一種基于航位推算的消防員導(dǎo)航方法

一種基于航位推算的消防員導(dǎo)航方法

1gps定位技術(shù)應(yīng)滿足的問(wèn)題隨著社會(huì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，與人類活動(dòng)密切相關(guān)的位置信息越來(lái)越重要。基于位置的服務(wù)(LocationBasedService,LBS)正是在技術(shù)發(fā)展和社會(huì)需求的雙重推動(dòng)下產(chǎn)生的。在位置服務(wù)中,移動(dòng)用戶的定位是最基礎(chǔ)的。定位分為室內(nèi)定位和室外定位。在室外,特別是在開闊的室外環(huán)境中,全球定位系統(tǒng)GPS能提供非常準(zhǔn)確的定位信息。但是在高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、室內(nèi)、市區(qū)多遮擋等情況下,GPS定位會(huì)由于信號(hào)的遮擋以及多徑效應(yīng)等會(huì)導(dǎo)致定位效果很差,甚至根本不能定位。所以就需要有其他室內(nèi)定位技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)GPS的不足?，F(xiàn)在室內(nèi)定位技術(shù)也有很多,包括紅外線、超聲波、藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、UWB、RFID等各種定位技術(shù)。室內(nèi)定位最典型的是由以下幾種信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的,分別為接收信號(hào)強(qiáng)度(ReceivedSignalStrength,RSS)、到達(dá)時(shí)間(TimeOfArrival,TOA)、到達(dá)時(shí)間差(TimeDifferenceOfArrival,TDOA)和到達(dá)角度(AngleOfArrival,AOA)等。單一的定位方法都有各自的局限性,定位精度都不是很高,而且很多情況下的定位都需要跨越室內(nèi)外的界限,因此,用于室內(nèi)外的混合定位是必然選擇。論文的研究工作是基于課題“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火場(chǎng)綜合管理指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)”,本文旨在為災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的消防員提供精確的定位信息,以便隨時(shí)了解各位消防員的準(zhǔn)確位置?；谡n題的現(xiàn)實(shí)要求,本文采用了GPSOne和航位推算兩種定位算法混合的方法來(lái)對(duì)消防員進(jìn)行定位。2基于cd三角運(yùn)算的定位算法GPSOne是基于GPS和CDMA蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的混合定位技術(shù),移動(dòng)終端同時(shí)從GPS衛(wèi)星和蜂窩網(wǎng)絡(luò)收集測(cè)量數(shù)據(jù),然后通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)把這些數(shù)據(jù)傳送給定位服務(wù)器,定位服務(wù)器采用指定的算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成精確的三維定位信息。傳統(tǒng)的GPS定位在室內(nèi)無(wú)衛(wèi)星信號(hào)的環(huán)境下無(wú)法定位,CDMA三角運(yùn)算定位能彌補(bǔ)這一缺陷,GPSOne結(jié)合了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位和CDMA三角運(yùn)算定位,較好地改善了室內(nèi)定位效果。由于GPS的定位精度高于CDMA蜂窩定位,因此GPSOne系統(tǒng)的定位精度主要與衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān),GPS衛(wèi)星信號(hào)越好,定位精度越高。在GPS衛(wèi)星信號(hào)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)都無(wú)法單獨(dú)完成定位的情形下,GPSOne系統(tǒng)會(huì)充分利用這兩種信息源,只要一顆衛(wèi)星信號(hào)和一個(gè)基站信號(hào)就可以完成定位,解決了傳統(tǒng)GPS無(wú)法解決的問(wèn)題。本課題采用的是DTGS-800型號(hào)的CDMA模塊,它帶有GPSOne功能。