一種用於消防救援現場的慣性測量單元的製作方法
2023-10-21 19:03:57
一種用於消防救援現場的慣性測量單元的製作方法
【專利摘要】一種用於消防救援現場的慣性測量單元，該裝置包括：慣性信息感知組件、磁場強度感知組件、溫度感知組件、環境感知組件、人機互動組件、報警組件、數據處理組件、數據傳輸組件和電池。本發明主要應用在消防救援與災害搜救現場等室內環境受到嚴重破壞的場合，安裝在消防員身上，能夠彌補傳統呼救器不能實時定位、誤報警等缺點；同時又能夠彌補傳統慣性測量單元不能夠進行環境感知、聲光報警的缺點，具有結構簡單、啟動速度快、誤報警率低、穩定性強、定位精度高、進行險情預判的優點，特別適用於對消防員進行實時定位、現場環境感知和有效安全保障的消防救援現場。
【專利說明】一種用於消防救援現場的慣性測量單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及慣性測量領域，特別是涉及一種用於消防救援現場的慣性測量單元。【背景技術】
[0002]據統計，目前全世界每年火災造成的直接經濟損失約為地震災害的五倍，而發生的頻率則居各種災害之首。火災造成的危害極其嚴重，它不僅會造成人員傷亡、基礎設施損害，還能造成整個城市生產和經濟的紊亂，負面影響極大。
[0003]近年來，我國在經濟建設與社會發展方面取得了巨大成就，城市建設和發展更是突飛猛進。城市規模擴大、城市人口劇增以及大量複雜高層建築、大型商場、大型物流倉庫等建築大量湧現，使得消防員面臨救災現場環境複雜、人員危險係數高、二次災難頻發等新的突出問題。消防部隊承擔的各類火災撲救和搶險救援任務越來越重，災難救援現場經常出現的轟燃、火焰、熱輻射、濃煙、有毒氣體、黑暗、建築物結構複雜等多種複雜環境給消防偵察工作帶來極大不便，災情的複雜性日益增大，滅火救援行動危險性越來越高，消防官兵在滅火救援和業務訓練中出現傷亡的情況時有發生，人身安全難以得到保證。究其原因，主要是由於在傳統的消防裝備條件下，消防官兵進入火災現場後，難以實時精確跟蹤定位，只能通過自身攜帶呼救器和方位燈遇險報警，後方無法判斷消防官兵是否遇到危險以及遇險官兵所處位置，致使不能及時安排救助遇險隊員，消防隊員生命安全難以保證。同時，後方消防救援指揮專家，不知道火災現場的實際情況，也很難對消防救援工作給予全面準確的指揮。因此，消防救援工作迫切需求一種能夠精準確定消防隊員運動狀態及現場位置，感知消防員周圍環境，並能夠進行聲光報警的裝置。
[0004]現有消防裝備中的呼救器，具備了報警功能，其工作原理主要是利用加速度計、幹簧管等能夠檢測人體靜止與否的手段，檢測消防官兵是否暈倒、休克、被砸傷等靜止狀況，從而判斷消防員所遇險情，該裝置誤報警率高。而傳統的慣性測量單元，能夠計算載體運行位置，但不具有環境感知和報警功能。本發明提出了一種用於消防救援現場的慣性測量單元，主要應用在消防救援與災害搜救現場等室內環境受到嚴重破壞的場合，安裝在消防員身上，能夠彌補傳統呼救器不能實時定位、存在誤報警等缺點；同時又能夠彌補傳統慣性測量單元不能夠進行環境感知、聲光報警的缺點，具有結構簡單、啟動速度快、誤報警率低、穩定性強、定位精度高、並可險情預判等優點，特別適用於對消防員進行實時定位、現場環境感知和有效安全保障的消防救援現場。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了彌補傳統呼救器不能實時定位、存在誤報警等缺點；同時又能夠彌補傳統慣性測量單元不能夠進行環境感知、聲光報警的缺點，設計一種用於消防救援現場的慣性測量單元，其具有結構簡單、啟動速度快、誤報警率低、穩定性強、定位精度高、進行險情預判的優點，特別適用於對消防員進行實時定位、現場環境感知和有效安全保障的消防救援現場。該裝置能夠進行消防員運動特徵感知和實時定位，同時還能對消防員所處環境進行分析，並在消防員發生危險時進行有效報警。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:
[0007]—種用於消防救援現場的慣性測量單元，包括慣性信息感知組件、磁場強度感知組件、溫度感知組件、環境感知組件、人機互動組件、報警組件、數據處理組件、數據傳輸組件和電池。
[0008]進一步的，所述慣性信息感知組件包括:x軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1-4)、x軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1_8);其中，x軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1-4)構成了慣性測量單元的陀螺儀分系統(1-3) ;x軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1_8)構成了慣性測量單元的加速度計分系統(1-7)。
