一個完整的傳感器到云傳感器融合系統設想

急救人員深入精確定位無GPS信號的基礎設施，十年來一直是消防安全和應急人員群體難以達到的目標。這個目標就是在十幾分鐘內精確定位到幾米以內。無獨有偶，這些目標幾乎與戰術導彈的引導系統相同，但當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領域的早期概念驗證演示，但事實證明實際部署存在（成本和尺寸）障礙。

因此應急人員定位仍然是現今最復雜的定位應用。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系統集成方法。

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云傳感器融合系統設想，包括高度復雜的算法。 下面表1描述了主要方法和實現技術。

表1. 契合關鍵目標的完整系統方法

系統開發人員所面對的主要挑戰可總結為以下三大類：程序、環境和傳感器融合。在設計多傳感器解決方案的過程中，對于急救任務的高度復雜性以及各種極端環境帶來的挑戰，必須要有全面的了解。

程序

火災搜救任務必須嚴格按照救援程序執行，同時必須適應完全不確定的現實生活場景?？刹渴鸬木_定位系統必須在最大限度內適應現有的流程和設備。這就要求無需任何固定或臨時基礎設施即可操作，因為急救人員通常已背負重要設備（重量和成本）。任何系統開發都應遵從實現小型嵌入式設備的早期階段目標且單位急救人員成本與智能手機相似。有必要指出，目前智能手機的定位性能嚴重不足，因此面臨著挑戰。圖1概述了理想系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，但并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。對于追蹤系統設計人員，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/沖擊影響。

基礎設施損壞/改變的可能性。

傳感器融合

先前提到的過程和環境中的挑戰是傳感器融合問題核心設計方法的基礎。相關的主要傳感模式用于在關鍵操作模式中提供高性能，同時互補傳感器則掃除每個應用階段的關鍵障礙，如表2所示。

表2. 候選傳感器的優勢和不足

由于MEMS無需外部基礎設施，并能在動態環境下提供精密檢測，因此如果能在極端環境中工作以及如果與合適的次級傳感器配合使用，它將在總體解決方案中發揮主要作用。

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。

與消費類領域相比，工業和汽車領域需要在相對復雜和極端的環境中精確檢測，供應商集成的架構特性專門針對會影響性能的因素，例如，離軸運動、震動和沖擊事件，以及時間和溫度引起的誤差。雖然這些設計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，汽車業和越來越重要的工業市場的經濟壓力，迫使采用更關鍵的方法設計性能，并實現成本效益。

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。對于急救作業目標，MEMS傳感器的一個關鍵任務是識別當前的運動類型并測量步數和步幅。不同于行人運動模型，急救人員運動將更加隨機、動態和難以識別。此外，由于存在精度目標，傳感器必須能夠抑制錯誤運動，例如震動、沖擊以及腳或身體左右搖晃/搖擺。

急救人員模型并非對于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抑制和跨軸靈敏度。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，噪聲并非不利因素，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，并適合最苛刻的應用，商業航空電子設備（如表6所示），證明了其對于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性能的進步和持續驗證的質量與耐用性，現正與集成方面的重大進步相結合。最后一個障礙特別具有挑戰性，因為如果不精心管理，傳感器尺寸與性能和耐用性成反比。具有高度戰略性、協調性和挑戰性的一系列工藝進步必須通過測試和合并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）。對于行人航位推算，解決方案主要取決于可用的設備（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揮一小部分作用。它在外部工作正常，但在具有挑戰性的城市環境或室內，GPS不可用，其他可用傳感器的質量很差，存在較大差距，換言之，位置信息的質量具有不確定性。盡管先進的濾波器和算法通常用來合并這些傳感器，無需任何額外傳感器或質量更好的傳感器，軟件對于彌補不確定性差距的作用不大，最終只是大大降低了報告位置的信心。圖4中為概念性說明。

圖4. 基于智能手機的行人導航主要依賴于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范圍方面存在僅憑算法無法修復的較大差距。

相比之下，工業航位推算方案，例如急救作業，針對系統定義性能和根據具體精度要求選擇組件而設計。更佳質量的慣性傳感器允許其發揮主要作用，適當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，以及對于環境和實時運動動力學的認識（參見圖5）。

圖5. 傳感器專門針對全面覆蓋急救任務范圍進行選擇，系統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量傳感器覆蓋范圍的差距。

精確定位和映射(PLM)系統

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、進入建筑內部并援—— 表7.設想消防車配備了高端GPS/INS系統，能夠確定到達現場車輛的位置，作為已知的參考點。從這一點直到消防員進入建筑前，存在不確定和隨機運動序列，其精確位置和映射系統依賴于實施的超寬頻范圍，才能精確鎖定消防員位置和方向。進入建筑結構后，慣性傳感器成為主要追蹤傳感器，目標是提供幾米的定位精度。

如果需要，可將系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范圍信號、磁力計校正和氣壓測量。如前所述，實施的算法不僅追蹤位置，還可生成搜索模式的實時路徑圖。如果消防員下落或遇險，最初路徑生成的地圖就是也通過慣性檢測引導的救援消防員的增補傳感器輸入。

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系統的核心，但以下也是實現系統的關鍵因素：

* 深入了解傳感器組件，以及其在壓力下的漂移特性/局限性。* 全面了解人體運動模型。* 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）。處理的核心是粒子濾波器，它可以隨時間推移追蹤多個可能的運動，隨著濾波器對其進行區分消除錯誤路徑。傳感器自身分布于消防員，以實現最佳性能，無線體感網以及加固型回程通信網絡無縫連接消防員、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調系統。

圖6. PLM系統是基于高性能傳感器、互補傳感器濾波和處理以及云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。

精確定位和映射系統提供了無基礎設施方法來檢測位置，利用高性能傳感器和先進的算法來優化合并所有隨機發射信號。系統目標是達到米級精度并生成實時路徑圖。工業級MEMS慣性傳感器技術的進步支持PLM，完整的系統開發方法既可解決技術障礙，同時還能實現商業指標。

后續工作重點是集成最新一代傳感器領先優勢，并適應急救作業方案的新觀念。最終集成將包括優化尺寸和本體位置，以及更完整的所需通信鏈路和最終系統資質實施方案。