CN104597216B - 用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统及方法，系统包括INS/WSN/BDS组合导航模块、有害物质检测模块、通信模块、监测终端和中央数据处理器。有害物质检测模块对物源进行侦测，组合导航模块对载体所在位置进行实时定位。通信模块利用GPRS或北斗短报文方式将位置和有害物检测信息传送至监测终端，监测终端绘制并显示空间中相应区域的污染物分布图。本发明可以对某一区域进行有害物检测，还可以用于危险情况下对危险源的搜索，以便及时响应和处理，保障人员及设施安全。INS/WSN/BDS三种导航方式的融合以及GPRS、北斗短报文两种通信方式的组合，使得系统具有极强的适应能力，保证在各种极端条件下都能够出色完成任务。

Description

用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统及方法，属于北斗技术应用、多传感器数据融合及应用领域。

背景技术

在工业化高速发展的今天，各类突发性公共卫生事件的频发——大规模的有机化工厂的爆炸、毒性化学物质泄漏、煤气矿井管道破裂等一系列问题已对人类的生存和发展构成重大威胁。目前针对有害物的检测技术如在毒性化学物质泄漏、煤气矿井管道破裂等防治领域多采用静态布置传感器节点的方法。其缺陷是铺设成本高，设备老化或失效时不易进行及时更换。

北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，简写BDS)是中国自行研制的全球卫星导航定位系统。可以在全球范围内全天候、全天时地为各类用户提供精确的，具有持续稳定导航精度的导航信息。但是在室内、高层建筑密集的市区、矿井、隧道等环境下北斗信号将会失锁，不能进行有效定位。北斗系统特有的短报文通信即使在信号盲区仍能发送短报文信息，解决了通信阻断地区的定位与通信难题。

惯性导航系统(InertialNavigationSystem，简写INS)具有全自主，可提供运动信息且全面、短时、高精度的优点，可以实现自主导航。但是因为测量误差会随时间积累，所以惯性导航系统并不适于长航时运行条件下的精确定位。

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，简写WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。WSN特别适合应用在恶劣环境或人类不宜实时实地监控的区域，例如矿井、核物质反应堆周围等有害物质浓度较高的区域。其缺点是只能完成短距离的无线通信，长距离的目标定位需要耗费大量的节点铺设费用。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统及方法，通过INS/WSN/BDS三种导航方式的组合来实现室内室外的可移动检测。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，包括：位于移动载体上的INS/WSN/BDS组合导航模块、有害物质检测模块、中央数据处理器和无线通信模块，以及远端的数据监测终端；

所述INS/WSN/BDS组合导航模块，包括INS导航模块、WSN导航模块和BDS导航模块；

所述中央数据处理器，设有：

数据采集单元，分别与INS导航模块、WSN导航模块和BDS导航模块连接，用于接收三者输出的导航信息，并输出INS、WSN和BDS的导航数据以及采用的组合导航方式，所述组合导航方式包括INS/WSN组合导航和INS/BDS组合导航；

扩展卡尔曼滤波器单元，与数据采集单元连接，用于接收INS导航数据和WSN导航数据，输出第一位置信息；

不敏卡尔曼滤波器单元，与数据采集单元连接，用于接收INS导航数据和BDS导航数据，输出第二位置信息；

以及，数据融合单元，分别与数据采集单元、扩展卡尔曼滤波器、不敏卡尔曼滤波器和有害物质检测模块连接，输出位置信息与污染物检测信息的组合信息，所述位置信息为根据组合导航方式确定的第一位置信息或第二位置信息；

所述无线通信模块，与数据融合单元连接，用于将载体的位置信息与污染物检测信息的组合信息通过无线方式发送；

所述远端的数据监测终端，用于接收移动载体发送的位置信息和污染物检测信息的组合信息，绘制空间中相应区域的污染物分布图并显示在终端上。

进一步的，所述无线通信模块包括GPRS通信单元和北斗短报文通信单元，所述中央数据处理器还包括通信方式选择单元，所述通信方式选择单元分别与所述数据融合单元、GPRS通信单元和北斗短报文通信单元连接，用于检测GPRS信号，并根据检测结果选择采用GPRS或北斗短报文方式发送数据融合单元输出的组合信息。

