用於大型建築物內救援輔助的智能定位導航系統的製作方法

2023-04-24 12:17:41 2

專利名稱：用於大型建築物內救援輔助的智能定位導航系統的製作方法
技術領域：
技術領域涉及到無線通信、射頻通信技術和超聲波測距技術，以及Di jkstra算法 來實現路徑規劃與導航和適當的數學建模思想
背景技術：
目前，為了應對各種人為、自然的突發事件，維護社會安定和人們生命財產的安 全，迫切需要一種能夠在室內條件下進行實時精確定位、導航及信息服務的設備，以支持建 築物內部的搜索、救援等活動。GPS系統是目前最常用的無線定位系統，但是GPS信號不能 覆蓋到樓宇內部。而基於移動通信網絡的無線定位方式解析度低，定位誤差大。超聲波是 傳統的測距用傳感器，可以用於定位，但是超聲波獲取的信息比較單一，不便於識別目標， 難以支持較大區域的連續高精度定位。為了解決目標識別問題，把射頻通信技術和超聲波 測距技術集成起來是一種可能的方案。本設計就是基於這樣一種思路，為智能化建築設計 一種內部定位和導航系統，以提高智能化大廈的安保水平，並為智能化大廈提供更好的管 理平臺，並可以在特殊情況下供公安、消防、救援等使用。以下是作品與現有技術相比只有 突出的技術特點和顯著進步。

發明內容
基於無線傳感器網絡，把射頻通信技術和超聲波測距技術集成起來是我們的方 案。本項目就是基於這樣一種思路，為智能化建築設計一種內部定位和導航系統，以提高 智能化大廈的安保水平。，並為智能化大廈提供更好的管理平臺，並可以在特殊情況下供公 安、消防、救援等使用。本設計設計並實現了一個用於局域環境中的精確定位系統，包括移 動終端和一個為終端提供服務的伺服器以及布置在室內的若干傳感器節點。該系統可以為終端持有者提供移動的精確定位、導航和及時信息交互等服務。終 端可以實時定位並為用戶導航；終端和伺服器可以通過消息進行信息交互；終端可以通過 攝像頭採集視頻並壓縮通過無線網絡發送到伺服器端以便指示、調度；伺服器端為終端提 供信息服務、用戶管理等功能。傳感器節點用於接收和發送射頻超聲信號，以實現定位功 能。以下是項目創新技術及技術難點(1)衝突避免算法若射頻信號RFp RF2和超聲信號USp US2分別代表路標1和2在同一個探測路標 接收的信息，RF攜帶者路標ID信息，探測節點可以識別Rh和RF2，而US不攜帶任何信息， 探測節點無法區分USi和US2，所以由於路標1、2不協調，會出現如圖7所示衝突幹擾，這裡 US2接收在RFi後在USi前，由於探測器無法識別USi和US2，探測節點把RFi和US2的時間間 隔t錯誤當作Rh和USi的時間間隔，從而導致測量距離不正確。上述衝突分可分為兩種，一種是同一探測路標發射RF和US中間出現外來RF信號 衝突，如圖1所示；另一種是同一探測路標發射RF和US中間出現外來US信號衝突，如圖2 所示。
為了應對圖1所示衝突，由於探測路標發出的射頻和超聲信號在Dus時間內會消 失，每個探測路標首先空閒r隨機時間段，然後，打開射頻並接收外界射頻信號，若Dus時間 內沒有接收到任何信號，且射頻裝載空閒，開始發送自身射頻和超聲信號。為了應對圖2所示衝突，探測節點內部維護有最近兩個射頻信息的接收時間，當 探測節點接收到超聲信號，判斷是否在Dus時間內接收到多於一個射頻信息，若多於一個 丟棄，否則計算距離。(2)傳感器休眠機制每個傳感器節點再全工作模式下的工作電流為20mA，在節電模式下的工作電流為 40uA，及工作電流的正常取值範圍為40uA——20mA之間，正常工作電流為2mA，傳感器節點 在大多數時間處於節電模式，此模式下只保留一個串行外圍接口 SPI (Serial Peripheral Interface)用於射頻信號的發送。(3)距離精確計算基於TD0A(The Differential time Of Arrival)的定位是基於距離定位技術的 一種，典型代表是Active Bat、AHLos，這些系統都是通過公式S = V* A T以射頻信號和超聲 波的到達時間差計算指引節點與接收器之間的距離，在正常室溫和溼度下，聲音的速度VI 約為344m/s，光的速度V2約為3X108m/s。由於V2遠遠大於VI，所以有s3 vl t,然後根據 對採集到的距離集合中的元素運用最小二乘方法擬合一條滿足要求的曲線。(參看圖3)(4)移動目標的精確定位問題結合測量領域的專業知識，利用三角定位法的原理，一旦收到三個以上指引節點 的有效信息(包含節點的位置坐標、ID編號等內容)，就可以計算出移動目標的當前位置。每個指引節點和接收器之間的關係算式A-xJ+Cy-W+d定位依據其中\2(、,_ 丨~zo)

