CN112229398A - 一种室内火灾逃生的导航系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室内火灾逃生的导航系统及其方法，该系统操作对个体用户来说较为简易，且不需要佩戴额外设备，较为容易被用户接受。同时最大程度利用室内己有设备，不需要额外安装布设和定期维护以确保精度，可节约成本，系统整体布设也较简单灵活；即使摄像头有部分不起作用，整体系统运行不易受影响，即使有部分区域不可见也可达到相对高的定位精度；同时有检测用户姿态功能，判断用户当前状态和推断烟雾状态，被困用户则保持不动。这些信息将帮助后续到达消防队员进行救援决策判断。
Description
技术领域
本发明涉及消防逃生技术领域，尤其是涉及一种室内火灾逃生的导航系统及其方法。
背景技术
目前的消防逃生所使用的定位系统多用于消防员，且需要佩戴额外设备和相关专业的操作知识，这使得这些系统不太适用于室内人员逃生。
对于室内逃生人员来说，他们的位置和目前所处状态对消防人员到达现场后采取更有效的救生策略也很重要。依托有效的室内定位和导航，大部分室内人员可以在消防员到达现场时脱离火灾现场，剩余被困人员的位置和所处状态将依据定位系统所监测得到的信息报告给消防人员，帮助他们制定相关救援方案。
用于室内定位的系统中，多采用WIFI、蓝牙、UWB、惯导等技术或结合技术的混合系统。这些系统有些需要额外的设备布设，如蓝牙和UWB，有些需要定期维护且信号获取有设备要求如WIFI，有些误差累积较大且缺乏绝对定位，需要额外系统辅助，如惯导。在考虑低成本、易操作、且不布置额外设备和进行定期系统维护，并能达到相对高的定位精度的前提下，以手机惯导为基础的混合定位技术是一种较为可行的技术：因为智能手机是较为普及的日常用品且都有自带的惯导元件，但是目前的手机惯导元件并不能很好的进行定位。
目前较流行的技术是采用以惯导为基础，并结合其他定位系统如WIFI、蓝牙、UWB、视觉追踪等技术来进行精度校准。其中以结合惯导和视觉追踪的系统设计能获得相对高的精度且不需要额外布设和定期维护，成本较低。这种系统可分为两大类，一种为主动型，一种为被动型。主动型系统较为常见，多用于SLAM和无人车驾驶，其系统布设使用一体式系统，即摄像头和惯导元件在同一平台上，惯导元件追踪运动姿态，同时摄像头拍摄周围图像并提取环境特征点进行3D定位.但这种系统不太适用于长时间运作，因为采用手机摄像头拍摄周围环境比较耗电，较难续航。被动状态系统设计非常少见，这种设计采用分布式系统，即摄像头和惯导元件不在同一平台上，惯性导航元件进行用户相对位置追踪，视觉追踪系统进行行人识别定位。但目前这种系统的设计都为2D定位，没有高度信息，并且获得的位置信息为相对位置，无法和室外定位系统实行无缝对接，且视觉追踪布设采用固定取景法，仅适用于单摄像头拍摄而无法灵活运用于多摄像头转换，追踪算法也采用了传统的特征提取法，这种算法较为不灵活,需要根据实际情况进行调整，且无法达到实时监测，更无法实时判别行人在火灾现场的身体姿势状态。同时系统数据融合时多采用视觉步点和惯性步点相互匹配的方式，算法较为繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种包括高度信息定位，调整灵活不繁琐，且能同时完成行人定位以及行人姿势识别的室内火灾逃生的导航系统及其方法。
本发明公开的导航系统所采用的技术方案是，一种室内火灾逃生的导航系统，包括，记录行人位置和步行数据并用于姿势识别的手机惯导装置，检测行人朝向的摄像追踪装置，检测行人当前所在楼层、安装在手机中的楼层高度识别器，整合行人位置、步行数据、行人朝向以及楼层高度并输出可视化信息的数据处理中心(服务器)，所述手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器分别与数据处理中心(服务器)通信连接，所述手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器三者之间分别都有通信连接。
本发明公开的基于上述导航系统的导航方法所采用的技术方案是，一种室内火灾逃生的导航方法，包括：
S1、使用手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器三者采集数据并由数据处理中心(服务器)处理数据得到行人的准确定位信息；
