一种室内环境人员定位方法及系统与流程

本发明涉及定位技术领域，具体地说，涉及一种室内环境人员定位方法及系统。

背景技术：

当前，我国正处于经济转轨和社会转型期，随着城市化建设步伐的加快，各类致灾因素也明显增多，重特大火灾和其他各类灾害事故时有发生，灾害规模不断扩大。面对复杂的灭火救援形势，一个不容忽视的问题就是我国广大消防指战员在灭火救援中出现伤亡的比例正在逐步增加。据统计，1997年至2006年10年间，全国消防员牺牲131人，伤残1610人。而2007年至2009年仅3年间，全国就有153名消防员牺牲，500余人伤残。我国平均每年有近30名消防员牺牲、近300名消防员受伤甚至致残。

从近年消防案例来看，目前的消防救援方法为：消防队到达火场后，通过观察、询问、侦检等方法掌握火场情况；火情侦察采取外部观察、询问知情人、在控制室调取数据或实时监控、深入内部侦察等方法进行。

仅通过观察获取火场情况，不清楚建筑物室内人员位置及运动情况、不清楚建筑物室内结构及火情、不知道消防队员所处位置与队员周边环境，因此指挥员对现场情况缺乏全面了解，既不能对灭火进行详细指挥，又不能有效地组织后续救援工作，只能在外边“干着急”。

此外，询问知情人主观性强，消防员亲自深入侦查存在极大的安全隐患。因此这些盲目的、低效率的消防救援工作是造成消防队员伤亡的重要原因。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种室内环境人员定位方法，所述方法包括：

步骤一、预先根据对建筑物的估测信息，建模生成建筑物的室内结构图，根据移动过程中人员的行走航向、行走位移和行走时间计算出人员移动的路径；

步骤二、提取采集到的数据的数据变化特征值，对所述数据变化特征进行分析，判断当前人员的运动特征是否满足地理标签属性，若满足，并且可以匹配到已有的地理标签，则将当前人员位置匹配到该室内结构图的对应的地理标签处，从而对计算出的路径进行修正得到人员定位信息。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，还利用超宽带脉冲信号及其回波信号来对计算出的路径进行修正。

根据本发明的一个实施例，如果当前人员的运动特征满足地理标签属性，但是没有已有的地理标签与之相匹配，则在所述室内结构图中将当前人员位置标注为相应的新的地理标签。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

在计算出人员移动的路径之前，还采用零速校正技术对采集的数据进行误差补偿。

根据本发明的一个实施例，如果当前人员的运动特征不满足地理标签属性，则根据具体应用场景对当前人员所处的场所进行识别。

根据本发明的一个实施例，所述地理标签包括楼梯、电梯、入口和自动扶梯中的至少一个，其中，

根据单兵设备信号获取当前人员的行走航向、行走位移和行走时间，如果所述单兵设备信号出现设定幅度的衰减时，则判定当前人员所处的位置满足入口属性；

通过训练获得电梯、自动扶梯或楼梯地标的地理标签属性。

根据本发明的一个实施例，采用落脚点判断技术和宽动态滤波技术对采集到的数据进行预处理。

本发明还通过了一种室内环境人员定位系统，其用来对处于复杂未知室内环境中的人员进行定位，该人员定位系统包括：

建筑物室内结构建模模块，其用于预先根据对建筑物的估测信息，建模生成建筑物的室内结构图；

定位模块，其用于根据移动过程中人员的行走航向、行走位移和行走时间计算出人员移动的路径，根据提取采集到的数据的数据变化特征值，对所述数据变化特征值进行聚类分析，判断当前人员的运动特征是否满足地理标签属性，若满足，并且可以匹配到已有的地理标签，则将当前人员位置匹配到该室内结构图的对应的地理标签处，从而对计算出的路径进行修正得到人员定位信息。

根据本发明的一个实施例，所述定位模块配置为还利用超宽带脉冲信号及其回波信号来对计算出的路径进行修正。

根据本发明的一个实施例，如果当前人员的运动特征满足地理标签属性，但是没有已有的地理标签与之相匹配，所述定位模块则配置为在所述室内结构图中将当前人员位置标注为相应的新的地理标签。

