本发明涉及定位系统和定位方法，尤其涉及一种应用于消防人员灾害现场的实时跟踪的定位系统和方法。
背景技术：
近年来火灾事故频繁发生，抢险救援工作尤为重要。当消防人员进入火灾区进行灭火任务时，很难快速寻找到救援目标以及火源位置，因此错过了最佳救援时间，导致火灾继续蔓延，救援工作的展开更加困难，消防人员自身的生命安全也岌岌可危。基于现有的成本较低的室内定位技术，确保消防人员的安全仅仅是纸上谈兵，我们无法精准确定消防人员的具体位置，不能在场外制定合理的救援方案来对消防员们进行调度。因此，实现低成本高精度的灾害现场实时跟踪技术具有重要的现实意义。
已有的各种定位技术受目标移动范围以及信号穿透的限制，难以实现对火灾现场消防人员的精准定位，定位误差一般≥3米，这对于我们火灾救援现场而言，精度远远不够；而存在的较为精准室内定位技术采用的硬件普遍成本太高，不能够大规模的投入使用。所以，研究一种成本低廉、精度较高的实时跟踪定位系统非常重要。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提出了一种应用于消防人员灾害现场实时跟踪的定位系统和方法。
本发明的技术方案如下：
一种应用于消防人员灾害现场实时跟踪的定位系统，包括可固定设备、上位机软件和客户端；所述可固定设备包括信息采集模块、电源模块以及无线通信模块；可固定设备置于消防鞋中；所述信息采集模块包括加速度传感器、陀螺仪以及磁力计，分别用于测算目标的加速度、角速度与磁场强度；所述电源模块用于给信息采集模块和无线通信模块供电；所述无线通信模块用于采集信息模块与上位机软件之间的数据传送；所述上位机软件对接收到的数据进行处理，得到消防人员的速度、方向角和位置信息，并在客户端的窗口界面上显示出消防人员在楼内各层的分布及每个消防员所处位置；所述客户端显示每个消防员具体的运动信息。
其进一步的技术方案为，所述可固定设备安装于消防鞋内部的后跟位置，采集人体运动数据，避免受到其他身体部分移动的干扰。
其进一步的技术方案为，所述加速度传感器在人体运动时脚接触地的时刻，进行零速度更新补偿，减小积分得到的速度误差。
其进一步的技术方案为，所述加速度传感器、陀螺仪以及磁力计均经过卡尔曼算法滤波消除噪声，稳定输出数据。
其进一步的技术方案为，所述无线通信模块包括采用zigbee芯片，将消防人员的运动信息实时传送给上位机软件。
其进一步的技术方案为，所述上位机软件接收到信息采集模块所传送的数据后，建立灾害现场大楼的平面图模型以及每层楼的平面坐标系，并同时监测多个消防人员在楼内所处的位置。
应用于消防人员灾害现场实时跟踪的定位方法，具体包括以下步骤：
步骤s1、将可固定设备安装在消防鞋内部的后跟位置；对上位机软件进行初始化调试，使上位机软件存储的数据信息归零；
步骤s2、使上位机软件开始运行，输入发生火灾大楼的楼层数，在上位机软件的窗口界面形成与所述楼层数一致的大楼模型；导入参与救援的消防员的可固定设备的编号，准备接收消防员的运动信息；
步骤s3、消防员移动前按下可固定设备的电源开关，允许无线通信模块将信息采集模块得到的消防员的运动信息实时传送到上位机软件；消防员进入发生火灾的大楼后，可固定设备实时采集运动信息，无线通信模块实时传送运动信息到上位机软件；场外指挥人员运行上位机软件，计算出每位消防员所处位置的坐标；上位机软件可随时中断对消防员的信息采集以及位置显示；
步骤s4、上位机软件利用接收到的运动信息，计算出消防员的速度、方向角和位置，形成消防员的移动轨迹，再将消防员的运动信息和移动轨迹储存到客户端；
步骤s5、消防员进入灾害现场，上位机软件的窗口界面实时显示出在各层楼内消防员的分布及具体位置；场外指挥人员根据窗口界面显示的楼内消防员的分布，结合具体位置和救援需要，设置每位消防员应到达地点的坐标，对他们进行调度；
步骤s6、根据上位机软件计算的消防员的实时位置坐标来判断其是否到达指定地点，如果到达指定地点，则展开救援工作，如果未到达指定地点，则继续移动；
步骤s7、救援工作结束时，消防员关闭可固定设备的电源开关，可固定设备停止数据采集；场外指挥人员停止上位机软件的运行，上位机软件中断来自可固定设备的数据接收；上位机软件对救援的全程情况进行保存；通过显示界面中的消防人员的可固定设备的编号，可显示在救援过程中该消防员的移动轨迹以及运动信息；运动数信息包括包括速度、方向角和/或位置信息；还可以显示移动轨迹上的点的位置坐标。
其进一步的技术方案为，可固定设备采集到的消防员的运动数据，均在消防员行走过程中单脚落地时速度为0的时刻进行一次误差修正，并经过卡尔曼滤波算法处理，使得采集到的数据误差减小。
其进一步的技术方案为，所述上位机软件采用vb6.0编译，在上位机软件的窗口界面根据用户需要形成灾害大楼的整体平面图，并针对灾害大楼内每个楼层建立的坐标系为平面二维坐标系，操作人员可在坐标系中标注参照物的位置，并设置每位消防员应到达的位置坐标；当消防员移动到指定位置时，上位机软件自动提示操作人员消防员已到达指定位置。
其进一步的技术方案为，所述客户端显示的消防员运动信息，由可固定设备采集再经上位机软件的计算处理得到；加速度传感器采集加速度，利用惯性导航机制将加速度积分得到消防员移动速度；陀螺仪采集角速度，磁力计采集磁场强度，利用行人航迹推算结合陀螺仪与磁力计的融合得到消防员移动方向。