S2、对手机惯导装置采集到的步行数据进行分析，识别行人姿势，分析行人当前状态；
S3、将行人的准确定位信息发送到用户终端及系统管理员终端，行人姿势状态数据发送到系统管理员终端。
本发明的有益效果是：该发明的操作对个体用户来说较为简易，且不需要佩戴额外设备，较为容易被用户接受。同时最大程度利用室内已有设备，不需要额外安装布设和定期维护以确保精度，可节约成本，系统整体布设也较简单灵活；即使摄像头有部分不起作用，整体系统运行不易受影响，即使有部分区域不可见也可达到相对高的定位精度。总体所用算法相对较为简易，对用户端手机型号和系统没有特殊要求，在用户端进行的运算较少，减少用户端耗能，增强续航能力；对整体系统的运算能力要求不是很高，可节约算力，增加处理效率。同时有检测用户姿态功能，判断用户当前状态和推断烟雾状态，被困用户则保持不动。这些信息将帮助后续到达消防队员进行救援决策判断。
作为优先，所述步骤S1包括：
S11、初始化系统，生成数字化楼层地图；
S12、楼层高度识别器在当前楼层读取地面底层气压并进行校准，然后楼层高度识别器采集当前楼层的气压数据，以及室内温度，实时估算得到当前楼层高度，通过用户手机上的楼层高度识别器对气压进行检测，使得用户的手机可以直接计算得到用户所在的楼层范围，方便系统的视觉识别计算资源优先向用户楼层所在范围靠拢；
S13、所述手机惯导装置通过陀螺仪数据和采集到的加速度分别检测步点、步长和对应步点的朝向，通过所述步长和对应步点的朝向确定行人每一步的位置；所述步长通过实际对应地图信息进行相应长度校准；所述步点的朝向通过检测突变点的方式判断是否转弯；通过手机自带的惯导装置，对用户的步行数据进行检测，可以实时监控用户的行为方向，哪怕摄像头暂时无法拍摄到用户，也可以得到用户的行动数据
S14、打开估算得到的高度对应楼层的摄像追踪装置以及附近楼层的摄像追踪装置，对行人进行追踪，校正行人实际所在楼层以及转弯情况，通过摄像头对用户进行追踪拍摄，能够及时定位用户所在，并校准楼层高度和步行数据，同时当用户从摄像头消失时，楼层高度识别器和惯导装置返回的数据是建立在经过校准的基础上的，可以更为准确的反馈用户行动情况。
作为优先，所述步骤S2包括：
S21、根据手机惯导装置收集的数据，计算行人的速度变化量和步长变化量；
S22、对行人的速度和步长进行采样，然后根据行人的速度变化量和步长变化量对行人姿势进行实时判断：
当行人步长均值和速度等于无火灾日常行走状态时的数据时，判定行人处于直立行走状态；
当行人的步长和速度同时减小且小于直立行走状态时，判定行人处于弯腰直膝行走状态；
当行人的步长和速度同时减小且小于直立行走状态，并出现行人的速度从速度减慢到速度平稳前进时呈现速度急剧下降后又迅速上升的状态，且步长略长于弯腰直膝行走状态，则判定行人处于弯腰屈膝行走状态；
当行人的步长和速度均小于弯腰直膝行走和弯腰屈膝行走状态时，判定行人处于爬行状态；
当行人的步长和速度在稳定状态下，突然归零并长时间没有变化，判定用户行动受阻停止运动。
通过上述方法，营救人员可以准确判断行人当前的情况，当判定用户行动受阻停止运动时，若用户最后位置处于室内则默认被困，如处于室外则己经安全。并可以此推断楼内烟雾状况：弯腰姿势为烟雾较为多的状态，爬行状态表明烟雾己经干扰逃生，这两种姿势及对应用户位置需着重注意且在后续消防救援中帮助决策营救优先级。
作为优先，所述步骤S12包括：
S121、在采集数据前，在当前楼层读取底层大气压并进行校准；
S122、在行人移动时，根据采集的当前楼层气压数据与底层大气压，及室内温度，进行相对高度估计，该相对高度测量耐受温度区间为常规室温至60℃；
S123、通过寻找均值和斜率值突变点对所获得的高度数据将进行数值分段，判断每一层的高度变化区间；
S124、将楼层间楼梯高度变化值进行区间合并，建立便于后续比对的楼层高度数据库，并识别对应楼层，从系统中调取对应楼层的地图信息。
S125、在行人进入摄像头检测区域内时与系统内该摄像头楼层高度进行比对校正。
通过上述方法，能够准确判断行人当前所处的楼层高度，方便与摄像头交互，将视觉识别计算资源向行人所在楼层附近靠拢。
作为优先，所述步骤S14包括：
S141、检测镜头中是否存在行人，并在检测到行人后运转视觉追踪朝向校准，只输出朝向数据。