根据本发明的一个实施例，在计算出人员移动的路径之前，所述定位模块还配置为采用零速校正技术对采集的数据进行误差补偿。

根据本发明的一个实施例，如果当前人员的运动特征不满足地理标签属性，所述定位模块则配置为根据具体应用场景对当前人员所处的场所进行识别。

本发明所提供的室内环境人员定位方法通过单兵设备的航位推算、零速校正和车载雷达定位已经能较精确地实现定位，以此方法来识别地标，使火灾现场建筑物“透明化”，使消防指挥人员通过指挥地面站可以实时获取各楼层的消防员布属情况和各消防员的运动状态，一方面使指挥救援工作有章可循，另一方面增加了对消防人员的安全监控，并同时将地标匹配用于消防员的位置修正，增加了定位的准确性。

本发明所提供的室内环境人员定位方法及定位系统具有应用环境复杂，定位精度高，系统稳定性好，适用场合为消防灭火、特警执行任务或者反恐演习等的优点。在硬件方面，该系统不需要事先在室内安装节点或者发射源，使用方式灵活，室外指控计算机能够对未知建筑物基本结构进行快速三维建模，实时获取室内人员的位置，实现人员室内三维定位功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明实施例的复杂未知室内环境中人员定位系统的系统组成示意图；

图2是根据本发明实施例的指控计算机C的功能框图；

图3是根据本发明实施例的复杂未知室内环境中人员定位方法的流程示意图；

图4是根据本发明实施例的人员移动的路径计算方法的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的复杂未知室内环境中人员定位系统的系统组成示意图。如图1所示，该系统主要包括单兵设备(移动终端设备)A、车载雷达设备R和指控计算机C等设备。

本实施例中，单兵设备A主要包括惯性传感器模块、微控制器和无线数传电台标签设备(也可以称为无线数传电台终端)，该单兵设备A具有体积小、携带方便、适用复杂建筑环境、定位精度高等特点。其中，惯性传感器模块主要用于采集人员的行走航向和行走位移，而微控制器主要用来对惯性传感器模块采集的数据进行预处理并控制电台终端发送采集到的信息。无线数传电台终端与室外环境中的通信系统进行通信，用于将微控制器处理得到的数据发送出去。

本实施例中，惯性传感器模块优先选用ADIS16405BMLZ陀螺仪传感器。ADIS16405BMLZ是一款完整的三轴陀螺仪、磁力计与加速计惯性检测系统。这款传感器结合了ADI公司的iMEMS与混合信号处理技术，提供校准的数字惯性检测，是高集成度的解决方案。SPI接口和简单的输出寄存器结构实现了方便的数据访问和配置控制。通过SPI端口可以访问下列嵌入式传感器：X、Y和Z轴角速度；相对首向检测；X、Y和Z轴线性加速度；内部温度；电源；以及辅助模拟输入。惯性传感器在各个轴上执行精密对准，并对失调和灵敏度进行校准。嵌入式控制器可以动态补偿对MEMS传感器的所有主要影响，因此能够在无需测试、电路或用户干预的情况下保证高度精确的传感器输出。以下可编程特性能够简化系统集成：系统内自动偏置校准、数字滤波与采样速率、自检、电源管理、条件监控，以及辅助数字输入/输出。

本实施例中，单兵设备A具有尺寸小、连接器为柔性连接以及方便携带等特性。此外，单兵设备A的供电系统优选地使用可充电电池供电，例如锂电池、镍铬电池等。

车载雷达设备R能够向建筑物发射超宽带脉冲信号，并根据所发射的超宽带脉冲信号及其回波信号来对建筑物内部的人员情况进行侦查，从而为救援方案的制定提供参考。本实施例中，车载雷达设备R所侦查到的建筑物内部的人员情况优选地可以包含消防员的位置分布情况和现场人员滞留情况。

本实施例中，如图2所示，指控计算机C优选地包括数据通信单元C1、数据处理单元C2和定位信息显示单元C3，该指控计算机C基于地理信息系统(GIS)显示消防员的定位信息，且具有快速建立二维和三维建筑模型的功能。

