王慶輝, 劉華月, 魏立峰

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

無線消防隊(duì)員火場定位及救援系統(tǒng)的研究

王慶輝, 劉華月, 魏立峰

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

當(dāng)消防員處于危急的火災(zāi)現(xiàn)場中，對遇險消防員進(jìn)行救助極為重要.在進(jìn)行隊(duì)員搜救時，及時的對被救消防員進(jìn)行搜救才能保障消防員的安全，因此,必須采取先進(jìn)的搜救系統(tǒng).提出一種基于無線定位和PDR自主導(dǎo)航相融合的定位方法，根據(jù)PDR推算的虛擬標(biāo)定點(diǎn)位置信息及無線傳感器的測距信息對被救人員的位置進(jìn)行計(jì)算.通過此方法不僅得到了有效的數(shù)據(jù)，而且相對于其他搜救系統(tǒng)縮短了時間，提高了被救人員的安全系數(shù).

搜救系統(tǒng); 無線定位; PDR; 虛擬標(biāo)定點(diǎn); 測距

當(dāng)今社會，火災(zāi)已成為世界各國人民所面臨的一個共同的災(zāi)難性問題，給社會帶來了巨大的財產(chǎn)損失并嚴(yán)重威脅人類的生命安全.消防員在救援現(xiàn)場更需要及時救助.2013年元旦，浙江杭州蕭山一場無情的大火肆虐了近12 h才被撲滅，杭州消防支隊(duì)蕭山中隊(duì)3名攻堅(jiān)組官兵不幸罹難.2013年10月北京市石景山喜隆多商場發(fā)生火災(zāi)，兩名消防員在撲救過程中不幸犧牲.2005年7月西班牙中部地區(qū)發(fā)生森林大火，整個大火區(qū)域線長達(dá)17 km，至少有14名消防員在救火行動中不幸遇難[1].2013年6月亞內(nèi)爾山爆發(fā)森林火災(zāi)，涉及面積數(shù)百萬平方米,19名前往林火現(xiàn)場控制火情的消防隊(duì)員不幸喪生[2].搜救系統(tǒng)的完善對國內(nèi)和國外火場的救援工作具有重要意義.

搜救系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在地震事件、礦井倒塌事件以及雪崩事件等的生命體搜救過程中.地震現(xiàn)場搜救[3]系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)對遇險人員進(jìn)行定位.它需要在某個地震區(qū)域由人工散布節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所需的信息，實(shí)現(xiàn)對任意地點(diǎn)信息在任意時間的采集、處理和分析，實(shí)現(xiàn)定位功能[4].這種技術(shù)的缺點(diǎn)是它的不便性以及不實(shí)時性.山體滑坡現(xiàn)場搜救中利用RSSI技術(shù)對遇險人員進(jìn)行搜救[5].救援人員手持的無線設(shè)備與被救人員佩戴的無線設(shè)備，根據(jù)RSSI原理，信號會根據(jù)兩者之間的距離信息而改變，當(dāng)信號到達(dá)一定強(qiáng)度，代表已找到被救人員.這種搜救方法具有盲目性而且誤差比較大.以上兩種搜救方法在火災(zāi)現(xiàn)場中都不適用.

本文采用基于MEMS技術(shù)的行人航跡推算算法(PDR算法)對消防員的位置進(jìn)行推算，得到虛擬標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過接收到的無線測距的數(shù)據(jù)，利用TOA算法對遇險消防員進(jìn)行定位，對被救人員的位置展開搜救.消防員遇險現(xiàn)場救援搜救系統(tǒng)采用國際上先進(jìn)的無線測距系統(tǒng)和微機(jī)械加工技術(shù)慣性元件.本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遇險位置定位功能，這是傳統(tǒng)意義上的搜救系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的，從而使消防隊(duì)員生命安全保障程度大幅提高.

1 PDR定位導(dǎo)航算法

1.1 PDR算法原理

假設(shè)行人的初始位置為P0(N0,E0),走動后的下一個位置為P1(N1,E1)，行人航跡推算的原理如圖1所示.

圖1 航跡推算原理圖

P0到P1的這段時間內(nèi)步長為S(t0),航向角為α0(t0)，則P0(N0,E0)與P1(N1,E1)兩點(diǎn)之間的關(guān)系表達(dá)式為：

(1)

以此類推，Pk點(diǎn)與Pk-1點(diǎn)的關(guān)系為：

(2)

行人的步行特點(diǎn)各式各樣，在現(xiàn)實(shí)情況下，要求對行人導(dǎo)航系統(tǒng)成本要低，其佩戴方法要便利，因此，采用了MEMS器件.通過式(1)與式(2)可知，行走航跡推算算法主要采用的是步數(shù)與步長的乘積來獲取行人的相對位移，影響該算法定位精度的因素包括起始位置的精度、步長的精度、計(jì)步器的精度以及航向角的精度.

