CN104613982B - 一种室内组合导航仿真验证系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的室内组合导航仿真验证系统由无线定位模块装置、九自由度惯性导航模块装置、模拟小车和上位机四部分组成。无线定位模块装置中的标签、九自由度惯性导航模块装置和上位机放置于模拟小车上。在室内适当的位置布设无线定位模块装置中的基站，只需保证基站在标签无线信号覆盖范围内。在模拟小车沿着预定的轨迹运行的过程中，通过无线定位模块装置和惯性导航模块装置可以获得模拟小车的位置坐标、运行姿态、运行速度和路程等导航信息，观察人员根据上位机中的导航信息确定模拟小车下一时间的运行方位。本发明可以克服惯性导航产生的累计误差，还可以克服无线定位模块装置易受外界环境干扰的缺点。

Description

一种室内组合导航仿真验证系统
技术领域
本发明涉及一种室内组合导航仿真验证系统，适用于室内移动目标的实时导航，并为室内组合导航系统的实际应用性能验证提供了可能性。
背景技术
在开阔的室外环境中，全球定位系统GPS 提供了非常精确的定位信息，可以方便的为出行的人们进行实时导航。然而由于室内环境的特殊性，当前一些用于室外定位算法和导航系统很难移植到室内导航的应用中。随着信息与通信技术的普及，人们对于室内定位信息的需求与日俱增，一些公共场所，像商场、机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场、监狱、军事训练基地等都需要使用准确的定位导航信息。
近年来，无线定位以其低成本、低功耗和低系统复杂度的特点在短距离定位领域表现出很大的潜力。无线定位在无GPS信号地区，即所谓的“盲区”时，如室内、高层建筑密集的市区、矿井、隧道等环境下未知节点定位提供了可能。但是，无线定位只能提供位置和速度信息，不能提供全面的运动信息；而且，无线定位的定位极易受到室内复杂环境的影响。
惯性导航具有全自主、运动信息全面、短时、高精度的优点，虽然可以实现自主导航，但误差随时间积累，长航时运行条件下将导致导航精度严重下降。
发明内容
本发明为弥补现有技术的不足，提供了一种能够提供全面的运动信息、受室内环境影响小、导航精度高的室内组合导航仿真验证系统，以便验证无线定位和惯性导航的组合导航系统的实际应用性能。
本发明是通过如下技术方案实现的：
整个室内组合导航仿真验证系统由无线定位模块装置、九自由度惯性导航模块装置、模拟小车和上位机四部分组成。
无线定位模块装置：包括基站和标签，在室内适当的位置布设基站，作为参考点用来测定标签的位置，标签放置于模拟小车上，与上位机连接通信，当收到上位机的定位命令后会返回标签与其周围基站的距离信息；
九自由度惯性导航模块装置：放置于模拟小车上，与上位机连接通信，完成对模拟小车东南西北四个方向加速度和模拟小车航向角的测量；
模拟小车：设有无线接收模块装置，接受远程遥控控制，实现前进后退、左转右转活动；模拟小车上还放置着上位机,通过标签和惯性导航模块装置实时测得模拟小车的位置坐标、运行速度和运行方向；
以及，上位机：计算并实时显示模拟小车的位置坐标、运行速度、移动轨迹和小车的运行方向，以指导模拟小车下一时间的运行方向。
（1）无线定位模块装置：本模块装置分为基站和标签两部分，根据实际的应用场景构造一个二维图，在二维图中布设基站，基站的位置坐标是已知的，作为参考点用来测定标签的位置，在室内适当的位置布设基站，根据室内的具体环境确定布设的地点和数量；标签放置于模拟小车上，通过USB串口总线与上位机连接，当收到上位机的定位命令后会返回标签与其周围基站的距离信息，上位机通过收到的标签与基站的距离信息计算出标签在应用场景中的位置坐标。
（2）九自由度惯性导航模块装置：本模块装置包括三轴陀螺仪传感器、三轴加速传感器、三轴磁感应传感器以及一个数据处理芯片和串行通讯接口。因此可以采集模拟小车的加速度、角速度以及角度的信息。数据处理芯片对传感器数据进行融合，完成对模拟小车四个方向（东向、南向、西向、北向）加速度和模拟小车航向角的测量，串行通讯接口通过USB串口总线与上位机连接。
