多人協作式樓層定位方法和系統的制作方法
【專利摘要】發明涉及無線信息處理技術，其公開了一種多人協作式樓層定位方法和系統，包括如下步驟:（S1）目標定位單元以及協助單元互相接收彼此的無線信號，收集信號信息，連同慣性傳感器采集的信息一并發送到服務器端；（S2）構建樓層定位模型，獲取模型數據信息；（S3）計算出樓層定位算法的系統參數，并得到目標定位單元的最終的高度值。本發明的有益效果：本發明基于火災等惡劣環境和多名定位人員，將目的定位人員與輔助定位人員建立聯系，消除目的定位人員的累積誤差，從而實現有效的樓層定位的功能，能夠極大地保證定位人員的生命安全。
【專利說明】
多人協作式樓層定位方法和系統
技術領域
[0001]本發明涉及無線信息處理技術，尤其涉及一種多人協作式樓層定位方法和系統。
【背景技術】
[0002]隨著經濟的高速發展，建筑變得越來越高且越來越龐大，于是室內定位成為了一個新的研究課題，并且目前已取得了一定的結果。樓層定位屬于室內定位的一種，目前存在很多技術瓶頸。首先，GPS不能應用于室內定位；因為GPS只適用于視距的定位，但是建筑會有很多墻壁阻擋。其次，傳統的WiFi三點定位模型和紅外線定位技術并不能應用于樓層定位。此外，目前的研究大部分是局限于平面內的，對于樓層定位來說，它是一種立體模型，因此需要新的方法。為了定位目標人員的所在樓層，人們提出了各種解決辦法，其中不乏結合三軸陀螺儀傳感器、氣壓計等裝置來實現定位人員的定位，但這種方法要么造價極高，或者是需要訓練，并且精度不能達到要求。因此，我們急切需要找到一種可靠的，適應多種環境的定位目標定位人員所在樓層的方法和系統。
【發明內容】
[0003]為了克服上述所指的現有技術中的不足之處，本發明提供一種多人協作式樓層定位方法及系統，解決現有技術中樓層定位造價高且精度較低的問題。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
一種多人協作式樓層定位方法，包括如下步驟:
(51)目標定位單元以及協助單元互相接收彼此的無線信號，收集信號信息，連同慣性傳感器采集的信息一并發送到服務器端；
(52)構建樓層定位模型，獲取模型數據信息；
(53)計算出樓層定位算法的系統參數，并得到目標定位單元的最終的高度值。
[0005]作為本發明的進一步改進:所述協助單元為三個或者三個以上，且位于同一樓層。
[0006]作為本發明的進一步改進:所述步驟SI互相接收彼此的無線信號包括:
511、目標定位單元所配裝置發送定位信號，基于載波偵聽多路訪問技術；
512、接收到定位信號的協助單元發送自己的MAC地址給服務器，服務器選擇其中的3位協助單元，并確定發送信號的時間片；
513、附近的協助單元按照服務器的規定按時發送以及接收電磁波信號，并將數據返回給服務器，所述的電磁波數據包括接收信號強度、到達時間，所述的慣導數據包括角加速度，三個方向的速度、加速度。
[0007]作為本發明的進一步改進:所述步驟2中，根據慣性傳感器的信息以及電磁波信號文件構建樓層定位模型，并得出模型的相關數據;利用裝置返回得到的數據構建模型是基于四面體的一個立體模型，所述得出模型數據是指利用電磁波相位差測距法計算出立體模型六條邊的長度。
[0008]作為本發明的進一步改進:所述步驟(S3)具體為: 531、通過慣性傳感器采集的數據計算出目標定位單元相對地面的高度；
532、根據樓層定位模型以及得出的模型的邊長，利用歐拉四面體公式以及解三角形的方法計算出模型的高；
533、利用卡爾曼數據分析算法以及主成分數據分析方法，對所計算出的高度進行分析，確定該測量系統的參數，并最終得出當前目標當前的高度。
[0009]本發明同時提供了一種多人協作式樓層定位系統，包括:
目標定位單元以及配備裝置單元，用于采集定位人員實時所處的環境數據并返回給服務器；
服務器單元，用于處理回饋過來的數據并負責將結果展示出來。
