一种应急救援的人员定位系统及方法

一种应急救援的人员定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种应急救援的人员定位系统及方法，包括位置呈现子系统、数据收发子系统、临时定位站子系统和个人定位子系统，所述临时定位站子系统包括多个临时定位站；所述个人定位子系统包括多个个人定位模块，所述数据收发子系统分别与位置呈现子系统、临时定位站相互连接，所述临时定位站和个人定位模块相互连接。本发明的空旷测距距离达到1公里，测距的精度99%的情况下，达到3厘米以内。在室内有效穿透三面30厘米厚的承重墙；即使在一种大型的建筑物内，仍然能保障数据的有效传输。在室外的情况下，其空旷传输距离达到2公里，在有阻隔时，其传输距离达到300米以上，为保证足够的绕射性能，在无线数据传输方面，采用工作在433Mhz 下的Mesh 网络。
【专利说明】一种应急救援的人员定位系统及方法

【技术领域】
[0001]本发明公开了一种应急救援的人员定位系统及方法，涉及无线通信、无线测距、惯性导航、传感器融合等【技术领域】。

【背景技术】
[0002]在室内无法搜索到卫星的信号，所有，很难通过GPS或北斗等卫星定位系统实现室内的定位，但室内这种定位需求又广泛存在。现有的主流定位系统中，有多种技术，但在某些场景使用存在缺陷。下面分别进行说明:
1、局域无线定位系统
局域无线定位系统，无论是室内的WiFi/Zigbee/UWB/CSS/BLE等定位系统，还是基于卫星的GNSS都需要先有基站，并且确定基站的位置，才能知道被定位目标的位置。
[0003]比如，室外的GPS，必须搜到4颗卫星，才能实现定位；基于3G和LTE的定位，必须有预先部署基站，否则无法定位。而室内的定位系统更是如此，比如UWB和CSS若要实现三维定位，必须部署4个基站，才能实现定位。
[0004]2、广域无线定位系统
除了基于局域的无线定位系统之外，还有基于广域的定位系统，比如基于2G、3G和4G基站的定位系统，其定位精度在特定的时候，可以达到10米以内，这种定位系统，必须依赖室外的基站或室内分布系统，当室外基站无法对室内进行覆盖的时候，和GNSS —样，无法实现室内定位，但在很多应急救援的时候，室内分布系统同样失效，比如火灾的时候。
[0005]3、磁场定位系统
地球是一个巨大的磁体，研宄表明，地球每个位置的磁场是不一样的，只需要搜集每个位置的地磁场信息，就可以采集磁场信息，建立被定位区域的磁场的指纹数据，在定位的时候，获取当前位置的磁场信息，然后和磁场的指纹数据进行比对，确定所在的位置。磁场定位的精度还比较高，可以达到I米左右。
[0006]4、惯性定位系统
惯性定位系统，主要是利用加速度计、陀螺仪或其他运动传感器，来计算被定位设备在运动过程中的运动方向、运动加速度、运动角度等，来计算位置。惯性定位系统补足了无线定位系统和地磁等系统的缺陷，这种定位系统不需要预先部署基站，但会存在累计误差，并随时间的推移，误差会越来越大。
[0007]当前存在的主要问题有以下几点:
1、预处理
无论是无线定位系统，还是通过地磁场信息来实现定位，都有一个预处理的工厂，在无线定位系统中，需要提前安装基站并准确测量基站的摆放位置，任何基站数据的差异，都会导致定位出现偏差。在一些特殊的场景，安装定位基站也是难于接受的，比如救援人员的所处的救灾现场。
[0008]另外一个方面通过地磁定位，需要提起收集地磁信息，在某些特定的场景，比较容易获取这些数据，但在突发事故的情况，已经无法去预先取得地磁场数据。同时，由于磁场的信号比较微弱，会受到传感器的精度、环境的影响，定位精度出现较大的偏差。
[0009]2、累积误差
在惯性的定位系统中，可以通过动作对人的行为进行识别。比如，是走路、跑步、上楼等动作，对动作进行分析，纠错。但在运动过程中，误差无法通过行为的分析进行纠错。导致累计误差越来越严重，到最终是无法接受误差。


【发明内容】

