GPS系统进行定位，其只能在水平方位进行较为准确的定位，而无法在竖直方位进行精准定位，进而增加了救援人员的救援难度，大大降低救援效率。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统。如图1所示，本申请提供的定位系统包括外部信标、救援移动终端以及上位机模块。

具体的，外部信标包括室外定位模块、信号发射单元以及第一时钟单元。室外定位模块确定外部信标的基础位置，建立外部信标的基点坐标，为室内人员定位提供基点参考。本实施例中的外部信标的数量为3个，这3个外部信标分别设于建筑的外围，所述外部信标连线构成三角形；优选的，任意2个外部信标距离相等，则外部信标连线构成等边三角形。外部信标的室外定位模块采用GPS定位系统确定水平方向的基点坐标。因此，外部信标通过室外定位模块可以确定3个基点坐标分别为第一坐标(X₁,Y₁,Z₁)、第二坐标(X₂,Y₂,Z₂)以及第三坐标(X₃,Y₃,Z₃)。信号发射单元将这3个基点坐标同时发射至救援移动终端。同时，第一时钟单元确定发射时间T并将发射时间T与基点坐标叠加形成叠加信号然后通过信号发射单元发送至救援移动终端。

救援移动终端佩戴于救援人员身上。例如，可以将救援移动终端集成与救援人员的安全帽上。救援移动终端包括室内定位模块。其中，室内定位模块包括信号接收单元、Lora无线传输模块、第二时钟单元、数字信号处理单元。Lora(Long Range Radio，远距离无线电)无线传输模块能够以较低的功耗实现较远距离无线信号传输，通过Lora无线传输模块构建外部信标与救援移动终端的局部信息网络。所述信号接收单元接收外部信标发射的位置和时间叠加信号。同时，第二时钟单元记录信号接收单元接收到信号接收单元发射的位置和时间叠加信号的时间。数字信号处理单元根据信号发射和接收的时间差计算救援移动终端与外部信标的距离确定救援移动终端的坐标(X_T，Y_T，Z_T)。其中，外部信标与救援移动终端的坐标数据存在如下关系：

式中，C为光速，t₁为信号接收单元接收到第一坐标信号的时间差，t₂为信号接收单元接收到第二坐标信号的时间差，t₃为信号接收单元接收到第三坐标信号的时间差。

为了降低数字信号处理单元的计算难度，提高系统的反应时效，所述外部信标的竖直方向的基点坐标设为0。外部信标的3个基点坐标进一步为第一坐标(X₁,Y₁,0)、第二坐标(X₂,Y₂,0)以及第三坐标(X₃,Y₃,0)，则外部信标与救援移动终端的坐标数据关系可以表示为：

数字信号处理单元快速获得救援移动终端的坐标，进而对救援人员进行精准定位。本申请提供的定位系统不经可以实现水平方向的定位(X和Y方向)，还能再竖直方向(Z方向)实现精准定位。通过对救援人员进行快速精准定位能够便于救援人员确认自身方位，快速搜寻幸存者并进行营救，提高救援效率。由于定位精准，能够使救援人员远离火源，避免自身陷入危险，保护自身安全。

上位机模块包括信息存储单元以及轨迹跟踪单元。其中，信息存储单元与数字信号处理单元通过无线传输模块建立实时通信连接。并且信息存储单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵并进行存储。所述轨迹跟踪单元调用信息存储单元存储的救援移动终端的坐标和时间矩阵建立救援人员的行进轨迹对救援人员进行定位跟踪。轨迹跟踪单元根据救援移动终端的位置坐标对应时间建立救援人员的行进轨迹，对救援人员进行实时定位，救援人员的行进轨迹用矩阵表示为：

G_T1＝{(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)……(X_Ti，Y_Ti，Z_Ti，T_n)}，i＝1，2，3……n；

式中，n为外部信标发射信号的次数，Ti为外部信标第i次发射信号的时间。通过对救援人员的行进轨迹进行跟踪，能够为救援人员的撤退路线提供参考。当救援人员将搜寻到幸存者后，可以根据行进轨迹按原路安全返回，而不需要重新搜寻安全移动路线。提高救援效率，同时保证救援安全。

由于高层建筑结构复杂，同时高层风速较快，使得火情瞬息万变。在救援过程中，救援人员为防止幸存者受伤，经常会将自身保护设备送给幸存者使用。这些情况都会使得救援人员自身处于危险之中，而一旦救援人员自身陷入危险，则必须由外部救援人员进入楼宇实施二次救援。为了更好的应对这种情况，在进一步的实施例中，上位机模块还包括延时呼叫模块。其中，延时呼叫模块实时调取信息存储单元的数据，确定单位时间t内救援人员的第一位置(x₁,y₁,z₁)和第二位置(x₁,y₁,z₁)，并计算救援人员单位时间t内的移动距离L：

