CN103954284A - 一种用于消防救援现场的惯性测量单元 - Google Patents

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李擎
刘宁
付国栋
刘洪�
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Abstract

一种用于消防救援现场的惯性测量单元，该装置包括：惯性信息感知组件、磁场强度感知组件、温度感知组件、环境感知组件、人机交互组件、报警组件、数据处理组件、数据传输组件和电池。本发明主要应用在消防救援与灾害搜救现场等室内环境受到严重破坏的场合，安装在消防员身上，能够弥补传统呼救器不能实时定位、误报警等缺点；同时又能够弥补传统惯性测量单元不能够进行环境感知、声光报警的缺点，具有结构简单、启动速度快、误报警率低、稳定性强、定位精度高、进行险情预判的优点，特别适用于对消防员进行实时定位、现场环境感知和有效安全保障的消防救援现场。

Description

一种用于消防救援现场的惯性测量单元
技术领域
本发明涉及惯性测量领域，特别是涉及一种用于消防救援现场的惯性测量单元。
背景技术
据统计，目前全世界每年火灾造成的直接经济损失约为地震灾害的五倍，而发生的频率则居各种灾害之首。火灾造成的危害极其严重，它不仅会造成人员伤亡、基础设施损害，还能造成整个城市生产和经济的紊乱，负面影响极大。
近年来，我国在经济建设与社会发展方面取得了巨大成就，城市建设和发展更是突飞猛进。城市规模扩大、城市人口剧增以及大量复杂高层建筑、大型商场、大型物流仓库等建筑大量涌现，使得消防员面临救灾现场环境复杂、人员危险系数高、二次灾难频发等新的突出问题。消防部队承担的各类火灾扑救和抢险救援任务越来越重，灾难救援现场经常出现的轰燃、火焰、热辐射、浓烟、有毒气体、黑暗、建筑物结构复杂等多种复杂环境给消防侦察工作带来极大不便，灾情的复杂性日益增大，灭火救援行动危险性越来越高，消防官兵在灭火救援和业务训练中出现伤亡的情况时有发生，人身安全难以得到保证。究其原因，主要是由于在传统的消防装备条件下，消防官兵进入火灾现场后，难以实时精确跟踪定位，只能通过自身携带呼救器和方位灯遇险报警，后方无法判断消防官兵是否遇到危险以及遇险官兵所处位置，致使不能及时安排救助遇险队员，消防队员生命安全难以保证。同时，后方消防救援指挥专家，不知道火灾现场的实际情况，也很难对消防救援工作给予全面准确的指挥。因此，消防救援工作迫切需求一种能够精准确定消防队员运动状态及现场位置，感知消防员周围环境，并能够进行声光报警的装置。
现有消防装备中的呼救器，具备了报警功能，其工作原理主要是利用加速度计、干簧管等能够检测人体静止与否的手段，检测消防官兵是否晕倒、休克、被砸伤等静止状况，从而判断消防员所遇险情，该装置误报警率高。而传统的惯性测量单元，能够计算载体运行位置，但不具有环境感知和报警功能。本发明提出了一种用于消防救援现场的惯性测量单元，主要应用在消防救援与灾害搜救现场等室内环境受到严重破坏的场合，安装在消防员身上，能够弥补传统呼救器不能实时定位、存在误报警等缺点；同时又能够弥补传统惯性测量单元不能够进行环境感知、声光报警的缺点，具有结构简单、启动速度快、误报警率低、稳定性强、定位精度高、并可险情预判等优点，特别适用于对消防员进行实时定位、现场环境感知和有效安全保障的消防救援现场。
发明内容
本发明的目的是为了弥补传统呼救器不能实时定位、存在误报警等缺点；同时又能够弥补传统惯性测量单元不能够进行环境感知、声光报警的缺点，设计一种用于消防救援现场的惯性测量单元，其具有结构简单、启动速度快、误报警率低、稳定性强、定位精度高、进行险情预判的优点，特别适用于对消防员进行实时定位、现场环境感知和有效安全保障的消防救援现场。该装置能够进行消防员运动特征感知和实时定位，同时还能对消防员所处环境进行分析，并在消防员发生危险时进行有效报警。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于消防救援现场的惯性测量单元，包括惯性信息感知组件、磁场强度感知组件、温度感知组件、环境感知组件、人机交互组件、报警组件、数据处理组件、数据传输组件和电池。
进一步的，所述惯性信息感知组件包括：x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)、x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)；其中，x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)构成了惯性测量单元的陀螺仪分***(1-3)；x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)构成了惯性测量单元的加速度计分***(1-7)。
所述磁场强度感知组件包括：x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)，同时这三个传感器也组成了惯性测量单元的磁强计分***(1-11)。
所述温度感知组件包括：温度传感器1(1-13)和温度传感器2(1-15)，这两个传感器组成了惯性测量单元的温度感应分***(1-14)。
所述环境感知组件包括：烟雾传感器(1-60)、压强传感器(1-63)、有害气体传感器(1-64)和语音传感器(1-65)。
所述人机交互组件包括：工作指示灯(1-23)、显示终端(1-32)、按键1(1-33)和按键2(1-35)。
所述报警组件包括：报警喇叭(1-36)和报警指示灯(1-27)。