計地圖的數據結構，應用改進的Dijistra算法，搜索到達各個位置的最短路徑，根據搜索 記錄的路徑，獲得最短路徑。(效果如圖4)(6)地圖設計；移動終端的電子地圖應該為持有者提供一個友好的界面以輔助定位和導航，現有 的電子地圖在顯示風格和存儲格式方面並不適於室內的三維立體應用，因此計劃自定義 XML格式的電子地圖，存儲在XML格式的文件中，用戶可以選擇不同文件以應用於不同地
三角定位法定位計算公式
(5)路徑規劃與導航
移動終端在定位信息的輔助下確定從當前位置到目標位置的最佳 徑。結合所設圖，通過XML讀取器(自定義類)讀入內存，並將地圖顯示在移動終端。(7)視頻採集及傳輸攝像頭收集移動終端周圍的數據，然後在移動終端顯示，再壓縮，通過802. 11無 線傳輸給遠程伺服器，伺服器再解壓數據，再現視頻。壓縮算法採用h263，把數據從RGB格 式壓縮成YUV格式。實際傳輸前後效果如圖5圖6。


圖1同一探測路標發射RF和US中間出現外來RF信號衝突
圖2同一探測路標發射RF和US中間出現外來US信號衝突
圖3測距散點曲線對比圖
圖4路徑規劃結果圖
圖5壓縮前視頻截圖
圖6壓縮後視頻截圖
圖7移動終端實際效果圖
圖8系統定位原理圖
圖9指引節點和接收器的信息傳遞示意圖
圖10移動終端軟體流程圖
圖11伺服器端軟體流程圖
圖12傳感器節點布置模型
具體實施例方式(1)實時高精度室內定位的實現原理如圖8所示，在室內環境中按照一定的規律布置若干個無線傳感器節點作為指引 器(Beacon)，每個指引節點都具有射頻通信功能和發送、接收超聲波信號的功能，具有唯一 的ID編號，節點內部存儲了相應的位置信息和其ID號。如圖9所示，移動目標進入該區域後，自身攜帶的接收器(Listener)可以通過射 頻通信的方式獲取到鄰近的指引節點的ID號、位置信息，並可以通過超聲測距的方式得到 接收器和指引節點之間的直線距離，一旦得到鄰近的3個以上的指引節點信息，根據每個 指引節點的位置、每個指引節點和接收器之間的距離，利用三角定位原理，就可以計算出接 收器也就是移動目標的當前位置。接收器負責識別指引節點和測距，然後把這些信息傳送 到與之相連的移動終端設備，由計算能力較強的移動終端完成比較複雜的定位計算。(2)傳感器節點布置模型預先在建築物內部按照L = H tan 0 (L為相鄰兩個指引節點間的距離，H為房間 的高度，9為超聲波的波束角)布置無線測距傳感器節點陣列，待無線傳感器網絡部署完 畢後，打開伺服器端整個系統即可正常運作。如圖12所示。(3)移動終端軟體流程移動終端軟體運行時首先進行基本的初始化，尤其是相關硬體模塊的初始化與參 數設置。然後進入主程序循環。接下來啟動相應的模塊。移動終端軟體的主流程圖如圖10 所示，說明如下
系統初始化初始化基本顯示信息以及程序基本控制項的顯示模型。主程序入口 程序初始化後等待用戶進行操作。主界面模塊把地圖文件信息導入並存儲在自定義結構中並顯示；等待用戶的輸 入命令。導航模塊負責接收周圍Beacon傳來的位置信息，然後讀取Listener串口數據， 轉換成地圖坐標。視頻模塊負責採集現場圖像，並進行壓縮，傳給網絡模塊。網絡模塊負責發送壓縮後的視頻圖像到伺服器端，伺服器和移動終端之間信息 的交換。(4)伺服器端軟體流程根據管理員的命令而進行導入地圖、用戶管理、地圖管理、信息服務。在完成相應 服務後判斷是否退出，如果確認退出則退出，否則返回至初始化後的狀態。如圖11啟動伺服器，用戶打開移動終端後需向伺服器端發送消息請求，驗證成功後為其 提供相關服務，否則給出出錯原因。用戶管理驗證用戶，管理申請用戶等。信息服務接收消息和發送消息，回復。定位用戶顯示指定用戶的位置。根據用戶發送來的位置信息進行定位，並在服務 器端界面上標記出來。支持地圖顯示的縮放。地圖管理下載地圖，導入地圖，支持對指定地圖的導入。
