【導(dǎo)讀】急救人員深入精確定位無(wú)GPS信號(hào)的基礎(chǔ)設(shè)施，十年來一直是消防安全和應(yīng)急人員群體難以達(dá)到的目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)就是在十幾分鐘內(nèi)精確定位到幾米以內(nèi)。無(wú)獨(dú)有偶，這些目標(biāo)幾乎與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的引導(dǎo)系統(tǒng)相同，但當(dāng)今的解決方案至少要10000美元，尺寸、重量和功耗高得嚇人，并不可行。同樣的解決方案用于急救作業(yè)領(lǐng)域的早期概念驗(yàn)證演示，但事實(shí)證明實(shí)際部署存在（成本和尺寸）障礙。
因此應(yīng)急人員定位仍然是現(xiàn)今最復(fù)雜的定位應(yīng)用。雖然沒有可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的靈丹妙藥式傳感器，但必需有多個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有前沿性能。此外，它涉及大規(guī)模傳感器融合和系統(tǒng)集成方法。
高性價(jià)比、高性能MEMS慣性傳感器現(xiàn)可為潛在的解決方案提供種子。本文提出一個(gè)完整的傳感器到云傳感器融合系統(tǒng)設(shè)想，包括高度復(fù)雜的算法。 下面表1描述了主要方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
表1. 契合關(guān)鍵目標(biāo)的完整系統(tǒng)方法
系統(tǒng)開發(fā)人員所面對(duì)的主要挑戰(zhàn)可總結(jié)為以下三大類：程序、環(huán)境和傳感器融合。在設(shè)計(jì)多傳感器解決方案的過程中，對(duì)于急救任務(wù)的高度復(fù)雜性以及各種極端環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，必須要有全面的了解。
程序
火災(zāi)搜救任務(wù)必須嚴(yán)格按照救援程序執(zhí)行，同時(shí)必須適應(yīng)完全不確定的現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景。可部署的精確定位系統(tǒng)必須在最大限度內(nèi)適應(yīng)現(xiàn)有的流程和設(shè)備。這就要求無(wú)需任何固定或臨時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施即可操作，因?yàn)榧本热藛T通常已背負(fù)重要設(shè)備（重量和成本）。任何系統(tǒng)開發(fā)都應(yīng)遵從實(shí)現(xiàn)小型嵌入式設(shè)備的早期階段目標(biāo)且單位急救人員成本與智能手機(jī)相似。有必要指出，目前智能手機(jī)的定位性能嚴(yán)重不足，因此面臨著挑戰(zhàn)。圖1概述了理想系統(tǒng)最相關(guān)的主要和次要運(yùn)行要求。
圖1. 關(guān)鍵作業(yè)要求定義急救人員產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。
環(huán)境
雖然GPS覆蓋使得室外定位無(wú)處不在，但并不支持完全室內(nèi)或混合（室內(nèi)/挑戰(zhàn)室外）環(huán)境。一些室內(nèi)定位環(huán)境（例如購(gòu)物中心）可以通過安裝基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn) — 但是，這些既不精確也不切合急救作業(yè)的實(shí)際目標(biāo)。對(duì)于追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，必須考慮以下因素來確定設(shè)計(jì)、組件選擇和降低風(fēng)險(xiǎn)的方法：
● RF 傳播路徑。
● 傳感器溫度/沖擊影響。
● 基礎(chǔ)設(shè)施損壞/改變的可能性。
傳感器融合
先前提到的過程和環(huán)境中的挑戰(zhàn)是傳感器融合問題核心設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。相關(guān)的主要傳感模式用于在關(guān)鍵操作模式中提供高性能，同時(shí)互補(bǔ)傳感器則掃除每個(gè)應(yīng)用階段的關(guān)鍵障礙，如表2所示。
表2. 候選傳感器的優(yōu)勢(shì)和不足
由于MEMS無(wú)需外部基礎(chǔ)設(shè)施，并能在動(dòng)態(tài)環(huán)境下提供精密檢測(cè)，因此如果能在極端環(huán)境中工作以及如果與合適的次級(jí)傳感器配合使用，它將在總體解決方案中發(fā)揮主要作用。
MEMS進(jìn)展
消費(fèi)類慣性MEMS設(shè)備已迅速轉(zhuǎn)向商品化（比較注重性能規(guī)格），軍用MEMS價(jià)格仍然異常高昂，工業(yè)和汽車業(yè)MEMS（參見圖2）目標(biāo)是同時(shí)保證性能和成本水平。
圖2. 即使在極端運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)條件下，工業(yè)MEMS設(shè)備也能夠降低噪聲和穩(wěn)定運(yùn)行。