（3）模拟小车：模拟小车从下到上共分为三层。第一层为动力模块装置，主要包括小车的四个车轮、两个伺服电机。小车采用两个驱动轮，两个从动轮的驱动模式，两个驱动轮通过履带分别与两个伺服电机进行连接，两个从动轮使用的是万向轮，通过控制两个伺服电机的转动方向和转速完成小车的前进后退和左转右转。第二层为小车的电机控制单元装置、电源模块装置和无线接收模块装置，将其集中到控制箱中，电机控制单元装置使用一块信捷PLC分别控制两个伺服电机的驱动器，电源模块装置使用两块蓄电池进行供电，通过无线接收模块装置接受远程遥控控制，可在远程对小车的前进后退、左转右转进行控制。第二层共同完成小车的基本运动和小车内的动力的提供，并且可以通过电机控制单元装置对模拟小车的运行速度和路程进行严格的监控。第三层主要放置着无线定位模块装置的标签、九自由度惯性导航模块装置和上位机，标签和九自由度惯性导航模块装置通过USB串口总线与上位机进行连接通信，通过无线定位模块装置和惯性导航模块装置可以实时的测得模拟小车的位置坐标、运行速度和小车的运行方向。
（4）上位机：无线定位模块装置的标签和九自由度惯性导航模块装置通过USB串口总线与上位机进行通信，上位机可实时显示模拟小车的位置坐标、运行速度、移动轨迹和小车的运行方向。在小车沿着预定的轨迹运行的过程中，上位机计算并显示模拟小车的导航信息以指导模拟小车下一时间的运行方向。
无线定位模块装置负责测量模拟小车在室内的位置坐标，九自由度惯性导航模块装置负责模拟小车四个方向（东向、南向、西向、北向）加速度和模拟小车航向角的测量。上位机通过采集到的数据信息完成对模拟小车导航信息的计算和显示。在室内适当的位置布设无线定位模块装置中的基站，只需保证基站在标签无线信号覆盖范围内。在模拟小车沿着预定的轨迹运行的过程中，通过无线定位模块装置和惯性导航模块装置可以获得模拟小车的位置坐标、运行姿态、运行速度和路程等导航信息，观察人员就可以根据上位机中的导航信息确定模拟小车下一时间的运行方位。
本发明的有益效果是，一方面可以克服惯性导航产生的累计误差，导航精度高，另一方面可以克服无线定位模块装置易受外界环境干扰的缺点,能够提供全面的运动信息，并且为室内组合导航系统的实际应用性能验证提供了可能性。
附图说明
图1为模拟小车结构示意图。图2为本发明整体示意图。
图中，1从动轮，2主动轮，3伺服电机，4小车控制箱，5上位机，6无线定位与惯性导航，7履带。8基站，9室内空间，10遥控小车的人。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
整个室内组合导航仿真验证系统由无线定位模块装置、九自由度惯性导航模块装置、模拟小车和上位机四部分组成。
无线定位模块装置：本模块装置分为基站8和标签两部分，根据实际的应用场景构造一个二维图，在二维图中布设基站，基站的位置坐标是已知的，基站作为参考点用来测定标签的位置，在室内适当的位置布设基站，根据室内的具体环境确定布设的地点和数量；标签放置于模拟小车上，通过USB串口总线与上位机连接通信，当收到上位机的定位命令后会返回标签与其周围基站的距离信息，上位机通过收到的标签与基站的距离信息计算出标签在应用场景中的位置坐标。
九自由度惯性导航模块装置：本模块装置包括三轴陀螺仪传感器、三轴加速传感器、三轴磁感应传感器以及一个数据处理芯片和串行通讯接口。因此可以采集模拟小车的加速度、角速度以及角度的信息。数据处理芯片对传感器数据进行融合，完成对模拟小车四个方向（东向、南向、西向、北向）加速度和模拟小车航向角的测量，串行通讯接口通过USB串口总线与上位机连接。
模拟小车从下到上共分为三层。第一层为动力模块装置，主要包括小车的四个车轮、两个伺服电机。小车采用两个驱动轮1，两个从动轮2的驱动模式，两个驱动轮2通过履带7分别与两个伺服电机3进行连接，两个从动轮使1用的是万向轮，通过控制两个伺服电机3的转动方向和转速完成小车的前进后退和左转右转。第二层为小车的电机控制单元装置、电源模块装置和无线接收模块装置，将其集中到控制箱4中，电机控制单元装置使用一块信捷PLC分别控制两个伺服电机的驱动器，电源模块装置使用两块蓄电池进行供电，通过无线接收模块装置接受远程遥控控制，可在远程对小车的前进后退、左转右转进行控制。第二层共同完成小车的基本运动和小车内的动力的提供，并且可以通过电机控制单元装置对模拟小车的运行速度和行进距离进行严格的监控。第三层主要放置着无线定位模块装置6的标签、九自由度惯性导航模块装置6和上位机5，标签和九自由度惯性导航模块装置6通过USB串口总线与上位机5进行连接通信，通过无线定位模块装置和惯性导航模块装置可以实时的测得模拟小车的位置坐标、运行速度和小车的运行方向。