所述数据处理组件包括：信息融合处理器(1-45)、移动存储器(1-40)、电源管理器(1-46)和看门狗电路(1-48)。
进一步的，x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)负责感知消防员的自身角运动；x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)负责感知消防员的自身线运动；x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)负责感知消防员的磁场环境；温度传感器1(1-13)负责感知消防员周围环境温度；温度传感器2(1-15)负责感知惯性测量单元传感器工作环境温度；烟雾传感器(1-60)负责感知消防员周围环境烟雾信息；压强传感器(1-63)负责感知消防员周围环境压强信息；有害气体传感器(1-64)负责感知消防员周围环境有害气体信息；语音传感器(1-65)负责感知消防员周围声音信息；数据传输模块(1-50)可将消防员周围环境信息、惯性位置信息、状态信息等通过无线传输方式，发送到后方指控平台；看门狗电路模块(1-48)负责***的稳定运行；电源管理器(1-46)负责***的电源管理，用来提高***工作时间；移动存储器(1-40)负责进行线上信息存储，能够记录1小时的惯性测量单元测量信息，用于进行事后分析；报警指示灯(1-27)、报警喇叭(1-36)负责消防员的危险报警；显示终端(1-32)、工作指示灯(1-23)、按键1(1-33)、按键2(1-35)负责惯性测量单元的人机交互。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供的一种用于消防救援现场的惯性测量单元，利用模块化设计思路，简化了传统惯性测量单元结构，设计出的惯性测量单元具有结构简单、启动速度快。
2)本发明利用惯性信息感知组件、磁场强度感知组件、温度感知组件、环境感知组件，综合判断消防员所处环境和状况，误报警率低、稳定性强。
3)本发明利用惯性信息感知组件、磁场强度感知组件，对消防员进行有效定位，综合消防员自身的运动特征，具有定位精度高的特点。
4)本发明综合各组件信息，能够有效分析消防员的环境、运行位置，能够有效进行消防员险情预判。
附图说明
图1为一种用于消防救援现场的惯性测量单元***框图。
具体实施方式
根据图1，描述本发明的一种具体实施方式。一种用于消防救援现场的惯性测量单元，包括惯性信息感知组件、磁场强度感知组件、温度感知组件、环境感知组件、人机交互组件、报警组件、数据处理组件、数据传输组件和电池。
其中，惯性信息感知组件包括：x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)、x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)。其中，x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)构成了惯性测量单元的陀螺仪分***(1-3)；x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)构成了惯性测量单元的加速度计分***(1-7)。磁场强度感知组件包括：x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)，同时这三个传感器也组成了惯性测量单元的磁强计分***(1-11)。温度感知组件包括：温度传感器1(1-13)和温度传感器2(1-15)，这两个传感器组成了惯性测量单元的温度感应分***(1-14)。环境感知组件包括：烟雾传感器(1-60)、压强传感器(1-63)、有害气体传感器(1-64)和语音传感器(1-65)。人机交互组件包括：工作指示灯(1-23)、显示终端(1-32)、按键1(1-33)和按键2(1-35)。报警组件包括：报警喇叭(1-36)和报警指示灯(1-27)。数据处理组件包括：信息融合处理器(1-45)、移动存储器(1-40)、电源管理器(1-46)和看门狗电路(1-48)。
x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)输出的陀螺仪分***信号(1-16)为模拟量信号，通过陀螺信号处理模块(1-17)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应陀螺模拟信号(1-43)。x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)输出的加速度计分***信号(1-18)为模拟量信号，通过加速度计信号处理模块(1-19)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应加速度计模拟信号(1-44)。x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)输出的磁强计分***信号(1-20)为模拟量信号，通过磁强计信号处理模块(1-21)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应磁强计模拟信号(1-57)。温度传感器1(1-13)和温度传感器2(1-15)输出的温度感应分***信号(1-22)为模拟量信号，通过温度信号处理模块(1-56)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应温度传感器模拟信号(1-58)。