1.2 計(jì)步器和步長設(shè)計(jì)

針對人身體不同部位加速度不同的特點(diǎn)，存在著大量的步頻探測算法，包括峰值探測法、自相關(guān)法、零點(diǎn)交叉法、stancephase探測法、快速傅里葉變換法等[6].現(xiàn)設(shè)計(jì)基于“滑動窗口+峰值探測”的算法.滑動窗口的重力分量剔除和平滑作用，可以有效地抑制加速度信號的高頻噪聲，并使因身體抖動造成的多峰值波形平滑成單峰值，便于峰值探測.根據(jù)人體機(jī)械學(xué)原理，當(dāng)步行者步頻處于常規(guī)范圍時，步幅與步頻的關(guān)系近似為線性.因此，步長估計(jì)選擇了線性步長估計(jì)模型,實(shí)時的步頻與步長的模型如下[7]：

(3)

式中：S為步幅，m；f為步頻，Hz.該模型經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對年齡20～ 32歲、身高160～185cm的東方人具有良好的估算精度，可以滿足消防員在火災(zāi)現(xiàn)場的定位需求.

1.3 航向角及載體坐標(biāo)

行人航跡推算PDR算法的關(guān)鍵問題之一是用較低成本從傳感器中獲得準(zhǔn)確的航向，有效地消除陀螺儀的漂移誤差和磁羅盤的各種干擾.

通過磁傳感器可以獲得0°～360°的絕對航向角，便于處理但易受到干擾.為克服外界磁干擾，可將陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，并結(jié)合初始航向角經(jīng)過角度轉(zhuǎn)化算法獲取航向角.數(shù)字羅盤可輔助計(jì)算前進(jìn)方向信息，但其長時間的漂移等因素將導(dǎo)致較大的位置誤差[8].因此，采用梯度下降法，利用加速度計(jì)及磁強(qiáng)計(jì)對陀螺儀的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，可減少外界磁干擾，既易于處理，又能在一定程度上校正長時間漂移等帶來的較大位置誤差.

在已知行人步頻和步長的情況下，結(jié)合航向(real_heading)，可求出載體的橫、縱坐標(biāo)：

(4)

式中，Displacement_X為載體的橫坐標(biāo)，Displacement_Y為載體的縱坐標(biāo)，real_heading為載體的航向，Step_distance為載體的步長.

2 無線定位原理與算法

2.1 無線定位測距原理

常用的測距方法為基于信號到達(dá)時延TOA的方法、基于信號到達(dá)時延差TDOA的方法、基于信號到達(dá)角度AOA的方法、基于信號強(qiáng)度RSSI的方法以及基于TWR和SDS-TWR測距的方法等.本文采用基于TOA測距的SDS-TWR測距法(稱雙向雙邊測距法)，主要作用是降低晶體振蕩器頻率漂移帶來的測距誤差，SDS-TWR原理如圖2所示[9].

圖2 SDS-TWR測距原理圖

在數(shù)據(jù)傳輸過程中包括2次對稱測量.第1次：測量的時間T1是從節(jié)點(diǎn)1發(fā)出數(shù)據(jù)包到接收確認(rèn)包的時間；測量的時間T2是節(jié)點(diǎn)2在接收到節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)時開始計(jì)時，并在返回應(yīng)答后停止計(jì)時的延時處理時間；數(shù)據(jù)包往返的時間為T1-T2.第2次：由節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)1接收并應(yīng)答，設(shè)節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)1測得的時間分別為T3、T4，則數(shù)據(jù)包往返時間為T3-T4.

設(shè)信號在介質(zhì)中的傳播速度為v，則兩節(jié)點(diǎn)之間的理論距離d為:

(5)

(6)

T1、T4由節(jié)點(diǎn)1的晶體振蕩器測得，因此λ1=λ4，T2、T3由節(jié)點(diǎn)2的晶體振蕩器測得，因此λ2=λ3，則式(6)可化簡為:

(7)

從式(7)可看出：SDS-TWR方法消除了晶體振蕩器頻率漂移所帶來的測距誤差.