设定单位时间t内救援人员安全移动距离l并与救援人员实际移动距离L对比，当L<l时，呼叫模块判定救援人员处于危险境遇，呼叫外部救援。在实际应用中，考虑到救援人员的安全，单位时间t的设定不宜过长，本申请建议单位时间t设定为5s。当延时呼叫模块确认救援人员5s以上未移动，即可确认认定救援人员遭遇危险，此时外部人员应当与救援人员进行联系，如果确认救援人员遭遇危险或者救援人员无应答，应当立即对其进行二次救援。

在救援人员施救过程中，为了保护幸存者，救援人员会把重点大部分放在幸存者身上，因此救援人员会存在对周围环境观察不足的情况，这极易使救援人员遭遇危险。例如救援人员施救过程中，对身后危险可能判断不准。为了应对这种情况，在进一步的实施例中，室内人员定位系统还包括场景监控模块。其中，场景监控模块包括摄像组件，摄像组件设于救援移动终端上，摄像组件与上位机模块通讯连接。上位机模块包括图像处理单元。摄像组件拍摄救援人员周围场景图像，图像处理单元对图像进行数字化处理并显示。建筑外部的救援人员能够根据显示的图像判断救援人员的救援环境，当救援人员救援环境恶化时及时提醒救援人员快速撤离。

本实施例中的摄像组件包括安装壳体、驱动电机、减速机、转动平台以及摄像机。其中，安装壳体固定于救援移动终端上。驱动电机和减速机均设于安装壳体内；并且，驱动电机的外壳减速机的外壳与安装壳体的内壁固定连接。驱动电机的输出端与减速机的输入端固定连接。减速机的输出端与转动平台的底部固定连接，摄像机固定于转动平台上。在救援人员救援过程中，驱动电机启动通过减速机带动转动平台转动，转动平台带动摄像机转动拍摄救援人员周围的场景。从而便于建筑外部的人员能够完全获取救援人员四周的场景图像，便于对救援人员提供安全提醒，协助救援人员进行救援。

本实施例中的场景监控模块还包括图像采集卡，图像采集卡将摄像机拍摄的图像转化成数字信号并传输至上位机模块的图像处理单元。图像采集卡采用AV-878A图像采集卡。该图像采集卡的采集速度可以达到30帧/s，采集一帧所需时间大约为33ms。同时，该图像采集卡的解析度为640*480,16.7万色，能够满足一般摄像机的分辨率要求。如果图像清晰度较高，会导致图像传输速度降低，图像的容易出现卡顿的现象，因此图像采集卡的解析度满足使用需求即可，并不是越大越好。通过图像采集卡提高图像采集速度和解析度，进而快速获得清晰的拍摄图像。

在摄像机拍摄三维图像的过程中，摄像机不仅需要对图像的特征进行识别，还需要判断这些特征量在实际空间中的位置，因此需要建立正确的数学模型，获得识别后的特征对应的空间坐标。在摄像机拍摄三维图像的过程中，涉及图像坐标系、摄像机坐标系以及世界坐标系。结合图3，世界坐标系(oxyz)是三维坐标系，图像坐标系(o`x`y`)和摄像机坐标系(OXY)为二维坐标系。实际空间中的点通过成像得到摄像机坐标系中的点。本实施例中的图像处理单元建立空间三维图像点集P(x,y,z)与摄像图片的二维图像点集P(X,Y)的数学模型。由于摄像机采用针孔成像原理，针孔成像模型是典型的线性模型，空间任一点P(x,y,z)成像与摄像机坐标系中的点P(X,Y)，由相似三角形可以得到：

式中，F为摄像机的摄像头的焦距。联合图像坐标系并用齐次坐标形式表示为：

式中，s为比例因子，α_x＝F/dX，为X^·轴上的尺度因子，α_y＝F/dY，为为Y^·轴上的尺度因子，X^· ₀、Y^· ₀分别为摄像机坐标系原点在图像坐标系中的位置，R为摄像机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵；t为摄像机坐标系与世界坐标系之间的平移向量。

图像在采集和数字量化过程中有可能引入噪声，使图像变得模糊。而图像清晰度不足会影响室外人员无法准确判断救援人员的救援环境，不便对室内救援人员作出正确指导。在进一步的实施例中，所述图像处理单元包括噪声处理单元，所述噪声处理单元首先将原始图像f(x,y)划分为若干像素窗口ε，并将图像中的灰度值等效为高度值,然后对小窗口的数据用曲面来拟合，并根据拟合的结果来判断是否为边缘点，过程如下：

式中，g(x,y)为窗口ε的拟合曲面函数，i，j分别为窗口ε区域内像素点的横坐标，m，n表示窗口ε区域内横向与纵向的像素个数，a_ij表示拟合曲面的拟合系数；

计算拟合误差：

对E(a_ij)进行求导得到a_ij值，进而获取最佳拟合曲面g(x,y)：

拟合曲面函数g(x,y)的梯度幅值为:

