1、重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ABSTRACT An available indoor firemen positioning system can not only improve the efficiency of fire rescue, but also ensure the safety of firemen themselves. GPS cant be used for indoor positioning because the signal is weak or lost. Various kinds of current indoor positioning method
2、s such as Bluetooth, Wi-Fi, ultra-wideband, RFID tags, etc. which need to install infrastructure in the building, are also not suitable for firemen emergency indoor positioning. Though inertial navigation system can realize autonomous navigation without external information, but due to the cumulativ
3、e error problem, the accuracy of inertial navigation system is insufficient. This thesis attempts to research a method based on relative position measurement for firemen indoor positioning. Electronic buttons are mounted at the bottoms of two feet to detect whether both of the two feet are on the gr
4、ound. Multi-target ranging circuits are installed on the inside of feet respectively to measure the relative position of two feet. After multi-target ranging between two feet measured, the step length and the stride vector between the two feet can be figured out, so the trajectory of pedestrian from
5、 starting position can be drawn out. In order to validate the feasibility of the method, this thesis designs an experimental demonstration system. The experimental system consists of the relative position measurement circuit and PC display software. The position measurement circuit contains FPGA con
6、trol module and groups of ultrasonic ranging module. FPGA controls the trigger signal of ultrasound transmitter by time division, receives echo signal of ultrasonic receiver to figure out multi-target range, upload the ranges to PC through the UART serial, calculate the position and display in GUI.
7、This paper studies an autonomous positioning method which based on relative position measurement preliminary, provides a new thought for the research and development on firemen indoor positioning. Keywords: Indoor positioning, Ultrasonic, Multi-target ranging, Relative position and attitude, Traject
