基于惯性导航技术的消防员室内定位技术.docx

基于惯性导航技术的消防员室内定位技术袁 狄 平１，李 牧２，李 智 慧１，靳 学 胜１（１．中 国 人 民 武 装 警 察 部 队 学 院 灭 火 救 援 技 术 公 安 部 重 点 实 验 室 ，河 北 廊 坊 ０６５０００；２．苏州市消防支队 ，江 苏 苏 州 ２１５０００）摘 要 ：提 出 将 惯性导航技术运用于消防员室内定位 ，利用 位 置 估 算 、零速修正和步伐检测等 算法设计开发了惯性测量 单 元 。 通 过 设 计 平 面 场 景 、立 体 场 景 、长时间行走等不同的测 试 场 景 ，对 整 个 定位系统精度进行了测试 。 测 试 表 明 ，系 统 的 精 度 较 高 ，能够准确提供平面位置信息和高度信息 。关 键 词 ：室 内 定 位 ；惯 性 测 量 单 元 ；定 位 精 度 ；消 防 员量 单 元 选 用 ＡＤＩ公司的三轴陀螺仪和三轴 加 速 度 计 设计完成了惯性测量单元 。中 图 分 类 号 ：Ｘ９２４．４，Ｕ６６６．１２文 献 标 志 码 ：Ａ图 １惯性测量单元设计原理图 文 章 编 号 ：１００９－００２９（２０１４）１２－１４１７－０４基于惯性导航技术的消防员定位系统算法 基于惯性导航技术的消防员定位系 统算法主要分为 ３ 个 模 块 ，即 位 置 估 算 模 块 、步幅检测模块及零速修正模 块 （ＺＵＰＴ）。１．２近 年 来 ，日益复杂的建筑结构给 消 防 员 的 侦 察 、灭 火和 搜 救 工 作 带 来 极 大 挑 战 。 面对复杂的建筑结构 ，需 要 有 有 效 的 消 防 员室内定位技术 ，以便在灾害事故中对战 斗 员进行实时定位 ，及时根据位置信 息对其进行营救 ，减 少 人 员 的 伤 亡 。在 现 有 的 室 内 定 位 技 术 中 ，不 依 赖 外 部 参 照 或 是 基 准 点 的 技 术 很 少 。 惯性导航技术则是 一种完全自主的定 位 方 式 ，其 通 过 调用固定在使用者脚上的惯性测量单元 所 测数据可实现在三维场景中定位 。 惯性定位技术由于 只 依赖自身传感器就可以实时定位 ，所以具有自主性强 、 不 依 赖 外 界 环 境 的 特 点 。 因 此 ，不仅可以用于消 防 员 室 内 定 位 ，还适用于地下建筑 、隧道等复杂现场定位 。位 置 估 算１．２．１由 于 步 行 者 会不停变换步态 ，惯 性 测 量 单 元 测 得 的倾斜角通常会大于 ９０°，所以在估算方程中选用 四 元 数 进 行 表 示 。四 元 数ｑ 是 一 个 表 示 步行者姿态的向量 ，由 ４ 个 参数ａ、ｂ、ｃ和ｄ 表 示 ，并随着角速率变化 ，如 式 （１）所 示 。ｑ·ｐ·（１）ｑ＝２式 中 ：ｐ＝［０，ωｂ］，ωｂ＝［ωｘ ，ωｙ ，ωｚ］。当计算出步行者姿态后 ，步 行 者 加 速 度 ａｂ 可 用 惯 性测量单元坐标系中的加速 度ａｎ 计 算 得 式 （２）。基于惯性导航技术的消防员定位系统设计与实现 基于惯性导航技术的消防员定位系 统主要由惯性测 量单元和航位推算算法组成 。１ ａｎ ａ ＝（２）ｂｑ·ｑ＊惯性测量单元的设计实现 惯 性测量单元是定位系统的核 心 硬 件 ，通 常 情 况 下 ， 由 多种传感器组成 ，但由于灭火救援 现场通常为高温 、浓 烟 等 复 杂 环 境 ，有些传感器并不适用 于消防员定位系统 。 作 为确定载体方向的电子罗盘 ，由 于 依赖外界地磁场 ，容 易 受 到 磁 干 扰 ，尤其在室内磁质材料多的环境中可能无 法 使 用 。 此 外 ，气压高度计作为另一 种 常 用 传 感 器 ，由 于 发 生 火 灾 时 消 防员通常通过防烟楼梯间深入建筑 ，此 时 楼 梯 间 都 将 启 动正压送风系统防止烟雾进入 ，且 火 场 高 温环境也会改变空气压力 ，此时气压高度计误差很大 。鉴 于 上 述 分 析 ，消防员使用的惯性测量 单 元 只 选 用三轴加速度计和陀螺仪 ，其设计原理如图 １ 所 示 。根 据 图 １ 的 设 计 思 路 ，为 了 方 便开发和精简系统 ，测１．１式 中 ：ｑ＊ 为 四 元 数 的 共 轭 复 数 。ｑ为 了 尽 量 减 少算法带来的误差 ，本 系 统 还 使 用 了 优化 的 离 散 算 法 。 速 度 ｖｎ 则通过对消除重力分量ｇｌ 的 加 速度进行积分得式 （３）。ｖｎ ＝∫（ａｎ ＋ｇｌ）ｄｔ位置可由对速度的积分得式 （４）。ｐｎ ＝∫ｖｎｄｔ（３）（４）零 速 修 正 技 术１．２．２从 图 ２ 可 看 出 ，脚 底 的 Ａ 点会与地面有一段 较 短 的时 间 接 触 ，即 从 Ｔ＝０．４８ｓ开 始 到 Ｔ＝０．７２ｓ结 束 ，假 设 这 段 时 间 为 ΔＴ。 在 这 段 时 间 ，Ａ 点相对地面是