3標(biāo)準(zhǔn)傳感器和擬合單元DR定位是一種完全自助式的定位方法,其原理主要是利用航向傳感器和距離傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)的航向角和位移,從而推算出移動(dòng)目標(biāo)的位置信息,具有短時(shí)間定位精度高、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)。采用的傳感器分別是:Honeywell公司的HMC5883L三軸數(shù)字羅盤,用來(lái)測(cè)量消防員前進(jìn)的方向角;ADXL345三軸加速度計(jì),用來(lái)測(cè)量消防員行進(jìn)中的加速度信息;L3G4200D三軸陀螺儀,用來(lái)測(cè)量消防員三個(gè)方向的角速度。把數(shù)字羅盤、加速度計(jì)和陀螺儀組合成慣性測(cè)量單元(InertialMeasurementUnit,IMU),用鞋帶將其綁在腳上用來(lái)測(cè)量消防員的運(yùn)動(dòng)加速度和方位等信息?？梢杂孟旅娴牡仁絹?lái)確定消防員的位置:其中Ek和Nk分別是正東和正北方向的坐標(biāo),lk是步長(zhǎng),αk是k時(shí)刻的航向角。3.1加速度信號(hào)的濾波人在行走過(guò)程中,先抬腳后落腳,重心先上升后下降,采集到的垂直向加速度就會(huì)先增大后減小,因此可以利用垂直向加速度信號(hào)的值來(lái)檢測(cè)步伐。由于行走過(guò)程的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性,az有兩個(gè)或者三個(gè)峰值。這里我們先用一個(gè)截止頻率為5Hz的FIR低通濾波器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波,就可以得到平滑的。如圖1所示。再用減去靜止時(shí)的輸出后進(jìn)行過(guò)零檢測(cè),加速度值由負(fù)變?yōu)檎龝r(shí)為抬腳,由正變?yōu)樨?fù)時(shí)為落腳。3.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)不同的模型,步長(zhǎng)的計(jì)算可以歸結(jié)為四類:恒定/類似恒定模型、線性模型、非線性模型和人工智能模型。大部分的模型都是建立在與行走速度和加速度的統(tǒng)計(jì)特性相關(guān)的各種參數(shù)上的,例如步頻,步長(zhǎng)的最大值和最小值,步伐的變化等。下面列出了幾種典型的計(jì)算步長(zhǎng)的模型:1)線性模型其中,SL是步長(zhǎng),SF行走的頻率,SV是每一步中加速度的變化值,A、B、C都是回歸參數(shù),可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。2)非線性模型其中,Amax和Amin分別是每一步中加速度的最大值和最小值,K是只跟人站立不動(dòng)時(shí)的腿長(zhǎng)相關(guān)的一個(gè)系數(shù),可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得,因?yàn)檫@個(gè)模型只有一個(gè)參數(shù)K,所以很容易就能求得步長(zhǎng)。3)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在實(shí)際的測(cè)試中,步長(zhǎng)和步伐頻率、加速度變化量成正比,但是和地面的傾斜角度有著復(fù)雜的非線性關(guān)系,所以單獨(dú)利用線性或非線性的關(guān)系來(lái)計(jì)算步長(zhǎng)是不夠精確的,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要得出步長(zhǎng)和加速度統(tǒng)計(jì)特性之間精確的匹配關(guān)系,只要將步伐頻率、加速度變化量和地面的傾斜角度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)輸入,經(jīng)過(guò)訓(xùn)練就可以得到步長(zhǎng)的平均值。但是這種方法中的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,需要借助GPS的位置信息,對(duì)GPS定位的依賴性過(guò)強(qiáng)?；诒菊n題研究的是消防員的定位問(wèn)題,而消防員在救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)不可能像普通行人那樣走路,他們的動(dòng)作更復(fù)雜,跑步、不平坦的地勢(shì)和擺動(dòng)幅度大的行走是消防員不可避免的,但是以上幾種步長(zhǎng)的估計(jì)方法對(duì)消防員來(lái)說(shuō)都不夠精確,為此提出一種新的步長(zhǎng)計(jì)算方法,它除了能計(jì)算普通行人的步長(zhǎng)外,更適用于像消防員這類人的步長(zhǎng)計(jì)算。