一个完整的传感器到云传感器融合系统设想.doc
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1、一个完整的传感器到云传感器融合系统设想急救人员深入精确定位无GPS信号的基础设施,十年来一直是消防安全和应急人员群体难以达到的目标。这个目标就是在十几分钟内精确定位到几米以内。无独有偶,这些目标几乎与战术导弹的引导系统相同,但当今的解决方案至少要10000美元,尺寸、重量和功耗高得吓人,并不可行。同样的解决方案用于急救作业领域的早期概念验证演示,但事实证明实际部署存在(成本和尺寸)障碍。因此应急人员定位仍然是现今最复杂的定位应用。虽然没有可以实现预期目标的灵丹妙药式传感器,但必需有多个技术节点,每个节点都具有前沿性能。此外,它涉及大规模传感器融合和系统集成方法。高性价比、高性能MEMS惯性传感
2、器现可为潜在的解决方案提供种子。本文提出一个完整的传感器到云传感器融合系统设想,包括高度复杂的算法。 下面表1描述了主要方法和实现技术。表1. 契合关键目标的完整系统方法系统开发人员所面对的主要挑战可总结为以下三大类:程序、环境和传感器融合。在设计多传感器解决方案的过程中,对于急救任务的高度复杂性以及各种极端环境带来的挑战,必须要有全面的了解。程序火灾搜救任务必须严格按照救援程序执行,同时必须适应完全不确定的现实生活场景。可部署的精确定位系统必须在最大限度内适应现有的流程和设备。这就要求无需任何固定或临时基础设施即可操作,因为急救人员通常已背负重要设备(重量和成本)。任何系统开发都应遵从实现小
3、型嵌入式设备的早期阶段目标且单位急救人员成本与智能手机相似。有必要指出,目前智能手机的定位性能严重不足,因此面临着挑战。图1概述了理想系统最相关的主要和次要运行要求。图1. 关键作业要求定义急救人员产品设计问题。环境虽然GPS覆盖使得室外定位无处不在,但并不支持完全室内或混合(室内/挑战室外)环境。一些室内定位环境(例如购物中心)可以通过安装基础设施实现 但是,这些既不精确也不切合急救作业的实际目标。对于追踪系统设计人员,必须考虑以下因素来确定设计、组件选择和降低风险的方法:RF 传播路径。传感器温度/冲击影响。基础设施损坏/改变的可能性。传感器融合先前提到的过程和环境中的挑战是传感器融合问题
4、核心设计方法的基础。相关的主要传感模式用于在关键操作模式中提供高性能,同时互补传感器则扫除每个应用阶段的关键障碍,如表2所示。表2. 候选传感器的优势和不足由于MEMS无需外部基础设施,并能在动态环境下提供精密检测,因此如果能在极端环境中工作以及如果与合适的次级传感器配合使用,它将在总体解决方案中发挥主要作用。MEMS进展消费类惯性MEMS设备已迅速转向商品化(比较注重性能规格),军用MEMS价格仍然异常高昂,工业和汽车业MEMS(参见图2)目标是同时保证性能和成本水平。图2. 即使在极端运动动力学条件下,工业MEMS设备也能够降低噪声和稳定运行。与消费类领域相比,工业和汽车领域需要在相对复杂
5、和极端的环境中精确检测,供应商集成的架构特性专门针对会影响性能的因素,例如,离轴运动、震动和冲击事件,以及时间和温度引起的误差。虽然这些设计特性往往最容易通过更大的传感器或更昂贵的处理过程来适应,汽车业和越来越重要的工业市场的经济压力,迫使采用更关键的方法设计性能,并实现成本效益。最终专门针对工业应用开发出具有高性价比的MEMS组件,如表3所示,对三个主要类别组件的传送距离相关误差百分比进行了对比。工业级MEMS可提供与高端军事设备一样优质的导航能力,同时与商品化消费MEMS组件有合理的价格差。表3. MEMS导航性能级别与传送距离误差百分比这种优势的原因需要仔细观察与目标应用相关的MEMS组
6、件的关键规格。对于急救作业目标,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。图4对工业和低端MEMS设备的三个重要RSS误差规格进行了比较。很容易看出,噪声并非不利因素,而很多低端设备未指定的线性g和跨轴性能却是主要的问题。表4. 工业和低端MEMS的RSS误差比较,表明噪声不是性能影响因素假设条件:50 Hz
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