具体地，数据通信单元C1能够接收单兵设备A所采集到的数据。数据处理单元C2包括建筑物室内结构建模模块C21和定位模块C22。其中，建筑物室内结构建模单元C21能够根据预先根据对建筑物的估测信息、以及超宽脉冲信号及其回波信号，构建建筑物的室内结构图。具体地，根据对建筑物估测的长、宽、高及窗户位置、数量，利用软件建模生成三维建筑物近似外部框架及内部楼层图。

定位模块C22能够根据移动过程中人员的行走航向、行走位移和行走时间来计算出当前人员的移动路径，并对该移动路径进行修正，从而得到当前人员的定位信息。

定位信息显示单元C3能够根据定位模块C22所生成的当前人员的定位信息，基于建筑物H的内部近似结构图显示出该人员在建筑物H的内部的位置。

在一个例子中，预先设定建筑物H(如图1所示)为火灾地点。消防员进入室内灭火救生前，将车载雷达设备R设置在建筑物周围，优选设置在距离建筑物的20～30m处。车载雷达设备能够发射超宽带脉冲信号，并根据所发射的超宽带脉冲信号的回波信号来获取建筑物内部的人员情况，从而为灭火救援方案的制定提供参考。

每名消防员携带一台单兵设备A，单兵设备A与指控计算机C优选地采取无线通信，通信协议中包含单兵设备A的识别码，指控计算机C通过该识别码可以区分不同的消防员。

指控计算机C的操作员粗略测量关于建筑物H的估测信息，该估测信息包括建筑物H的层高、每层房间数、窗户位置等信息。然后，指控计算机C中的建筑物室内结构建模单元C21则会根据上述估测信息生成建筑物H内部的近似结构图。

定位模块C22根据人员的行走航向、行走位移和行走时间以及车载雷达设备所发送的超宽带脉冲信号及其回波信号计算出人员移动的路径，并对该移动路径进行修正得到人员定位信息。

本实施例中，指控计算机C承担着通信、数据处理、三维建模等多项工作，同时兼顾携带性，对计算机性能要求较高，可选用移动工作站作为指控计算机，如戴尔的M4800移动工作站。

指控计算机C中的定位模块C22为本系统中的核心部分，下面参照图3所示优选的实施例流程来说明该定位模块C22如何实现对室内人员的定位。

概括来说，消防员在建筑物H入口处启动单兵设备A，初始化设备，并作为初始点。消防员进入建筑物H内，在消防员移动过程中，单兵设备A的惯性传感器模块采集人员行走的相关数据。

一方面，定位模块C22读取惯性传感器数据，并将其中加速度传感器读数、电子罗盘及计时器数据输入航位推算系统，同时收集传感器数据，采用零速校正技术对航位推算系统中的数据进行校正，确定人员的运动航向和位移，结合初始位置利用航位推算法进行路经计算。

另一方面，定位模块C22从传感器数据中提取数据变化特征值，对数据变化特征进行聚类分析，判断当前的数据特征是否具有地标属性，若具有地标属性并且能与已有的地标进行匹配，则将人员位置匹配到该已有地标，并对计算所得的路径进行修正、调整步长，起地标修正的作用，从而推算当前人员的定位信息。

而如果具有地标属性但是没有已知地标与当前位置和/或当前数据特征地标相匹配，则在所述室内结构图中标记该位置为新的地标，计算所得的路径即为当前推算人员位置所需的路径。

如果当前的数据特征不具有地标属性，则进行场所识别，根据具体应用场景识别为相应的场所，同样，计算所得的路径即为当前推算人员位置所需的路径，其中涉及的具体应用场景除了火灾现场建筑以外，还可以是反恐演习的应用场景等，不做具体限定。