與消費(fèi)類領(lǐng)域相比，工業(yè)和汽車領(lǐng)域需要在相對(duì)復(fù)雜和極端的環(huán)境中精確檢測(cè)，供應(yīng)商集成的架構(gòu)特性專門針對(duì)會(huì)影響性能的因素，例如，離軸運(yùn)動(dòng)、震動(dòng)和沖擊事件，以及時(shí)間和溫度引起的誤差。雖然這些設(shè)計(jì)特性往往最容易通過更大的傳感器或更昂貴的處理過程來適應(yīng)，汽車業(yè)和越來越重要的工業(yè)市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)壓力，迫使采用更關(guān)鍵的方法設(shè)計(jì)性能，并實(shí)現(xiàn)成本效益。
最終專門針對(duì)工業(yè)應(yīng)用開發(fā)出具有高性價(jià)比的MEMS組件，如表3所示，對(duì)三個(gè)主要類別組件的傳送距離相關(guān)誤差百分比進(jìn)行了對(duì)比。工業(yè)級(jí)MEMS可提供與高端軍事設(shè)備一樣優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航能力，同時(shí)與商品化消費(fèi)MEMS組件有合理的價(jià)格差。
表3. MEMS導(dǎo)航性能級(jí)別與傳送距離誤差百分比
這種優(yōu)勢(shì)的原因需要仔細(xì)觀察與目標(biāo)應(yīng)用相關(guān)的MEMS組件的關(guān)鍵規(guī)格。對(duì)于急救作業(yè)目標(biāo)，MEMS傳感器的一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是識(shí)別當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)類型并測(cè)量步數(shù)和步幅。不同于行人運(yùn)動(dòng)模型，急救人員運(yùn)動(dòng)將更加隨機(jī)、動(dòng)態(tài)和難以識(shí)別。此外，由于存在精度目標(biāo)，傳感器必須能夠抑制錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)，例如震動(dòng)、沖擊以及腳或身體左右搖晃/搖擺。
急救人員模型并非對(duì)于行人模型可能足夠的傳感器噪聲簡(jiǎn)單精度分析，它還必須包括關(guān)鍵規(guī)格，例如線性g抑制和跨軸靈敏度。圖4對(duì)工業(yè)和低端MEMS設(shè)備的三個(gè)重要RSS誤差規(guī)格進(jìn)行了比較。很容易看出，噪聲并非不利因素，而很多低端設(shè)備未指定的線性g和跨軸性能卻是主要的問題。
表4. 工業(yè)和低端MEMS的RSS誤差比較，表明噪聲不是性能影響因素
假設(shè)條件：50 Hz BW，2 g rms震動(dòng)，100º/sec離軸旋轉(zhuǎn)。
雖然只是短短幾年前，高性能慣性傳感器僅能通過光纖等方法來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在工業(yè)MEMS工藝已明確證明它們完全可以勝任，關(guān)鍵導(dǎo)航指標(biāo)比較見以下表5。
表5. 高性價(jià)比工業(yè)MEMS與傳統(tǒng)光纖陀螺儀關(guān)鍵導(dǎo)航指標(biāo)的比較
工業(yè)MEMS IMU示例為ADIS16488A，如圖2所示，其中包含10自由度高性能傳感，并適合最苛刻的應(yīng)用，商業(yè)航空電子設(shè)備（如表6所示），證明了其對(duì)于急救極端應(yīng)用已做好準(zhǔn)備。
表6. ADIS16488A MEMS IMU；高性價(jià)比和成熟的高性能及可靠性
慣性MEMS性能的進(jìn)步和持續(xù)驗(yàn)證的質(zhì)量與耐用性，現(xiàn)正與集成方面的重大進(jìn)步相結(jié)合。最后一個(gè)障礙特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿绻痪墓芾恚瑐鞲衅鞒叽缗c性能和耐用性成反比。具有高度戰(zhàn)略性、協(xié)調(diào)性和挑戰(zhàn)性的一系列工藝進(jìn)步必須通過測(cè)試和合并來滿足該應(yīng)用所需的性能密度水平，如圖3所示。
圖3. 工業(yè)MEMS IMU具有先進(jìn)的性能、尺寸、成本和集成度（不受影響），僅支持急救等重要應(yīng)用。
傳感器權(quán)重
針對(duì)給定的應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲿r(shí)，應(yīng)先進(jìn)行深入分析，了解其在總體任務(wù)的不同階段中的權(quán)重（相關(guān)性）。對(duì)于行人航位推算，解決方案主要取決于可用的設(shè)備（如智能手機(jī)中的嵌入式傳感器），而不是通過性能設(shè)計(jì)。因此，會(huì)嚴(yán)重依賴GPS，與其他可用的傳感器，例如嵌入慣性和磁性，僅為確定有用的位置信息發(fā)揮一小部分作用。它在外部工作正常，但在具有挑戰(zhàn)性的城市環(huán)境或室內(nèi)，GPS不可用，其他可用傳感器的質(zhì)量很差，存在較大差距，換言之，位置信息的質(zhì)量具有不確定性。盡管先進(jìn)的濾波器和算法通常用來合并這些傳感器，無(wú)需任何額外傳感器或質(zhì)量更好的傳感器，軟件對(duì)于彌補(bǔ)不確定性差距的作用不大，最終只是大大降低了報(bào)告位置的信心。圖4中為概念性說明。
