【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題。論文綜合考慮了消防員的步態(tài)運(yùn)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(shè)計并實現(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。論文的主要研究內(nèi)容如下:首先,論文根據(jù)單兵運(yùn)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(shè)計了一種可嵌入鞋墊式的IMU單兵定位系統(tǒng)。實際測試結(jié)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動區(qū)下的處理機(jī)制,實驗表明該機(jī)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(jī)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(yùn)動步長的影響,構(gòu)建了一種基于步態(tài)信息輔助的自調(diào)參非線性步長估計模型,測試結(jié)果表明該模型對于單兵運(yùn)動中的步長估計具有良好的動態(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,針對消防單兵在運(yùn)動過锃中由于腳部擺動導(dǎo)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(zhǔn)確估計單兵運(yùn)動中的航向。綜上,本文通過對單兵運(yùn)動時的步頻、步長、航向信息的準(zhǔn)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(nèi)定位算法。測試結(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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：E11
【圖文】：

率是消防領(lǐng)域亟待解決的難題。就國內(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內(nèi)各界人士的廣泛關(guān)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(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國分片區(qū)火災(zāi)及傷亡分布情況[1]。從圖中可以看出，我國火災(zāi)形勢嚴(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，國內(nèi)每年搶險救災(zāi)事件高達(dá)數(shù)十萬起。2016年，全國共接報火災(zāi)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(zāi)23，造成1407人死亡、798人受傷、直接財產(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(zāi)害事故中營救遇險被困人員15萬人，疏散.6萬人，搶救保護(hù)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(zāi)救援工作的整體運(yùn)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(zāi)及傷亡分布情況災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，情況復(fù)雜，為了保證消防員在搶險救災(zāi)中的生命安全，戰(zhàn)整體效率的提升，就需要研究并設(shè)計出面對惡劣復(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當(dāng)前現(xiàn)有的室內(nèi)外定位設(shè)備無法在陌生及復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場為消防員提供穩(wěn)服務(wù)。因此，研究并設(shè)計出一種能夠在消防員進(jìn)入建筑事故現(xiàn)場后進(jìn)行長蹤，為現(xiàn)場指揮人員提供精準(zhǔn)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(shè)備是目前亟待解決的現(xiàn)實問題。防單兵室內(nèi)定位系統(tǒng)主要是用來解決消防員在救災(zāi)現(xiàn)場無法準(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)過程中的位置信息，提高消防災(zāi)現(xiàn)場的整體運(yùn)行效率。然而，利用GPS、北斗等衛(wèi)星實現(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)重的場所，造成衛(wèi)星信號被嚴(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)的基于無線信號強(qiáng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(lǐng)域安全方面進(jìn)行了相關(guān)的研究探索，但距實際應(yīng)用還有一定距離。而目前基本采用慣性測量單元的相關(guān)融合算法實現(xiàn)單兵運(yùn)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(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、活動范圍和現(xiàn)場環(huán)境等因素，設(shè)計并實現(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。目的在于能夠為適應(yīng)多步態(tài)、長時間、多任務(wù)的消防裝備提供技術(shù)支持

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本文編號：2789940