一种用于救援的传感网络抗失效定位切换控制方法及系统与流程

本发明涉及一种用于救援的传感网络抗失效定位切换控制方法及系统，能够实现受困目标定位。

背景技术：

在高危生产区域，有效的事故应急救援系统可以将事故损失降低到无应急救援系统的6％。国内外应急救援事实表明：对被困人员施救越及时，获救可能性越大。在煤矿井下巷道、建筑物施工地、地下商业中心、易燃易爆场所以及危险有毒化学品等高危生产区域，一旦发生重大安全事故，目前往往只能依靠被困人员主动呼救来进行确认，耽误宝贵的第一救援时间的同时降低了救援效率。因此，要在灾变环境下开展应急救援，必须实现对被困人员位置的检测，即实现被困人员的定位。一旦在煤矿井下等区域出现险情和灾害时，救援人员能够根据定位系统提供的事故地点人员数量、每个人员信息及位置，制定有针对性的救援措施，提供最佳的逃生路线，提高灾变环境下抢险效率和救护效果。除了人员定位系统在应急救援中的应用，在正常运行时工作人员定位系统能够统计当前工作人员数量，根据工作人员当前位置和移动轨迹统计出勤率和早退率，限制工作人员进入危险区域，使得地面管理员能够对工作人员及作业设备进行合理调度管理。高危生产区域人员定位系统承担着人员考勤、跟踪定位、灾后急救、以及日常管理等任务，高危生产区域人员定位是安全生产的重要内容，是建立安全生产应急救援机制、提高国家应对危机管理和抗风险能力的重要组成部分。

在地面或空中等室外开阔环境下，为移动目标安装全球定位系统，能够实时获得移动目标的运动位置，尽管其定位精度比较不高，仍然已经成为一种成熟的方案而受到广泛的应用。在大型建筑物、矿山井下、地下空间以及大型隧道等卫星信号受到遮蔽的环境，可以称这类空间为封闭空间，由于复杂环境对全球定位系统信号传播的遮挡，从而无法利用全球定位系统信号获得移动目标的位置。在这类封闭空间中，由于运动特征复杂、网络拓扑结构时变、地形结构未知及障碍物分布不规律等因素，给灾变环境移动目标定位带来诸多挑战。因此，很多学者研究了不依赖于全球定位系统的移动目标定位，其主要内容有移动目标测距方法、定位算法以及定位精度的分析。

近年来，各国研究人员纷纷开展这方面的研究，采用里程计、视觉定位、红外对射及激光测距等方法对灾变环境移动目标进行定位，并在实际应用中在累计误差消除、图像变形、非连续输出与障碍物遮蔽等方面做了有益的研究。由于高危生产区域采用有线监测需要敷设大量的电缆，高危区域空间狭窄使得电缆布线繁琐，而且容易使电缆砸断或者接触不良，同时由于恶劣环境使得电缆容易遭受腐蚀磨损，增加了线路中断故障率以及数据误码率，从而影响整个定位系统的性能。为了克服有线远程监控的不足，采用无线方式进行高危生产区域的远程监控，可以建立一个组网灵活、可扩展性强以及安全可靠的监测系统，可以实现对待定位目标进行信息采集、数据处理、融合解算及位置跟踪等任务。但是，随着其应用环境逐渐恶劣，对待定位目标的精度要求也不断提高，需要引入惯性导航系统与无线传感网定位相结合，使得待定位目标在全局范围内具有较强的稳定性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种用于救援的传感网络抗失效定位切换控制方法及系统。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于救援的传感网络抗失效定位切换控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建用于灾变环境下待定位区域的用于救援的传感网络，包括无线传感器单元、惯性传感器单元，无线传感器单元包括：安装在待定位区域的多个无线锚节点和安装在各待定位目标上的无线移动节点；惯性传感器单元包括安装在各待定位目标上的惯性传感器；

步骤2、定位解算单元根据无线传感器单元的输出进行无线定位解算，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn；同时定位解算单元根据惯性传感器单元的输出进行惯性参量解算，得到惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins；

步骤3、组合定位单元判断无线传感器单元和惯性传感器单元是否失效，并进行不同传感器单元失效下救援传感网抗失效切换控制，实现对灾变环境下待定位目标的稳定定位。

所述步骤3的具体操作如下：

A：当无线传感器单元和惯性传感器单元均有效时，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins，对两种定位方法输出结果进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

B：当无线传感器单元失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量得到的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ时，利用由惯性定位法在单位时间内测量的待定位目标的位置变化量△L_sins对由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn进行校正，然后对校正后的无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

