一种便携式单兵三维定位装置的制作方法

1.本实用新型涉及救援设备技术领域，尤其涉及一种便携式单兵三维定位装置。


背景技术：

2.css(chirp spread spectrum，线性调频扩频)便携式单兵定位装备系统在紧急情况(如火灾)下架设，一般由便携式基站(anchor)、移动标签(tag)和监控终端(pad、pc或笔记本电脑)组成，一般本系统装置均安装、使用在如大楼、仓库等含有立体建筑的应急现场，并根据基站的位置设定其坐标，并对室内人员三维定位，不适用于室外空旷环境，因室外空旷环境一般可使用gps/北斗定位系统。
3.但是现有技术中，现有的便携式单兵定位装备的移动标签在火场中使用时，因高温灼烧作用，移动标签与救援人员衣物的连接件易在火场中被烧毁，从而导致移动标签丢失，则影响外部工作人员获取救援人员的三维定位信息，使得火场中的救援人员无法准确获得外界帮助，存在较大安全隐患。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，现有的便携式单兵定位装备的移动标签在火场中使用时，因高温灼烧作用，移动标签与救援人员衣物的连接件易在火场中被烧毁，从而导致移动标签丢失，则影响外部工作人员获取救援人员的三维定位信息，使得火场中的救援人员无法准确获得外界帮助，存在较大安全隐患的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种便携式单兵三维定位装置，包括移动定位标签、便携式基站和监控终端，所述移动定位标签通过电信号与便携式基站相连接，且所述便携式基站通过电信号与监控终端相连接，所述移动定位标签包括主体，所述主体的顶部固定安装有固定件，所述主体的外侧固定安装有保护壳，所述固定件的底部与保护壳的顶部固定安装，且所述固定件的前端底部固定安装有警示灯，所述保护壳的后端均匀固定安装有磁力件。
6.作为一种优选的实施方式，所述磁力件包括第一磁扣和第二磁扣，所述第一磁扣的前端固定安装有凸件，且所述第一磁扣的后端固定安装有缝制布，所述第二磁扣的后端开设有凹槽。
7.作为一种优选的实施方式，所述固定件的顶部活动安装有滑盖，且所述滑盖的底部设置有锂电池，所述锂电池的底部与固定件的内壁固定安装。
8.作为一种优选的实施方式，所述主体包括标签板，所述标签板的前端设置有荧光标签，且所述标签板的外壁固定安装有透明防火层，所述标签板的内部固定安装有定位装置，且所述定位装置的顶部与锂电池的底部固定安装。
9.作为一种优选的实施方式，所述便携式基站包括半球顶盖，所述半球顶盖的顶部固定安装有喷水器，且所述半球顶盖的底部前端固定安装有烟雾感应器，所述半球顶盖的底部固定安装有杆件，且所述杆件的顶部固定安装有数据处理器，所述数据处理器的前端
固定安装有信号收发器，且所述信号收发器的底部固定安装有天线。
10.作为一种优选的实施方式，所述监控终端包括主件，所述主件的前端固定安装有接收天线，且所述主件的两侧均开设有手握槽，所述主件的顶部固定安装有显示屏，且所述显示屏的两侧均匀活动安装有功能按键，所述主件的后端固定安装有供能电池，且所述供能电池的前端固定安装有主机，所述主机的顶部与主件的底部固定安装。
11.与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于，
12.1、本实用新型中，通过设置的移动定位标签、便携式基站和监控终端，实现了在出现需进入火场救援的紧急环境下，可快速在火场周围安装便携式基站和救援人员能快速装备移动定位标签并进入火场救援，节约了救援时间和能系统化地对救援人员进行救援指导并实时监测救援人员三维位置信息，同时保障了民众和救援人员的生命安全。
13.2、本实用新型中，通过设置的磁力件，实现了将第一磁扣的缝制布与衣物缝制固定，接着可将通过第一磁扣和第二磁扣之间的磁吸力，将移动定位标签与救援人员的衣物固定，可快速便捷地将移动定位标签与救援人员衣物固定，且避免了高温烧毁移动定位标签的连接件。
14.3、本实用新型中，通过设置的喷水器和烟雾感应器，实现了当便携式基站周围出现火源后，烟雾感应器感应到后，将启动喷水器对其底部四周进行灭火洒水，避免便携式基站被烧毁。
附图说明
15.图1为本实用新型提出一种便携式单兵三维定位装置的移动定位标签立体图；
16.图2为本实用新型提出一种便携式单兵三维定位装置的磁力件立体图；
17.图3为本实用新型提出一种便携式单兵三维定位装置的移动定位标签部分剖视立体图；
18.图4为本实用新型提出一种便携式单兵三维定位装置的便携式基站立体图；
19.图5为本实用新型提出一种便携式单兵三维定位装置的监控终端立体图。
20.图例说明：