[0010]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的缺陷，提供一种应急救援的人员定位系统及方法，本发明基于无线测距、九轴传感器、无线传输，有效了提高了数据传输的速率，避免了现有技术中建筑物格挡信号的问题；采用临时定位站与个人定位模块、个人定位模块相互定位的双重测距定位方式，提高了定位信息的准确度和精确率，有效的提高救援人员之间的通信速率，提高救援的效率；个人定位模块之间的定位测距、临时定位站与个人定位模块之间的定位测距使得救援人员之间的通信不再基于以往的对讲机，救援人员之间的位置关系更加明确，搜寻更加方便。
[0011]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种应急救援的人员定位系统，包括位置呈现子系统、数据收发子系统、临时定位站子系统和个人定位子系统，所述临时定位站子系统包括多个临时定位站；所述个人定位子系统包括多个个人定位模块，所述数据收发子系统分别与位置呈现子系统、临时定位站相互连接，所述临时定位站和个人定位模块相互连接，其中，
所述位置呈现子系统用以处理是数据收发子系统中的数据，然后通过图形方式呈现出救援人员的具体位置；
所述数据收发子系统用以实现通信功能，数据收发子系统和临时定位站子系统进行数据通讯，接收临时定位站子系统的数据，然后发送给位置呈现子系统；当数据收发子系统接收到控制指令时，再分别发送至发送到临时定位站子系统，临时定位站子系统再发给个人定位子系统；
所述临时定位站子系统用以实现定位功能，由救援人员在救援现场临时布置；
所述个人定位子系统由救援人员随身携带，用以实现传感器数据采集，位置测距和数据传输功能，向临时定位站子系统发送数据。
[0012]作为本发明的进一步优化方案，所述临时定位站子系统包括临时定位站CPU以及分别与其相连接的第一数传模块、第二数传模块、第一测距模块和电子罗盘，其中，
所述第一和第二数传模块作为数据的传输链路用以实现数据传输；
所述临时定位站CPU用以实现数据处理；
所述第一测距模块用以完成和个人定位模块以及其他临时定位站之间的测距功能； 所述电子罗盘用以判定救援人员的行进方向和临时定位站子系统之间的方向差异。
[0013]所述临时定位站子系统包括临时定位站CPU以及分别与其相连接的第一数传模块、第二数传模块、第一测距模块和电子罗盘，其中，
所述第一和第二数传模块作为数据的传输链路用以实现数据传输；
所述临时定位站CPU用以实现数据处理； 所述第一测距模块用以完成和个人定位模块以及其他临时定位站之间的测距功能； 所述电子罗盘用以判定救援人员的行进方向和临时定位站子系统之间的方向差异。
[0014]作为本发明的进一步优化方案，所述个人定位模块包括个人定位CPU以及分别与其相连接的第三数传模块、第二测距模块、数据收集模块、九轴传感器和气压传感器，其中，
所述第三数传模块作为数据的传输链路用以实现数据传输；
所述个人定位CPU用以实现传感器数据采集，并进一步实现运算处理和数据转发功能；所述第二测距模块用以完成和临时定位站子系统之间的测距功能；
所述数据收集模块用以收集来自救援人员的随身数据，经过个人定位CPU处理后，发送到位置呈现子系统；
所述九轴传感器用以收集运动信息，并进行模糊识别；
所述气压传感器用以采集气压信息，并进行高度定位。
[0015]作为本发明的进一步优化方案，所述数据收集模块采用2.4G射频技术实现。
[0016]作为本发明的进一步优化方案，所述随身数据包括救援人员心率、血氧含量、空气瓶的气压数据。
[0017]作为本发明的进一步优化方案，所述模糊识别包括跑步、快走、连续转身、行进方向综合识别。
[0018]作为本发明的进一步优化方案，所述九轴传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴电子罗盘；所述九轴传感器中还设置有PNI传感器数据处理芯片。
[0019]作为本发明的进一步优化方案，所述数传模块的传输频率为433MHz，输出功率为I瓦，采用两路设计，形成网状网传输结构。
[0020]一种应急救援的人员定位系统的方法:
该方法包括如下步骤:
步骤一:所述位置呈现子系统和数据收发子系统设置于建筑物外，如建筑物外停放的消防车或救援车上，也可直接设置在地面上，每位救援人员携带一个个人定位子模块进入建筑物内；
步骤二:救援人员在进入建筑物时首先将一个临时定位站设置于建筑物入口处；步骤三:救援人员以步骤二中设置的临时定位站为原点建立三维坐标系，在建筑物的走廊处，每隔五十米设置一个临时定位站，且救援人员经过的所有转角处都设置一个临时定位站;