權利要求
一種用於大型建築物內救援輔助的智能定位導航系統，該系統包括預先布置在建築物內部的無線測距傳感器節點陣列、移動終端、遠程伺服器端三個組成部分，其特徵在於定位導航流程由以下步驟組成步驟1自身攜帶的接收器通過射頻通信的方式獲取到鄰近的指引節點的ID號、位置信息，並結合超聲測距的方式得到接收器和指引節點之間的距離；步驟2隻要得到與三個以上定位節點(每個定位節點的位置坐標都是事先記錄在節點內部)之間的測距數據，就能夠通過三角定位法計算實現對終端持有者所在地的精確定位；步驟3能夠迅速為用戶規劃從當前位置到設定目的地的最優路徑，採用攝像頭收集移動終端周圍的現場場景信息，壓縮之後發送給伺服器供監控中心察看；伺服器端為終端提供用戶管理、引導指揮等功能。
2.按權利要求1所述的系統，其特徵在於預先在建築物內部按照L= H -tan(L為相鄰 兩個指引節點間的距離，H為房間的高度，為超聲波的波束角)布置無線測距傳感器節點陣 列。
3.按權利要求1所述的系統，其特徵在於通過射頻通信的方式獲取到鄰近的指引節點 的ID號、位置信息，並結合超聲測距的方式得到接收器和指引節點之間的距離。
4.按權利要求1所述的系統，其特徵在於，自定義XML格式的電子地圖，標誌樓層、房 間、拐點等元素，用戶可以選擇加載並顯示不同的地圖。
5.按權利要求1所述的系統，其特徵在於是基於距離定位技術，根據對採集到的距離 集合中的元素運用最小二乘方法擬合一條滿足要求的曲線，距離精度可達釐米級。
6.按權利要求1所述的系統，其特徵在於利用802.11無線網絡來實現無線通訊和視頻 傳輸。在視頻傳輸的過程中採用以幀為單位進行壓縮，達到伺服器後再解壓再現視頻。
7.按權利要求1所述的系統，其特徵在於可以通過路徑規劃確定一條從當前位置到指 定位置的最優路徑。
8.按權利要求1所述的系統，其特徵在於使用一級或多級中繼站通過無線方式在基站 和用戶之間進行數據轉發。
全文摘要
本發明基於融合了射頻通信和超聲波測距技術的無線測距傳感器，構造出了具備精確定位、信息交互功能、信息記錄、路徑規劃、集視頻音頻於一體等多功能，用於大型建築物內救援輔助的智能定位導航系統以應對大型建築內可能發生的恐怖襲擊、火災等突發事件，在儘可能短的時間內解救受困人群。系統包含預置在樓內的無線測距傳感器節點陣列、移動終端、遠程伺服器端三部分。移動終端接收傳感器節點陣列的測距信息，只要得到與三個以上定位節點之間的測距數據，就能夠通過三角定位法實現對終端的精確定位，迅速為用戶規劃最優路徑，並將相關信息發送給伺服器供監控中心察看。對於硬體軟體設計方面，我們實現了小耗電、距離位置精確計算、衝突避免算法等。
文檔編號H04N7/26GK101858750SQ20091006838
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月7日 優先權日2009年4月7日
發明者龐聰, 王旭, 黃勝宇 申請人:南開大學