本发明的有益技术效果是：
1.本发明体积较小，易于固定，操作简单，成本低廉，可以大规模投入使用，能实现对消防员在灾害现场较为精准的定位，并且能在上位机软件上观测到消防员的具体位置及移动轨迹。
2.本发明使用无线通信模块将目标移动的信息传送到上位机，耗能少，传输速率快，实现实时显示数据，可自行设置通讯通道，消除同频率信息的干扰。
3.本发明所采用的算法可以得到比较精准的消防员的加速度、速度、方向、位置等运动信息，描绘的消防员的轨迹更接近真实情况。
4.本发明的上位机软件可以显示火灾大楼的整体平面图和消防人员在楼内的实时分布情况，便于场外人员对场内消防人员的调度。
附图说明
图1为本发明的消防人员灾害现场实时跟踪的定位系统的结构示意图
图2为本发明的消防人员灾害现场实时跟踪的定位系统的原理图
图3为本发明的上位机窗口界面显示的火灾大楼模型示意图
图4为本发明的消防人员灾害现场实时跟踪的定位系统的实施流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及功能更加清晰明确，以下参照附图来对发明做进一步的详细说明。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明。
如图1，消防人员灾害现场实时跟踪的定位系统包括可固定设备、上位机软件、客户端。使用前将可固定装置安装在消防鞋内部后跟位置，可固定设备包括信息采集模块、无线通信模块及电源模块。信息采集模块包括加速度传感器、陀螺仪和磁力计。信息采集模块用于采集消防员移动信息。无线通信模块用于将消防员的移动信息传输到上位机软件。电源模块用于给可固定设备供电。上位机软件处理接收到的数据，将每位消防员的运动数据和移动轨迹并传送到客户端，并在客户端的窗口界面建立火灾大楼模型，显示楼内消防员的分布情况。客户端存储每位消防员的移动信息和轨迹。
如图2，加速度传感器采集消防员的加速度，陀螺仪采集消防员的角速度，磁力计采集消防员所处位置磁场强度，三者采集到的数据经过零速度更新和上位机软件的卡尔曼滤波处理，根据惯性导航算法和行人航迹推算，分别得到速度、方向角、航向角，利用这三个数据计算出消防员的位置坐标，通过坐标变化绘制出消防员的移动轨迹。其中，零速度更新、卡尔曼滤波处理、惯性导航算法和行人航迹推算均是现有技术，本领域的技术人员可以根据公开文档和公知常识来具体进行计算，具体内容不是重点，本文不再详述。
如图3，场外指挥人员在上位机软件中输入救援大楼的具体楼层数，软件将自动在界面生成大楼模型，根据消防员鞋内安置的可固定设备的编码，指挥人员可以在软件中看到每位消防员所处楼层及位置，还可以知道消防员在每层楼分布的总人数，当某一层灾情比较严重时，通过界面中显示的信息以及消防员对应的编号，指挥人员可以立刻用无线对讲机对消防员进行调配。
如图4，为本发明所述方法在具体应用时的流程图，使用本发明所述方法在具体应用时的具体步骤如下：
步骤s1、首先将可固定设备安装在消防鞋内部的后跟位置，然后打开可固定设备的电源开关，并对上位机软件进行初始化调试，将软件界面刷新，使使上位机软件存储的加速度、角速度、磁场强度、速度、位置等信息归零。
步骤s2、单击上位机软件的“开始“按钮，输入发生火灾大楼的楼层数，在窗口界面形成与该楼层数一致的大楼模型；导入参与救援的消防员的固定设备编号，准备接收消防员的移动数据。
步骤s3、消防员移动前按下可固定设备的电源开关，允许无线通信模块将信息采集模块得到的消防员运动信息实时传送到上位机软件。
消防员进入发生火灾的大楼，可固定设备实时采集运动信息，无线通信模块实时传送数据到上位机软件。
场外指挥人员点击上位机软件的“开始”按钮，则上位机软件可以利用卡尔曼算法滤波、惯性导航计算公式以及行人航迹推算来处理采集到的加速度、角速度、磁场强度等数据信息，从而计算出每位消防员所处位置的坐标。点击上位机软件的“停止”按钮可随时中断对消防员的信息采集以及位置显示。
步骤s4、上、消防员进入灾害现场进行移动；上位机软件对接收到的数据利用算法和滤波进行处理，计算出消防员的速度、方向角、位置等信息，并形成消防员的移动轨迹，再将消防员的运动信息和移动轨迹储存到客户端。
步骤s5、当消防员进入灾害现场时，上位机软件的窗口界面将实时显示出在各层楼内消防员的分布及具体位置，场外指挥人员根据界面显示的楼内消防员的分布，在界面上设置每位消防员应到达地点的坐标,可以根据消防员们的位置信息结合救援需要来对他们进行调度；
步骤s6、根据上位机软件计算出的消防员位置坐标来判断其是否到达指定地点，如果到达指定地点，则展开救援工作，如果未到达指定地点，则回到步骤4，消防员继续移动，上位机继续对数据处理。
步骤s7、救援工作结束时，消防员关闭可固定设备的电源开关，可固定设备停止数据采集。场外指挥人员单击上位机软件的“停止“按钮，软件中断来自设备的数据接收；单击上位机软件的“保存”按钮，可以对此次救援的全程情况进行保存。鼠标双击界面中的消防人员编号，可显示在救援过程中该消防员的移动轨迹以及运动数据信息，运动数据信息包括速度、方向角、位置等信息；单击轨迹上的点还将显示该点对应的位置坐标。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。