圖4. 基于智能手機(jī)的行人導(dǎo)航主要依賴于GPS，以非優(yōu)化預(yù)嵌入傳感器輔助，在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的高置信度或可靠的覆蓋范圍方面存在僅憑算法無(wú)法修復(fù)的較大差距。
相比之下，工業(yè)航位推算方案，例如急救作業(yè)，針對(duì)系統(tǒng)定義性能和根據(jù)具體精度要求選擇組件而設(shè)計(jì)。更佳質(zhì)量的慣性傳感器允許其發(fā)揮主要作用，適當(dāng)利用其他傳感器來縮小不確定性差距。比起推算/估算可靠的傳感器讀數(shù)間的位置，算法在概念上更關(guān)注最佳權(quán)重、切換和傳感器互相關(guān)，以及對(duì)于環(huán)境和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)（參見圖5）。
圖5. 傳感器專門針對(duì)全面覆蓋急救任務(wù)范圍進(jìn)行選擇，系統(tǒng)的精度和可靠性大大提高。
精度在以上任何一種情況下都可以通過改善質(zhì)量的傳感器來提高，雖然傳感濾波和算法是解決方案的重要一部分，但它們本身并不能消除受限質(zhì)量傳感器覆蓋范圍的差距。
精確定位和映射(PLM)系統(tǒng)
在具體的急救人員追蹤案例中，任務(wù)被劃分為以下幾個(gè)階段，以便更好地評(píng)估傳感器處理要求：抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)、部署、進(jìn)入建筑內(nèi)部并援—— 表7.設(shè)想消防車配備了高端GPS/INS系統(tǒng)，能夠確定到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)車輛的位置，作為已知的參考點(diǎn)。從這一點(diǎn)直到消防員進(jìn)入建筑前，存在不確定和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)序列，其精確位置和映射系統(tǒng)依賴于實(shí)施的超寬頻范圍，才能精確鎖定消防員位置和方向。進(jìn)入建筑結(jié)構(gòu)后，慣性傳感器成為主要追蹤傳感器，目標(biāo)是提供幾米的定位精度。
如果需要，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)發(fā)射信號(hào)，例如UWB范圍信號(hào)、磁力計(jì)校正和氣壓測(cè)量。如前所述，實(shí)施的算法不僅追蹤位置，還可生成搜索模式的實(shí)時(shí)路徑圖。如果消防員下落或遇險(xiǎn)，最初路徑生成的地圖就是也通過慣性檢測(cè)引導(dǎo)的救援消防員的增補(bǔ)傳感器輸入。
表7. 急救任務(wù)不同階段的傳感器要求
雖然高性能傳感器一定是PLM系統(tǒng)的核心，但以下也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)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。
● 全面了解人體運(yùn)動(dòng)模型。
● 詳細(xì)的應(yīng)用級(jí)別見解和操作模式定義。
提供實(shí)施傳感器融合處理的定義、指南和界限（參見圖 6）。處理的核心是粒子濾波器，它可以隨時(shí)間推移追蹤多個(gè)可能的運(yùn)動(dòng)，隨著濾波器對(duì)其進(jìn)行區(qū)分消除錯(cuò)誤路徑。傳感器自身分布于消防員，以實(shí)現(xiàn)最佳性能，無(wú)線體感網(wǎng)以及加固型回程通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接消防員、救援人員、指揮與控制，以及可行且有用的基于云的地圖和協(xié)調(diào)系統(tǒng)。
圖6. PLM系統(tǒng)是基于高性能傳感器、互補(bǔ)傳感器濾波和處理以及云數(shù)據(jù)庫(kù)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。
精確定位和映射系統(tǒng)提供了無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施方法來檢測(cè)位置，利用高性能傳感器和先進(jìn)的算法來優(yōu)化合并所有隨機(jī)發(fā)射信號(hào)。系統(tǒng)目標(biāo)是達(dá)到米級(jí)精度并生成實(shí)時(shí)路徑圖。工業(yè)級(jí)MEMS慣性傳感器技術(shù)的進(jìn)步支持PLM，完整的系統(tǒng)開發(fā)方法既可解決技術(shù)障礙，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)商業(yè)指標(biāo)。
后續(xù)工作重點(diǎn)是集成最新一代傳感器領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，并適應(yīng)急救作業(yè)方案的新觀念。最終集成將包括優(yōu)化尺寸和本體位置，以及更完整的所需通信鏈路和最終系統(tǒng)資質(zhì)實(shí)施方案。
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