进一步的，所述INS导航模块包括3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺仪。

进一步的，所述WSN导航模块通过ZigBee或WIFI与其他移动载体上的WSN导航模块通信。

进一步的，所述有害物质检测模块为可检测单一有害物质的传感器、可检测多种有害物质的传感器或者多种传感器的组合构成。

进一步的，所述移动载体为包括车辆、船舶、飞机、智能机器人在内的任意可控制位置移动的载体。

一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位方法，包括如下步骤：

(1)通过移动载体上的INS/WSN/BDS组合导航系统获得移动载体的位置信息，具体为：当有WSN信号时，采用INS/WSN组合导航方式，通过扩展卡尔曼滤波器对INS导航获得的绝对导航数据和WSN导航获得的相对导航数据进行处理，获得移动载体的位置信息；否则采用INS/BDS组合导航方式，通过不敏卡尔曼滤波器对INS导航获得的绝对导航数据和BDS导航获得的相对导航数据进行处理，获得移动载体的位置信息；

(2)通过移动载体上的有害物质检测传感器获得移动载体所在位置的污染物检测信息；

(3)将步骤(1)中得到的位置信息和步骤(2)中得到的污染物检测信息组合起来通过无线方式发送至远端的数据监测终端；

(4)数据监测终端根据接收到的移动载体发送的位置信息和污染物检测信息，绘制空间中相应区域的污染物分布图并显示在终端上。

进一步的，所述步骤(3)中的无线方式为GPRS通信和北斗短报文通信，当有GPRS信号时，采用GPRS通信，否则采用北斗短报文通信。

有益效果：本发明提出了一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统及方法，其有益效果是不但可以对某一区域进行有害物检测，根据有害物分布图判断有害物分布情况，还可以用于危险情况下对危险源的查找，以便做出及时的响应和处理，保障人员及设施的安全。置于移动载体上使得系统的可移动检测及搜索成为可能，INS/WSN/BDS三种导航方式的融合以及GPRS、北斗短报文两种通信方式的组合，使得该系统具有极强的适应能力，保证在各种极端条件下都能够出色完成任务。

附图说明

图1是本发明用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统结构示意图；

图2是本发明的MCU的处理过程示意图；

图3是本发明的组合导航模块的原理示意图；

图4是本发明的通信模块的结构示意图；

图5是本发明的数据监测终端的处理过程示意图。

具体实施方式

以下结合一种具体的实施方案和附图对本发明做详细的说明：

如图1所示，本实施例公开的一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，包括INS/WSN/BDS组合导航模块、有害物质检测模块、无线通信模块、中央数据处理器(MCU)和数据监测终端。

INS/WSN/BDS组合导航模块对有害物物源实施定位，包括INS导航模块、WSN导航模块和BDS导航模块，其中INS导航模块通过包含3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺仪的惯性单元获得绝对导航信息；WSN导航模块通过多个传感器节点布置，以无线通信方式(如ZigBee,WIFI)形成一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，从而确定未知节点的相对位置信息；DBS导航模块通过卫星、地面中心站和用户终端组成有源定位系统。

INS/WSN组合导航借助加速度计—陀螺仪和无线传感网络实现无北斗信号区域的定位，利用北斗定位克服INS导航误差随时间漂移问题；INS/BDS组合导航借助加速度计—陀螺仪和北斗卫星实现可接收北斗信号区域的定位,克服了在地下巷道、狭长隧道、高层建筑密集的市区等北斗信号长期失锁的环境下INS导航误差随时间漂移问题，具有极强的环境适应能力。所有位置信息经

(MCU)进行数据处理及组合算法实现，MCU设有数据采集单元、扩展卡尔曼滤波器单元、不敏卡尔曼滤波器单元和数据融合单元，数据采集单元分别与INS导航模块、WSN导航模块和BDS导航模块连接，将接收到的导航信息传递给滤波器单元，并确定采用INS/WSN组合导航还是INS/BDS组合导航。INS/WSN组合导航的方法是通过扩展卡尔曼滤波器处理，利用INS获得的绝对导航信息和WSN获得的相对位置信息进行融合，从而获得最优位置信息。