S142、根据深度学习施行实时行人检测，根据每一帧内的检测框大小，结合陀螺仪检测的转弯数据判断检测框是否有效以及是否该切换摄像头数据；
S143、当判断检测框有效时，取底边中点为行人步点，对应行人在图像内的深度信息生成视觉步点；
S144、生成的视觉步点也将于地图信息进行匹配，并输出每两帧之间的朝向，与手机惯导数据进行匹配。
通过追踪校准朝向系统，能够通过摄像头校准行人的当前朝向，从而能够进一步精准的判断行人当前的情况以及走向意图。
作为优先，所述步骤S1包括：
A1、根据手机惯导生成的步点时刻信息，与最相近时刻的视觉步点朝向进行匹配，以最相近时刻的视觉步点朝向代替原手机惯导数据中的朝向，生成新的2D位置信息；
A2、根据手机惯导生成的步点时刻信息，与最相近时刻高度信息进行匹配，结合校准后的2D位置信息生成3D/2.5D用户定位，即楼层内水平位置+该楼层信息，同时与地图信息一起输出，可视化用户位置信息。
通过上述方法，可以较好的可视化用户行人的位置信息，可帮助楼道管理员更直观地判断用户在楼内的分布情况。
附图说明
图1为本发明总流程示意图；
图2为本发明图1中的行人检测流程示意图；
图3为本发明图1中的楼层检测流程示意图。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
本发明公开的导航系统所采用的技术方案是，一种室内火灾逃生的导航系统，包括，记录行人位置和步行数据并用于姿势识别的手机惯导装置，检测行人朝向的摄像追踪装置，检测行人当前所在楼层、安装在手机中的楼层高度识别器，整合行人位置、步行数据、行人朝向以及楼层高度并输出可视化信息的信息融合器，所述手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器分别与信息融合器通信连接，所述手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器三者之间分别都有通信连接。
本发明公开的基于上述导航系统的导航方法所采用的技术方案是，一种室内火灾逃生的导航方法，包括：
S1、使用手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器三者采集数据并由信息融合器处理数据得到行人的准确定位信息；
S2、对手机惯导装置采集到的步行数据进行分析，识别行人姿势，分析行人当前状态；
S3、将行人的准确定位信息发送到用户终端和系统管理员终端，行人姿势状态数据发送到系统管理员终端。
当系统进行数据收集时，用户手持手机水平指向前进方向，监控摄像头正向对准走廊拍摄。手机内惯导数据(加速度和陀螺仪)和气压数据(气压计)采集和监控系统摄像头拍摄同时开启，采集的数据通过Wi-Fi/手机蜂窝网同步上传至主系统(数据处理中心)。系统内存储有各楼层电子地图和各摄像头2.5D位置，帮助后续添加真实地理信息坐标和校准楼层高度。手机惯导定位算法和楼层识别算法从开始用户开始运动时启动，摄像头视觉追踪算法只在成功检测到行人时启动。手机惯导数据采集频率为50Hz，相机检测频率为17FPS，气压数据采集频率为1Hz。为保证安全，主系统数据处理中心将位于室外安全点，所处理位置信息将通过Wi-Fi/手机蜂窝网返还用户。每个用户将拥有独立账号信息进行初始位置记录。
对于用户的室内定位包括水平定位和3D/2.5D定位
当对用户进行水平定位时，需要进行手机惯导定位、视觉追踪校准朝向以及2D数据融合。
手机惯导定位:手机惯导在总体系统运转中占主导地位并持续记录行人位置。其通过在移动时通过采集的加速度和陀螺仪数据分别检测步点、步长和对应步点的朝向，通过结合每一步步长和对应朝向确定每一步位置。步长将通过实际对应地图信息进行相应长度校准。获得的朝向将通过寻找突变点的方式判断是否转弯，便于后续和视觉朝向信息及室内地图进行匹配。步点生成的轨迹和对应楼层地图匹配后将便于进行可视化管理和室内外定位切换。
视觉追踪校准朝向:此子系统只在检测到行人后运转，并只输出朝向数据。其根据深度学习实行实时行人检测，根据每一帧内的检测框大小，检验框的高宽比成比例取2.5，同时结合转弯数据判断检测框是否有效且是否该切换摄像头数据，如判断处于同一摄像头内且检测有效，取底边中点为行人步点，对应行人深度信息生成视觉步点。深度信息由针孔摄像成像原理获得，即与像素高度成反比，且需要去除相机高度和用户高度差的影响，其初始深度值也将根据地图信息进行校准。生成的视觉步点也将于地图信息进行匹配，并输出每两帧之间的朝向，以便与手机惯导数据进行匹配。