[0010]作為本發明的進一步改進:所述的目標定位單元以及配備裝置單元包括:
慣性傳感器模塊:主要通過收集目標定位單元的速度和加速度，以用來測量其相對于地面的垂直高度；
危險報警模塊:用于危險情況的手動或自動報警；
電磁波收發模塊:用來跟服務器通訊和跟協助單元通訊；
救援模塊:用于提供救援信息。
[0011 ]作為本發明的進一步改進:所述的服務器單元包括:
通訊模塊:收發無線電信號，包括接收定位裝置發送過來的目標定位單元樓層信息文件，以及發送指令給定位裝置；
數據處理模塊:服務器收到定位裝置發送過來的文件以后，得到兩個信息:(I)目標定位單元相對于地面的垂直距離hi; (2)目標定位單元相對于協助單元的相對垂直距離ho;月艮務器還存儲了該目標定位單元的上一周期所得到的相對于地面的垂直高度h2，以及協助單元相對于地面的垂直高度h3;服務器根據這四個值，進行主成分分析，得到目標定位單元當前相對于地面的高度h;
時鐘同步與控制模塊:用來控制目標定位單元佩戴裝置與協助單元通訊時的具體發送電磁波信號的時間片，以及確定樓層定位的周期；
應用程序顯示模塊:數據處理模塊計算出當前目標定位單元的高度以后，該模塊將結果顯示到用戶界面，指揮人員觀察現場目標定位單元的所在樓層位置。
[0012]本發明的有益效果:本發明基于火災等惡劣環境和多名定位人員，將目的定位人員與輔助定位人員建立聯系，消除目的定位人員的累積誤差，從而實現有效的樓層定位的功能，其有益效果包括:在火場等惡劣環境中定位系統依舊有效，測量誤差小，不需要預先試驗，在現有的通訊設備的基礎上，進行稍微改進，造價不高。可以同時定位多名定位人員的所在樓層，并具備危險處理模塊，能夠極大地保證定位人員的生命安全。
【附圖說明】
[0013]圖1本發明的定位人員定位算法的立體三維模型。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
[0015]—種多人協作式樓層定位方法，包括如下步驟: (51)目標定位單元以及協助單元互相接收彼此的無線信號，收集信號信息，連同慣性傳感器采集的信息一并發送到服務器端；
(52)構建樓層定位模型，獲取模型數據信息；
(53)計算出樓層定位算法的系統參數，并得到目標定位單元的最終的高度值。
[0016]所述協助單元為三個或者三個以上，且位于同一樓層。
[0017]所述步驟SI互相接收彼此的無線信號包括:
511、目標定位單元所配裝置發送定位信號，基于載波偵聽多路訪問技術；
512、接收到定位信號的協助單元發送自己的MAC地址給服務器，服務器選擇其中的3位協助單元，并確定發送信號的時間片；
513、附近的協助單元按照服務器的規定按時發送以及接收電磁波信號，并將數據返回給服務器，所述的電磁波數據包括接收信號強度、到達時間，所述的慣導數據包括角加速度，三個方向的速度、加速度。
[0018]所述步驟2中，根據慣性傳感器的信息以及電磁波信號文件構建樓層定位模型，并得出模型的相關數據;利用裝置返回得到的數據構建模型是基于四面體的一個立體模型，所述得出模型數據是指利用電磁波相位差測距法計算出立體模型六條邊的長度。
[0019]所述步驟(S3)具體為:
531、通過慣性傳感器采集的數據計算出目標定位單元相對地面的高度；
532、根據樓層定位模型以及得出的模型的邊長，利用歐拉四面體公式以及解三角形的方法計算出模型的高；
533、利用卡爾曼數據分析算法以及主成分數據分析方法，對所計算出的高度進行分析，確定該測量系統的參數，并最終得出當前目標當前的高度。
[0020]本發明同時提供了一種多人協作式樓層定位系統，包括:
目標定位單元以及配備裝置單元，用于采集定位人員實時所處的環境數據并返回給服務器；
服務器單元，用于處理回饋過來的數據并負責將結果展示出來。
[0021]所述的目標定位單元以及配備裝置單元包括:
慣性傳感器模塊:主要通過收集目標定位單元的速度和加速度，以用來測量其相對于地面的垂直高度；
危險報警模塊:用于危險情況的手動或自動報警；
電磁波收發模塊:用來跟服務器通訊和跟協助單元通訊；
救援模塊:用于提供救援信息。
[0022]所述的服務器單元包括:
通訊模塊:收發無線電信號，包括接收定位裝置發送過來的目標定位單元樓層信息文件，以及發送指令給定位裝置；
數據處理模塊:服務器收到定位裝置發送過來的文件以后，得到兩個信息:(I)目標定位單元相對于地面的垂直距離hi; (2)目標定位單元相對于協助單元的相對垂直距離hO;月艮務器還存儲了該目標定位單元的上一周期所得到的相對于地面的垂直高度h2，以及協助單元相對于地面的垂直高度h3;服務器根據這四個值，進行主成分分析，得到目標定位單元當前相對于地面的高度h; 時鐘同步與控制模塊:用來控制目標定位單元佩戴裝置與協助單元通訊時的具體發送電磁波信號的時間片，以及確定樓層定位的周期；
應用程序顯示模塊:數據處理模塊計算出當前目標定位單元的高度以后，該模塊將結果顯示到用戶界面，指揮人員觀察現場目標定位單元的所在樓層位置。
[0023]本發明適用于(I):火災場景，以便在大火環境中，利用手機慣性傳感器以及能夠收發電磁波的裝置，實現對每一個消防員的樓層定位，并顯示在終端(手機，電腦)上，如果消防員發生危險，我們就可以快速地找到消防員所在位置，最大程度地保護消防員的生命；同時也方便指揮人員更好地對救援力量進行有效率的調度部署，更快地控制火災。(2)反恐，有了樓層定位方法，同樣可以知道警察的所在樓層，一旦收到警察發過來的報警信號，所有人員就可以知道哪個樓層有恐怖分子。(3)安防，在一些不允許多人聚集的環境下，使用樓層定位系統，可以檢測某時刻具體樓層的總人數，一旦多于閥值，表明有可能出現多人聚集情況。(4)商業也可以利用樓層定位方法來觀察一天時間內樓層的總人數情況，判斷人數越多，說明市場需求也有可能更大。
[0024]在一實施例中，一種人員定位裝置，包括了手機上的慣性傳感器，慣性傳感器用來測量人員的所在的高度，同時，為了提高樓層定位的精度，降低錯誤率，裝置上新增了能夠收發電磁波的儀器，它用來測量目標定位人員與輔助定位人員的相對垂直高度差。此外，還需一種定位輔助裝置，它包括了能夠收發電磁波的儀器。
[0025]以上所述目標定位人員定位裝置的應用方法，包括以下步驟:S1、目標定位人員尋找附近攜帶了定位裝置的人員，然后定位人員之間(包括目標定位人員和輔助定位人員)互相通信，并將所獲信息發送到服務器;S2、服務器利用樓層定位算法，結合目標定位人員和輔助定位人員發送過來的信息，定位出目標定位人員所在的樓層。S3、自底向上地，服務器定位每一位目標定位人員的位置，當所有人員都已經定位完成，檢查定位人員是否出現異常，如果出現異常，馬上叫輔助定位人員去指定樓層觀察情況，如果沒有異常，執行下一步驟;S4、將目標定位人員發送信號到定位完成視為一個時鐘周期，在每個時鐘周期里，重復上述步驟S1、S2、S3，直到行動結束。
[0026]所述的目標定位人員是指需要做樓層定位的定位人員；附近的人員充當輔助定位人員的角色，他們為同一樓層，且數目至少為3個。同一個人不同時間內可以做目標定位人員，也可以做輔助定位人員。
[0027]所述步驟SI里面輔助定位人員的尋找和通訊包括:S11、目標定位人員定位裝置發送電磁波信號來尋找附近的輔助定位人員；S12、接收到來自目標定位人員的電磁波信號的輔助定位人員，通過隨身佩戴裝置，發送唯一的MAC地址給服務器;S13、服務器根據裝置的歷史高度選取3個或者3個以上的輔助定位人員。并決定每位定位人員(包括目標定位人員和輔助定位人員)通訊發生的時間片；S14、定位人員們的裝置按照服務器確定的時間片發送電磁波信號，然后定位人員們將各自收集的包括慣性傳感器和電磁波收集的信息發送到服務器。