INS/BDS组合导航的方法是将INS导航系统得到的绝对导航信息与北斗导航系统得到的相对位置信息通过进行数据融合，得到理想的导航信息。

数据融合单元，分别与数据采集单元、扩展卡尔曼滤波器、不敏卡尔曼滤波器和有害物质检测模块连接，将有害物质检测模块检测得到的害物质检测信息和组合导航计算得到的组合位置信息一同由无线通信模块传送至数据监测终端。

监测模块根据位置信息和污染物检测信息绘制出空间中相应区域的污染物分布图并在终端进行实施显示。

移动载体可以为包括车辆、船舶、飞机、智能机器人在内的任意可控制位置移动的载体。可以在MCU上设置运动控制单元提供控制载体运动的相关信息，控制载体运动执行，载体的运动控制也可以通过其他独立控制模块控制运动执行。移动载体上的有害物质检测模块可以由可检测单一有害物质的传感器、可检测多种有害物质的传感器或者多种传感器的组合构成，如瓦斯传感器、烟雾传感器等。

图中，组合导航模块中的INS、WSN、BDS的导航信息经处理后得到平面位置信息，分别用二维坐标(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)表示，有害物质检测模块中的检测信息用c表示。

无线通信模块包括GPRS通信单元和北斗双向短报文通信单元，GPRS通信具有资源利用率高、传输速率高和接入时间短等优点，是本系统的主要通信手段，但是却存在部分区域无GPRS信号的缺点。北斗双向短报文通信则可以在GPRS通信中断时实行双向通讯的功能。因此本系统在GPRS信号优良的地方优先采用GPRS通信方式，同时使用北斗双向短报文通信方式作为通信中断等特殊情况的必要补充。通过MCU上通信方式选择单元判断当前GPRS通信单元是能够成功连接GPRS网络，如果连接成功则由采用GPRS通信方式发送数据，如果不能成功连接GPRS网络则采用北斗双向短报文通信方式发送数据。

本发明实施例公开的一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统的方法，包括如下步骤：

(1)通过移动载体上的INS/WSN/BDS组合导航系统获得移动载体的位置信息，具体为：当有WSN信号时，采用INS/WSN组合导航方式，通过扩展卡尔曼滤波器对INS导航获得的绝对导航数据和WSN导航获得的相对导航数据进行处理，获得移动载体的位置信息；否则采用INS/BDS组合导航方式，通过不敏卡尔曼滤波器对INS导航获得的绝对导航数据和BDS导航获得的相对导航数据进行处理，获得移动载体的位置信息；

(2)通过移动载体上的有害物质检测传感器获得移动载体所在位置的污染物检测信息；

(3)将步骤(1)中得到的位置信息和步骤(2)中得到的污染物检测信息组合起来通过无线方式发送至远端的数据监测终端。

(4)数据监测终端根据接收到的移动载体发送的位置信息和污染物检测信息，绘制空间中相应区域的污染物分布图并显示在终端上。

如图2所示，MCU根据WSN信号的有无和BDS信号的强弱判断采用何种导航方式，若有WSN信号则采用INS/WSN组合导航技术导航，若没有WSN信号而BDS信号较好，则采用INS/BDS组合导航技术导航，通过数据融合将组合导航信息(x,y)和检测信息c以三维坐标(x,y,c)通过通信系统传送给数据监测终端，绘制有害物分布图。

如图3所示，INS/WSN组合导航技术是基于WSN的无线定位技术测量未知节点的相对位置信息，将相对位置信息(包括速度、位置等导航信息)与INS上得到的绝对导航信息(包括速度、位置等导航信息)，将两者输出的位置与速度信息的差值作为量测量，通过扩展卡尔曼滤波器(EKF)进行数据融合，得到理想的导航信息，与此同时，将误差信息分别反馈给WSN和INS的误差模型，对两者的导航信息误差进行建模，得到最优的导航信息。INS/BDS组合导航技术是将Unscented卡尔曼滤波器(UKF)用于INS/BDS松组合中，以惯性导航系统输出的平台失准角、速度误差、位置误差以及陀螺和加速度计的零偏作为状态量，以北斗接收机输出的位置、速度信息作为组合滤波的观测量，经过UKF计算，得到导航参数的估计值，并作为组合系统的输出。