[0009]所述磁場強度感知組件包括:x軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(1-10)、z軸磁強計(1-12)，同時這三個傳感器也組成了慣性測量單元的磁強計分系統(1-11)。
[0010]所述溫度感知組件包括:溫度傳感器I (1-13)和溫度傳感器2 (1-15)，這兩個傳感器組成了慣性測量單元的溫度感應分系統(1-14)。
[0011]所述環境感知組件包括:煙霧傳感器(1-60)、壓強傳感器(1-63)、有害氣體傳感器(1-64)和語音傳感器(1-65)。
[0012]所述人機互動組件包括:工作指示燈(1-23)、顯示終端(1-32)、按鍵I (1_33)和按鍵 2 (1-35)。
[0013]所述報警組件包括:報警喇叭(1-36)和報警指示燈(1-27)。
[0014]所述數據處理組件包括:信息融合處理器(1-45)、移動存儲器(1-40)、電源管理器(1_46)和看門狗電路(1-48) ο
[0015]進一步的，X軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1_4)負責感知消防員的自身角運動；X軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和Z軸加速度計(1-8)負責感知消防員的自身線運動；x軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(1-10)、z軸磁強計(1-12)負責感知消防員的磁場環境；溫度傳感器1(1-13)負責感知消防員周圍環境溫度；溫度傳感器2(1-15)負責感知慣性測量單元傳感器工作環境溫度；煙霧傳感器(1-60)負責感知消防員周圍環境煙霧信息；壓強傳感器(1-63)負責感知消防員周圍環境壓強信息；有害氣體傳感器(1-64)負責感知消防員周圍環境有害氣體信息；語音傳感器(1-65)負責感知消防員周圍聲音信息；數據傳輸模塊(1-50)可將消防員周圍環境信息、慣性位置信息、狀態信息等通過無線傳輸方式，發送到後方指控平臺；看門狗電路模塊(1-48)負責系統的穩定運行；電源管理器(1-46)負責系統的電源管理，用來提高系統工作時間；移動存儲器(1-40)負責進行線上信息存儲，能夠記錄I小時的慣性測量單元測量信息，用於進行事後分析；報警指示燈(1-27)、報警喇叭(1-36)負責消防員的危險報警；顯示終端(1-32)、工作指示燈(1-23)、按鍵I (1-33)、按鍵2 (1-35)負責慣性測量單元的人機互動。
[0016]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0017]I)本發明提供的一種用於消防救援現場的慣性測量單元，利用模塊化設計思路，簡化了傳統慣性測量單元結構，設計出的慣性測量單元具有結構簡單、啟動速度快。
[0018]2)本發明利用慣性信息感知組件、磁場強度感知組件、溫度感知組件、環境感知組件，綜合判斷消防員所處環境和狀況，誤報警率低、穩定性強。[0019]3)本發明利用慣性信息感知組件、磁場強度感知組件，對消防員進行有效定位，綜合消防員自身的運動特徵，具有定位精度高的特點。
[0020]4)本發明綜合各組件信息，能夠有效分析消防員的環境、運行位置，能夠有效進行消防員險情預判。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為一種用於消防救援現場的慣性測量單元系統框圖。
【具體實施方式】
[0022]根據圖1，描述本發明的一種【具體實施方式】。一種用於消防救援現場的慣性測量單元，包括慣性信息感知組件、磁場強度感知組件、溫度感知組件、環境感知組件、人機互動組件、報警組件、數據處理組件、數據傳輸組件和電池。
[0023]其中，慣性信息感知組件包括:x軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1-4)、x軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1_8)。其中，x軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1-4)構成了慣性測量單元的陀螺儀分系統(1-3) ；x軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1-8)構成了慣性測量單元的加速度計分系統(1-7)。