救援人员（如消防员）在危险环境中工作，几乎没有任何信息可循，他们在火灾、洪水或地震后的搜救（SAR）行动中经常受伤甚至丧生。火灾统计数据表明，火灾、伤亡人数仍然令人担忧（Manes等人，2023年）。根据CTIF报告（Brushlinsky等人，2020年），2014至2018年间全球45个国家的平均每年每千人火灾死亡率为4.4人。仅在美国，1994年至2022年间就有大约3,271名消防员遇难（美国国土安全部等，2024年）。2017年6月14日发生的伦敦格伦费尔塔（Grenfell Tower）大火导致72人死亡、70人受伤（McKenna等人，2019年）。这引发了关于疏散模型（Cimellaro等人，2019年；Ding等人，2023年；Xu等人，2022年）和室内追踪系统的研究，以在紧急情况下定位被困和受伤人员。
室内定位系统的主要特性包括传输信号类型、测量指标以及对现有基础设施的依赖性（Bastos等人，2015年）。文献中常见的解决方案包括红外、蓝牙、Wi-Fi、射频识别（RFID）、超宽带（UWB）、微机电传感器，甚至基于视觉的技术（Baek等人，2019年；Tseng等人，2022年）。通常需要部署多种传感器来构建定位系统（Rantakokko等人，2011年）。智能手机也可以作为移动传感平台，并与建筑信息建模结合使用（2012年）。另一项研究中，Yoon等人（2016年）提出了一种基于智能手机WiFi的应急响应系统，利用智能手机的加速度计来检测人员状态的变化。
GPS和Wi-Fi可穿戴设备可用于绘制建筑物及其周围环境的地图（Inokuchi等人，2012年）。其他类型的应用还包括用于检测人体代谢标志物的化学传感器（Güntner等人，2018年）。此外，Grazzini等人（2010年）实现了用于定位埋藏人员的UWB雷达，而Sachs等人（2014年）利用UWB技术感知呼吸运动，这对于定位埋在废墟下的人员特别有用。
引入机器人也可以带来有希望的结果（Kruijff等人，2012年；Trevelyan等人，2016年）。然而，尽管取得了进展，但利用机器人进行搜救行动的可靠解决方案仍很少实施。总体而言，当前技术存在诸多缺点：应用场景往往具有特定性，且在某些情况下精度不够理想（Ahmed等人，2020年）。基于RFID的定位技术似乎比其他技术更精确，误差低于10厘米。不过，RFID设备的有效范围通常不超过几米，并且需要预先安装的基础设施才能工作。基于GPS的技术虽然具有几乎无限的检测范围，但在室内环境中的应用受到严重限制。蓝牙和UWB设备是低功耗射频技术，能够在100米范围内高精度传输大量数据。蓝牙低能耗（BLE）技术在室内定位应用中表现出色（Topak等人，2018年）。
本研究提出了一种创新的基于无人机的解决方案，用于在地震、火灾、洪水等紧急情况下支持室内定位。AlAli和Alabady（2022年）详细阐述了无人机在灾害管理中的日益重要作用，他们通过集成多种传感器、人工智能算法和无线网络来提升灾害响应能力，并建议探索新的技术组合。所提出的解决方案是对之前依赖固定定位器（即锚节点）的定位系统的重大改进，这些锚节点需要预先安装在建筑物内（Cimellaro等人，2020年）。在此方案中，无人机作为移动锚节点运行，而建筑物内的人员佩戴BLE智能手环来传输位置和生命体征参数。专门开发的软件用于从地面站获取无人机遥测数据和标签信息，实现信息的实时地图可视化，确保救援人员能够快速获取人员分布和状况的最新信息。
在这方面，本研究提出了一个专为灾后搜救行动设计的新型基于无人机的室内定位框架。与现有方法不同，它能够在不依赖任何预先安装基础设施的情况下实现精确的室内定位。这是通过将安装在无人机上的移动UWB锚节点与BLE可穿戴标签相结合来实现的。该系统通过一系列从可行性评估到全规模测试的实验活动进行了验证，包括在具有挑战性的机库环境中的测试。此外，还进行了灵敏度分析，以确定最大化定位性能的部署条件，证明了该解决方案在应急响应场景中的实用价值和适应性。
本研究的主要目标是设计、开发并验证一种独立的实时室内定位系统，以提高灾后搜救行动的安全性和效率。该方案解决了现有定位技术的主要缺点，如对预先安装基础设施的依赖、室内精度有限以及易受损坏等问题，通过将移动无人机安装的锚节点与处理无人机遥测数据和可穿戴传感器数据的软件平台相结合，实现人员和救援者位置的实时可视化以及相应的精度和生命体征参数。研究还重点评估了系统在不同部署条件下的性能和鲁棒性，包括无人机飞行高度的变化、与外墙的距离以及建筑物内人员的定位情况。通过受控的现场测试分析这些配置，旨在确定确保高定位精度的最佳参数，同时保持操作安全性。总体目标是一种可扩展的、独立于基础设施的解决方案，能够在危险事件发生后迅速部署，以减少搜索时间并提高救援人员之间的协调性和态势感知能力。
本文的其余部分安排如下：第2节概述了与室内定位相关的主要搜救技术，并强调了推动该系统提出的局限性。第3节描述了所提出的基于无人机的定位系统的架构，包括硬件组件、通信技术和处理框架。第4节介绍了为评估多层建筑中天线方向和性能而进行的初步可行性测试，第5节详细介绍了全规模验证活动及在不同部署场景下获得的结果。最后，第6节总结了主要发现，概述了系统的优势和局限性，并提出了改进自主部署和操作鲁棒性的未来发展方向。