设定阈值G，比较G(x,y)与G的大小，当G(x,y)<G时，判断对应的拟合曲面点g(x,y)为边缘点，并得到边缘特征图。通过提取的边缘特征能够清晰、细致地保持图像的细小的边缘信息，对图像模糊增强，减小对噪音信号的强化，进而使图像清晰。供清晰的救援人员周围图像，便于室外人员协助观察，协助室内救援人员规避危险源，提高人身安全。

工作原理：首先在高层建筑外围底面上设定3个不共线的外部信标确定3个基点坐标，这3个基点坐标分别为第一坐标(X₁,Y₁,Z₁)、第二坐标(X₂,Y₂,Z₂)以及第三坐标(X₃,Y₃,Z₃)。然后，3个外部信标同时将基点坐标数据与发射时间T进行叠加形成叠加信号，并通过信号发射单元发送至救援移动终端。其次救援移动终端的信号接收单元接收叠加信号，数字信号处理单元根据接收信号的时间差计算救援移动终端与3个外部信标的距离，并确定救援移动终端的坐标(X_T，Y_T，Z_T)，其中外部信标与救援移动终端的坐标数据存在如下关系：

式中，C为光速，t₁为信号接收单元接收到第一坐标信号的时间差，t₂为信号接收单元接收到第二坐标信号的时间差，t₃为信号接收单元接收到第三坐标信号的时间差。最后信息存储单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵并进行存储；轨迹跟踪单元调用信息存储单元存储的救援移动终端的坐标和时间矩阵建立救援人员的行进轨迹对救援人员进行定位跟踪，救援人员的行进轨迹用矩阵表示为：

G_T1＝{(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)……(X_Ti，Y_Ti，Z_Ti，T_n)}，i＝1，2，3……n；

式中，n为外部信标发射信号的次数，Ti为外部信标第i次发射信号的时间。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统，其特征在于，包括：

外部信标，包括室外定位模块、信号发射单元以及第一时钟单元；所述室外定位模块确定外部信标的基础位置，建立外部信标的基点坐标，为室内人员定位提供基点参考；所述第一时钟单元提供时间信息；所述信号发射单元发射外部信标位置和时间叠加信号；

救援移动终端，所述救援移动终端佩戴于救援人员身上，所述救援移动终端包括室内定位模块，所述室内定位模块包括信号接收单元、Lora无线传输模块、第二时钟单元、数字信号处理单元；所述Lora无线传输模块构建外部信标与救援移动终端的局部信息网络；所述信号接收单元接收外部信标发射的位置和时间叠加信号；所述第二时钟单元记录信号接收单元接收到信号接收单元发射的位置和时间叠加信号的时间；所述数字信号处理单元根据信号发射和接收的时间差计算救援移动终端与外部信标的距离确定救援移动终端的坐标；

上位机模块，包括信息存储单元以及轨迹跟踪单元；所述信息存储单元与数字信号处理单元通过无线传输模块建立实时通信连接，所述信息存储单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵并进行存储；所述轨迹跟踪单元调用信息存储单元存储的救援移动终端的坐标和时间矩阵建立救援人员的行进轨迹对救援人员进行定位跟踪。

2.根据权利要求1所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述外部信标的数量为3个，所述外部信标分别设于建筑的外围，所述外部信标连线构成三角形；

所述外部信标确定3个基点坐标分别为第一坐标(X₁,Y₁,Z₁)、第二坐标(X₂,Y₂,Z₂)以及第三坐标(X₃,Y₃,Z₃)；所述信号发射单元将这3个基点坐标同时发射至救援移动终端；所述第一时钟单元确定发射时间T并将发射时间T与基点坐标叠加形成叠加信号然后通过信号发射单元发送至救援移动终端；

所述信号接收单元分别接收这3个外部信标发射的叠加信号；所述第二时钟单元记录叠加信号的接收时间；所述数字信号处理单元根据信号发射和接收的时间差计算救援移动终端与外部信标的距离确定救援移动终端的坐标(X_T，Y_T，Z_T)，其中外部信标与救援移动终端的坐标数据存在如下关系：

式中，C为光速，t₁为信号接收单元接收到第一坐标信号的时间差，t₂为信号接收单元接收到第二坐标信号的时间差，t₃为信号接收单元接收到第三坐标信号的时间差；

所述轨迹跟踪单元根据救援移动终端的位置坐标对应时间建立救援人员的行进轨迹，对救援人员进行实时定位，救援人员的行进轨迹用矩阵表示为：

G_T1＝{(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)……(X_Ti，Y_Ti，Z_Ti，T_n)}，

i＝1，2，3……n；

式中，n为外部信标发射信号的次数，Ti为外部信标第i次发射信号的时间。

3.根据权利要求2所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述外部信标的室外定位模块采用GPS定位系统确定水平方向的基点坐标；所述外部信标的竖直方向的基点坐标设为0。