[0028]所述步驟S2利用的定位算法是基于電磁波的相位差測距算法。所述步驟S2包括:S21、服務器根據由定位人員發送過來的電磁波信號序列根據MAC地址實施數據分割得到子序列，用相位差測距算法計算任意相鄰兩個定位人員的相對距離，生成一個四面體模型，然后計算該四面體的高，即為目標定位人員相對輔助定位人員的垂直距離hO; S22、服務器在根據由定位人員發送過來的慣性傳感器的信號計算出每位定位人員相對地面的高度差hi。S23、服務器在根據定位人員的上一個時鐘周期確定的高度h2，結合目標定位人員相對輔助定位人員的垂直距離hO，、輔助定位人員的高度h3、目標定位人員相對地面的高度hi，按照一定權重最終確定目標定位人員所在的樓層。
[0029]所述步驟S3包括:S31、服務器根據定位人員上一個時鐘周期所在樓層，按從底層到頂層的順序，計算出每一個定位人員當前時鐘周期的所在樓層。S32、服務器確定好每一位定位人員所在的樓層后，在每個時鐘周期下刷新顯示每位定位人員所在樓層的應用程序;S33、定位人員另外帶有報警器，如果定位人員30秒靜止不動，將會自動報警，另外如果定位人員覺得有危險，也可以手動報警，服務器將收到定位人員的報警信號，然后服務器選擇并告知最靠近目標定位人員的輔助定位人員，讓其對目標定位人員進行救援。
[0030]給出的是一個四面體的模型，該模型用來計算目標定位人員相對于輔助定位人員的相對垂直距離hO;首先，服務器根據接收的文件使用電磁波相位差測距算法計算出六條邊的長度，即AB、AC、AD、BC、BDXD;根據歐拉四面體公式，得到該模型的體積V，再利用解三角形的方法計算出底面積S，根據等體積法:V=(l/3)*S*hO得出目標定位人員相對于輔助定位人員的相對垂直距離hO。
[0031]本發明還提供了一種定位人員樓層定位系統，基于無線網絡信號傳輸技術，包括:電磁波收發模塊，用于發送電磁波信號和接收電磁波信號;慣性傳感器模塊，用于測量定位人員的垂直速度和垂直加速度;樓層定位模塊，用于利用樓層定位算法消除累積誤差，計算精確度較高的高度值;警報模塊，用于判斷定位人員發生危險時，向服務器發出危險警報信號。二維動態顯示模塊，用于實時顯示每位定位人員的當前所在樓層以及歷史所在樓層的一條路徑。
[0032]本發明還可以結合群智感知的方法(如利用居民的手機路徑數據)構造出一個建筑的三維結構，并對給這個三維結構建筑編碼并存儲于數據庫中，等需要的時候，按照地標調出三維結構，輔助樓層定位進行多人定位。
[0033]在又一實施例中，一種具體實現多定位人員樓層定位的流程，具體包括以下步驟:步驟1:給所有的定位人員部署任務，必須指定其中三位定位人員在一樓或者在低層樓；
步驟2:其他多個定位人員從底層出發，每位定位人員配備定位裝置，啟動服務器定位應用程序，設置當前定位人員為第一個定位人員；
步驟3:服務器發送激活指令讓定位人員定位裝置發出電磁波信號，類似于載波偵聽訪問(OFDM)，尋找輔助定位人員；
步驟4:接收到電磁波信號的定位人員發送MAC地址給服務器，服務器選擇三個輔助定位人員;并決定這四個裝置，即目的定位人員和附近的三位定位人員的裝置，發送電磁波信號的時間片；
步驟5:相關的定位裝置按照服務器的指令發送電磁波信號并收集電磁波信號，連同慣性傳感器模塊的信息一并發送回給服務器；
步驟6:服務器收集信息并使用樓層定位算法計算出目的定位人員的當前相對地面的垂直高度，同時檢測是否出現異常，如果出現異常，采取上述的應急措施；
步驟7:重復上述步驟3?6，計算其他定位人員的位置，當所有定位人員的位置計算完成，進入下一步驟；
步驟8:檢查救援行動是否結束;如果結束，終止應用程序;如果沒有結束，進入下一個時鐘周期，重上述步驟的2?7。