上位机5可实时显示模拟小车的位置坐标、运行速度、移动轨迹和小车的运行方向。在小车沿着预定的轨迹运行的过程中，上位机计算并显示模拟小车的导航信息以指导模拟小车下一时间的运行方向。
根据室内环境的实际大小和形状建立二维直角坐标图，在坐标图中布设基站，基站的布设个数和地点根据室内环境和形状的需要而定。在室内适当的位置布设基站，只需保证基站在标签无线信号覆盖范围内。本实施例是在一个矩形室内进行的，在此室内的四个角各布设一基站，四个基站在坐标图中的位置坐标已知，并且将已布设基站的坐标图信息存入上位机中。在模拟小车沿着预定的轨迹运行的过程中，上位机首先会给模拟小车第三层上无线定位模块装置中的标签发送定位命令，标签收到命令后会返回给上位机该标签距离其周围基站的直线距离，上位机会根据这个距离计算出模拟小车在室内的位置坐标和显示模拟小车的运动轨迹；与此同时，上位机也会接收来自惯性导航模块装置的信息，将模拟小车的运行方向、运动速度和路程显示在上位机中。上位机对于这两大模块装置的信息读取时间是可控的，并且二者的信息处理是互不干扰的，通过对两模块装置数据的融合得出一组新的位置坐标、运行姿态、运行速度和路程的导航信息。通过这种方法一方面可以克服惯性导航产生的累计误差，另一方面可以克服无线定位模块装置易受外界环境干扰的缺点。观察人员就可以根据上位机中的导航信息确定模拟小车下一时间的运行方位。

Claims (5)

1.一种室内组合导航仿真验证系统，其特征在于,包括以下部分：
无线定位模块装置：包括基站和标签，在室内适当的位置布设基站，作为参考点用来测定标签的位置，标签放置于模拟小车上，与上位机连接通信，当收到上位机的定位命令后会返回标签与其周围基站的距离信息；
九自由度惯性导航模块装置：放置于模拟小车上，与上位机连接通信，完成对模拟小车东南西北四个方向加速度和模拟小车航向角的测量；
模拟小车：设有无线接收模块装置，接受远程遥控控制，实现前进后退、左转右转活动；模拟小车上还放置着上位机,通过标签和惯性导航模块装置实时测得模拟小车的位置坐标、运行速度和运行方向；
以及，上位机：计算并实时显示模拟小车的位置坐标、运行速度、移动轨迹和小车的运行方向，以指导模拟小车下一时间的运行方向；
九自由度惯性导航模块装置包括一个数据处理芯片和与之连接的三轴陀螺仪传感器、三轴加速传感器、三轴磁感应传感器，采集模拟小车的加速度、角速度以及角度的信息；
上位机通过USB串口总线与无线定位模块装置的标签和九自由度惯性导航模块装置进行连接通信；
模拟小车上设有相互连接的动力模块装置、电机控制单元装置、电源模块装置和所述的无线接收模块装置。
2.根据权利要求1所述的室内组合导航仿真验证系统，其特征在于：无线定位模块装置中，根据室内的具体环境确定基站布设的地点和数量。
3.根据权利要求1或2所述的室内组合导航仿真验证系统，其特征在于：模拟小车从下到上共分为三层；第一层设置动力模块装置，包括小车的四个车轮和连接驱动车轮的伺服电机；第二层设置小车的电机控制单元装置、电源模块装置和无线接收模块装置；第三层主要放置着无线定位模块装置的标签、九自由度惯性导航模块装置和上位机。
4.根据权利要求1或2所述的室内组合导航仿真验证系统，其特征在于：电机控制单元装置使用一块信捷PLC分别控制两个伺服电机的驱动器，电源模块装置使用蓄电池进行供电。
5.根据权利要求1或2所述的室内组合导航仿真验证系统，其特征在于：小车采用两个驱动轮、两个伺服电机、两个从动轮的驱动模式，两个驱动轮通过履带分别与两个伺服电机进行连接，两个从动轮使用的是万向轮，通过控制两个伺服电机的转动方向和转速完成小车的前进后退和左转右转。
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