8、ory tracking II 重庆大学硕士学位论文 目 录 目 录 中文摘要 . I 英文摘要 . II 1 绪 论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 研究目的 . 2 1.3 国内外研究现状 . 3 1.4 本文主要研究内容 . 5 2 室内定位的相关技术 . 6 2.1 室内定位基本原理 . 6 2.1.1 信号到达时间 . 6 2.1.2 信号到达时间差 . 7 2.1.3 信号到达角度 . 8 2.1.4 信号强度 . 9 2.1.5 邻近算法 . 9 2.1.6 近场电磁波特性 . 10 2.2 室内定位现有技术概述 . 11 2.2.1 GPS和伪GPS定位技术 .
9、 11 2.2.2 位置指纹定位技术 . 12 2.2.3 惯性导航系统定位技术 . 13 2.2.4 基于短距离无线技术的定位 . 15 2.3 存在的问题 . 16 2.4 本章小结 . 17 3 消防员室内定位系统原理 . 18 3.1 定位系统结构和流程 . 18 3.1.1 系统结构 . 18 3.1.2 系统工作流程图 . 19 3.2 基于超声波的多目标测距 . 20 3.3 多目标测距误差分析 . 22 3.4 定位原理和算法 . 24 3.4.1 航位推测法 . 24 3.4.2 基于相对位姿态测量室内定位 . 25 III 重庆大学硕士学位论文 目 录 3.5 消防员室内定
10、位系统优势 . 27 3.6 本章小结 . 28 4 系统设计与实现 . 30 4.1 系统总体设计 . 30 4.2 超声波收发模块 . 30 4.3 FPGA逻辑电路设计 . 35 4.3.1 时钟频率的选择 . 36 4.3.2 回波识别和波形产生模块 . 37 4.3.3 计时和选择模块 . 38 4.3.4 数据帧组合模块 . 39 4.3.5 串口传输模块 . 40 4.4 定位算法设计 . 43 4.4.1 相对位姿定位 . 43 4.4.2 图形用户接口 . 44 4.5 本章小结 . 46 5 实验结果和分析 . 47 5.1 实验平台 . 47 5.2 测距误差 . 48
11、5.3 定位跟踪 . 50 5.4 系统缺陷 . 51 5.5 本章小结 . 52 6 总结与展望 . 53 6.1 论文总结 . 53 6.2 后续工作的展望 . 53 致 谢 . 54 参考文献 . 55 附 录 . 61 A 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目 . 61 B 作者在攻读硕士学位期间发表的论文和专利 . 61 IV 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 近年来，建筑物火灾事故时有发生，常需要消防员进入到室内环境进行灭火和救援。由于对建筑内部结构的不了解，加之受到现场烟雾弥漫环境的影响，在进行灭火和救援时，消防员无法判断自己自身所在的位置，很
12、难到达指定的目标地点实施救援。当消防员出现受伤或意外被困时，即使有对讲机等无线通讯设备，消防员并不能准确判断自己所在位置，无法找到撤离路线，也不能及时向外部人员报告所处其准确楼层和房间位置，从而错失最佳自救和营救时机。缺乏良好的消防员室内定位系统，不仅使得消防员的救援效率大为降低，而且也极大的威胁到了消防员自身的生命安全。 2013年1月1日，杭州市萧山区瓜沥镇工业园区某公司厂房发生大火，三名消防员在灭火救援过程中失踪，次日火险扑灭后被发现时已经牺牲，究其原因，就是夜间进行室内灭火救援工作，缺乏必要的定位导航系统，消防员很容易迷失方位；2013年10月11日凌晨，北京石景山区苹果园南路东口喜隆
13、多商场发生火灾，两名消防员英勇牺牲，商场内部地形复杂，缺乏室内定位导航系统，消防员很容易误入火险最严重区域；2014年5月1日，上海徐汇区龙吴路盛华景苑一群租房发生火灾，两名消防员在扑救过程中，不幸从13楼坠落，英勇牺牲，高层建筑室内情况复杂，烟雾环境下缺乏指示和导航，消防员仅靠肉眼很难分辨出口和窗台；2015年1月2日，哈尔滨道外区北方南勋陶瓷大市场仓库火宅，导致5名消防员牺牲，14名消防员受伤，缺乏室内定位导航系统，指挥人员无法判断现场情况，很难及时指挥撤离。一方面我们对保护人民生命财产英勇无畏的消防队员表示敬意，另一方面也越来越意识到设计研发一套切实可行的消防员室内定位系统已经迫在眉睫。