其中，扩展卡尔曼滤波器的算法分为非线性系统线性化和EKF算法求解两部分：

(1)非线性系统线性化：

根据系统特点，建立系统模型：

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=f(x\left(t\right),t)+g(x\left(t\right),t)w\left(t\right)$

z(t)＝C(x(t),t)+v(t)

其中

E(w(t))＝0，Cov(w(t),w(τ))＝Q(t)δ(t-τ)

E(v(t))＝0，Cov(v(t),v(τ))＝R(t)δ(t-τ)

Cov(w(t),v(τ))＝0

其中Q为过程噪声的协方差，R为测量噪声的协方差，δ为冲击函数。

假设在t时刻已获得系统状态x的滤波估计，将和在附近线性化，即非线性系统将随时在新估计的结果附近进行线性化。将和展开成泰勒级数，忽略二阶以上的高阶项，得线性化方程：

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=f(x\left(t\right),t)+g(x\left(t\right),t)w\left(t\right)$

z(t)＝H(t)x(t)+y(t)+v(t)

其中

$F\left(t\right)=\frac{\∂f(\hat{x}\left(t\right),t)}{\∂\hat{x}\left(t\right)}$

$H\left(t\right)=\frac{\∂C(\hat{x}\left(t\right),t)}{\∂\hat{x}\left(t\right)}$

$C\left(t\right)=g(\hat{x}\left(t\right),t)$

$u\left(t\right)=f(\hat{x}\left(t\right),t)-\frac{\∂f(\hat{x}\left(t\right),t)}{\∂\hat{x}\left(t\right)}\hat{x}\left(t\right)$

$y\left(t\right)=h(\hat{x}\left(t\right),t)-\frac{\∂C(\hat{x}\left(t\right),t)}{\∂\hat{x}\left(t\right)}\hat{x}\left(t\right)$

(2)EKF算法求解：

扩展卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法，其处理过程分为预测与修正两个阶段。其核心算法可通过下述方程描述：

状态估计方程：

增益方程：

$K\left(t\right)=P\left(t\right)H^T(\hat{x}\left(t\right),t)R^{-1}\left(t\right)$

误差协方差方程：

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{P}\left(t\right)=F(\hat{x}\left(t\right),t)P\left(t\right)+P\left(t\right)F^T(\hat{x}\left(t\right),t)\\ +G\left(t\right)Q\left(t\right)G^T\left(t\right)-K\left(t\right)R\left(t\right)K^T\left(t\right)\end{array}$

导航方法中所述的Unscented卡尔曼滤波器算法可以参见哈尔滨工程大学李家森的硕士学位论文《北斗/INS组合导航信息融合滤波算法研究》。

如图4所示，在通信过程中，当处理器MCU通过WSN、INS和BDS组合导航系统获得载体当前位置信息即横纵坐标(x,y)，并通过有害物质检测模块获得有害物浓度信息c后，按约定格式将这些信息压缩成一个字符串。接着由处理器MCU判断当前GPRS模块是否能够成功连接GPRS网络，如果连接成功则由MCU向GPRS模块发送数据监测终端IP和指定端口的AT命令，并将信息字符串通过GPRS网络发送到数据监测终端，由数据监测终端的上位机程序监控指定端口获取信息字符串；如果不能成功连接GPRS网络，则由MCU控制北斗发送终端利用北斗系统的双向短报文功能向监测终端发送信息字符串，由北斗接收终端接收信息字符串后，传至监测终端。

如图5所示，数据监测终端处理过程分为三部分：接收由通信系统传送过来的位置信息和污染物检测信息(x,y,c)、载入实际地图实现地图匹配、根据位置信息和污染物检测信息(x,y,c)，以X-Y-C为坐标轴绘制三维污染物分布图。在室内，铺设节点坐标位置匹配显示，如位置信息表示为(东1.23m，北2.13m)；在室外，获得经纬度信息后，如(东1.23m，北2.13m，纬度37°05.1324’，经度114°27.5327’)，用googlemap提供的地图服务匹配显示。

