因此應急人員定位仍然是現今最複雜的定位應用。雖然沒有可以實現預期目標的靈丹妙藥式傳感器，但必需有多個技術節點，每個節點都具有前沿性能。此外，它涉及大規模傳感器融合和係統集成方法。 

 

高性價比、高性能MEMS慣性傳感器現可為潛在的解決方案提供種子。本文提出一個完整的傳感器到雲傳感器融合係統設想


，包括高度複雜的算法。 下麵表1描述了主要方法和實現技術。

 

表1. 契合關鍵目標的完整係統方法

 

係統開發人員所麵對的主要挑戰可總結為以下三大類：程序、環huan境jing和he傳chuan感gan器qi融rong合he。在zai設she計ji多duo傳chuan感gan器qi解jie決jue方fang案an的de過guo程cheng中zhong
，對dui於yu急ji救jiu任ren務wu的de高gao度du複fu雜za性xing以yi及ji各ge種zhong極ji端duan環huan境jing帶dai來lai的de挑tiao戰zhan，必bi須xu要yao有you全quan麵mian的de了le解jie。

 

程序

 

火(huo)災(zai)搜(sou)救(jiu)任(ren)務(wu)必(bi)須(xu)嚴(yan)格(ge)按(an)照(zhao)救(jiu)援(yuan)程(cheng)序(xu)執(zhi)行(xing)，同(tong)時(shi)必(bi)須(xu)適(shi)應(ying)完(wan)全(quan)不(bu)確(que)定(ding)的(de)現(xian)實(shi)生(sheng)活(huo)場(chang)景(jing)。可(ke)部(bu)署(shu)的(de)精(jing)確(que)定(ding)位(wei)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)在(zai)最(zui)大(da)限(xian)度(du)內(nei)適(shi)應(ying)現(xian)有(you)的(de)流(liu)程(cheng)和(he)設(she)備(bei)。這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)無(wu)需(xu)任(ren)何(he)固(gu)定(ding)或(huo)臨(lin)時(shi)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)即(ji)可(ke)操(cao)作(zuo)，因(yin)為(wei)急(ji)救(jiu)人(ren)員(yuan)通(tong)常(chang)已(yi)背(bei)負(fu)重(zhong)要(yao)設(she)備(bei)（重量和成本）。renhexitongkaifadouyingzuncongshixianxiaoxingqianrushishebeidezaoqijieduanmubiaoqiedanweijijiurenyuanchengbenyuzhinengshoujixiangsi。youbiyaozhichu，muqianzhinengshoujidedingweixingnengyanzhongbuzu，yincimianlinzhetiaozhan。tu1概述了理想係統最相關的主要和次要運行要求。

 

圖1. 關鍵作業要求定義急救人員產品設計問題。

 

環境

 

雖然GPS覆蓋使得室外定位無處不在，但並不支持完全室內或混合（室內/挑戰室外）環境。一些室內定位環境（例如購物中心）可以通過安裝基礎設施實現 — 但是
，這些既不精確也不切合急救作業的實際目標。對於追蹤係統設計人員
，必須考慮以下因素來確定設計、組件選擇和降低風險的方法：

 

● RF 傳播路徑。

● 傳感器溫度/衝擊影響。

● 基礎設施損壞/改變的可能性。

 

傳感器融合

 

先(xian)前(qian)提(ti)到(dao)的(de)過(guo)程(cheng)和(he)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)問(wen)題(ti)核(he)心(xin)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)的(de)基(ji)礎(chu)。相(xiang)關(guan)的(de)主(zhu)要(yao)傳(chuan)感(gan)模(mo)式(shi)用(yong)於(yu)在(zai)關(guan)鍵(jian)操(cao)作(zuo)模(mo)式(shi)中(zhong)提(ti)供(gong)高(gao)性(xing)能(neng)，同(tong)時(shi)互(hu)補(bu)傳(chuan)感(gan)器(qi)則(ze)掃(sao)除(chu)每(mei)個(ge)應(ying)用(yong)階(jie)段(duan)的(de)關(guan)鍵(jian)障(zhang)礙(ai)，如(ru)表(biao)2所示。

 

表2. 候選傳感器的優勢和不足

 

由於MEMS無wu需xu外wai部bu基ji礎chu設she施shi，並bing能neng在zai動dong態tai環huan境jing下xia提ti供gong精jing密mi檢jian測ce