4.根据权利要求1所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述上位机模块还包括延时呼叫模块，所述延时呼叫模块实时调取信息存储单元的数据，确定单位时间t内救援人员的第一位置(x₁,y₁,z₁)和第二位置(x₁,y₁,z₁)，并计算救援人员单位时间t内的移动距离L：

设定单位时间t内救援人员安全移动距离l并与救援人员实际移动距离L对比，当L<l时，呼叫模块判定救援人员处于危险境遇，呼叫外部救援。

5.根据权利要求1所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述室内人员定位系统还包括场景监控模块；所述场景监控模块包括摄像组件，所述摄像组件设于救援移动终端上，所述摄像组件与上位机模块通讯连接；所述上位机模块包括图像处理单元；所述摄像组件拍摄救援人员周围场景图像，所述图像处理单元对图像进行数字化处理并显示。

6.根据权利要求5所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述摄像组件包括安装壳体、设于安装壳体内的驱动电机和减速机以及与减速机的输出端固定连接的转动平台，所转动平台上设有摄像机；所述安装壳体与救援移动终端固定连接，所述驱动电机和减速机的外壳与安装壳体内壁固定连接，所述驱动电机的输出端与减速机的输入端固定连接；所述摄像机转动拍摄救援人员周围场景图象。

7.根据权利要求5所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述场景监控模块还包括图像采集卡，所述图像采集卡将摄像机拍摄的图像转化成数字信号并传输至上位机模块的图像处理单元；所述图像采集卡采用AV-878A图像采集卡。

8.根据权利要求5所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述图像处理单元建立空间三维图像P(x,y,z)与摄像图片的二维图像P(X,Y)的线性模型：

式中，F为摄像机的摄像头的焦距；

联合图像坐标系并用齐次坐标形式表示为：

式中，s为比例因子，α_x＝F/dX，为X^·轴上的尺度因子，α_y＝F/dY，为为Y^·轴上的尺度因子，X^· ₀、Y^· ₀分别为摄像机坐标系原点在图像坐标系中的位置，R为摄像机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵；t为摄像机坐标系与世界坐标系之间的平移向量。

9.根据权利要求7所述的室内人员定位系统，其特征在于，所述图像处理单元包括噪声处理单元，所述噪声处理单元首先将原始图像f(x,y)划分为若干像素窗口ε，并将图像中的灰度值等效为高度值,然后对小窗口的数据用曲面来拟合：

式中，g(x,y)为窗口ε的拟合曲面函数，i，j分别为窗口ε区域内像素点的横坐标，m，n表示窗口ε区域内横向与纵向的像素个数，a_ij表示拟合曲面的拟合系数；

计算拟合误差：

对E(a_ij)进行求导得到a_ij值，进而获取最佳拟合曲面g(x,y)：

拟合曲面函数g(x,y)的梯度幅值为:

设定阈值G，比较G(x,y)与G的大小，当G(x,y)<G时，判断对应的拟合曲面点g(x,y)为边缘点，并得到边缘特征图。

10.一种城市高层建筑火灾救援室内人员定位系统的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：首先在高层建筑外围底面上设定3个不共线的外部信标确定3个基点坐标，这3个基点坐标分别为第一坐标(X₁,Y₁,Z₁)、第二坐标(X₂,Y₂,Z₂)以及第三坐标(X₃,Y₃,Z₃)；

步骤2：3个外部信标同时将基点坐标数据与发射时间T进行叠加形成叠加信号，并通过信号发射单元发送至救援移动终端；

步骤3：救援移动终端的信号接收单元接收叠加信号，数字信号处理单元根据接收信号的时间差计算救援移动终端与3个外部信标的距离，并确定救援移动终端的坐标(X_T，Y_T，Z_T)，其中外部信标与救援移动终端的坐标数据存在如下关系：

式中，C为光速，t₁为信号接收单元接收到第一坐标信号的时间差，t₂为信号接收单元接收到第二坐标信号的时间差，t₃为信号接收单元接收到第三坐标信号的时间差；

步骤4：信息存储单元建立救援移动终端的坐标与时间矩阵并进行存储；轨迹跟踪单元调用信息存储单元存储的救援移动终端的坐标和时间矩阵建立救援人员的行进轨迹对救援人员进行定位跟踪，救援人员的行进轨迹用矩阵表示为：

G_T1＝{(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)，(X_T1，Y_T1，Z_T1，T₁)……(X_Ti，Y_Ti，Z_Ti，T_n)}，

i＝1，2，3……n；

式中，n为外部信标发射信号的次数，Ti为外部信标第i次发射信号的时间。

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