模数转换器(1-66)综合陀螺模拟信号(1-43)、加速度计模拟信号(1-44)、磁强计模拟信号(1-57)和温度传感器模拟信号(1-58)，通过数字接口1(1-47)传输至信息融合处理器(1-45)。烟雾传感器(1-60)通过数字接口2(1-52)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；压强传感器(1-63)通过数字接口3(1-59)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；有害气体传感器(1-64)通过数字接口4(1-53)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；语音传感器(1-65)通过数字接口5(1-54)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；信息传输模块(1-50)通过数字接口7(1-51)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；看门狗电路模块(1-48)通过数字接口8(1-49)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；电源管理器(1-46)通过数字接口9(1-55)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；移动存储器(1-40)通过数字接口10(1-42)与信息融合处理器(1-40)进行数据交互。
信息融合处理器(1-45)通过数字接口11(1-26)与工作指示灯功放(1-25)相连，工作指示灯功放(1-25)接收到命令后，驱动工作指示灯信号(1-24)控制工作指示灯(1-23)工作；信息融合处理器(1-45)通过数字接口12(1-31)与显示终端(1-32)相连；按键1(1-33)与信息融合处理器(1-45)的数字接口13(1-34)相连；按键2(1-35)信息融合处理器(1-45)的数字接口14(1-37)相连。
信息融合处理器(1-45)通过数字接口15(1-30)与报警指示灯功放(1-28)相连，报警指示灯功放(1-28)接收到命令后，驱动报警指示灯信号(1-29)控制报警指示灯(1-27)工作；信息融合处理器(1-45)通过数字接口16(1-41)与报警喇叭功放(1-39)相连，报警喇叭功放(1-39)接收到命令后，驱动报警喇叭信号(1-38)控制报警喇叭(1-36)工作。
电池(1-62)通过多种电平调节(1-61)，与***各组件相连，为***各组件提供电源。
x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)负责感知消防员的自身角运动；x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)负责感知消防员的自身线运动；x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)负责感知消防员的磁场环境；温度传感器1(1-13)负责感知消防员周围环境温度；温度传感器2(1-15)负责感知惯性测量单元传感器工作环境温度；烟雾传感器(1-60)负责感知消防员周围环境烟雾信息；压强传感器(1-63)负责感知消防员周围环境压强信息；有害气体传感器(1-64)负责感知消防员周围环境有害气体信息；语音传感器(1-65)负责感知消防员周围声音信息；数据传输模块(1-50)可将消防员周围环境信息、惯性位置信息、状态信息等通过无线传输方式，发送到后方指控平台；看门狗电路模块(1-48)负责***的稳定运行；电源管理器(1-46)负责***的电源管理，用来提高***工作时间；移动存储器(1-40)负责进行线上信息存储，能够记录1小时的惯性测量单元测量信息，用于进行事后分析；报警指示灯(1-27)、报警喇叭(1-36)负责消防员的危险报警；显示终端(1-32)、工作指示灯(1-23)、按键1(1-33)、按键2(1-35)负责惯性测量单元的人机交互。
本发明主要应用在消防救援与灾害搜救现场等室内环境受到严重破坏的场合，安装在消防员身上，能够弥补传统呼救器不能实时定位、误报警等缺点；同时又能够弥补传统惯性测量单元不能够进行环境感知、声光报警的缺点，具有结构简单、启动速度快、误报警率低、稳定性强、定位精度高、进行险情预判的优点，特别适用于对消防员进行实时定位、现场环境感知和有效安全保障的消防救援现场。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于消防救援现场的惯性测量单元，其特征在于：该惯性测量单元包括惯性信息感知组件、磁场强度感知组件、温度感知组件、环境感知组件、人机交互组件、报警组件、数据处理组件、数据传输组件和电池。
2.根据权利要求1所述的一种用于消防救援现场的惯性测量单元，其特征在于：所述惯性信息感知组件包括：x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)、x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)；其中，x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)构成了惯性测量单元的陀螺仪分***(1-3)；x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)构成了惯性测量单元的加速度计分***(1-7)；所述磁场强度感知组件包括：x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)，同时这三个传感器也组成了惯性测量单元的磁强计分***(1-11)；所述温度感知组件包括：温度传感器1(1-13)和温度传感器2(1-15)，这两个传感器组成了惯性测量单元的温度感应分***(1-14)；所述环境感知组件包括：烟雾传感器(1-60)、压强传感器(1-63)、有害气体传感器(1-64)和语音传感器(1-65)；所述人机交互组件包括：工作指示灯(1-23)、显示终端(1-32)、按键1(1-33)和按键2(1-35)；所述报警组件包括：报警喇叭(1-36)和报警指示灯(1-27)；所述数据处理组件包括：信息融合处理器(1-45)、移动存储器(1-40)、电源管理器(1-46)和看门狗电路(1-48)。