，因yin此ci如ru果guo能neng在zai極ji端duan環huan境jing中zhong工gong作zuo以yi及ji如ru果guo與yu合he適shi的de次ci級ji傳chuan感gan器qi配pei合he使shi用yong

，它ta將jiang在zai總zong體ti解jie決jue方fang案an中zhong發fa揮hui主zhu要yao作zuo用yong。 

 

MEMS進展

 

消費類慣性MEMS設備已迅速轉向商品化（比較注重性能規格），軍用MEMS價格仍然異常高昂，工業和汽車業MEMS（參見圖2）目標是同時保證性能和成本水平。

 

圖2. 即使在極端運動動力學條件下
，工業MEMS設備也能夠降低噪聲和穩定運行。

 

yuxiaofeileilingyuxiangbi
，gongyeheqichelingyuxuyaozaixiangduifuzahejiduandehuanjingzhongjingquejiance，gongyingshangjichengdejiagoutexingzhuanmenzhenduihuiyingxiangxingnengdeyinsu，liru
，lizhouyundong
、zhendonghechongjishijian，yijishijianhewenduyinqidewucha。suiranzhexieshejitexingwangwangzuirongyitongguogengdadechuanganqihuogengangguidechuliguochenglaishiying
，qicheyeheyuelaiyuezhongyaodegongyeshichangdejingjiyali，poshicaiyonggengguanjiandefangfashejixingneng，bingshixianchengbenxiaoyi。

 

最終專門針對工業應用開發出具有高性價比的MEMS組件，如表3所示

，對三個主要類別組件的傳送距離相關誤差百分比進行了對比。工業級MEMS可提供與高端軍事設備一樣優質的導航能力

，同時與商品化消費MEMS組件有合理的價格差。

 

表3. MEMS導航性能級別與傳送距離誤差百分比

 

這種優勢的原因需要仔細觀察與目標應用相關的MEMS組件的關鍵規格。對於急救作業目標，MEMS傳感器的一個關鍵任務是識別當前的運動類型並測量步數和步幅。不同於行人運動模型，急救人員運動將更加隨機、動態和難以識別。此外
，由於存在精度目標，傳感器必須能夠抑製錯誤運動，例如震動
、衝擊以及腳或身體左右搖晃/搖擺。

 

急救人員模型並非對於行人模型可能足夠的傳感器噪聲簡單精度分析，它還必須包括關鍵規格，例如線性g抑製和跨軸靈敏度。圖4對工業和低端MEMS設備的三個重要RSS誤差規格進行了比較。很容易看出
，噪聲並非不利因素，而很多低端設備未指定的線性g和跨軸性能卻是主要的問題。

 

表4. 工業和低端MEMS的RSS誤差比較
，表明噪聲不是性能影響因素

 

假設條件：50 Hz BW
，2 g rms震動，100º/sec離軸旋轉。

 

雖然隻是短短幾年前，高性能慣性傳感器僅能通過光纖等方法來實現
，現在工業MEMS工藝已明確證明它們完全可以勝任，關鍵導航指標比較見以下表5。

 

表5. 高性價比工業MEMS與傳統光纖陀螺儀關鍵導航指標的比較

 

工業MEMS IMU示例為ADIS16488A，如圖2所示，其中包含10自由度高性能傳感，並適合最苛刻的應用，商業航空電子設備（如表6所示），證明了其對於急救極端應用已做好準備。

 

 

表6. ADIS16488A MEMS IMU；高性價比和成熟的高性能及可靠性

 

慣性MEMS性(xing)能(neng)的(de)進(jin)步(bu)和(he)持(chi)續(xu)驗(yan)證(zheng)的(de)質(zhi)量(liang)與(yu)耐(nai)用(yong)性(xing)，現(xian)正(zheng)與(yu)集(ji)成(cheng)方(fang)麵(mian)的(de)重(zhong)大(da)進(jin)步(bu)相(xiang)結(jie)合(he)。最(zui)後(hou)一(yi)個(ge)障(zhang)礙(ai)特(te)別(bie)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)
，因(yin)為(wei)如(ru)果(guo)不(bu)精(jing)心(xin)管(guan)理(li)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)尺(chi)寸(cun)與(yu)性(xing)能(neng)和(he)耐(nai)用(yong)性(xing)成(cheng)反(fan)比(bi)。具(ju)有(you)高(gao)度(du)戰(zhan)略(lve)性(xing)、協調性和挑戰性的一係列工藝進步必須通過測試和合並來滿足該應用所需的性能密度水平，如圖3所示。

 