下面就是這種算法的具體實(shí)現(xiàn):1)把得到的加速度的值ai(屬于載體系S)轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系G:其中RSG是載體系到地理系的旋轉(zhuǎn)矩陣。α、β、γ分別為俯仰角、側(cè)傾角和翻滾2)整合加速度aiG,得到線速度viG:其中fs為采樣頻率。3)校正線速度:(1)計(jì)算速度的平均值,其中在第K步時(shí)的速度偏差(本應(yīng)該為零)可以表示μ:其中ik是第K步時(shí)的采樣。(2)校正所有步伐中的速度采樣值:4)得到第K步的位置增量:5)二維水平面上的步長(zhǎng)為:3.3磁盤誤差誤差補(bǔ)償電磁羅盤實(shí)際上測(cè)量的是載體所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度,消防員前進(jìn)的方向角就可以由x軸和y軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)確定,即θ=arctan(my/mx),mx和my分別為x軸和y軸測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度。電磁羅盤在使用過(guò)程中存在比較大的誤差,包括地磁偏差、IMU周圍的鐵磁材料引起的羅差、IMU的安裝傾斜、消防員在前進(jìn)過(guò)程中磁羅盤會(huì)隨人身體的搖擺等而導(dǎo)致的測(cè)量誤差,其中羅盤誤差是最主要的誤差。初步的羅盤誤差可以根據(jù)文獻(xiàn)中的方法進(jìn)行補(bǔ)償,此外該實(shí)現(xiàn)還配合了陀螺儀一起對(duì)方向角進(jìn)行修正。具體方法如下:3)比較電磁羅盤的測(cè)量值和陀螺儀的測(cè)量值:4測(cè)量精度的提高為了驗(yàn)證上述算法的可行性,做了下述的實(shí)驗(yàn)。將加速度計(jì)、電磁羅盤和陀螺儀集成為一個(gè)慣性測(cè)量單元并與主芯片處理器STM32F103VC相連,然后共同集成在一塊實(shí)驗(yàn)板上,將實(shí)驗(yàn)板用鞋帶固定在實(shí)驗(yàn)者的鞋上,分別在某空曠的操場(chǎng)和某辦公樓的二樓走廊進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)前,需要將各種非必要的電磁材料都撤離,以免對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。實(shí)驗(yàn)板通過(guò)串口將CDMA模塊的GPSOne采樣到的位置信息發(fā)送到STM32F103上,STM32F103每隔一段時(shí)間通過(guò)GP-SOne采樣位置信息,作為航位推算的基準(zhǔn)定位,由于航位推算的誤差會(huì)在推算過(guò)程中累積,因此,需要不斷更新。此處的更新不僅僅是簡(jiǎn)單的將GPSOne的定位信息運(yùn)用到航位推算中,而是將二者的定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,信息融合也是確保定位精度的關(guān)鍵所在。由實(shí)驗(yàn)過(guò)程得知,磁羅盤的測(cè)量精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要,而磁羅盤的誤差來(lái)源主要是周圍的各種硬磁和軟磁材料的羅差影響,所以在使用中一定要盡量避免不必要的各種電磁干擾材料。圖2和圖3分別是在某空曠足球場(chǎng)和辦公樓測(cè)得的真實(shí)路徑和推算路徑的對(duì)比圖,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)知道,無(wú)論在室內(nèi)還是室內(nèi),該算法的定位誤差都在能接受的范圍內(nèi),但是由于受電磁干擾和行走方式的影響,現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的定位效果可能會(huì)有比較大的波動(dòng),因此在真實(shí)的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng),要盡量避免各種電磁干擾的影響?？傮w來(lái)說(shuō),在更復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)一步提高定位精度,是我們未來(lái)研究的目標(biāo)。其中nk是第K步中的采樣次數(shù)。1)對(duì)電磁羅盤測(cè)得的航向角進(jìn)行時(shí)域抽樣;2)對(duì)抽樣后的航向角信息進(jìn)行平均;如果