C：当惯性传感器单元失效时，即惯性传感器单元的长航时运行时间△t_sins大于阈值τ，将救援传感网组合精确定位结果L_sins/wsn作为惯性传感器单元的初始位置，消除其累计位置误差，惯性传感器在更新的位置上进行高速积分运算，然后对无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和校正后的惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

D：当无线传感器单元和惯性传感器单元均失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ，且惯性传感器单元的长航时运行时间△t_sins大于阈值τ，无法采用救援传感网对待定位目标进行精确定位，通过惯性传感器中加速度模块输出来判断待定位目标的行走状态，具体为：

在加速度模块检测出待定位目标运动时，基于待定位目标的行走步长f_l和步频f_f对待定位目标进行位置估算。

所述步骤2中的惯性传感器单元中的各惯性传感器均包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，三轴陀螺仪测量出角速度，进而求得姿态参数，最后由各姿态参数构成姿态矩阵，三轴加速度计获得比力信息，结合待定位目标初始速度、初始位置、初始姿态参数，通过对它们进行高速积分获得待定位目标的实时速度和位置参量L_sins。

所述步骤2中无线传感器单元通过检测无线节点间信号到达时间，结合到达角度检测获得无线锚节点与无线移动节点间的到达时间差和到达角度；并对无线信源不依赖于信道模型进行非可视环境的鉴别，采用局部子空间误差建模与补偿方法对含噪测距误差进行修正，获得待定位目标的无线位置参量L_wsn。

一种用于救援的传感网络抗失效定位切换控制系统，包括无线传感器单元、惯性传感器单元、定位解算单元、组合定位单元；所述无线传感器单元和惯性传感器单元的输出端与定位解算单元的输入端相连，定位解算单元的输出端与组合定位单元相连接。

所述无线传感器单元包括：安装在待定位区域的多个无线锚节点和安装在各待定位目标上的无线移动节点；惯性传感器单元包括安装在各待定位目标上的惯性传感器；

所述定位解算单元根据无线传感器单元的输出进行无线定位解算，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn；同时定位解算单元根据惯性传感器单元的输出进行惯性参量解算，得到惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins。

所述组合定位单元判断无线传感器单元和惯性传感器单元是否失效，并进行不同传感器单元失效下救援传感网抗失效切换控制，实现对灾变环境下待定位目标的稳定定位。

所述组合定位单元的具体操作如下：

A：当无线传感器单元和惯性传感器单元均有效时，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins，对两种定位方法输出结果进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

B：当无线传感器单元失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量得到的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ时，利用由惯性定位法在单位时间内测量的待定位目标的位置变化量△L_sins对由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn进行校正，然后对校正后的无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

C：当惯性传感器单元失效时，即惯性传感器单元的长航时运行时间△t_sins大于阈值τ，将救援传感网组合精确定位结果L_sins/wsn作为惯性传感器单元的初始位置，消除其累计位置误差，惯性传感器在更新的位置上进行高速积分运算，然后对无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和校正后的惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

D：当无线传感器单元和惯性传感器单元均失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ，且惯性传感器单元的长航时运行时间△t_sins大于阈值τ，无法采用救援传感网对受困目标进行精确定位，通过各惯性传感器中加速度模块输出来判断待定位目标的行走状态，具体为：

在加速度模块检测出待定位目标运动时，基于待定位目标的行走步长f_l和步频f_f对待定位目标进行位置估算。

所述惯性传感器单元中的各惯性传感器包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，惯性传感器单元的输出包括各惯性传感器测量出来的待定位目标的角速度和加速度；三轴陀螺仪的输出值表示运载体相对惯性系转动的角速率在载体系各轴向上的量；三轴加速度计测量出惯性力来间接获得载体系各轴向的瞬时加速度；通过三轴陀螺仪测量的角速度得到姿态参数，最后由姿态参数构成姿态矩阵，结合三轴加速度计获得的比力信息、待定位目标初始速度、初始位置、初始姿态惯性参量，通过对它们进行高速积分获得待定位目标的实时速度和位置参量L_sins。

所述无线传感器单元通过检测无线节点间信号到达时间，结合到达角度检测获得无线锚节点与无线移动节点间的到达时间差和到达角度；并对无线信源不依赖于信道模型进行非可视环境的鉴别，采用局部子空间误差建模与补偿方法对含噪测距误差进行修正，获得待定位目标的无线位置参量L_wsn。