步骤四:建筑物内的所有临时定位站相互之间进行定位测距，构成一个位置关系网，并与数据收发子系统进行通信，数据收发子系统根据每个临时定位站的定位信息计算出临时定位站的坐标及临时定位站的位置关系，并通过位置呈现子系统以坐标图的形式呈现；步骤五:每个救援人员身上携带的个人定位模块通过与邻近的临时定位站进行定位测距，临时定位站将每个救援人员的位置信息发送给数据收发子系统，数据收发子系统根据接收的位置信息定位救援人员的位置，并将位置信息发送到位置呈现子系统，在坐标图中显示每个救援人员的坐标位置及相互之间的位置关系；
步骤六:救援人员身上携带的个人定位模块相互之间进行定位测距，并通过与每个救援人员相距最近的临时定位站向消防车上的数据收发子系统发送数据，数据收发子系统根据救援人员的个人定位模块的测距信息重新标定救援人员的坐标信息，并对步骤五中已经标定的救援人员的坐标位置及位置关系进行修订；
步骤七:在救援人员进入的楼层的时候，按下临时定位站的按钮，该系统会立即广播信号并开始和附近的救援人员测距；救援人员的个人定位模块会记录下当前的气压值，在救援人员到达某个楼层的时候，再次启动这个楼层的第一个临时定位站，记录下此时的气压值，两个气压值相减，转换为高度差，通过临时定位站发送回数据收发子系统；
救援人员通过安全通道的楼梯上楼的过程中，通过陀螺仪，记录救援人员在整个过程中旋转角度的累计值；用这个角度累计值除以360度，计算出救援人员所有的转身次数。
[0021]作为本发明的进一步优化方案，还包括如下步骤，当位置呈现子系统中的某位救援人员的坐标长时间的不再进行更新变化，消防车中的人员向剩余的救援人员发送语音信息，对前述的救援人员进行救助。
[0022]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:本发明采用了无线测距技术，采用Decawave的DW1000芯片，实现无线测距，通过优化设计，其空旷测距距离达到I公里，测距的精度99%的情况下，可以达到3厘米以内。在室内的情况下，可以有效穿透三面30厘米厚的承重墙。测距精度也能有很好地保证。
[0023]无线传输部分，为了保证数据的可靠传输，采用自组网的433Mhz技术，提升其有效的工作距离，即使在一种大型的建筑物内，仍然能保障数据的有效传输。在这里，为了保障其传输距离，433MHz的输出功率达到I瓦，在室外的情况下，其空旷传输距离达到2公里，在有阻隔的情况下，其传输距离也可以达到300米以上，由于室内有墙体的阻隔，为了保证足够的绕射性能，在无线数据传输方面，采用了 433Mhz的工作频率。
[0024]在这个系统中，采用了九轴传感器，即三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器，三轴电子罗盘。九轴传感器，主要是对动作进行初步识别，再配合气压传感器、UWB测距等功能模块，完成整个定位的系统。

【专利附图】

【附图说明】
[0025]图1是本发明的系统组成示意图；
图2是本发明中，临时定位站的结构示意图；
图3是本发明中，个人定位模块的结构示意图；
图4是个人定位模块与临时定位站之间进行测距的示意图；
图5是个人定位模块相互之间的测距示意图；
图6是临时定位站子系统中，各个临时定位站之间的层次关系示意图；
图7是临时定位站子系统中，各个临时定位站之间的连接关系示意图；
图8是本发明中由人员运动方向计算人员位置的示意图。

【具体实施方式】
[0026]下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0027]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明图如图1所示，本发明公开一种应急救援的人员定位系统及方法，所述系统由四个大的组件组成:
(I)位置呈现子系统1，主要处理是数据收发子系统2的数据，然后通过图形方式呈现救援人员的具体位置。
[0028](2)数据收发子系统2，主要是用于通信，数据收发子系统2可以和临时定位站子系统3、个人定位子系统4进行数据通讯。接收3和4的数据，然后发送给位置呈现1，或系统有指令，发送到3或4。数据收发2支持双向通信。
