【摘要】：準(zhǔn)確判斷消防員在室內(nèi)的位置,保證消防單兵的生命安全是火災(zāi)救援生作中亟待解決的問(wèn)題。論文綜合考慮了消防員的步態(tài)運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)范圍和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素,利用慣性測(cè)量單元(Inertial measurement unit,IMU)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了消防單兵室內(nèi)定位系統(tǒng),提出了一種基于步態(tài)信息輔助的室內(nèi)定位算法。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,論文根據(jù)單兵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的步態(tài)變化規(guī)律,對(duì)比了多種定位裝置的優(yōu)劣,設(shè)計(jì)了一種可嵌入鞋墊式的IMU單兵定位系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明鞋墊式定位系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)特征清晰,有助于快速跟蹤單兵運(yùn)動(dòng)中的步伐周期。其次,針對(duì)單一慣性測(cè)量元件在多步態(tài)運(yùn)動(dòng)下步頻檢測(cè)兼容性差的問(wèn)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(cè)方法,并引入了在零速區(qū)間、靜態(tài)空閑區(qū)和步態(tài)運(yùn)動(dòng)區(qū)下的處理機(jī)制,實(shí)驗(yàn)表明該機(jī)制能夠克服單一元件的測(cè)量誤差,提高了步頻檢測(cè)能力。再次,提出了一種基于人工螢火蟲(chóng)參數(shù)優(yōu)化的隨機(jī)森林分類算法,實(shí)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(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)的影響,構(gòu)建了一種基于步態(tài)信息輔助的自調(diào)參非線性步長(zhǎng)估計(jì)模型,測(cè)試結(jié)果表明該模型對(duì)于單兵運(yùn)動(dòng)中的步長(zhǎng)估計(jì)具有良好的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性,解決了在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的誤差累積效應(yīng)。最后,針對(duì)消防單兵在運(yùn)動(dòng)過(guò)锃中由于腳部擺動(dòng)導(dǎo)致的航向估計(jì)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(guò)實(shí)際測(cè)試該方法能夠準(zhǔn)確估計(jì)單兵運(yùn)動(dòng)中的航向。綜上,本文通過(guò)對(duì)單兵運(yùn)動(dòng)時(shí)的步頻、步長(zhǎng)、航向信息的準(zhǔn)確計(jì)算,利用行人航跡推算原理,實(shí)現(xiàn)了一套高精度的單兵室內(nèi)定位算法。測(cè)試結(jié)果表明:室內(nèi)定位的水平精度±3%,垂直精度±0.5%,運(yùn)動(dòng)軌跡閉合精度±3‰,可滿足消防單兵的室內(nèi)定位要求。
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：E11
【圖文】：

率是消防領(lǐng)域亟待解決的難題。就國(guó)內(nèi)而言，每年由于大中型建筑物火災(zāi)事故所造成的大量經(jīng)濟(jì)損失和人員傷引起了國(guó)內(nèi)各界人士的廣泛關(guān)注。如圖1.1所示為2018年全國(guó)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(shè)備引起的火災(zāi)事故占比最大，年火災(zāi)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(guó)分片區(qū)火災(zāi)及傷亡分布情況[1]。從圖中可以看出，我國(guó)火災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)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(jì)，國(guó)內(nèi)每年搶險(xiǎn)救災(zāi)事件高達(dá)數(shù)十萬(wàn)起。2016年，全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)起，亡1582人，傷1065人，直接財(cái)產(chǎn)損失37.2億元；2017年1至10月，全國(guó)共接報(bào).9萬(wàn)起，亡1065人，傷679人，直接財(cái)產(chǎn)損失26.2億元；2018年全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)23，造成1407人死亡、798人受傷、直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)36.75億元。與去年同期相比，升57.9%[1-3]。2018年全國(guó)消防救援隊(duì)伍接警出動(dòng)115.7萬(wàn)起，出動(dòng)消防救援人員12人次，出動(dòng)消防車(chē)輛219.3萬(wàn)輛次，從災(zāi)害事故中營(yíng)救遇險(xiǎn)被困人員15萬(wàn)人，疏散.6萬(wàn)人，搶救保護(hù)財(cái)產(chǎn)價(jià)值312億元。因此，如何保障消防員在火場(chǎng)中的生命安全火災(zāi)救援工作的整體運(yùn)行效率，減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失是亟待解決的重要問(wèn)題

圖1.2 2018年全國(guó)分片區(qū)火災(zāi)及傷亡分布情況災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，情況復(fù)雜，為了保證消防員在搶險(xiǎn)救災(zāi)中的生命安全，戰(zhàn)整體效率的提升，就需要研究并設(shè)計(jì)出面對(duì)惡劣復(fù)雜環(huán)境下的單兵作戰(zhàn)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，安全工程行業(yè)也對(duì)單兵作戰(zhàn)裝備的科技含量提高標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定、可靠、高效的消防單兵設(shè)備是消防領(lǐng)域技術(shù)水平的一個(gè)重安全科研單位需要研究的重點(diǎn)。而單兵室內(nèi)定位就是其中需要解決的一個(gè)當(dāng)前現(xiàn)有的室內(nèi)外定位設(shè)備無(wú)法在陌生及復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)為消防員提供穩(wěn)服務(wù)。因此，研究并設(shè)計(jì)出一種能夠在消防員進(jìn)入建筑事故現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行長(zhǎng)蹤，為現(xiàn)場(chǎng)指揮人員提供精準(zhǔn)的消防單兵在作戰(zhàn)過(guò)程中的位置信息、狀態(tài)況等安全評(píng)估信息的消防設(shè)備是目前亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。防單兵室內(nèi)定位系統(tǒng)主要是用來(lái)解決消防員在救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法準(zhǔn)確定位的難揮人員提供準(zhǔn)確可靠的消防人員在室內(nèi)作戰(zhàn)過(guò)程中的位置信息，提高消防災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的整體運(yùn)行效率。然而，利用GPS、北斗等衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的位置服務(wù)具，在一些建筑高樓、地下、隧道等遮擋性嚴(yán)重的場(chǎng)所，造成衛(wèi)星信號(hào)被嚴(yán)用在室內(nèi)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(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的室

1 緒論3圖1.3為2018年北京龍旗瑞公司開(kāi)始利用MEMS微慣性測(cè)量元件實(shí)現(xiàn)消防員在室內(nèi)的單兵定位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，采用慣性傳感器推算每個(gè)消防員在室內(nèi)的位置。可見(jiàn)，目前已經(jīng)開(kāi)始探索利用慣性測(cè)量元件來(lái)解決消防員的室內(nèi)位置定位難題了。圖1.3 消防單兵作戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)圖雖然，目前我國(guó)在消防領(lǐng)域安全方面進(jìn)行了相關(guān)的研究探索，但距實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。而目前基本采用慣性測(cè)量單元的相關(guān)融合算法實(shí)現(xiàn)單兵運(yùn)動(dòng)的位置定位，尚沒(méi)有一套完整的、解決消防員在多步態(tài)、長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜環(huán)境下的單兵定位系統(tǒng)。因此，本文是在現(xiàn)有室內(nèi)定位研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮了消防員的步態(tài)運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)范圍和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于IMU的消防單兵室內(nèi)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?yàn)檫m應(yīng)多步態(tài)、長(zhǎng)時(shí)間、多任務(wù)的消防裝備提供技術(shù)支持

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2789940