磁場強度感知組件包括:x軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(1-10)、z軸磁強計(1-12)，同時這三個傳感器也組成了慣性測量單元的磁強計分系統(1-11)。溫度感知組件包括:溫度傳感器1(1-13)和溫度傳感器2 (1-15)，這兩個傳感器組成了慣性測量單元的溫度感應分系統(1-14)。環境感知組件包括:煙霧傳感器(1-60)、壓強傳感器(1-63)、有害氣體傳感器(1-64)和語音傳感器(1-65)。人機互動組件包括:工作指示燈(1-23)、顯示終端(1-32)、按鍵1(1-33)和按鍵2 (1-35)。報警組件包括:報警喇叭(1_36)和報警指示燈(1-27)。數據處理組件包括:信息融合處理器(1-45)、移動存儲器(1-40)、電源管理器(1_46)和看門狗電路(1-48) ο
[0024]X軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1_4)輸出的陀螺儀分系統信號(1-16)為模擬量信號，通過陀螺信號處理模塊(1-17)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應陀螺模擬信號(1-43)。X軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1_6)和z軸加速度計(1-8)輸出的加速度計分系統信號(1-18)為模擬量信號，通過加速度計信號處理模塊(1-19)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應加速度計模擬信號(1-44)。X軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(l_10)、z軸磁強計(1_12)輸出的磁強計分系統信號(1-20)為模擬量信號，通過磁強計信號處理模塊(1-21)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應磁強計模擬信號(1-57)。溫度傳感器I (1-13)和溫度傳感器2(1-15)輸出的溫度感應分系統信號(1-22)為模擬量信號，通過溫度信號處理模塊(1-56)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應溫度傳感器模擬信號(1-58)。
[0025]模數轉換器(1-66)綜合陀螺模擬信號(1-43)、加速度計模擬信號(1_44)、磁強計模擬信號(1-57)和溫度傳感器模擬信號(1-58)，通過數字接口 I (1-47)傳輸至信息融合處理器(1-45)。煙霧傳感器(1-60)通過數字接口 2(1-52)與信息融合處理器(1_45)進行數據交互；壓強傳感器(1-63)通過數字接口 3(1-59)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；有害氣體傳感器(1-64)通過數字接口 4(1-53)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；語音傳感器(1-65)通過數字接口 5(1-54)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；信息傳輸模塊(1-50)通過數字接口 7(1-51)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；看門狗電路模塊(1-48)通過數字接口 8(1-49)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；電源管理器(1-46)通過數字接口 9(1-55)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；移動存儲器(1-40)通過數字接口 10(1-42)與信息融合處理器(1-40)進行數據交互。
[0026]信息融合處理器(1-45)通過數字接口 11(1-26)與工作指示燈功放(1_25)相連，工作指示燈功放(1-25)接收到命令後，驅動工作指示燈信號(1-24)控制工作指示燈(1-23)工作；信息融合處理器(1-45)通過數字接口 12(1-31)與顯示終端(1_32)相連；按鍵1(1-33)與信息融合處理器(1-45)的數字接口 13(1-34)相連；按鍵2(1-35)信息融合處理器(1-45)的數字接口 14(1-37)相連。