2D数据融合:根据手机惯导生成的步点数据的时刻信息，与最相近时刻的视觉步点朝向进行匹配，以后者代替前者朝向，生成新的2D位置信息。
当对用户进行3D/2.5D定位时，需要进行楼层识别和3D/2.5D数据融合。
楼层识别时：在记录数据前，在当前楼层读取底层大气压并进行校准。在移动时，根据采集的当前楼层气压数据与底层大气压，及室内温度，进行相对高度估计，该相对高度测量可耐受温度区间为室温(20℃)至60℃,此区间内检测到的相对高度值可保持稳定，且此温度区间为行人可耐受温度，高于此温度时，如行人位置仍在室内则默认被困，且系统硬件将无法运转，并将最后一组位置数据上报系统。所获得的高度数据将通过寻找均值和斜率值突变点进行数值分段，判断每一层的高度变化区间:并将楼梯间数据通过行为模式识别，将楼层间楼梯高度变化值进行区间合并，根据以上数据建立数据库便于后续比对，从而识别对应楼层，并从系统中调取对应楼层的地图信息。同时，在进入摄像头检测区域内时与系统内该摄像头楼层位置进行比对。
3D/2.5D定位数据融合：根据手机惯导的步点时刻信息，与最相近时刻高度信息进行匹配，结合校准后的2D位置信息生成3D/2.5D用户定位，即楼层内水平位置+该楼层信息。同时与地图信息一起输出，实现用户位置信息可视化。
当进行用户姿态识别时，从手机惯导数据可继续提取相应的速度变化和步长变化，进行三种姿势识别，即直立、弯腰行走(直膝弯腰行走和屈膝弯腰行走)、爬行。这三种姿势在逃生中比较常见。其中直立行走速度最快且步长均值也最大；弯腰行走分两种情况：直膝弯腰行走会导致步长和速度同时减小，且小于直立行走；屈膝弯腰行走会引起速度减慢且在达到稳定前进速度时会出现一个急剧下降又迅速上升的变化，同时步长会略长于直膝弯腰行走的步长；如步长和速度均小于直膝弯腰行走和屈膝弯腰行走状态数据，则判断为爬行状态；如速度和步长在拥有一定稳定初始阶段但突然归零并持续长时间没有发生变化，默认用户停止运动，此种情况若用户最后位置处于室内则默认被困，如处于室外则己经安全。并可以此推断楼内烟雾状况:弯腰姿势(直膝弯腰行走和屈膝弯腰行走)为烟雾较为多的状态，爬行状态表明烟雾己经干扰逃生。后两种姿势及对应用户位置需着重注意且在后续消防救援中帮助决策营救优先级。
该系统操作对个体用户来说较为简易，且不需要佩戴额外设备，较为容易被用户接受。同时最大程度利用室内己有设备，不需要额外安装布设和定期维护以确保精度，可节约成本，系统整体布设也较简单灵活；即使摄像头有部分不起作用，整体系统运行不易受影响，即使有部分区域不可见也可达到相对高的定位精度。总体所用算法相对较为简易，对用户端手机型号和系统没有特殊要求，在用户端进行的运算较少，减少用户端耗能，增强续航能力；对整体系统的运算能力要求不是很高，可节约运算力，增加处理效率。可视化位置信息可帮助楼道管理员更直观地判断用户在楼内分布情况；同时有检测用户姿态功能，判断用户当前状态和推断烟雾状态，被困用户则保持不动。这些信息将帮助后续到达消防队员进行救援决策判断。
在本发明中，手机惯导装置会在日常情况下持续记录用户的步行数据作为默认无火灾下的步长和速度为直立行走状态，然后依据火灾时候的均值变化，判断此时状态。
本申请使用的惯导装置是智能手机自带的惯导元件，直接能用，操作简单，基于本发明的惯导数据采集不受机型影响，其他技术数据和获取容易受到不同手机系统的影响(一般多用于Android系统)。
本发明不需要额外布设元件，更能够适应火灾现场环境，并且当视觉系统的摄像头受损时，其他子系统仍然能够发挥定位效果和姿势识别效果。
在图3中，i代表对高度值的计数，j代表对楼层数的计数。
Claims (7)
1.一种室内火灾逃生的导航系统，其特征在于，包括：
记录行人位置和步行数据并用于姿势识别的手机惯导装置，
检测行人朝向的摄像追踪装置，
检测行人当前所在楼层、安装在手机中的楼层高度识别器，
整合行人位置、步行数据、行人朝向以及楼层高度并输出可视化信息的数据处理中心，
所述手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器分别与数据处理中心通信连接，