2.2 最小二乘法

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中，主要通過最小二乘法計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo).假設(shè)n個錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，待確定位置節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是(x,y)，該節(jié)點(diǎn)到n個參考節(jié)點(diǎn)的距離分別是d1，d2，…，dn，根據(jù)二維空間距離計(jì)算公式，可以獲得一個非線性方程組：

(8)

求解此方程組可以得到待定位置節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y).定位方程采用(8)式，從第一個方程開始分別減去最后一個方程，消去二次項(xiàng)，得線性方程表示為：

AX=B

(9)

其中：

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

圖3中虛擬定位節(jié)點(diǎn)(Anchor)稱之為錨節(jié)點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)就是通過PDR進(jìn)行位置推算得到的臨時點(diǎn)，初始坐標(biāo)已知，由進(jìn)行搜救的消防員(以下簡稱隊(duì)員A)攜帶，內(nèi)配置無線收發(fā)模塊及采用MEMS技術(shù)的慣性導(dǎo)航組件芯片；標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)(Tag)，即被定位目標(biāo)，由被救消防員(以下簡稱隊(duì)員B)攜帶，內(nèi)配置無線收發(fā)模塊.隊(duì)員A從初始位置M0開始行走，此處的位置坐標(biāo)和距離信息分別為(0,0)，d0.隊(duì)員A繼續(xù)行走，到達(dá)位置M1，該點(diǎn)的位置坐標(biāo)和距離信息分別為(x1,y1)，d1.以此類推，M2和M3位置的坐標(biāo)信息和距離信息分別為(x2,y2)、d2，(x3,y3)、d3.當(dāng)知道4個位置坐標(biāo)信息以及Anchor節(jié)點(diǎn)與Tag節(jié)點(diǎn)的距離信息，即可用最小二乘算法計(jì)算出此Tag節(jié)點(diǎn)的相對位置，這樣便可提示隊(duì)員A及時找到隊(duì)員B.

圖3 控制方案

3.2 系統(tǒng)測試

X和Y的位置信息通過PDR方法進(jìn)行推算，測距信息d通過無線測距進(jìn)行計(jì)算，由對應(yīng)的坐標(biāo)信息與測距信息可求出未知點(diǎn)的坐標(biāo)，分別對2個未知點(diǎn)進(jìn)行測試，具體數(shù)據(jù)如表1、表2所示.

表1 A數(shù)據(jù)信息

表2 B數(shù)據(jù)信息

對應(yīng)表1、表2的直觀圖如圖4、圖5. 其中，“■”表示實(shí)際的位置坐標(biāo)，“●”表示試驗(yàn)測得的載體坐標(biāo)，“×”表示未知點(diǎn)計(jì)算的坐標(biāo).

圖4 表1的直觀圖

圖5 表2的直觀圖

在相同的初始位置和相同環(huán)境的情況下，與RSSI技術(shù)尋找被救消防員進(jìn)行了對比.采取RSSI技術(shù)進(jìn)行搜救時大概在20 min能找到目標(biāo).采取無線PDR定位技術(shù)搜救時大概5～7 min能確定目標(biāo).RSSI技術(shù)在尋找信號過程中存在盲目性，在搜救過程中會浪費(fèi)過多的時間.實(shí)驗(yàn)對比證明：該系統(tǒng)更能及時地搜到被救人員，縮短了營救被救人員的時間.

4 結(jié)束語

目前搜救系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在軍事、戶外等方面，PDR和無線定位技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行搜救，是一個新興的亮點(diǎn).本設(shè)計(jì)根據(jù)消防員救援環(huán)境的特點(diǎn)，應(yīng)用PDR航跡推算算法得出虛擬坐標(biāo)點(diǎn)，由無線傳感器的測距技術(shù)得到距離信息，根據(jù)現(xiàn)場需求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對盲區(qū)被救消防員的定位系統(tǒng)控制.系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中效果良好，但仍需在精度上進(jìn)行改善和提高.

[1] 李亮.西班牙森林大火14名消防員遇難[EB/OL].(2005-08-15)[2013-10-25].http://www.cqvip.com/Read/Read.aspx?id=20616972

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[3] 郭紅梅,黃丁發(fā),陳維鋒，等.城市地震現(xiàn)場搜救指揮輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].地震研究,2008,31(1):83-88.

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Fire Positioning and Rescue System of Firefighters on Wireless

WANG Qing-hui, LIU Hua-yue, WEI Li-feng

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

It is extremely important to rescue the distress firefighters when they are in a critical fire scene.Only rescuing the rescued fireman immediately can protect the safety of personnel when making search and rescue,so we must adopt advanced search and rescue system.It propose a positioning method in this system based on wireless location and PDR autonomous navigation technology.It will calculate the location of rescuees combining the virtual point location information by PDR with distance measuring information by wireless sensor.In this way,we can not only obtain the effective data,but also shorten the time compared with other search and rescue system,and it improves the safety factor of the rescue ersonnel.

search and rescue system; wireless location; PDR; virtual point location; distance measuring

2013-11-11

沈陽市科技攻關(guān)項(xiàng)目(F11-009-2-00)

王慶輝(1972-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，主要從事無線自組網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等的研究.

2095-2198(2015)03-0268-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.03.016

TP212.9

A