[发明专利]一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种消防员定位及姿态检测系统，具体涉及一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统及方法。属于消防员导航及定位、人体姿态检测、行为分析与识别领域。

背景技术

目前，随着人口的增加，人均土地面积越来越少，建筑楼群逐渐朝大型化、高层化发展。这种结构复杂的高层建筑一旦发生火灾，消防员进入后由于烟雾和楼层结构等各种原因很难进行自我定位，当消防员被困之后，即使有对讲机等无线通讯设备，由于消防员自身并不能对自己所在位置准确判断，因此很难及时向外部人员报告其准确楼层和位置，因而错过最佳营救时机；准确的人体运动状态检测是估计消防员当前生命安全状态的重要依据。不仅仅是消防行业，随着智能手机、iPad等各种智能终端设备的普及，消防员定位及姿态检测技术的市场需求也越来越迫切。

本发明主要涉及两个主要的理论及技术问题：一是消防员的室内外3D无缝定位，二是消防员的运动姿态检测。

消防员导航定位技术是指借助于专用的设备实现对个人的实时定位和跟踪。消防员导航技术通常包括室外导航定位技术及室内导航定位技术。人体姿态检测通常是指利用加速度计、陀螺仪等自包含传感器，通过检测人体特定部位的角度及加速度的变化来实现人的运动姿态检测。对于工作在复杂火场环境中的消防员，准确的室内外3D定位及姿态检测是消防员生命安全的重要保障，也是其完成火场探测和救援任务的基本前提。

目前，消防员室内外导航定位技术按照其定位机制的不同主要分为：基于GPS（全球定位系统）的定位技术、基于RFID（射频标签）的定位技术、基于无线局域网络的定位技术、基于自包含传感器（加速度计、陀螺仪、磁力计等）的定位技术等等。

中国专利申请201010023030.6和201210013467.0都是采用基于射频RFD的消防员定位方法，这种方法的缺点是需要对环境进行特殊改造，要在环境中布置一定数量的RFID读写器，使用不便，精度较低，适合环境简单。基于无线传感网络的方法，如Wi-Fi技术，Zibgee技术等，利用信号强度进行定位，这种方法的不足是需要架设无线传感网络，成本高，且无线信号易受干扰，精度较差。

中国专利申请201010201512.6，采用了一种GNSS（全球卫星导航系统）、UWB（超宽带技术）以及MEMS（微电子机械系统）混合定位的方式，并提出了一种基于卫星信号强度及信噪比的无缝切换规则，该方法的不足之处是环境中需要事先布置好复杂的UWB定位标签，并且该方法采用的MEMS定位技术是传统的积分机制的惯性定位技术，这种传统积分机制的惯性定位在人行走过程中对平台对准的要求很高，而且定位误差会随着时间的增长而不断累积，这种方式也是无法应用到消防员复杂的火场救援环境中的。

文献《基于GPS和自包含传感器的消防员室内外无缝定位算法研究》（2010，中国科学技术大学[D]，p19-25）提出了一种基于GPS和自包含传感器的定位方法，但是该方法并没有考虑人行走过程中身体摆动对偏航角的影响，这样人在行走过程中身体的左右摆动会对行人航迹推算定位算法的分解结果产生严重的影响，该方法只能做到平面范围内的室内外定位，无法提供楼层高度和消防员的运动状态信息。

中国专利申请201010539511.2公开了一种基于Mesh网状网架构的消防员火场定位系统，该系统由无线监控主机、若干无线定位子机和若干无线中继组成，该系统采用惯性定位技术，利用Mesh网进行通信，可以实现消防员的平面定位和姿态检测功能，但是该系统仅采用了传统积分机制的惯性定位技术，而传统积分机制惯性定位技术其定位结果本身就会随着使用时间的累积而发散，因此该方法无法保证较长时间定位的有效性，并且该方法仅依靠惯性定位技术，只能提供相对定位信息而无法提供绝对位置信息，无法及时消除惯性定位的累积误差，也无法提供消防员所在楼层高度信息。