3.根据权利要求2所述的一种用于消防救援现场的惯性测量单元，其特征在于：x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)输出的陀螺仪分***信号(1-16)为模拟量信号，通过陀螺信号处理模块(1-17)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应陀螺模拟信号(1-43)；x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)输出的加速度计分***信号(1-18)为模拟量信号，通过加速度计信号处理模块(1-19)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应加速度计模拟信号(1-44)；x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)输出的磁强计分***信号(1-20)为模拟量信号，通过磁强计信号处理模块(1-21)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应磁强计模拟信号(1-57)；温度传感器1(1-13)和温度传感器2(1-15)输出的温度感应分***信号(1-22)为模拟量信号，通过温度信号处理模块(1-56)，将其调整为能够直接输入模数转换器(1-66)的对应温度传感器模拟信号(1-58)。
4.根据权利要求2所述的一种用于消防救援现场的惯性测量单元，其特征在于：模数转换器(1-66)综合陀螺模拟信号(1-43)、加速度计模拟信号(1-44)、磁强计模拟信号(1-57)和温度传感器模拟信号(1-58)，通过数字接口1(1-47)传输至信息融合处理器(1-45)；烟雾传感器(1-60)通过数字接口2(1-52)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；压强传感器(1-63)通过数字接口3(1-59)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；有害气体传感器(1-64)通过数字接口4(1-53)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；语音传感器(1-65)通过数字接口5(1-54)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；信息传输模块(1-50)通过数字接口7(1-51)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；看门狗电路模块(1-48)通过数字接口8(1-49)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；电源管理器(1-46)通过数字接口9(1-55)与信息融合处理器(1-45)进行数据交互；移动存储器(1-40)通过数字接口10(1-42)与信息融合处理器(1-40)进行数据交互。
5.根据权利要求2所述的一种用于消防救援现场的惯性测量单元，其特征在于：电池(1-62)通过多种电平调节(1-61)，与***各组件相连，为***各组件提供电源。
6.根据权利要求1所述的一种用于消防救援现场的惯性测量单元，其特征在于：x轴陀螺仪(1-1)、y轴陀螺仪(1-2)、z轴陀螺仪(1-4)负责感知消防员的自身角运动；x轴加速度计(1-5)、y轴加速度计(1-6)和z轴加速度计(1-8)负责感知消防员的自身线运动；x轴磁强计(1-9)、y轴磁强计(1-10)、z轴磁强计(1-12)负责感知消防员的磁场环境；温度传感器1(1-13)负责感知消防员周围环境温度；温度传感器2(1-15)负责感知惯性测量单元传感器工作环境温度；烟雾传感器(1-60)负责感知消防员周围环境烟雾信息；压强传感器(1-63)负责感知消防员周围环境压强信息；有害气体传感器(1-64)负责感知消防员周围环境有害气体信息；语音传感器(1-65)负责感知消防员周围声音信息；数据传输模块(1-50)可将消防员周围环境信息、惯性位置信息、状态信息等通过无线传输方式，发送到后方指控平台；看门狗电路模块(1-48)负责***的稳定运行；电源管理器(1-46)负责***的电源管理，用来提高***工作时间；移动存储器(1-40)负责进行线上信息存储，能够记录1小时的惯性测量单元测量信息，用于进行事后分析；报警指示灯(1-27)、报警喇叭(1-36)负责消防员的危险报警；显示终端(1-32)、工作指示灯(1-23)、按键1(1-33)、按键2(1-35)负责惯性测量单元的人机交互。
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