21.1、移动定位标签；2、便携式基站；3、监控终端；10、主体；11、固定件；13、保护壳；12、警示灯；14、磁力件；140、第一磁扣；141、第二磁扣；a2、凸件；a1、凹槽；113、滑盖；112、锂电池；102、标签板；103、荧光标签；101、透明防火层；114、定位装置；20、半球顶盖；21、喷水器；22、烟雾感应器；26、杆件；24、数据处理器；23、信号收发器；25、天线；30、主件；31、接收天线；33、手握槽；32、显示屏；34、功能按键；35、供能电池；36、主机。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.请参阅图1
‑
5，本实用新型提供一种技术方案：一种便携式单兵三维定位装置，包括移动定位标签1、便携式基站2和监控终端3，移动定位标签1通过电信号与便携式基站2相
连接，且便携式基站2通过电信号与监控终端3相连接，移动定位标签1包括主体10，主体10的顶部固定安装有固定件11，主体10的外侧固定安装有保护壳13，固定件11的底部与保护壳13的顶部固定安装，且固定件11的前端底部固定安装有警示灯12，保护壳13的后端均匀固定安装有磁力件14。
24.磁力件14包括第一磁扣140和第二磁扣141，第一磁扣140的前端固定安装有凸件a2，且第一磁扣140的后端固定安装有缝制布，第二磁扣141的后端开设有凹槽a1，将第一磁扣140的缝制布与衣物缝制固定，接着可将通过第一磁扣140和第二磁扣141之间的磁吸力，将移动定位标签1与救援人员的衣物固定。
25.固定件11的顶部活动安装有滑盖113，且滑盖113的底部设置有锂电池112，锂电池112的底部与固定件11的内壁固定安装，锂电池112向警示灯12和定位装置114供电，警示灯12可在昏暗的环境下避免救援人员走散。
26.主体10包括标签板102，标签板102的前端设置有荧光标签103，且标签板102的外壁固定安装有透明防火层101，标签板102的内部固定安装有定位装置114，且定位装置114的顶部与锂电池112的底部固定安装，定位装置114不断向便携式基站2发送救援人员位置信息。
27.便携式基站2包括半球顶盖20，半球顶盖20可为底部的部件遮阳挡雨，避免部件损坏，半球顶盖20的顶部固定安装有喷水器21，且半球顶盖20的底部前端固定安装有烟雾感应器22，半球顶盖20的底部固定安装有杆件26，且杆件26的顶部固定安装有数据处理器24，数据处理器24的前端固定安装有信号收发器23，且信号收发器23的底部固定安装有天线25，当便携式基站2周围出现火源后，烟雾感应器22感应到后，将启动喷水器21对其底部四周进行灭火洒水，避免便携式基站2被烧毁。
28.监控终端3包括主件30，主件30的前端固定安装有接收天线31，且主件30的两侧均开设有手握槽33，主件30的顶部固定安装有显示屏32，且显示屏32的两侧均匀活动安装有功能按键34，主件30的后端固定安装有供能电池35，且供能电池35的前端固定安装有主机36，主机36的顶部与主件30的底部固定安装，方便外部工作人员确定火场中救援人员位置信息。
29.本实施例的工作原理：在使用该便携式单兵三维定位装置时，首先根据图1、图2、图3、图4和图5所示，在进行使用的时候，便携式基站2的位置是临时部署于建筑物屋外，并根据便携式基站2的位置设定其坐标，并对室内携带有移动定位标签1的救援人员三维定位，但其并不适用于室外空旷环境，因室外空旷环境一般可使用gps/北斗定位系统。其中，便携式基站2可以看成是已知坐标的定位节点(便携式基站的坐标由卫星差分基站自动获取或者人工手动测量)，它用于接收从移动定位标签1发送来的定位数据包，并利用css技术测距原理计算出基站与标签之间的距离。便携式基站2的数量根据应急现场的情况设置而定，可以为3个或者4个，一般将便携式基站2临时安装在应急现场(如大楼、仓库等)的周围，并根据基站的位置设定其坐标。其中一个基站与监控终端相连，输出接收到的数据给监控终端3。
30.利用圆周定位原理，各基站与移动标签之间的距离、以及它们相对于地平面的高度知道后，就可以通过几何计算得出移动定位标签1的位置，从而获取救援人员在建筑物中的三维位置信息，从而更好地辅助救援人员进行救援，并能有效保障救援人员安全。
31.假设系统有n个基站，每个基站的位置坐标分别是其中分别代表x、y、z方向的单位矢量，设tag的位置矢量为这样我们可以求出p
i
,i＝1,2,
…
,n到p的距离：
[0032][0033]
式中符号|
·
|表示求矢量的长度，或者是求绝对值。于是我们的数学问题变成，如何在已知p
i
及l
i
，，l
i
的精度(或者误差)一定的情况下，p的求解精度会受到什么样因素的影响？
[0034]
为此，我们首先要找到一种从l
i
，i＝1,2,
…
,n求解p的坐标的方法，由于l
i
有n个，n≥3，而p的坐标有三个变量：x、y、z，故这是一个超定的问题。什么是超定问题呢？也就是x、y、z只有三个变量，只需要三个方程就能解出来，然而式(1)却有n个，怎么办，我们可以用如下比较简单的方法。