14、 如果消防员进在行室内救援的时候，能够随身携带定位设备，无论是夜间或者烟雾情况下，还是在商场仓库复杂的环境中，都能够确定自身位置；外面的指挥人员，也能实时的观测消防员的位置，及时的根据现场情况做出更为恰当的指挥。实现消防员的室内定位不仅能够提高室内救援的效率，也可以良好的保障消防员自身的安全。 室内定位是指在室内环境中进行位置确定，主要采用无线通讯、基站定位、惯性导航等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，以此来实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。定位系统的实现方式主要分为两种，即绝对位置定位和相对位置定位。绝对位置定位就是在固定的坐标系中，确定每一时刻待定位目1 重庆大学硕士学位论文 1
15、 绪 论 标所处的位置坐标；相对位置定位没有固定的坐标系，在定位过程中，参考上一次定位目标所在的位置，然后确定目标的位移，每一次定位都是基于上一次定位的位置，并不真正建立一个坐标系统，而只是在需要的时候才进行坐标换算。 绝对位置定位，不仅系统较为复杂，而且很容易受到环境的影响；使用相对位置定位的方式，虽然会有参数累积误差，但是系统和算法较为简单，也不容易受到室内复杂电磁环境的影响。而且在室内环境中，人们往往不关心待定位目标的绝对位置，而是更希望系统能够提供诸如“消防员目前在二楼大厅，需要救护的人员在同一层楼右边第五个房间”这样的定位信息。这是一种地址信息，地址信息是一种比较模糊的信息，并不能直
16、接显示在地图上。 由于建筑对于无线电信号的阻挡，室内定位很难直接使用GPS（Global Positioning System）1定位系统，研究人员提出一种地面布置站点的伪GPS定位方式2，比如Locata3系统利用地面布置发射站点和卫星作无缝连接，实现了室内室外的全程定位。利用房间内部的电磁分布特性也能达到室内定位的效果，比较常用的是使用 Ultra-Wideband (UWB)4， Bluetooth5， 和 Radio Frequency6等信号。基于红外线测距的定位技术也可以用作室内定位，红外线对于人体或者障碍物的穿透能力不如射频信号，和基于视觉识别的室内定位7一样，只能适用视距良好的
17、室内环境。WiFi8，Bluetooth9，ZigBee10等也可以作为基础设施，实现基于信号强度检测 RSSI (Received Signal Strength Indicator)11的室内定位。最近提出来的超宽带 Ultra-wideband 技术，能够提供厘米级别的定位精度12，但是由于技术成本很高，需要建立 UWB 基站网络，所以使用并不是很普遍。 研究室内定位方法，不仅具有很强的实用价值，也具有很强的学术意义。 1.2 研究目的 消防员定位系统是一个特殊的室内定位系统，现有的各种室内定位方法并不适用于消防员定位系统。GPS定位虽然运用极广，使用方便，价格低廉。但是室内定位的环境并
18、不在卫星的视距信号范围内，不能获得较高的定位精度。加上建筑对于卫星信号的障碍作用，系统甚至可能丢失定位信号、无法定位。使用伪GPS的定位方式，需要事先在室外布置合适的基站，站点位置需要考虑到几何关系，而且要确定位置坐标。布站相对繁琐，不能满足应急性要求。再者，各个参考站点之间，以及消防员携带的终端之间需要相互区分，这就涉及到信道的多址复用，使用三边定位方式还不可避免的涉及到信号的同步和通信问题，系统过于复杂。 消防员所处的工作环境恶劣：烟雾弥漫，可见度低，声音嘈杂，秩序混乱，基于红外线技术和计算机视距的定位导航方法定位效果不好； 火灾环境下，基础设施损坏：如首先要关掉电源，这就使得原有的安装在
19、室内的辅助定位设施失效，2 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 如要重新布置这些辅助设施，一是需要时间，二是有可能再次被损坏，不能回收利用，既费人力又费财力。基于蓝牙、RFID（Radio Frequency Identification）13、超宽带、Wi-Fi等室内定位技术不适用；消防员室内定位属于应急定位，房间内部没有先验信息：火灾是突发事件，消防部门可能并没有建筑屋的一些先验信息，比如该房屋结构的地磁信息以及射频指纹库，况且即使有，也可能会出现这种情况，房屋结构做了改变，而消防部门所存储的有关先验信息没有更新，原先预存的先验信息也不准确，从而基于地磁信息以及射频指纹库的室内定位方法也不适
20、用。依靠惯性导航的消防员室内定位方法，虽然能够实现任何环境下持续的实时定位导航，但是惯性导航传感器系统只能在短期内提供准确的位置、速度、加速度、姿态、和角速率估计，测量数据包含漂移或偏差误差和噪声，长时间使用会有误差累计，失去定位导航的功能。基于电磁波的定位，即使在低频波段，也很难避免建筑物的阻碍作用，室内信号薄弱或者丢失；房间内部的复杂环境造成多径传播的影响，极大的干扰了定位的准确性。 本文的研究目的，是针对消防员在室内复杂火灾现场环境中无法准确定位的问题，查阅现有各种室内定位技术方案，在综述现有定位方法基础上分析现有室内定位导航系统运用于消防员室内定位的可行性。设计选型，制定一套消防员室内