所述手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器三者之间分别都有通信连接。
2.一种室内火灾逃生的导航方法，其特征在于，包括：
S1、使用手机惯导装置、摄像追踪装置以及楼层高度识别器三者采集数据并由信息融合器处理数据得到行人的准确定位信息；
S2、对手机惯导装置采集到的步行数据进行分析，识别行人姿势，分析行人当前状态；
S3、将行人的准确定位信息发送到用户终端及系统管理员终端，行人姿势状态数据发送到系统管理员终端。
3.根据权利要求2所述的一种室内火灾逃生的导航方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11、初始化系统，生成数字化楼层地图；
S12、楼层高度识别器在当前楼层读取地面底层气压并进行校准，然后楼层高度识别器采集当前楼层的气压数据，以及室内温度，实时估算得到当前楼层高度；
S13、所述手机惯导装置通过陀螺仪数据和采集到的加速度分别检测步点、步长和对应步点的朝向，通过所述步长和对应步点的朝向确定行人每一步的位置；所述步长通过实际对应地图信息进行相应长度校准；所述步点的朝向通过检测突变点的方式判断是否转弯；
S14、打开估算得到的高度对应楼层的摄像追踪装置以及附近楼层的摄像追踪装置，对行人进行追踪，校正行人实际所在楼层以及转弯情况。
4.根据权利要求2所述的一种室内火灾逃生的导航方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、根据手机惯导装置收集的数据，计算行人的速度变化量和步长变化量；
S22、对行人的速度和步长进行采样，然后根据行人的速度变化量和步长变化量对行人姿势进行实时判断：
当行人步长均值和速度等于无火灾日常行走状态时的数据时，判定行人处于直立行走状态；
当行人的步长和速度同时减小且小于直立行走状态时，判定行人处于弯腰直膝行走状态；
当行人的步长和速度同时减小且小于直立行走状态，并出现行人的速度从速度减慢到速度平稳前进时呈现速度急剧下降后又迅速上升的状态，且步长略长于弯腰直膝行走状态，则判定行人处于弯腰屈膝行走状态；
当行人的步长和速度均小于弯腰直膝行走和弯腰屈膝行走状态时，判定行人处于爬行状态；
当行人的步长和速度在稳定状态下，突然归零并长时间没有变化，判定用户行动受阻停止运动。
5.根据权利要求3所述的一种室内火灾逃生的导航方法，其特征在于，所述步骤S12包括：
S121、在采集数据前，在当前楼层读取底层大气压并进行实时校准；
S122、在行人移动时，根据采集的当前楼层气压数据与底层大气压，及室内温度，进行相对高度估计，该相对高度测量耐受温度区间为常规室温至60℃；
S123、通过寻找均值和斜率值突变点对所获得的高度数据将进行数值分段，判断每一层的高度变化区间；
S124、将楼层间楼梯高度变化值进行区间合并，建立便于后续比对的楼层高度数据库，并识别对应楼层，从系统中调取对应楼层的地图信息。
S125、在行人进入摄像头检测区域内时与系统内该摄像头楼层高度进行比对校正。
6.根据权利要求5所述的一种室内火灾逃生的导航方法，其特征在于，所述步骤S14包括：
S141、检测镜头中是否存在行人，并在检测到行人后运转视觉追踪校准朝向系统，只输出朝向数据；
S142、根据深度学习施行实时行人检测，根据每一帧内的检测框大小，结合陀螺仪检测的转弯数据判断检测框是否有效以及是否该切换摄像头数据；
S143、当判断检测框有效时，取底边中点为行人步点，对应行人在图像内的深度信息生成视觉步点；
S144、生成的视觉步点也将于地图信息进行匹配，并输出每两帧之间的朝向，与手机惯导数据进行匹配。
7.根据权利要求6所述的一种室内火灾逃生的导航方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
A1、根据手机惯导生成的步点时刻信息，与最相近时刻的视觉步点朝向进行匹配，以最相近时刻的视觉步点朝向代替原手机惯导数据中的朝向，生成新的2D位置信息；
A2、根据手机惯导生成的步点时刻信息，与最相近时刻高度信息进行匹配，结合校准后的2D位置信息生成3D/2.5D用户定位，即楼层内水平位置+该楼层信息，同时与地图信息一起输出，实现用户位置信息可视化。
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