【摘要】：準確判斷消防員在室內的位置,保證消防單兵的生命安全是火災救援生作中亟待解決的問題。論文綜合考慮了消防員的步態(tài)運動、活動范圍和現(xiàn)場環(huán)境等因素,利用慣性測量單元(Inertial measurement unit,IMU)設計并實現(xiàn)了消防單兵室內定位系統(tǒng),提出了一種基于步態(tài)信息輔助的室內定位算法。論文的主要研究內容如下:首先,論文根據(jù)單兵運動過程中的步態(tài)變化規(guī)律,對比了多種定位裝置的優(yōu)劣,設計了一種可嵌入鞋墊式的IMU單兵定位系統(tǒng)。實際測試結果表明鞋墊式定位系統(tǒng)具有動態(tài)特征清晰,有助于快速跟蹤單兵運動中的步伐周期。其次,針對單一慣性測量元件在多步態(tài)運動下步頻檢測兼容性差的問題,提出一種集加速度、跖骨壓力、足跟壓力多路數(shù)據(jù)的步頻檢測方法,并引入了在零速區(qū)間、靜態(tài)空閑區(qū)和步態(tài)運動區(qū)下的處理機制,實驗表明該機制能夠克服單一元件的測量誤差,提高了步頻檢測能力。再次,提出了一種基于人工螢火蟲參數(shù)優(yōu)化的隨機森林分類算法,實現(xiàn)了單兵多步態(tài)分類;考慮到不同步態(tài)、步速、身高等因素對實際運動步長的影響,構建了一種基于步態(tài)信息輔助的自調參非線性步長估計模型,測試結果表明該模型對于單兵運動中的步長估計具有良好的動態(tài)自適應性,解決了在室內復雜環(huán)境下的誤差累積效應。最后,針對消防單兵在運動過锃中由于腳部擺動導致的航向估計誤差,提出了一種基于步態(tài)信息輔助的航向修正方法,通過實際測試該方法能夠準確估計單兵運動中的航向。綜上,本文通過對單兵運動時的步頻、步長、航向信息的準確計算,利用行人航跡推算原理,實現(xiàn)了一套高精度的單兵室內定位算法。測試結果表明:室內定位的水平精度±3%,垂直精度±0.5%,運動軌跡閉合精度±3‰,可滿足消防單兵的室內定位要求。
【學位授予單位】：西安科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：E11
【圖文】：

率是消防領域亟待解決的難題。就國內而言，每年由于大中型建筑物火災事故所造成的大量經(jīng)濟損失和人員傷引起了國內各界人士的廣泛關注。如圖1.1所示為2018年全國起火原因起數(shù)分布情圖中可以看出，每年起火原因很多。其中，電氣設備引起的火災事故占比最大，年火災起數(shù)的34.6%，用火不慎等其它不明確原因也占比較高。如圖1.2所示為20國分片區(qū)火災及傷亡分布情況[1]。從圖中可以看出，我國火災形勢嚴峻，在各行稍有不慎就有可能引發(fā)火情。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內每年搶險救災事件高達數(shù)十萬起。2016年，全國共接報火災起，亡1582人，傷1065人，直接財產(chǎn)損失37.2億元；2017年1至10月，全國共接報.9萬起，亡1065人，傷679人，直接財產(chǎn)損失26.2億元；2018年全國共接報火災23，造成1407人死亡、798人受傷、直接財產(chǎn)損失達36.75億元。與去年同期相比，升57.9%[1-3]。2018年全國消防救援隊伍接警出動115.7萬起，出動消防救援人員12人次，出動消防車輛219.3萬輛次，從災害事故中營救遇險被困人員15萬人，疏散.6萬人，搶救保護財產(chǎn)價值312億元。因此，如何保障消防員在火場中的生命安全火災救援工作的整體運行效率，減少人員傷亡及財產(chǎn)損失是亟待解決的重要問題

圖1.2 2018年全國分片區(qū)火災及傷亡分布情況災現(xiàn)場環(huán)境惡劣，情況復雜，為了保證消防員在搶險救災中的生命安全，戰(zhàn)整體效率的提升，就需要研究并設計出面對惡劣復雜環(huán)境下的單兵作戰(zhàn)隨著科學技術的不斷發(fā)展，安全工程行業(yè)也對單兵作戰(zhàn)裝備的科技含量提高標準。穩(wěn)定、可靠、高效的消防單兵設備是消防領域技術水平的一個重安全科研單位需要研究的重點。而單兵室內定位就是其中需要解決的一個當前現(xiàn)有的室內外定位設備無法在陌生及復雜的火災現(xiàn)場為消防員提供穩(wěn)服務。因此，研究并設計出一種能夠在消防員進入建筑事故現(xiàn)場后進行長蹤，為現(xiàn)場指揮人員提供精準的消防單兵在作戰(zhàn)過程中的位置信息、狀態(tài)況等安全評估信息的消防設備是目前亟待解決的現(xiàn)實問題。防單兵室內定位系統(tǒng)主要是用來解決消防員在救災現(xiàn)場無法準確定位的難揮人員提供準確可靠的消防人員在室內作戰(zhàn)過程中的位置信息，提高消防災現(xiàn)場的整體運行效率。然而，利用GPS、北斗等衛(wèi)星實現(xiàn)的位置服務具，在一些建筑高樓、地下、隧道等遮擋性嚴重的場所，造成衛(wèi)星信號被嚴用在室內環(huán)境作戰(zhàn)下的單兵定位系統(tǒng)中[4,6]。傳統(tǒng)的基于無線信號強度的室

1 緒論3圖1.3為2018年北京龍旗瑞公司開始利用MEMS微慣性測量元件實現(xiàn)消防員在室內的單兵定位測試現(xiàn)場，采用慣性傳感器推算每個消防員在室內的位置。可見，目前已經(jīng)開始探索利用慣性測量元件來解決消防員的室內位置定位難題了。圖1.3 消防單兵作戰(zhàn)現(xiàn)場圖雖然，目前我國在消防領域安全方面進行了相關的研究探索，但距實際應用還有一定距離。而目前基本采用慣性測量單元的相關融合算法實現(xiàn)單兵運動的位置定位，尚沒有一套完整的、解決消防員在多步態(tài)、長時間復雜環(huán)境下的單兵定位系統(tǒng)。因此，本文是在現(xiàn)有室內定位研究成果的基礎上，綜合考慮了消防員的步態(tài)運動、活動范圍和現(xiàn)場環(huán)境等因素，設計并實現(xiàn)了基于IMU的消防單兵室內定位系統(tǒng)，提出了一種基于步態(tài)信息的單兵定位算法。目的在于能夠為適應多步態(tài)、長時間、多任務的消防裝備提供技術支持

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本文編號：2789940