21、定位方案，说明系统工作原理，概述系统设计与实现并测试各部分功能，初步实现消防员室内定位功能。 1.3 国内外研究现状 国内外研究机构相继提出了多种室内定位技术解决方案，如无线传感器定位技术、ZigBee技术、红外线技术、射频标签识别技术、超宽带技术、Wi-Fi定位技术、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等。随着定位技术不断发展，消防员室内定位系统的开发成为了研究热点。 Park, Choon-Su14使用临近多通道双曲线定位，利用三个安装在不同位置的天线发射相同的正弦波信号，根据信号到达目标的相位差计算距离差，利用双曲线定位的方式解出位置坐标；Hojung Cha15提
22、出了一种利用线性调频信号的室内定位方式，也属于无线电定位的范畴。 Q-Track公司Schantz, H G16等人根据近场电磁波特性NFER（Near-Field Electromagnetic Ranging），能够在电磁波1/4波长以内实现定位。这是因为在小于1/4波长的近场中，电场和磁场分量的相位差随距离而变化。 Xuezhi Wang17提出了利用无线电干涉技术（Radio Interferometric Positioning System）的无线传感器定位方法，也可以适用于室内定位。基于无线电干涉定位的测距可以确定传感器“微粒”之间的距离差。传感器在标识自身3 重庆大学硕士学位论
23、文 1 绪 论 位置时只能采取相对定位算法，感知相对于其他传感器的位置。 Locata公司的Joel Barnes18等人利用GPS和地面伪卫星技术（Ground- Based Pseudolite Technology）进行消防室室内室外的3D无缝定位，其关键技术在于实现伪卫星之间的载波信号同步问题。Sakmongkon Chumkamon19等人利用无线电射频标签识别技术（Radio Frequently Identification），在室内已知位置设置无线电标签，通过携带阅读器实现目标的定位。 加州大学洛杉矶分校开发的AH-Los20定位系统，是一个基于超声波通信技术的分布式系统，系统
24、使用极大似然估计方法实现室内定位。在定位过程中，将已经确定位置的移动终端作为新的参考点，解决了参考点不足的问题。该定位系统使用了复杂的定位算法，需要系统具备很强的数据处理能力。 微软公司设计了基于WiFi的室内定位系统21，利用室内已经存在的基础设施实现定位。系统预先采集室内的WiFi信号指纹库，通过检测信号对比查找指纹实现定位。系统的亮点是使用特定算法，极大的减少了前期的工作量。 俄亥俄州立大学设计了基于计算机视觉的EV-Loc22室内定位系统，利用电子信号作为输入，将电子信号和视觉信号对应起来定位。EV-Loc 系统为室内定位研究提供了一种新的思路，理想条件下具有较高的定位精度，但是实现该
25、系统需要依赖额外的设施，且整个定位过程也比较复杂，特别是在消防员室内定位系统中，烟雾弥漫，杂物对于视野的阻挡，EV-Loc室内定位系统很难实现功能。 杜克大学采用路标（landmarks）思想，开发出了Un-Loc室内定位系统23。本质上利用惯性导航，通过检测室内特定位置作为路标，不断校准位置。借助路标的思想消除惯性导航的累积误差，的确能够提高精度，但是该系统并不具有通用性，每次都需要在定位前收集大量的路标信息。 美国SEER公司研制的“3D立体定位跟踪系统”是专门为那些在没有GPS区域的室内步行工作的人员研发的产品。该产品采用最新的轨迹推算技术，将商用GPS和惯性导航两种系统融合在一起，在室
26、外使用GPS确定大致的位置，在建筑物内部、隧道、洞穴和矿井等无法使用GPS的环境时，高精度惯性导航系统就能派上用场，通过检测加速度使用航迹推算技术估计运动轨迹。高精度的惯性导航模块价格过于昂贵，使用零速修正算法依旧不能避免累积误差，所以该系统也不适合大量推广使用。 上海消防研究所组织工程技术人员研制的“消防员三维追踪定位装备”，是以地磁模型为基础，结合人体运行学、脊柱运动多导探测技术、航位推测技术和无线组网技术研制而成。该装置具有运动姿态识别（静止、步行、跑步、上下楼梯、上下电梯、卧倒、躺倒、左右侧躺、跌落等）、三维运动轨迹实时显示、3D轨迹回放、电源电量显示和设备高温异常报警等功能，可用于辅助现4 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 场指挥人员确定救援人员的位置信息，使现场人员调度更具科学性。该系统基于惯性导航系统，虽然使用零速矫正和落脚点判断技术，修正了惯性传感器漂移误差，提高了定位系统的精度；采用捷联式惯性导航和宽动态滤波技术，克服了人体运动抖动对方向测量的干扰。但是由于高精度的惯性导航传感器价格昂贵，而且不可避免的产生累积误差，定位精度很难达到系统的要求。 1.4 本文主要研究内容 本文从室内定位技术研究出发，针对于目前各种室内定位方式和技术手段运用于消防员室内定位的缺点和不足做了简要分析，提出了一种基于超声波多目标测距和相对位姿测
