从消防救援人员精准定位说起，如何打造精密定位和跟踪的方法？
2019-09-10 10:27:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
麦姆斯咨询：作为典型的极端环境应用，消防救援将是诸如ADI MEMS传感器发挥作用的领域，期待业界基于此类解决方案开发更多便携、实用的消防防护装备造福消防官兵，让他们能为更好的平安幸福生活提供更有力的支援。
最近的亚马逊大火，牵扯其全球人对地球之肺遭受最严峻火灾破坏的焦虑心情。人为和自然的原因，近年来全球各地严重火灾不断，从前不久的加州大火到我们身边的凉山州大火，画面触目惊心。而火灾背后，总是有大量的消防人员需要冒极大的风险去救援扑火。大众在关心灾难救援的同时，也关心着如何在施救时保证救援人员的安全，凉山州大火三十位消防员遇难的新闻让全国人民揪心难过！
在科技日新月异的今天，我们就没有科技的方法帮助解决消防人员的安全问题呢？特别是那些让急救人员深入无GPS信号的恶劣环境，安全人员的定位几十年来一直是消防安全和应急人员群体难以解决的难题。综合成本可行性、尺寸、重量和功耗等关键因素，本文结合ADI公司的MEMS传感器，探讨打造适合消防救援等关键应用中精密定位和跟踪的方法。
好的解决方案需要搞定过程、环境、融合三大问题
牛顿定律告诉人们：一个物体如果没有外力作用，将保持静止或匀速直线运动；而且，物体的加速度正比于作用在物体上的外力。如果能够测量得到加速度，那么通过加速度对时间的连续数学积分就可计算得到物体的速度和位置的变化。随着加速度计技术的进步，基于加速度计的惯性导航应用在最近十年内发展迅速，在汽车、消费电子、专用设备等领域获得广泛应用。
在实施救援任务时，环境的不稳定以及救援程序的执行，急救人员通常需要背负重要设备。所以ADI认为实施精准定位的系统必须适应急救人员的状况，便携的小尺寸是关键，任何固定或临时的设备都是负担。其次，虽然如今GPS发展成熟，号称能够在地球表面98%的地区提供准确定位，但是如果室内环境未能安装定位设备，就算是GPS也难以企及，安装的话就与实际的急救任务相悖。最后也是最重要的——传感器融合问题。在施救过程中，总会有各种突变的环境与过程，如何利用不同传感器互补的优势少出每个阶段的障碍呢？这也是开发人员头疼的问题。
不过，随着MEMS领域的创新发展，包括ADI在内的业界厂商推出的一系列高性价比、高性能MEMS惯性传感器已经可以轻松的解决这些问题：小尺寸，低功耗，精确定位、无需外部基础设施，能在动态环境下提供精密检测，并与次级传感器相互配合。例如ADI惯性MEMS器件采用标准半导体工艺、复杂封装和集成模式，通常以线性加速度(g)或角速度（°/秒，或速率）为单位，直接检测、测量和解读其运动。
由于除要求最温和的应用以外，所有其他应用都拥有所谓的多自由度（实际上指，可以在任何所有轴上运动，且所有设备在其运动中都相互不受限），这就必须捕捉x、y和z各轴的加速度和角速度值；或者在有些情况下，称为翻滚轴、俯仰轴和偏航轴。综合起来，这些有时被称为六自由度惯性测量单元，如今ADI已经推出了10自由度惯性传感器。
执行救援任务时，进入了建筑结构或者是复杂环境下，MEMS惯性传感器成为主要追踪传感器，目标是提供几米的定位精度。如果需要，可将系统设计为完全依靠惯性传感器，但也可以利用其他可用和可靠的随机发射信号，例如UWB范围信号、磁力计校正和气压测量。并且实施的算法不仅追踪位置，还可生成搜索模式的实时路径图。如果消防员下落或遇险，最初路径生成的地图就是也通过惯性检测引导的救援消 防员的增补传感器输入。
在这个过程当中MEMS传感器的一个关键任务是识别当前的运动类型并测量步数和步幅。不同于行人运动模型，急救人员运动将更加随机、动态和难以识别。此外，由于存在精度目标，传感器必须能够抑制错误运动，例如震动、冲击以及脚或身体左右摇晃/摇摆。急救人员模型并非对于行人模型可能足够的传感器噪声简单精度分析，它还必须包括关键规格，例如线性g抑制和跨轴灵敏度。ADI作为最早进入MEMS领域的企业，其推出的工业MEMS IMU ADIS16488A就是个标准的范例。
战术级IMU实现急救极端应用的导航定位
ADIS16488A iSensor®是一款战术级10自由度惯性传感器能够适应最苛刻的应用，其内含一套完整的惯性系统，一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和一个压力传感器。每个惯性传感器都实现了iMEMS®技术与信号调理技术的完美结合，可提供优化的动态性能。不仅如此，工厂校准针对各传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速度（陀螺偏置）进行校准，所以各传感器均有其自己的动态补偿公式，可提供精确的传感器测量。
ADIS16488A MEMS IMU 高性价比和成熟的高性能及可靠性
此外，在工业领域，与复杂且昂贵的分立设计方案相比，ADIS16488A为精确的多轴惯性检测与工业系统的集成提供了简单而高效的方法。所有必需的运动测试及校准都是工厂生产过程的一部分，大大缩短了系统集成时间。严格的正交对准可简化导航系统中的惯性坐标系对准。SPI和寄存器结构针对数据收集和配置控制提供简单的接口。10自由度高性能传感适合苛刻的消防救援类应用，以及商业航空电子设备等。
结语
如今的MEMS正处于高速发展的态势。在MEMS领域耕耘多年的ADI一直将重点放在开发MEMS传感器的核心技术上，以适应不同市场需求。其亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉曾公开表示：“ADI的MEMS产品不只是关注基本运动检测或新颖的功能，还考虑了极端工作环境。要求传感器在各种冲击、振动和高温等极端条件下，依然保持灵敏度、噪声和零点精度等关键特性的能力。”作为典型的极端环境应用，消防救援将是诸如ADI MEMS传感器发挥作用的领域，期待业界基于此类解决方案开发更多便携、实用的消防防护装备造福消防官兵，让他们能为更好的平安幸福生活提供更有力的支援。
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