[0034]以上內容是結合具體實現方式對本發明做的進一步闡述，不應認定本發明的具體實現只局限于以上說明。對于本技術領域的技術人員而言，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，均應視為有本發明所提交的權利要求確定的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種多人協作式樓層定位方法，其特征在于:包括如下步驟:(SI)目標定位單元以及協助單元互相接收彼此的無線信號，收集信號信息，連同慣性傳感器采集的信息一并發送到服務器端；(S2)構建樓層定位模型，獲取模型數據信息；(S3)計算出樓層定位算法的系統參數，并得到目標定位單元的最終的高度值。2.根據權利要求1所述的多人協作式樓層定位方法，其特征在于:所述協助單元為三個或者三個以上，且位于同一樓層。3.根據權利要求1所述的多人協作式樓層定位方法，其特征在于，所述步驟SI互相接收彼此的無線信號包括: 511、目標定位單元所配裝置發送定位信號，基于載波偵聽多路訪問技術； 512、接收到定位信號的協助單元發送自己的MAC地址給服務器，服務器選擇其中的3位協助單元，并確定發送信號的時間片； 513、附近的協助單元按照服務器的規定按時發送以及接收電磁波信號，并將數據返回給服務器，所述的電磁波數據包括接收信號強度、到達時間，所述的慣導數據包括角加速度，三個方向的速度、加速度。4.根據權利要求1所述的多人協作式樓層定位方法，其特征在于:所述步驟2中，根據慣性傳感器的信息以及電磁波信號文件構建樓層定位模型，并得出模型的相關數據;利用裝置返回得到的數據構建模型是基于四面體的一個立體模型，所述得出模型數據是指利用電磁波相位差測距法計算出立體模型六條邊的長度。5.根據權利要求1所述的多人協作式樓層定位方法，其特征在于:所述步驟(S3)具體為:S31、通過慣性傳感器采集的數據計算出目標定位單元相對地面的高度;S32、根據樓層定位模型以及得出的模型的邊長，利用歐拉四面體公式以及解三角形的方法計算出模型的高;S33、利用卡爾曼數據分析算法以及主成分數據分析方法，對所計算出的高度進行分析，確定該測量系統的參數，并最終得出當前目標當前的高度。6.—種多人協作式樓層定位系統，其特征在于，包括:目標定位單元以及配備裝置單元，用于采集定位人員實時所處的環境數據并返回給服務器；服務器單元，用于處理回饋過來的數據并負責將結果展示出來。7.根據權利要求6所述的多人協作式樓層定位系統，其特征在于，所述的目標定位單元以及配備裝置單元包括:慣性傳感器模塊:主要通過收集目標定位單元的速度和加速度，以用來測量其相對于地面的垂直高度；危險報警模塊:用于危險情況的手動或自動報警；電磁波收發模塊:用來跟服務器通訊和跟協助單元通訊;救援模塊:用于提供救援信息。8.根據權利要求6所述的多人協作式樓層定位系統，其特征在于:所述的服務器單元包括:通訊模塊:收發無線電信號，包括接收定位裝置發送過來的目標定位單元樓層信息文件，以及發送指令給定位裝置;數據處理模塊:服務器收到定位裝置發送過來的文件以后，得到兩個信息:(I)目標定位單元相對于地面的垂直距離hi; (2)目標定位單元相對于協助單元的相對垂直距離hO;服務器還存儲了該目標定位單元的上一周期所得到的相對于地面的垂直高度h2，以及協助單元相對于地面的垂直高度h3;服務器根據這四個值，進行主成分分析，得到目標定位單元當前相對于地面的高度h;時鐘同步與控制模塊:用來控制目標定位單元佩戴裝置與協助單元通訊時的具體發送電磁波信號的時間片，以及確定樓層定位的周期;應用程序顯示模塊:數據處理模塊計算出當前目標定位單元的高度以后，該模塊將結果顯示到用戶界面，指揮人員觀察現場目標定位單元的所在樓層位置。
【文檔編號】G01C21/16GK105938189SQ201610175217
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】伍楷舜, 王璐, 羅文杰
【申請人】深圳大學