本发明的有益效果：

本发明通过对惯性传感器和无线传感器定位失效形式进行分析，提出了惯导定位与无线定位抗失效切换控制方法，并对两种定位方法下定位误差进行校正。

由于惯性传感器和无线传感器能够分别对受困目标进行定位，无线传感器网络受到传感器噪声以及环境噪声等因素干扰会影响无线测距精度，甚至在局部位置由于障碍物遮蔽及多径绕射等干扰出现错误定位，同时由于惯性传感器对加速度噪声进行积分使得其在长航时定位会存在累计误差，因此需要结合无线测距误差抑制和惯性参量误差传播特性，分别求解惯性传感器和无线传感器下受困目标的位置。

为了提高受困目标定位的精确性和稳定性，考虑惯性传感器和无线传感器定位存在失效对两种定位系统进行组合，以受困目标位置变化量判断无线传感器定位是否失效，同时以时间阈值判断惯性传感器定位是否失效，在组合定位系统存在失效时进行定位切换控制，实现在灾变环境下救援传感网受困目标稳定定位。该发明能够解决单纯采用惯性传感器和无线传感器定位输出错误位置的不足，充分发挥了两种定位系统的优势，能够提高组合定位系统的性能。

附图说明

图1为本发明的用于救援的传感网络抗失效定位切换控制系统示意图。

图2是本发明的用于救援的传感网络定位解算单元和组合定位单元的解算和控制方法示意图。

图3是本发明的用于救援的传感网络组合定位抗失效切换控制方法示意图。

图4是本发明的用于救援的传感网络抗失效定位切换控制方法的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图2-4所示，一种用于救援的传感网络抗失效定位切换控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建用于灾变环境下待定位区域的用于救援的传感网络，包括无线传感器单元、惯性传感器单元，无线传感器单元包括：安装在待定位区域的多个无线锚节点和安装在定位目标上的无线移动节点；惯性传感器单元包括安装在各定位目标上的惯性传感器；

步骤2、定位解算单元根据无线传感器单元的输出进行无线定位解算，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn；同时定位解算单元根据惯性传感器单元的输出进行惯性参量解算，得到惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins；

步骤3、组合定位单元判断无线传感器单元和惯性传感器单元是否失效，并进行不同传感器单元失效下救援传感网抗失效切换控制，实现对灾变环境下待定位目标的稳定定位。

所述步骤3的具体操作如下：

A：当无线传感器单元和惯性传感器单元均有效时，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins，对两种定位方法输出结果进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

B：当无线传感器单元失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量得到的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ(无线传感器在无线信号受到干扰、节点失效或者参与定位锚节点数量不够时会产生错误定位，基于受困目标的运动学模型，其在单位时间内的位置变化总在一个区间范围内，即受困目标位置变化量阈值σ)时，利用由惯性定位法在单位时间内测量的待定位目标的位置变化量△L_sins对由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn进行校正，然后对校正后的无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；所述校正为：将惯性增量值代替无线增量值，通过无线前一时刻位置与惯性增量值得到目标当前时刻位置。

C：当惯性传感器单元失效时，即惯性传感器单元的长航时运行时间△t_sins大于阈值τ，将救援传感网组合精确定位结果L_sins/wsn作为惯性传感器单元的初始位置，消除其累计位置误差，惯性传感器在更新的位置上进行积分运算，然后对无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和校正后的惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

D：当无线传感器单元和惯性传感器单元均失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ，且惯性传感器单元的长航时运行时间△t_sins大于阈值τ，无法采用救援传感网对待定位目标进行精确定位，通过惯性传感器中加速度模块输出来判断待定位目标的行走状态，具体为：

在加速度模块检测出待定位目标运动时，基于待定位目标的行走步长f_l和步频f_f对待定位目标进行位置估算。具体为：由于加速度模块能够检测出三个轴(X、Y、Z)方向上的数据，因此，当待定位目标在同楼层行走时，Z轴的值不会发生变化，当待定位目标在上下楼梯时，Z轴的值会发生变化，待定位目标进行位置。

所述步骤2中的惯性传感器单元中的各惯性传感器均包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，三轴陀螺仪测量出角速度，进而求得姿态参数，最后由各姿态参数构成姿态矩阵，三轴加速度计获得的比力信息，结合待定位目标初始速度、初始位置、初始姿态参量，通过对它们进行高速积分获得待定位目标的实时速度和位置参量L_sins。

所述步骤2中无线传感器单元通过检测无线节点间信号到达时间，结合到达角度检测获得无线锚节点与无线移动节点间的到达时间差和到达角度；并对无线信源不依赖于信道模型进行非可视环境的鉴别，采用局部子空间误差建模与补偿方法对含噪测距误差进行修正，获得待定位目标的无线位置参量L_wsn。

