消防员定位系统研制

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要 ............................................................................................................................... I Abstract............................................................................................................................. I I 第1章绪论 .. (1)

1.1课题背景及研究意义 (1)

1.2国内外研究现状 (2)

1.2.1 国外研究现状 (2)

1.2.2 国内研究现状 (3)

1.3本文主要研究内容及技术指标 (3)

1.3.1 主要研究内容 (3)

1.3.2 技术指标 (4)

第2章惯性导航原理 (5)

2.1空间坐标系和姿态的表示方法 (5)

2.1.1 坐标系约定 (5)

2.1.2 姿态的表示 (7)

2.2惯性敏感器件 (12)

2.2.1 加速度计 (12)

2.2.2 陀螺仪 (13)

2.2.3 MEMS惯性器件 (15)

2.3惯性导航原理及捷联惯导技术 (15)

2.3.1 惯性导航原理 (15)

2.3.2 平台式与捷联式惯性导航系统 (16)

2.4本章小结 (18)

第3章姿态与轨迹解算算法 (19)

3.1用于行走轨迹追踪的捷联惯导姿态解算方法 (19)

3.1.1 四元数运动微分方程 (19)

3.1.2 加速度与角速度的融合算法 (19)

3.1.3 初始对准 (22)

3.2运动轨迹计算与误差补偿 (22)

3.2.1 传感器安装位置选取 (23)

3.2.2 步态检测 (23)

3.2.3 姿态误差补偿 (28)

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3.2.4 位移误差补偿 (30)

3.3本章小结 (31)

第4章基于IP和6LoWPAN的节点间通信 (32)

4.1IP协议及IP协议栈 (32)

4.1.1 IP协议及其优势 (32)

4.1.2 IP协议栈 (33)

4.2IP V6技术 (34)

4.2.1 IPv4地址短缺问题 (34)

4.2.2 IPv6简介 (34)

4.2.3 IPv6编址 (35)

4.3低功耗无线个人区域网 (36)

4.3.1 低功耗无线个人区域网应用特征 (36)

4.3.2 IP协议在低功耗无线个人区域网中的应用 (37)

4.46L O WPAN (37)

4.5RPL协议 (38)

4.6C ONTIKI操作系统 (39)

4.7网络通信在本课题背景下的优化调整 (40)

4.8本章小结 (41)

第5章硬件与软件开发 (42)

5.1系统整体架构概述 (42)

5.2硬件平台 (43)

5.2.1 微控制器 (43)

5.2.2 惯性测量单元 (44)

5.2.3 无线通信模块 (45)

5.2.4 电气连接与传感器安装 (46)

5.3嵌入式软件开发 (48)

5.3.1 嵌入式开发环境及工具 (48)

5.3.2 嵌入式软件架构图 (48)

5.3.3 Contiki操作系统移植 (49)

5.3.4 轨迹计算的程序实现 (51)

5.3.5 网络功能开发 (54)

5.4上位机软件开发 (54)

5.4.1 上位机系统概述 (54)

5.4.2 SLIP网络接口 (55)

5.4.3 Mayavi三维轨迹显示 (55)

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5.5本章小结 (57)

第6章定位系统测试及组网仿真分析 (58)

6.1定位系统精度测试 (58)

6.2节点组网仿真分析 (60)

6.2.1 静态组网测试 (60)

6.2.2 动态组网测试 (62)

6.3本章小结 (64)

结论 (65)

参考文献 (67)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (70)

致谢 (71)

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第1章绪论

1.1 课题背景及研究意义

随着城市化和工业化程度的不断提高，城市建筑内部结构的复杂度也随之不断提高，存放物品的种类和数量也在不断增加。在火灾、地震等灾害事件发生时，复杂的地形和存放物品的不确定性往往给救援工作带来极大困难，甚至威胁到救援人员的生命安全。近年来造成重大人员伤亡的消防事故也时有发生。

消防员在抢险过程中，其所处位置、状态、环境监测，对指挥者来说至关重要。如果能够在救援过程中实现每个消防员与指挥部保持实时联络，并且将消防员个体的位置、身体机能状况、周边环境视频等回传至指挥部，就可以使指挥者能够实现科学有效指挥救火活动，也可以最大限度地保障消防人员的安全，更加及时有效地保护受灾群众的生命财产安全。

由于绝大多数救灾任务为室内环境作业，因此无法依靠GPS进行定位，而目前主流的室内定位方案，如GPRS、Wi-Fi、iBeacon以及UWB等，均依赖于提前部署的基站设备，而在发生灾难时往往面临着供电和通信中断的情景，因此上述技术方案可靠性难以保证。惯性导航是一种自主导航系统，即导航系统本身具备完成导航任务所需要的全部功能组件，不需要与外界进行任何形式的信息交互，因此惯性导航具有良好的环境适应能力，特别适用于本课题的应用背景。

近年来，随着MEMS技术的发展，基于MEMS技术的低成本小型陀螺仪和加速度计技术逐渐成熟，使得基于惯性器件进行室内导航成为可能。实现在计算能力有限的嵌入式处理器上使用MEMS惯性器件进行轨迹记录，并且对MEMS器件测量误差进行补偿是本课题的工作重点之一。

定位结果的组网传输是本课题的另一个主要工作。在数据传输方面，定位系统应具备自组网能力，以便能够在常规通信网络中断的情况下通过多个节点即时组成通信网络进行数据传输。随着物联网技术的发展，出现了诸多无线自组网协议，如ZigBee、低功耗蓝牙、6LoWPAN等。研究如何将物联网领域已经存在的成熟协议进行修改并应用于紧急情况下数据网络的组建是本课题的另一个工作重点。

综上所述，本课题所研究的目的在于开发出易于部署，成本低廉，不需要依赖已有基站或信标，可以在多种紧急情况下工作的消防员定位系统，从而为科学指挥以及减少消防员伤亡起到辅助作用。

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