以人员从一楼乘电梯上升至二楼为例，定位模块C22收集传感器数据，并提取到特征值进行聚类分析，得到该位置人员运动特征不具有地标属性，则判断此时人员在一楼楼层活动。

如果提取到单兵设备信号的读数出现显著变化且加速度传感器数据先后出现正向、负向较大的起伏，并对该数据解析得到大于设定阈值的加速度数值差，定位模块C22则会对特征值进行聚类分析后得到该位置人员运动特征具有上电梯属性，此时将该具有电梯属性的位置信息与已有地标的位置信息进行对比，判断该位置能否与已有的地标位置进行匹配，若不能匹配，则标记该位置为电梯的位置并将当前计算所得路径作为推算人员位置所需路径，且判断人员正在从一楼乘电梯上二楼；若能与已有地标匹配，则匹配已有地标，并对计算所得的路径进行修正、调整步长，从而判断人员当前是从一楼上二楼；在二楼，若提取到特征值进行聚类分析，得到人员运动特征不具有地标属性，则判断人员在二楼楼层活动。

需注意的是，两个位置信息能否匹配通过训练获得，在一定的误差范围内认为可以匹配，超过训练所得误差的则认为不能匹配。此外，定位模块C22还通过车载雷达发送的超宽带脉冲信号以及回波信号来对所推算得的人员位置进行修正。

容易理解，为了使计算得到的行走路径的精度较高，在进行三维实时定位之前，通过惯性传感器模块的微控制器或定位模块C22可以对采集到的数据进行预处理。具体在惯性传感器数据的预处理过程中可以采用落脚点判断技术、宽动态滤波技术等，建立消防员的定量步态识别方法，克服人体运动抖动对方向测量的干扰。

下面针对上面图4所示的流程进行具体说明。

具体来说，一方面，定位模块C22利用航位推算系统来计算人员的行走路径。在已知上一个时刻位置的坐标、航向的基础上，从上一个位置开始，根据这段时间内人员走过的位移和航向，推测出人员当前的位置和航向。如图4所示，人员在T₀时刻的起始位置是(E₀,N₀)，沿着航向角度α行走位移为I₀，T₁时刻到达位置(E₁,N₁)，在T₁时刻开始沿着航向角度行β走了位移I₁，T₂时刻到达位置(E₂,N₂)，在T₂时刻开始沿着航向角度γ行走了位移I₂，T₃时刻到达位置(E₃,N₃)，T₁与T₂两个时刻的位置信息方程如下公式所示：

E₂＝E₁+I₁·sinβ (1)

N₂＝N₁+I₁·cosβ (2)

由上述基本原理可知，定位精度主要因素包括：初始位置、行走航向以及行走位移。本实施例利用定位系统中的惯性传感器模块来采集人员行走的步数、航向以及步长的数据，通过对这些数据进行分析进而推算、跟踪人员的位置。更具体地，基于惯性传感器模块中的加速度传感器读数，可以计算出人员行走时走过的步数，因此能够推测出用户的位移；基于电子罗盘，可以得知人员每一步的前进方向。再加上时间，可以得到人员的运动矢量<位移，方向，时间>，进而可以估算出人员移动的路径。但是由于人员移动的行为具有随机性和变化性，通过传感器分析得到的步数、步长和航行也都存在误差，因此仅通过上述方法计算出的人员位置信息会产生误差累积，进而导致定位误差累积。

因此，另一方面，在本发明实施例中，定位模块C22采用如下方法来修正上述位置：定位模块C22提取惯性传感器模块采集的数据变化特征值，对数据变化特征值进行判断当前人员所处的位置是否满足某种地理标签属性，若满足，则判断当前人员附近是否存在已有的地理标签，若存在已有的地理标签，则将当前人员位置匹配到相应的地理标签，从而对计算出的路径进行修正得到人员定位信息。

本实施例将建筑物内的一些特定结构(比如电梯、楼梯)作为种子地标，根据人员在地标上移动时惯性传感器的数据特征快速识别地标，修正消防员的行走路径，进而进行较精确的定位，可以得到消防员从哪层哪个房间通过电梯/楼梯进入到哪层哪个房间等，实现消防员三维定位信息直观显示与实时跟踪。

地理位置标签(也称“种子地标”)标注了建筑内能够使惯性传感器模块采集的数据表现出特定特征的地理位置。由于室内的平面结构图已经通过指控计算机建模近似生成，再加上被标注过的特殊地理位置，那么根据这些标签，人员的路径就能够被修正，进而进行较精确的室内定位。