[0027]信息融合處理器(1-45)通過數字接口 15(1-30)與報警指示燈功放(1_28)相連，報警指示燈功放(1-28)接收到命令後，驅動報警指示燈信號(1-29)控制報警指示燈(1-27)工作；信息融合處理器(1-45)通過數字接口 16(1-41)與報警喇叭功放(1_39)相連，報警喇叭功放(1-39)接收到命令後，驅動報警喇叭信號(1-38)控制報警喇叭(1-36)工作。
[0028]電池(1-62)通過多種電平調節(1-61)，與系統各組件相連，為系統各組件提供電源。
[0029]X軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1_4)負責感知消防員的自身角運動；X軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和Z軸加速度計(1-8)負責感知消防員的自身線運動軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(1-10)、z軸磁強計(1-12)負責感知消防員的磁場環境；溫度傳感器1(1-13)負責感知消防員周圍環境溫度；溫度傳感器2(1-15)負責感知慣性測量單元傳感器工作環境溫度；煙霧傳感器(1-60)負責感知消防員周圍環境煙霧信息；壓強傳感器(1-63)負責感知消防員周圍環境壓強信息；有害氣體傳感器(1-64)負責感知消防員周圍環境有害氣體信息；語音傳感器(1-65)負責感知消防員周圍聲音信息；數據傳輸模塊(1-50)可將消防員周圍環境信息、慣性位置信息、狀態信息等通過無線傳輸方式，發送到後方指控平臺；看門狗電路模塊(1-48)負責系統的穩定運行；電源管理器(1-46)負責系統的電源管理，用來提高系統工作時間；移動存儲器(1-40)負責進行線上信息存儲，能夠記錄I小時的慣性測量單元測量信息，用於進行事後分析；報警指示燈(1-27)、報警喇叭(1-36)負責消防員的危險報警；顯示終端(1-32)、工作指示燈(1_23)、按鍵I (1-33)、按鍵2(1-35)負責慣性測量單元的人機互動。
[0030]本發明主要應用在消防救援與災害搜救現場等室內環境受到嚴重破壞的場合，安裝在消防員身上，能夠彌補傳統呼救器不能實時定位、誤報警等缺點；同時又能夠彌補傳統慣性測量單元不能夠進行環境感知、聲光報警的缺點，具有結構簡單、啟動速度快、誤報警率低、穩定性強、定位精度高、進行險情預判的優點，特別適用於對消防員進行實時定位、現場環境感知和有效安全保障的消防救援現場。
[0031]最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種用於消防救援現場的慣性測量單元，其特徵在於:該慣性測量單元包括慣性信息感知組件、磁場強度感知組件、溫度感知組件、環境感知組件、人機互動組件、報警組件、數據處理組件、數據傳輸組件和電池。
2.根據權利要求1所述的一種用於消防救援現場的慣性測量單元，其特徵在於:所述慣性信息感知組件包括:x軸陀螺儀(1-1)、7軸陀螺儀(1-2)、2軸陀螺儀(1-4)、1軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1-8);其中，x軸陀螺儀(l_l)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1-4)構成了慣性測量單元的陀螺儀分系統(1-3) ;X軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1-8)構成了慣性測量單元的加速度計分系統(1-7)；所述磁場 強度感知組件包括:x軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(1-10)、z軸磁強計(1-12)，同時這三個傳感器也組成了慣性測量單元的磁強計分系統(1-11);所述溫度感知組件包括:溫度傳感器1(1-13)和溫度傳感器2(1-15)，這兩個傳感器組成了慣性測量單元的溫度感應分系統(1-14);所述環境感知組件包括:煙霧傳感器(1-60)、壓強傳感器(1-63)、有害氣體傳感器(1-64)和語音傳感器(1-65);所述人機互動組件包括:工作指示燈(1-23)、顯示終端(1-32)、按鍵I (1-33)和按鍵2(1-35);所述報警組件包括:報警喇叭(1_36)和報警指示燈(1-27);所述數據處理組件包括:信息融合處理器(1-45)、移動存儲器(1-40)、電源管理器(1-46)和看門狗電路(1-48)。