圖3. 工業MEMS IMU具有先進的性能、尺寸、成本和集成度（不受影響），僅支持急救等重要應用。

 

傳感器權重

 

針對給定的應用選擇適當的傳感器時，應先進行深入分析，了解其在總體任務的不同階段中的權重（相關性）。對於行人航位推算，解決方案主要取決於可用的設備（如智能手機中的嵌入式傳感器）
，而不是通過性能設計。因此
，會嚴重依賴GPS，與yu其qi他ta可ke用yong的de傳chuan感gan器qi，例li如ru嵌qian入ru慣guan性xing和he磁ci性xing，僅jin為wei確que定ding有you用yong的de位wei置zhi信xin息xi發fa揮hui一yi小xiao部bu分fen作zuo用yong。它ta在zai外wai部bu工gong作zuo正zheng常chang，但dan在zai具ju有you挑tiao戰zhan性xing的de城cheng市shi環huan境jing或huo室shi內nei
，GPS不bu可ke用yong
，其qi他ta可ke用yong傳chuan感gan器qi的de質zhi量liang很hen差cha，存cun在zai較jiao大da差cha距ju

，換huan言yan之zhi，位wei置zhi信xin息xi的de質zhi量liang具ju有you不bu確que定ding性xing。盡jin管guan先xian進jin的de濾lv波bo器qi和he算suan法fa通tong常chang用yong來lai合he並bing這zhe些xie傳chuan感gan器qi，無wu需xu任ren何he額e外wai傳chuan感gan器qi或huo質zhi量liang更geng好hao的de傳chuan感gan器qi
，軟ruan件jian對dui於yu彌mi補bu不bu確que定ding性xing差cha距ju的de作zuo用yong不bu大da，最zui終zhong隻zhi是shi大da大da降jiang低di了le報bao告gao位wei置zhi的de信xin心xin。圖tu4中為概念性說明。

 

圖4. 基於智能手機的行人導航主要依賴於GPS，以非優化預嵌入傳感器輔助，在運動檢測的高置信度或可靠的覆蓋範圍方麵存在僅憑算法無法修複的較大差距。

 

相xiang比bi之zhi下xia
，工gong業ye航hang位wei推tui算suan方fang案an，例li如ru急ji救jiu作zuo業ye，針zhen對dui係xi統tong定ding義yi性xing能neng和he根gen據ju具ju體ti精jing度du要yao求qiu選xuan擇ze組zu件jian而er設she計ji。更geng佳jia質zhi量liang的de慣guan性xing傳chuan感gan器qi允yun許xu其qi發fa揮hui主zhu要yao作zuo用yong
，適shi當dang利li用yong其qi他ta傳chuan感gan器qi來lai縮suo小xiao不bu確que定ding性xing差cha距ju。比bi起qi推tui算suan/估算可靠的傳感器讀數間的位置，算法在概念上更關注最佳權重
、切換和傳感器互相關，以及對於環境和實時運動動力學的認識（參見圖5）。

 

圖5. 傳感器專門針對全麵覆蓋急救任務範圍進行選擇，係統的精度和可靠性大大提高。

 

jingduzaiyishangrenheyizhongqingkuangxiadoukeyitongguogaishanzhiliangdechuanganqilaitigao，suiranchuanganlvbohesuanfashijiejuefangandezhongyaoyibufen，dantamenbenshenbingbunengxiaochushouxianzhiliangchuanganqifugaifanweidechaju。 

 

精確定位和映射(PLM)係統

 

在具體的急救人員追蹤案例中，任務被劃分為以下幾個階段
，以便更好地評估傳感器處理要求：抵達現場

、部署、進入建築內部並援—— 表7.設想消防車配備了高端GPS/INS係(xi)統(tong)，能(neng)夠(gou)確(que)定(ding)到(dao)達(da)現(xian)場(chang)車(che)輛(liang)的(de)位(wei)置(zhi)，作(zuo)為(wei)已(yi)知(zhi)的(de)參(can)考(kao)點(dian)。從(cong)這(zhe)一(yi)點(dian)直(zhi)到(dao)消(xiao)防(fang)員(yuan)進(jin)入(ru)建(jian)築(zhu)前(qian)
，存(cun)在(zai)不(bu)確(que)定(ding)和(he)隨(sui)機(ji)運(yun)動(dong)序(xu)列(lie)
，其(qi)精(jing)確(que)位(wei)置(zhi)和(he)映(ying)射(she)係(xi)統(tong)依(yi)賴(lai)於(yu)實(shi)施(shi)的(de)超(chao)寬(kuan)頻(pin)範(fan)圍(wei)，才(cai)能(neng)精(jing)確(que)鎖(suo)定(ding)消(xiao)防(fang)員(yuan)位(wei)置(zhi)和(he)方(fang)向(xiang)。進(jin)入(ru)建(jian)築(zhu)結(jie)構(gou)後(hou)，慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)成(cheng)為(wei)主(zhu)要(yao)追(zhui)蹤(zong)傳(chuan)感(gan)器(qi)，目(mu)標(biao)是(shi)提(ti)供(gong)幾(ji)米(mi)的(de)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)。