[0029](3)临时定位站子系统3，是该定位系统的核心单元之一，是救援人员根据特定的规则临时布放，也是定位的基准。该子系统主要框图如图2所示:
临时定位站CPU 3.1，是该子系统的核心单元，所有的数据处理都由它完成；
第一测距模块3.2，是完成和救援人员的测距模块之间的测距功能；
电子罗盘3.3，电子罗盘，主要是用来做方向判定，即救援人员的行进方向和临时定位站之间的方向差异；
第一数传模块3.4，第二数传模块3.5，都是用来做数据传输，在应用结构简单的时候，直接完成数据到数据收发子系统2的数据传输，复杂的情况下，启用网状网(Mesh)的功能，确保数据的传输链路可用。
[0030](4)个人定位子系统4，是指救援人员身上的系统。传感器数据采集，位置测距，数据传输等功能。结构说明如图3所示，下面分别进行描述:
个人定位CPU 4.1，是此子系统的核心单元，主要是数据收集，传感器数据采集，运算和数据转发等功能；
第二测距模块4.2，该系统的测距核心单元，与临时定位站2和其他的个人定位子系统进行测距；
数据收集模块4.3，该模块为数据收集模块，可以采用2.4G射频，收集来自救援人员的随身的其他数据，比如生命体征的心率，血氧含量，氧气瓶的气压等数据，并经过4.1处理之后，最终发送到位置呈现子系统I上。
[0031]九轴传感器4.4，该传感器主要是收集各种运动信息，然后进行模糊识别，主要有跑步、快走，连续转身，行进方向等综合识别，然后再融合气压传感器和测距传感器，进行综合位置运算，以确定出准确位置。
[0032]第三数传模块4.6和4.7，都是用来做数据传输，在应用结构简单的时候，直接完成数据到临时定位站子系统3的数据传输。
[0033]本发明所述系统实现，主要分为下面几步:
1、环境建立
在这个系统中，首先需要建立位置呈现子系统I和数据收发子系统2。在这两个子系统完成之后，才能开始数据接收功能。
[0034]位置呈现子系统I是基于Windows平台，为使用简单方便的图形界面。
[0035]2、基准位置确定
在救援人员的救援的过程中，首先要确定基准位置，基准位置主要是按规则进行即可。若在一般平房或二层小楼中实时救援，可以以进门的位置为基准位置；在楼宇的情况下，基准位置为每层楼楼梯口的正对的墙面位置，当楼宇比较复杂的情况下，在每个转角处需要设立第二个基准位置。
[0036]救援人员需要在每个基准位置布放临时定位站，在这个系统中，以第一个基准位置为系统的零点，然后再建立三维坐标体系。
[0037]3、定位数据
在这个定位系统中，定位数据是通过每个个人定位模块发出，其中包含的数据主要有:
个人坐标位置(基于第一个基准位置的三维坐标)；
个人和他人之间的距离数据；
个人的生理指标(比如心率、体温、血氧等)；
佩戴设备的技术指标(比如氧气瓶的气压、环境参数等)
位置呈现子系统I在收到这些数据之后，处理这些数据，并根据处理的结果，实施呈现，也可以在事后显示轨迹等信息。
[0038]4、位置呈现
位置呈现是根据个人定位子系统4收到的数据，处理后进行呈现，这里主要有几个方面:
O原点选择
在这个系统中，第一个放置的临时定位站3为系统的原点，后面所有的临时定位站3必须依次射频可以测距，保证它们之间可以测距。
[0039]2)三维呈现
系统按三维进行呈现，实时显示救援人员在系统中的位置。救援人员之间的位置关系。
[0040]3)自动生长
在这个系统中，系统开始没有导入建筑的三维地图，因为导入每个建筑的三维图像一方面是难度非常大，另外一方面是数据收集的难度大。在这个系统中，根据位置关系，完全实现自动生长的方式进行位置呈现。
[0041]4)轨迹回放
在救援完成之后，可以根据需要，呈现出任何一个救援人员的轨迹，并进行分析，提出后续的优化措施。这样，一方面可以提升以后的救援效率，另一方面，为以后的救援方案提出优化的方向。
[0042]5)呈现事物
在这个呈现子系统中，需要呈现的数据主要有每个临时定位站的位置、每个救援人员的位置，救援人员的相关参数等。
[0043]本发明所公开的系统的先进性具体体现在以下几个方面:
1、简单