3.根據權利要求2所述的一種用於消防救援現場的慣性測量單元，其特徵在於:X軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、z軸陀螺儀(1-4)輸出的陀螺儀分系統信號(1-16)為模擬量信號，通過陀螺信號處理模塊(1-17)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應陀螺模擬信號(1-43) ；x軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1_8)輸出的加速度計分系統信號(1-18)為模擬量信號，通過加速度計信號處理模塊(1-19)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應加速度計模擬信號(1-44) ;1軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(1-10)、z軸磁強計(1-12)輸出的磁強計分系統信號(1_20)為模擬量信號，通過磁強計信號處理模塊(1-21)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應磁強計模擬信號(1-57);溫度傳感器I (1-13)和溫度傳感器2 (1-15)輸出的溫度感應分系統信號(1-22)為模擬量信號，通過溫度信號處理模塊(1-56)，將其調整為能夠直接輸入模數轉換器(1-66)的對應溫度傳感器模擬信號(1-58)。
4.根據權利要求2所述的一種用於消防救援現場的慣性測量單元，其特徵在於:模數轉換器(1-66)綜合陀螺模擬信號(1-43)、加速度計模擬信號(1-44)、磁強計模擬信號(1-57)和溫度傳感器模擬信號(1-58)，通過數字接口 1(1-47)傳輸至信息融合處理器(1-45);煙霧傳感器(1-60)通過數字接口 2(1-52)與信息融合處理器(1_45)進行數據交互；壓強傳感器(1-63)通過數字接口 3(1-59)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；有害氣體傳感器(1-64)通過數字接口 4(1-53)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；語音傳感器(1-65)通過數字接口 5(1-54)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；信息傳輸模塊(1-50)通過數字接口 7(1-51)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；看門狗電路模塊(1-48)通過數字接口 8(1-49)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；電源管理器(1-46)通過數字接口 9(1-55)與信息融合處理器(1-45)進行數據交互；移動存儲器(1-40)通過數字接口 10(1-42)與信息融合處理器(1-40)進行數據交互。
5.根據權利要求2所述的一種用於消防救援現場的慣性測量單元，其特徵在於:電池(1-62)通過多種電平調節(1-61)，與系統各組件相連，為系統各組件提供電源。
6.根據權利要求1所述的一種用於消防救援現場的慣性測量單元，其特徵在於:x軸陀螺儀(1-1)、y軸陀螺儀(1-2)、Z軸陀螺儀(1-4)負責感知消防員的自身角運動；x軸加速度計(1-5)、y軸加速度計(1-6)和z軸加速度計(1-8)負責感知消防員的自身線運動；X軸磁強計(1-9)、y軸磁強計(1-10)、z軸磁強計(1-12)負責感知消防員的磁場環境；溫度傳感器1(1-13)負責感知消防員周圍環境溫度；溫度傳感器2(1-15)負責感知慣性測量單元傳感器工作環境溫度；煙霧傳感器(1-60)負責感知消防員周圍環境煙霧信息；壓強傳感器(1-63)負責感知消防員周圍環境壓強信息；有害氣體傳感器(1-64)負責感知消防員周圍環境有害氣體信息；語音傳感器(1-65)負責感知消防員周圍聲音信息；數據傳輸模塊(1-50)可將消防員周圍環境信息、慣性位置信息、狀態信息等通過無線傳輸方式，發送到後方指控平臺；看門狗電路模塊(1-48)負責系統的穩定運行；電源管理器(1-46)負責系統的電源管理，用來提高系統工作時間；移動存儲器(1-40)負責進行線上信息存儲，能夠記錄I小時的慣性測量 單元測量信息，用於進行事後分析；報警指示燈(1-27)、報警喇叭(1-36)負責消防員的危險報警；顯示終端(1-32)、工作指示燈(1-23)、按鍵I (1-33)、按鍵2(1-35)負責慣性測量單元的人機互動。
【文檔編號】G01D21/02GK103954284SQ201410198797
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】蘇中, 李擎, 劉寧, 付國棟, 劉洪 , 馬曉飛 申請人:北京信息科技大學, 北京德維創盈科技有限公司