上述方案只是本发明的一种具体实施方式，在符合本发明的特征下可以有多种不同应用方案，但这些应用方案只要符合本发明的特征，都应属于本发明的权利保护范围。

Claims (8)

1.一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，其特征在于，包括：位于移动载体上的INS/WSN/BDS组合导航模块、有害物质检测模块、中央数据处理器和无线通信模块，以及远端的数据监测终端；

所述INS/WSN/BDS组合导航模块，包括INS导航模块、WSN导航模块和BDS导航模块；

所述中央数据处理器，设有：

数据采集单元，分别与INS导航模块、WSN导航模块和BDS导航模块连接，用于接收三者输出的导航信息，并输出INS、WSN和BDS的导航数据以及采用的组合导航方式，所述组合导航方式包括INS/WSN组合导航和INS/BDS组合导航；

扩展卡尔曼滤波器单元，与数据采集单元连接，用于接收INS导航数据和WSN导航数据，输出第一位置信息；

不敏卡尔曼滤波器单元，与数据采集单元连接，用于接收INS导航数据和BDS导航数据，输出第二位置信息；

以及，数据融合单元，分别与数据采集单元、扩展卡尔曼滤波器、不敏卡尔曼滤波器和有害物质检测模块连接，输出位置信息与污染物检测信息的组合信息，所述位置信息为根据组合导航方式确定的第一位置信息或第二位置信息；

所述无线通信模块，与数据融合单元连接，用于将载体的位置信息与污染物检测信息的组合信息通过无线方式发送；

所述远端的数据监测终端，用于接收移动载体发送的位置信息和污染物检测信息的组合信息，绘制空间中相应区域的污染物分布图并显示在终端上。

2.根据权利要求1所述的用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，其特征在于，所述无线通信模块包括GPRS通信单元和北斗短报文通信单元，所述中央数据处理器还包括通信方式选择单元，所述通信方式选择单元分别与所述数据融合单元、GPRS通信单元和北斗短报文通信单元连接，用于检测GPRS信号，并根据检测结果选择采用GPRS或北斗短报文方式发送数据融合单元输出的组合信息。

3.根据权利要求1所述的用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，其特征在于，所述INS导航模块包括3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺仪。

4.根据权利要求1所述的用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，其特征在于，所述WSN导航模块通过ZigBee或WIFI与其他移动载体上的WSN导航模块通信。

5.根据权利要求1所述的用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，其特征在于，所述有害物质检测模块为可检测单一有害物质的传感器、可检测多种有害物质的传感器或者多种传感器的组合构成。

6.根据权利要求1所述的用于室内和室外的可移动有害物质检测定位系统，其特征在于，所述移动载体为包括车辆、船舶、飞机、智能机器人在内的任意可控制位置移动的载体。

7.一种用于室内和室外的可移动有害物质检测定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过移动载体上的INS/WSN/BDS组合导航系统获得移动载体的位置信息，具体为：当有WSN信号时，采用INS/WSN组合导航方式，通过扩展卡尔曼滤波器对INS导航获得的绝对导航数据和WSN导航获得的相对导航数据进行处理，获得移动载体的位置信息；否则采用INS/BDS组合导航方式，通过不敏卡尔曼滤波器对INS导航获得的绝对导航数据和BDS导航获得的相对导航数据进行处理，获得移动载体的位置信息；

(2)通过移动载体上的有害物质检测传感器获得移动载体所在位置的污染物检测信息；

(3)将步骤(1)中得到的位置信息和步骤(2)中得到的污染物检测信息组合起来通过无线方式发送至远端的数据监测终端；

(4)数据监测终端根据接收到的移动载体发送的位置信息和污染物检测信息，绘制空间中相应区域的污染物分布图并显示在终端上。

8.根据权利要求7所述的用于室内和室外的可移动有害物质检测定位方法，其特征在于，所述步骤(3)中的无线方式为GPRS通信和北斗短报文通信，当有GPRS信号时，采用GPRS通信，否则采用北斗短报文通信。