在该系统中，位置的确定，不是采用基于TDOA的定位系统，而是依赖于按固定规则放置的临时定位锚点，摆放的时候，只需要按规则摆放即可，然后按启动按钮就布放完成。在以往的定位系统中，还需要另外部署4个以上基站，并且，量出基站的位置关系，然后将位置信息发送到后台服务器，要消耗大量的时间，也增加了一遍救援人员的工作量。并且，TDOA的定位系统在定位中，也只能局限在基站的区域内有较好的精度。
[0044]2、精确度高
相对于其他定位系统，这个系统精度更好，工作距离更远。在惯性系统中，由于楼层的影响，其方向判断的会出现较大偏差，无法借助其他系统进行有效修正。而在这个系统中，则利用测距和九轴传感器的数据相互修正，得到比较准确的结果。其全局定位精度在2米以内，并且不随时间的推移而变差。
[0045]3、相对位置计算准确
在这个系统中，救援人员身上的个人定位子系统4随时可以和临时定位站3进行测距之外，如图4所示；同时，定位子系统之间也可以完成相互之间的测距，如图5所示。
[0046]4、测距定位及融合
在这类应急的定位系统中，第一次引入了无线测距技术，并通过测距的技术作为定位的主要依据。极大地改善了由于惯性定位导致的累计误差。提升了定位精度。
[0047]传感器数据的融合方面，在这个系统中，融合主要体现在下面几个方面。
[0048]I)气压传感和陀螺仪的融合
由于气压传感器随温度的漂移非常大，即使精度较高的气压传感器，其测量结果可能会有I米的误差，而结合陀螺仪，可以准确判断出来楼层的变化；
2)距离和方向的融合
通过三轴电子罗盘，在楼宇中，其误差可能有十多度，电子罗盘结合陀螺仪和距离，可以准确判断出救援人员的行走方向，并消除其误差；
3)数据过滤
在九轴传感器出来的原始数据，会有较多的偏差，在这个系统中，融合了 PNI的传感器数据处理模块，该处理模块中，在硬件实现了两个卡尔曼滤波算法，极大地优化了原始数据中存在的数据不稳定性，提高了数据的稳定和精度。
[0049]5、智能学习
在这个系统中，采用了智能学习的过程，通过距离的检测和救援人员的动作分析，可以获取到救援人员的行动的数据，在跑动的时候步频，步距等信息，在没有距离更远信号无法达到的时候，可以依据此数据做惯性导航，能得到更为准确的数据。
[0050]6、数据传输技术
由于救援现场的不确定性，导致数据无法传输，即使无限制地加大数据传输射频的是输出功率，但依然很难保证到数据传输的可靠性。在这个系统中，在两个方面做出了优化:I) 433MHz，I瓦的输出功率
433MHz，相对于其他比如2.4G等频道，有非常好的绕射性能，同时增加其输出功率，保证多数场景下可以使用。但在更为复杂的环境中，需要支持Mesh。
[0051]2)网状网 Mesh
在这个系统中，为了保证其传输的可靠性，所有的数传模块，均采用两路设计。分别工作在不同信道，实现收、发的功能，实现自组网。带来的好处是即使是复杂的建筑物，仍然可以通过Mesh的多跳，传回到位置呈现子系统I。另外，双射频，能保证到足够的带宽，确保在多跳之后，性能下降到还可以接受。
[0052]7、位置图自生长
在位置呈现I中，呈现的方式采用自生长的方式，不需要提前为任何一个建筑物进行建模，避免带来大量的工作。在系统每次使用的时候，通过行为控制，设置坐标原点。设置完成之后，根据救援人员的行动方向，来建立坐标轴，根据救援人员的位置和行为，若识别是上楼中，则显示为楼梯，若识别在楼层中运动，则显示为走道，当发生拐弯的时候，做房间判断或走道拐弯判定，然后，根据每个人的位置，呈现动态位置关系。
[0053]下面列举一个本发明的具体实施，介绍下述四个方面的实施。
[0054]一、基准原点
对于基准原点的确认，主要分为下面两个步骤，一个是临时定位站的布放规则，另外一个是基准原点确认的过程。下面分别说明。
[0055]需要说明的是，这些定位站都是临时定位站，只是在应急救援中所扮演的角色差异，其功能完全一致。
[0056]( I)、临时定位站I布放规则起始定位站
起始定位站即位置呈现子系统和数据收发子系统，这个设备放在救援车或消防车上，或在救援车辆无法达到的时候，选择在建筑物外的一个点架设(贴在墙上或直接丢在地上)，然后开启电源即可。
[0057]进入点站
在救援人员进入建筑物的时候，在建筑物的靠近楼梯的一侧贴放临时定位站，若楼有多个进入点的时候，在每个进入点都贴临时定位站。用来标识不同的进入点。
[0058]楼层起始定位站
