封闭空间中基于IMU的便携式应急救援定位技术研究

摘要

在出现如地下渗水、瓦斯爆炸等突发事故的煤矿等地下封闭作业空间，或者在发生了火灾等突发事故的大型室内或地下场所，由于灾害性事故的破坏，电力系统及各种无线或有线设备通常会立即陷于瘫痪状态。在此情况下，应急救援如何高效快速地实施，受困人员如何开展自救工作，都是急需解决的问题。本文以此为应用背景，研究基于惯性测量单元的便携式设备及定位技术。本文的具体研究内容包括： 首先，总结了室内定位与导航研究现状，阐明在应急救援环境中，基于惯性测量单元的惯性定位与导航的优势，并对室内惯性定位与导航关键技术进行了详细的阐述。 接着，仿真了现有步数检测、步长估计算法，分析了步长估计算法的误差特性，并针对该误差特性，提出了改进算法。该算法能获得更高的步长估计精度、降低惯性测量误差、提高定位精度。 然后，根据封闭空间内的巷道/走廊几何约束关系，提出了一种基于减法聚类的巷道/走廊聚类算法。该算法能准确地将惯导数据结构化为巷道/走廊结构。同时，根据楼层高度约束关系，提出了一种基于减法聚类的楼层聚类算法。该算法能准确地分离出不同楼层的惯导数据，从而实现惯导数据的三维结构化建模。 之后，分析了基于方向特征的结构化模型标定与匹配算法，结合Dijkstra路径快速搜索算法，初步实现了完全基于惯性测量数据的二维室内定位与导航。 最后，根据应用背景提出的研究任务中所需要的便携式设备要求，本文设计了一套基于STM32单片机数据采集与处理系统，并讨论和描述了系统的详细设计原理及软硬件调试过程。本文将前面所提出的算法在该系统上进行了实时实现，并将处理结果传输至计算机进行显示。仿真及实验结果证明，本文所设计的算法和硬件系统是可行的。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 研究内容

第二章 室内惯性定位与导航关键技术

2.1 概述

2.2 步行惯性导航和基于测距的定位融合算法

2.3 无线定位与惯性导航相结合定位系统

2.4 机器学习与惯性导航的联合定位算法

2.5 惯性导航航迹推算算法

2.5.1 欧拉角坐标变换

2.5.2 航迹推算算法原理

2.6 本章小结

第三章 步数检测与步长估计算法

3.1 坐标变换

3.2 步数检测与步长估计

3.2.1 步数检测

3.2.2 步长估计

3.3 改进的步长估计模型

3.3.1 现有步长估计模型分析

3.3.2 步长估计改进模型及稳定性测试

3.3.3 改进模型的准确性测试

3.4 本章小结

第四章 基于减法聚类的惯导数据结构化算法

4.1聚类算法简介

4.1.1 k-均值聚类

4.1.2 AGNES算法

4.1.3 减法聚类

4.2 一种基于减法聚类的惯导数据结构化

4.2.1 基于减法聚类的惯导数据巷道/走廊结构化

4.2.2 基于减法聚类的惯导数据楼层结构化

4.3 惯导数据的三维结构化

4.4 本章小结

第五章 室内定位与导航算法

5.1 基于方向特征的特征点标定

5.2 基于方向特征的特征点匹配

5.3 Dijkstra最短路径导航算法

5.3.1 Dijkstra最短路径生成算法

5.3.2 导航路径拟合

5.4 本章小结

第六章 硬件电路设计与实现

6.1 任务需求与设计目标

6.2 微处理器模块设计

6.3 传感器电路设计

6.3.1 加速度计和磁力计传感器设计

6.3.2 陀螺仪电路设计

6.3.3 气压传感器设计

6.4 电源设计

6.5 存储模块设计

6.6.1 硬件调试过程

6.6.2 软件调试过程

6.7 系统可视化验证与实现

6.8 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 展望

致 谢

参考文献