[0035]
选出四个基站中的任意三个，利用p到这三个基站的距离以及三个基站的位置坐标，三个方程可以求出p的一个解，假设为p
(1)
，这样，针对第k次抽出的不同的三个基站，也可以得到p的一个解p
(k)
，n中挑选3个共有种组合，因此可以得到个p
(k)
，即：
[0036][0037]
于是我们可以对p
(k)
求平均得到p的坐标，即：
[0038][0039]
上述方法是最简单的，当然它有很多变种的方法，效果会更好，这不是我们讨论的重点，我们的重点是要分析l
i
的误差如何导致p的坐标由三个变量x、y、z产生误差。
[0040]
观察上面的问题发现，由三个基站的位置p
i
，求解出某个p
(k)
，并且p
(k)
的精度会决定p的精度，因此，研究三个基站的p的精度的问题是比较基础的，具体研究过程如下。
[0041]
首先对式(1)的两边同时取微分，根据复合函数求微分法则得到：
[0042][0043]
这样，设向量l＝(l1dl1,l2dl2,l3dl3)
t
，向量x＝(dx,dy,dz)
t
，其中( )
t
表示对向量或者矩阵求转置，再设这样式(4)的三个方程构成的方程组可以写成如下的行列式的形式：
[0044]
a
·
x＝l
ꢀꢀꢀ
(5)
[0045]
形象的写成：
[0046][0047]
假设矩阵a的逆为a
‑1，则由方程(5)解出x，得到：
[0048]
x＝a
‑1·
l
ꢀꢀꢀ
(7)
[0049]
我们之所以要由(5)解出x，是由于dl
i
,i＝1,2,3是源变量，也就是由于l
i
，i＝1,2,3的测量产生了误差，即有了dl
i
,i＝1,2,3的变化，才导致x、y、z的计算误差，即产生了dx,dy和dz，而不是由于dx,dy和dz产生了dl
i
,i＝1,2,3的变化。
[0050]
经过上述分析，我们的问题转换成一个矩阵问题：要求在三个基站的位置p
i
，i＝1,2,3已知，如何取p
i
才能使得dx,dy和dz能够解出来，且不至于大得太离谱。其中假设dl
i
,i＝1,2,3是恒定的，这是因为我们假设测距误差是恒定的。
[0051]
根据线性代数的知识，式(5)中当a的行列式等于0时，无法由l解出x；当a是病态矩阵时，x的解是不稳定的。因此，什么情况下a成为病态矩阵，这成为基站布局的忌讳。
[0052]
什么是病态矩阵，我们先给出以上的解释：求解方程组时如果对数据进行较小的扰动，则得出的结果具有很大波动，这样的矩阵称为病态矩阵。病态矩阵是一种特殊矩阵。指条件数很大的非奇异矩阵。病态矩阵的逆和以其为系数矩阵的方程组的界对微小扰动十分敏感，对数值求解会带来很大困难，求解方程组时对数据的小扰动很敏感的矩阵。解线性方程组ax＝b时，若对于系数矩阵a及右端项b的小扰动δa、δb，方程组(a δa)χ＝b δb的解χ与原方程组ax＝b的解差别很大，则称矩阵a为病态矩阵。方程组的近似解χ一般都不可能恰好使剩余r＝b
‑
aχ为零，这时χ亦可看作小扰动问题aχ＝b
‑
((即δa＝0，δb＝
‑
r)的解，所以当a为病态时，即使剩余很小，仍可能得到一个与真解相差很大的近似解。
[0053]
根据线性代数的知识，当一个矩阵的行列式越接近于0时，越病态，所以，什么样的p
i
的布局使得矩阵a的行列式等于0或者接近于0，这成为基站位置布局的忌讳。如下两种情况会使得矩阵a的行列式等于或者接近0：
[0054]
情况(1)：位置p
i
，i＝1,2,3中的任何两个非常接近，越接近时a的行列式越接近于0。这是因为，假设接近则a的前两行接近于相等。根据行列式的理论，对某个n阶方阵，如果将其中一行乘以某个系数k加到另一行，则该矩阵的行列式不变，或者将多个行分别乘以不同的系数再加到某个行，则同样地，该矩阵的行列式不变，这样，我们把第一行乘以
‑
1，再加到第二行，则第二行的每个元素接近等于0，那么很显然该行列式接近于0。
[0055]
情况(2)：当p1、p2、p3在同一条直线上时，a的行列式等于0，越接近在一条直线上时，a的行列式越等于0。证明如下：p1、p2、p3在同一条直线上，则矢量p3‑
p1平行于矢量p2‑
p1，则存在k，使得p3‑
p1＝k
·
(p2‑
p1)，代入的表达式，得到
[0056][0057]
这说明，如果把a的第一行乘以k
‑
1，第二行乘以
‑
k，再加到第三行，则第三行变成全0，这样a的行列式等于0。显然p1、p2、p3越接近在同一条直线上，a的行列式越接近于0。
[0058]
当a不病态时，可以轻易求出a的逆，这时可以由式(7)算出x＝a
‑1·
l，a越不病态，由l算出的x越正常。
[0059]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。