在救援人员到达救援的楼层的时候，需要在楼层的楼梯口对应位置安装一个临时定位站3，用于这个楼层的定位，楼层走廊每隔五十米设置一个临时定位站。一方面是对人员的定位，另外一个方面是对楼层转角的其他临时站定位。
[0059]楼层转角站
楼层转角站，主要考虑到楼层在转角之后，信号无法覆盖。各个站点布置的层次关系如图6所示。各个临时定位站之间的连接关系过程如图7，具体过程如下:
I)进入点站位置确定过程
进入点站的定位，主要是依赖两个方面，一个是和起始站之间测距，完成距离确认，另外通过电子罗盘，确认其方位，由于进入点基本上在一楼，其电子罗盘的精度比较高，可以通过准确获取到进入点定位站的具体位置。位置呈现子系统能通过以上两个信息在地图上进行呈现。
[0060]2)楼层起始定位站位置确定过程
楼层起始定位站，主要是依赖于气压和九轴传感器确定位置，进行楼层判断，将该临时定位站贴在墙上的时候，该定位站开始工作，并将所在的楼层数据传送到位置呈现子系统。
[0061]3)转角定位站位置确认过程
转角定位站，即楼层转角的临时定位站和楼层起始定位站之间通过测距和救援人员的运动惯性计算获得。转角定位站和转角定位站之间的定位也是采用相同的方式。
[0062](2)基准原点
在这个系统实时的时候，必须先确认系统的起始点，也就是坐标的原点。在这个系统中，有两个基准点:起始定位站和楼层起始定位站，起始定位站是整个系统的坐标原点，楼层起始定位站，是这层楼的坐标原点，这两个坐标原点可以进行关联。
[0063]二、楼层计算楼层计算，主要是两个方面进行融合。
[0064]气压传感器获取基础数据，由于气压传感器相对受环境的影响因素比较大，特别是温度等参数，在另外一个方面，气压传感器之间的由于生产等原因，两个气压传感器之间的差值也比较大。为了减少这种误差，其在短时间内误差还是相对较小，精确度也比较高。所以，在这个系统中，我们采用进入点告知的方式。
[0065]在救援人员进入的楼层的时候，按下临时定位站的按钮，该系统会立即广播信号并开始和附近的救援人员测距。此时，救援人员的个人定位模块会记录下当前的气压值。在救援人员到达某个楼层的时候，再次启动这个楼层的第一个临时定位站，记录下此时的气压值，两个气压值相减，可以转换为高度差。
[0066]救援人员通过安全通道的楼梯上楼的过程中，通过陀螺仪，可以记录下上一个过程中，救援人员在整个过程中旋转角度的累计值。用这个角度累计值除以360度，可以计算出救援人员所有的转身次数。
[0067]在得到高度差值和转身次数之后，可以计算出相对准确的楼层值。但在实际中，还需要结合经验值综合处理，因为有的楼层需要转720度。
[0068]三、位置计算
在本系统中，位置的计算主要是依赖两个方面，测距和方向。
[0069]测距，在这个系统中，是由UWB完成，采用了 UWB的双向测距算法，此方法简单可靠，测距精度达到10厘米，其穿透能力强，为了避免减少阻挡，保证可靠的测距性能，在这个系统中，测距单元安装在头盔上，避免人体的阻隔。
[0070]在这个系统中，采用了全开放式测距，任何一个个人定位子系统4都可以发起测距，任何一个个人定位模块都可以被认为被测距。主要的处理方法是在个人定位模块中，测距单元工作都工作在接收模式，当它需要和其他人测距的时候，就切换到发送模式，发起测距。测距完成后，参与测距的双方都会知道测距结果。
[0071]测距有两种，个人定位模块4和临时定位站的测距，计算出救援人员和临时定位站之间的相对距离；个人定位模块和个人定位模块之间的测距，计算出个人定位模块之间的距离。
[0072]在这个系统中，测距的策略由位置呈现子系统I做出决策，在这个系统运行的时候，系统明确知道在这层参与的救援人员的ID，通过数据收发子系统2将测距的策略下发。
主要有:
1、与谁测距(其他个人定位子系统的ID);
2、测距的时间间隔；
测距的几个通过个人定位子系统4的数据传输单元回传到位置呈现子系统I。
[0073]方向，在这个系统中，方向位置的判断是依赖于方向的差异。在楼层中，判断相对简单主要涉及到以下几个方面:
1、相对于临时定位站的方向
在救援人员完成完成楼层临时定位站的建设之后，救援人员相对于临时定位站的运动方向。这主要借助个人定位模块中的数字罗盘来完成判定。
[0074]2、人的运动方向