需要说明的是，由于室内的平面结构图建模完成后，其内部的地理标签是不完整的，需要结合后期对人员所处在不同地理位置进行场所识别，在室内结构图中补充标注相应的地理标签，这样随着地理标签密度的增加，定位精度也变得更高。

种子地标本质上是建筑物的一些特定结构——楼梯、电梯、入口、自动扶梯，这些位置都能使传感器模块采集到的数据发生特定变化。例如，当人员从建筑外进入建筑这个过程中，单兵设备信号会出现大幅度的衰减，通过对采集的数据解析得到单兵设备信号出现设定幅度的衰减时，可以断定人员此时的位置处于建筑物的入口处；电梯开动和停止、楼梯、自动扶梯的上下会使加速度传感器读数出现较大的起伏，通过对采集到的数据解析得到设定变化时，则判定当前人员处于电梯、自动扶梯或楼梯处，这些电梯、自动扶梯或楼梯具体地标属性的判断可通过训练获得。

如果人员从楼门口进入，并准备去乘坐电梯上楼，在楼门口由于单兵设备信号的读数的显著变化可以精确定位人员的位置，接下来再根据路径推测来确定人员的位置，由于存在一定误差，因此只能确定人员在电梯的附近，但是一旦人员乘坐了电梯，加速度传感器读数出现了较大的峰值，根据这个独有的特征能够判断出人员在电梯中，因此对人员路径进行了修正，得到了人员精确的位置，也为下阶段的路径推测打下了基础。

相似的过程，当人员下了电梯开始新的阶段的路径推测时，每当他经过一个地标时，路径都能够得到精确的修正，因此只要地标达到一定的密度，系统就可以控制路径推测出的位置达到一定的精度。

在具体应用中增加地标的密度，能够使误差频繁的归零，从而降低平均误差。由于该定位系统应用在消防场合，所以该环境下的地标一般只有楼梯，所以试验得到楼梯的特征数据即可。

此外，除了上面基于地标的方式来进行定位修正以外，还可以执行如下至少一种方法来修正误差(图3所示的流程表)：第一种是在计算出人员移动的路径之前，采用零速校正技术对惯性传感器模块采集的数据进行误差补偿，零速校正是一种误差补偿技术，可以有效控制惯导系统长时间工作的误差积累。消防员在室内时不可能一直处于运动状态，当其静止时，以停下的速度误差作为观测量，对人员的其他位置信息进行修正。

零速校正ZUPT作为一种误差补偿技术，可以有效控制惯导系统长时间工作的误差积累，提高系统的精度。所谓零速校正，即以载体停车时的速度误差作为观测量，来对载体的其它信息进行修正。零速校正的方法较为成熟，如二次曲线拟合、实时卡尔曼滤波、平滑估计法等。二次曲线拟合方法简单，但精度较差。实时卡尔曼滤波应用于ZUPT时，状态量较多，存在计算精度下降，滤波估计值易发散，方位误差角在停车修正期间难以估计等问题。该系统中，提前对人员匀速运动时速度误差进行试验测量，之后可以运用改进的曲线拟合法和滤波估计法进行计算。

通过单兵设备的航位推算、零速校正和车载雷达定位已经能较精确地实现定位，以此方法来识别地标，使火灾现场建筑物“透明化”，使消防指挥人员通过指挥地面站可以实时获取各楼层的消防员布属情况和各消防员的运动状态，一方面使指挥救援工作有章可循，另一方面增加了对消防人员的安全监控，并同时将地标匹配修正消防员的位置修正，增加了定位的准确性。

本发明实施例的系统具有应用环境复杂，定位精度高，系统稳定性好，适用场合为消防灭火、特警执行任务或者反恐演习等的优点。在硬件方面，该系统不需要事先在室内安装节点或者发射源，使用方式灵活，室外指控计算机能够对未知建筑物基本结构进行快速三维建模，实时获取室内人员的位置，实现人员室内三维定位功能。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。