 

如果需要，可將係統設計為完全依靠慣性傳感器，但也可以利用其他可用和可靠的隨機發射信號，例如UWB範圍信號、cilijixiaozhengheqiyaceliang。ruqiansuoshu，shishidesuanfabujinzhuizongweizhi
，haikeshengchengsousuomoshideshishilujingtu。ruguoxiaofangyuanxialuohuoyuxian
，zuichulujingshengchengdeditujiushiyetongguoguanxingjianceyindaodejiuyuanxiaofangyuandezengbuchuanganqishuru。

 

表7. 急救任務不同階段的傳感器要求

 

雖然高性能傳感器一定是PLM係統的核心，但以下也是實現係統的關鍵因素：

 

● 深入了解傳感器組件，以及其在壓力下的漂移特性/局限性。

● 全麵了解人體運動模型。

● 詳細的應用級別見解和操作模式定義。

 

提供實施傳感器融合處理的定義
、指南和界限（參見圖 6）。處chu理li的de核he心xin是shi粒li子zi濾lv波bo器qi，它ta可ke以yi隨sui時shi間jian推tui移yi追zhui蹤zong多duo個ge可ke能neng的de運yun動dong
，隨sui著zhe濾lv波bo器qi對dui其qi進jin行xing區qu分fen消xiao除chu錯cuo誤wu路lu徑jing。傳chuan感gan器qi自zi身shen分fen布bu於yu消xiao防fang員yuan，以yi實shi現xian最zui佳jia性xing能neng
，無wu線xian體ti感gan網wang以yi及ji加jia固gu型xing回hui程cheng通tong信xin網wang絡luo無wu縫feng連lian接jie消xiao防fang員yuan、救援人員
、指揮與控製
，以及可行且有用的基於雲的地圖和協調係統。 

 

圖6. PLM係統是基於高性能傳感器
、互補傳感器濾波和處理以及雲數據庫和分析的完整傳感器融合解決方案。輸出精確位置和搜索路徑圖。

 

精(jing)確(que)定(ding)位(wei)和(he)映(ying)射(she)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)了(le)無(wu)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)方(fang)法(fa)來(lai)檢(jian)測(ce)位(wei)置(zhi)，利(li)用(yong)高(gao)性(xing)能(neng)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)先(xian)進(jin)的(de)算(suan)法(fa)來(lai)優(you)化(hua)合(he)並(bing)所(suo)有(you)隨(sui)機(ji)發(fa)射(she)信(xin)號(hao)。係(xi)統(tong)目(mu)標(biao)是(shi)達(da)到(dao)米(mi)級(ji)精(jing)度(du)並(bing)生(sheng)成(cheng)實(shi)時(shi)路(lu)徑(jing)圖(tu)。工(gong)業(ye)級(ji)MEMS慣性傳感器技術的進步支持PLM，完整的係統開發方法既可解決技術障礙
，同時還能實現商業指標。 

 

後(hou)續(xu)工(gong)作(zuo)重(zhong)點(dian)是(shi)集(ji)成(cheng)最(zui)新(xin)一(yi)代(dai)傳(chuan)感(gan)器(qi)領(ling)先(xian)優(you)勢(shi)
，並(bing)適(shi)應(ying)急(ji)救(jiu)作(zuo)業(ye)方(fang)案(an)的(de)新(xin)觀(guan)念(nian)。最(zui)終(zhong)集(ji)成(cheng)將(jiang)包(bao)括(kuo)優(you)化(hua)尺(chi)寸(cun)和(he)本(ben)體(ti)位(wei)置(zhi)，以(yi)及(ji)更(geng)完(wan)整(zheng)的(de)所(suo)需(xu)通(tong)信(xin)鏈(lian)路(lu)和(he)最(zui)終(zhong)係(xi)統(tong)資(zi)質(zhi)實(shi)施(shi)方(fang)案(an)。

 

 

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