在人的运动过程中，需要不断地对行走方向进行识别，并根据方向的变更，计算其位置。在这个系统中，救援人员在运动的时候，为了保证其定位精度，提高了采样频率，采样频率一般为5Hz。如图8所示在不同的位置，根据测距结果d1、角度，计算相对位置Xi和Yi。
[0075]四、数据传输
射频选择:一般情况下，频率越低，波长越长，射频的绕射性能就越好。在国家法律允许的情况下，这个系统中，射频的工作频段为433MHz。在该频率下，至少有两个独立的大于200Kbps的信道。以确保数据的可靠传输。
[0076]为了保证数据的可靠传输，射频芯片必须支持CSMA机制，避免数据在发送的过程中相互干扰，保证数据的可靠性。
[0077]芯片支持AES加密，保证数据传输的可靠性。
[0078]网络架构:在这个系统中，所有的有数据传输单元均有两路，一路用于收数据，一路用于发数据，工作在不同频段，避免相互干扰，实现频分应用。
[0079]五、位置呈现
(1)实时位置呈现
在这个系统中，位置实时呈现，呈现相互之间的位置关系。主要有几个方面:
1、临时站的位置及相对位置；
2、救援人员的相对于临时站的位置；
3、救援人员的交叉相对距离；
4、救援人员周边的环境信息；
5、救援人员生命体征信息；
(2)轨迹呈现
在这个系统中，出了数据的实时呈现之外，还可以更加对历史的数据进行处理和分析，主要有下面的几个功能。
[0080]1、救援人员的个人轨迹回放；
2、多人的轨迹回放，从此分析出救援策略是否存在问题；
3、环境数据回放，是否存在不当的救援措施；
4、救援设备的使用分析，设备的使用是否符合预期，是否存在改善的必要性。
[0081](3)自生长
在进行救援的时候，有非常大的不确定性，楼层的位置情况，楼层的结构图，若对所有楼宇都进行数字建模，这种工作量比较大，也比较不现实。在这个系统中，采用自生长的方式，救援人员达到哪里，就显示哪里的位置关系。
[0082]自生长主要包括下面的两个方面:
1、楼层自生长，是根据传感器获取的数据，显示楼梯的数据模型；
2、楼层走道拐角自生长，根据各个临时定位站可以判断；
除了自生长只，还有就是融合，比如，救援人员从多个点进入的时候，整个位置呈现系统需要对所有的进入点的救援人员位置和楼宇进行有效融合，主要体现在:
1)、融合所有的人和位置关系到同一个场景中，比如不同楼层；
2 )、多点进入之后，救援人员最终达到同一个楼层，要实现自动融合。
[0083]3)、上下楼层数据传输设备在链路上进行融合，保证数据链路的可靠。
[0084]上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:包括位置呈现子系统、数据收发子系统、临时定位站子系统和个人定位子系统，所述临时定位站子系统包括多个临时定位站；所述个人定位子系统包括多个个人定位模块，所述数据收发子系统分别与位置呈现子系统、临时定位站相互连接，所述临时定位站和个人定位模块相互连接，其中， 所述位置呈现子系统用以处理是数据收发子系统中的数据，然后通过图形方式呈现出救援人员的具体位置； 所述数据收发子系统用以实现通信功能，数据收发子系统和临时定位站子系统进行数据通讯，接收临时定位站子系统的数据，然后发送给位置呈现子系统；当数据收发子系统接收到控制指令时，再分别发送至发送到临时定位站子系统，临时定位站子系统再发给个人定位子系统； 所述临时定位站子系统用以实现定位功能，由救援人员在救援现场临时布置； 所述个人定位子系统由救援人员随身携带，用以实现传感器数据采集，位置测距和数据传输功能，向临时定位站子系统发送数据。
2.如权利要求1所述的一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:所述临时定位站子系统包括临时定位站CPU以及分别与其相连接的第一数传模块、第二数传模块、第一测距模块和电子罗盘，其中， 所述第一和第二数传模块作为数据的传输链路用以实现数据传输； 所述临时定位站CPU用以实现数据处理； 所述第一测距模块用以完成和个人定位模块以及其他临时定位站之间的测距功能； 所述电子罗盘用以判定救援人员的行进方向和临时定位站子系统之间的方向差异。