如图1所示，一种用于救援的传感网络抗失效定位切换控制系统，包括无线传感器单元、惯性传感器单元、定位解算单元、组合定位单元；所述无线传感器单元和惯性传感器单元的输出端与定位解算单元的输入端相连，定位解算单元的输出端与组合定位单元相连接。

所述无线传感器单元包括：安装在待定位区域的多个无线锚节点和安装在各待定位目标上的无线移动节点；惯性传感器单元包括安装在各待定位目标上的惯性传感器；

所述定位解算单元根据无线传感器单元的输出进行无线定位解算，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn；同时定位解算单元根据惯性传感器单元的输出进行惯性参量解算，得到惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins。

所述组合定位单元判断无线传感器单元和惯性传感器单元是否失效，并进行不同传感器单元失效下救援传感网抗失效切换控制，实现对灾变环境下待定位目标的稳定定位。

所述组合定位单元的具体操作如下：

A：当无线传感器单元和惯性传感器单元均有效时，得到无线定位法测量的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性定位法测量的待定位目标的位置参量L_sins，无线传感器单元能够输出空间直角坐标系下目标低频位置信息L_wsn，而惯性传感器单元能够输出地理坐标系下目标高频位置信息L_sins，惯性传感器单元下定位数据的更新周期大于无线传感器单元下定位数据的更新周期，因此需要对两种定位方法输出结果进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；

B：当无线传感器单元失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ时，将由惯性定位法在单位时间内测量的待定位目标的位置变化量△L_sins对由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn进行校正，然后对校正后的无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；无线传感器单元的失效主要是由于无线信号受到干扰、节点失效或者参与定位锚节点数量不够时会产生错误定位；

C：当惯性传感器单元失效时，将救援传感网组合精确定位结果L_sins/wsn作为惯性传感器单元的初始位置，对其累计位置误差进行消除，惯性传感器在更新的位置上进行积分运算，然后对无线传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_wsn和校正后的惯性传感器单元得到的待定位目标的位置参量L_sins进行时空对齐，设置无线传感器单元位置与惯性传感器单元位置信任权值，通过融合计算得到待定位目标的位置L_sins/wsn；惯性传感器单元的失效主要是由于惯性传感器运行一段时间后会产生累计误差从而使得后续定位数据失效，引起惯性传感器累计误差的主要原因是参与迭代的受困目标初始运动参量具有累计误差；

D：当无线传感器单元和惯性传感器单元均失效时，即在单位时间△t_wsn内由无线定位法测量的待定位目标的位置变化量△L_wsn超过阈值σ，且惯性传感器单元的长航时运行时间△t_sins大于阈值τ，无法采用救援传感网对受困目标进行精确定位，通过各惯性传感器中加速度模块输出来判断待定位目标的行走状态，具体为：

在加速度模块检测出待定位目标运动时，基于待定位目标的行走步长f_l和步频f_f对待定位目标进行位置估算。

所述惯性传感器单元的输出包括各惯性传感器测量出来的待定位目标的角速度和加速度；各惯性传感器包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，三轴陀螺仪是敏感运载体角速度的装置，其输出值表示运载体相对惯性系转动的角速率在载体系各轴向上的量；而三轴加速度计是敏感运载体加速度的装置，通过测量出惯性力来间接获得载体系各轴向的瞬时加速度；通过三轴陀螺仪测量的角速度得到姿态矩阵，结合三轴加速度计敏感的比力信息，在待定位目标初始速度、位置、姿态惯性参量的辅助下，通过高速积分获得待定位目标的实时速度和位置参量L_sins。

所述无线传感器单元通过检测无线节点间信号到达时间，结合到达角度检测获得无线锚节点与无线移动节点间的到达时间差和到达角度；由于高危生产区域为密集多径环境，使无线信号在可视环境和非可视环境不断转化，无线测距容易存在误差，因此对无线信源不依赖于信道模型进行非可视环境的鉴别，采用局部子空间误差建模与补偿技术对含噪测距误差进行修正，获得待定位目标的无线位置参量L_wsn。

本发明在高危生产区域正常工作时能够统计工人数量，优化工人生产作业以及限制其出入某些禁止进入的区域，一旦高危生产区域发生事故时所布置传感器能够形成救援传感网，根据人员在不同区域内的分布位置制定有针对性救援，提供最佳的逃生路线，提高高危生产区域灾变环境下救援效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。