3.如权利要求1或2所述的一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:所述个人定位模块包括个人定位CPU以及分别与其相连接的第三数传模块、第二测距模块、数据收集模块、九轴传感器和气压传感器，其中， 所述第三数传模块作为数据的传输链路用以实现数据传输； 所述个人定位CPU用以实现传感器数据采集，并进一步实现运算处理和数据转发功能；所述第二测距模块用以完成和临时定位站子系统之间的测距功能； 所述数据收集模块用以收集来自救援人员的随身数据，经过个人定位CPU处理后，发送到位置呈现子系统； 所述九轴传感器用以收集运动信息，并进行模糊识别； 所述气压传感器用以采集气压信息，并进行高度定位。
4.如权利要求3所述的一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:所述数据收集模块采用2.4G射频技术实现。
5.如权利要求3所述的一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:所述随身数据包括救援人员心率、血氧含量、空气瓶的气压数据。
6.如权利要求3所述的一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:所述模糊识别包括跑步、快走、连续转身、行进方向综合识别。
7.如权利要求1所述的一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:所述九轴传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴电子罗盘；所述九轴传感器中还设置有PNI传感器数据处理芯片。
8.如权利要求3所述的一种应急救援的人员定位系统，其特征在于:所述数传模块的传输频率为433MHz，输出功率为I瓦，采用两路设计，形成网状网传输结构。
9.如权利要求1-8所述的一种应急救援的人员定位系统的方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: 步骤一:所述位置呈现子系统和数据收发子系统设置于建筑物外，每位救援人员携带一个个人定位子模块进入建筑物内； 步骤二:救援人员在进入建筑物时首先将一个临时定位站设置于建筑物入口处；步骤三:救援人员以步骤二中设置的临时定位站为原点建立三维坐标系，在建筑物的走廊处，每隔五十米设置一个临时定位站，且救援人员经过的所有转角处都设置一个临时定位站; 步骤四:建筑物内的所有临时定位站相互之间进行定位测距，构成一个位置网，并与数据收发子系统进行通信，数据收发子系统根据每个临时定位站的定位信息计算出临时定位站的坐标及临时定位站的位置关系，并通过位置呈现子系统以坐标图的形式呈现； 步骤五:每个救援人员身上携带的个人定位模块通过与邻近的临时定位站进行定位测距，临时定位站将每个救援人员的位置信息发送给数据收发子系统，数据收发子系统根据接收的位置信息定位救援人员的位置，并将位置信息发送到位置呈现子系统，在坐标图中显示每个救援人员的坐标位置及相互之间的位置关系； 步骤六:救援人员身上携带的个人定位模块相互之间进行定位测距，并通过与每个救援人员相距最近的临时定位站向数据收发子系统发送测距数据，，数据呈现子系统对步骤五中已经标定的救援人员的坐标位置及位置关系进行修订； 步骤七:在救援人员进入的楼层的时候，按下临时定位站的按钮，该系统会立即广播信号并开始和附近的救援人员测距；救援人员的个人定位模块会记录下当前的气压值，在救援人员到达某个楼层的时候，再次启动这个楼层的第一个临时定位站，记录下此时的气压值，两个气压值相减，转换为高度差，通过临时定位站发送回数据收发子系统； 救援人员通过安全通道的楼梯上楼的过程中，记录救援人员在整个过程中旋转角度的累计值；用这个角度累计值除以360度，计算出救援人员所有的转身次数。
10.如权利要求9所述的一种应急救援的人员定位系统的方法，其特征在于:还包括如下步骤，当位置呈现子系统中的某位救援人员的坐标长时间的不再进行更新变化，指挥人员根据位置呈现子系统中的距离关系，选择其他救援人员予以协助。
【文档编号】G01C21/16GK104457750SQ201410651139
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】王湘, 肖成海, 张庆林 申请人:南京沃旭通讯科技有限公司