CN104914878A - 一种uwb自主定位系统及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UWB自主定位系统及其实施方法，所述系统包括多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔、以及室内实景构图指挥保障ZHD终端；所述多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔包括UWB模块、IR红外成像模块、MEMS模块、LA激光测距模块、自动云台稳定模块、呼吸过滤模块、室温测量模块、多模复合处理模块、CC数据传输模块；所述室内实景构图指挥保障ZHD终端包括ZD数据传输模块、监控指挥模块、数据处理模块、实景构图模块。本发明利用多模复合对室内实景构图，实现实时高精度的自主导航定位要求，提高安全保障，有效提升我国在室内人员自主导航定位、实景构图等方面的技术水平和装备水平。

Description

一种UWB自主定位系统及其实施方法

技术领域

本发明涉及室内自主导航定位技术领域，特别是涉及一种UWB自主定位系统及其实施方法。

背景技术

目前，由于GPS与北斗导航卫星的广泛应用，室外导航定位技术的发展日趋成熟。然而由于卫星信号难以穿透室内建筑物，并且室内的环境非常复杂，存在的多径、非视距干扰导致室内导航定位难以实现或难以真正达到应用需求。

然而室内又是与人类生活工作关系最为密切的场合，室内导航定位服务存在大量的应用需求。例如在消防作战中，消防队员的工作性质高度危险，他们可能会进入一些复杂的高层建筑，人员的自身安全就成为问题，火场环境复杂恶劣，尤其是建筑物内部布局复杂、障碍物多、多径效应严重，定位困难，火场如果有高层建筑，各楼层的火势不同，指挥员指挥作战需要将人员的位置精确定位到楼层及楼层上的具体位置；同时指挥保障终端需要随时监控人员的位置信息、身体状况及其所处环境条件，以至于能够在危险时候最为及时通知并召回人员。

再如反恐作战时，往往是一个班或排进行战斗，且作战时间可能为夜间，作战环境多为楼宇民居，在这种布局复杂巷战环境中导航定位非常困难，同时班排间需要获知相互位置信息，互相协同作战；同时班排指挥员需要随时获知各个单兵的位置信息、身体情况，能够随时指挥调动单兵行动，并能够通过各个单兵获取的场景信息得到战场全局状况。

多模复合室内实景构图自主导航定位全数字化单兵头盔可以有效的解决这些问题，首先它可以实现人员高精度的室内导航定位需求；其次它可以获取复杂环境的全天候图像信息便于单兵展开工作；再次它可以通过多个传感器复合处理对室内场景实时构图；最后指挥控制终端能够综合单兵信息，得到战场全局态势，灵活指挥单兵作战。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种UWB自主定位系统及其实施方法，利用多模复合对室内实景构图，实现实时高精度的火场、反恐等领域战士的自主导航定位要求，为场指挥员的作战指挥和场内战士的安全提供保障，有效提升我国在室内人员自主定位方面的技术水平和装备水平。

本发明的技术方案是，一种UWB自主定位系统，包括多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔、以及室内实景构图指挥保障ZHD终端；

所述的多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔包括UWB模块、IR红外成像模块、MEMS模块、LA激光测距模块、自动云台稳定模块、呼吸过滤模块、室温测量模块、多模复合处理模块、CC数据传输模块；所述的UWB模块通过UWB雷达收发模块获取人员在室内空间距离信息，所述的IR红外成像模块利用长波红外的穿透性，可以在烟雾、黑夜等恶劣环境下获取当前的周边环境图像，所述的MEMS模块利用MEMS传感器获取当前人员的姿态信息，所述的LA激光测距模块利用激光测距模块进行扫描获取当前人员与室内空间的相对距离信息，所述多模复合处理模块将UWB模块、IR红外成像模块、MEMS模块和LA激光测距模块四个模块的数据信息进行接收，所述自动云台稳定模块与UWB模块、LA激光测距模块相连，用于对UWB模块与LA激光测距模块进行稳定，避免上述模块因和振动大角度运动导致测量精度下降；所述呼吸过滤模块、室温测量模块直接与多模复合处理模块相连，所述的呼吸过滤模块用于为人员提供氧气、防毒气等功能，所述的室温测量模块用于测量当前的环境温度；所述的CC数据传输模块将多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔的原始数据及处理后的数据及时传输到室内实景构图指挥保障ZHD终端；

所述室内实景构图指挥保障ZHD终端包括ZD数据传输模块、监控指挥模块、数据处理模块、实景构图模块；所述室内实景构图指挥保障ZHD终端通过ZD数据传输模块接收多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔的原始数据及处理后的数据，ZD数据传输模块与监控指挥模块、数据处理模块、实景构图模块相连，所述的监控指挥模块，利用接收到的人员的运动状态、姿态位置信息、环境温度信息等，实时判断人员的安全状态，及时有效的指挥其相应的运作；所述的数据处理模块，进一步对各个传感器的原始数据进行融合处理，得到室内的空间结构信息，人员位置信息等，并通过实景构图模块进行显示；所述的实景构图模块，利用数据处理模块处理的数据对当前未知室内进行实景构图，并绘制人员三维运行轨迹。

进一步地，在上述方案中，所述的UWB模块包括UWB雷达收发模块、UWB信息处理模块、所述的UWB雷达收发模块用于发射和接收UWB雷达信号，并对接收到的雷达回波信号进行预处理；所述的UWB处理模块用于得到人员在室内的相对距离信息。

进一步地，在上述方案中，所述的IR成像模块包括IR图像传感器、IR图像采集模块、IR图像匹配处理模块，所述的IR图像传感器用于探测烟雾、黑暗场景下的室内场景；所述的IR图像采集模块用于采集IR传感器得到红外图像，并将其传输给IR图像匹配处理模块；所述的IR图像匹配处理模块用于对红外图像进行匹配处理，得到室内场景的特征点便于进行定位处理。

进一步地，在上述方案中，所述的MEMS模块包括加速度计传感器、陀螺仪传感器、磁力传感器、气压传感器，所述的加速度计传感器用于得到人员当前各个方向运动的加速度，并将其传输到多模复合处理模块；所述的陀螺仪传感器用于得到人员当前姿态信息并将其传输到多模复合处理模块；所述的磁力传感器用于得到人员当前磁力信息并将其传输到多模复合处理模块；所述的气压传感器用于得到人员当前气压信息并将其传输到多模复合处理模块。

进一步地，在上述方案中，所述的LA激光测距模块包括激光测距传感器、激光扫描控制模块、所述的LA激光测距传感器用于测量室内各个方位的相对距离信息；所述的激光扫描控制模块用于对激光传感器进行精确转动控制，使其准确的进行360扫描运行。

进一步地，在上述方案中，所述的多模复合处理模块包括ARM处理器、数据预处理模块、多模复合模块，所述的ARM处理器用于为数据预处理和多模复合提供快速运算平台；所述的数据预处理模块用于对IR红外图像、MEMS模块、激光测距模块的数据进行预处理，并将预处理结果发送到多模复合模块；所述的多模复合模块用于对UWB距离信息、IR红外图像匹配结果、MEMS姿态数据以及激光测距结果进行复合处理，得到稳定的室内导航定位信息。

一种UWB自主定位系统的实施方法，包括以下步骤：

(1)UWB模块通过UWB雷达收发模块获取人员在室内空间距离信息，LA激光测距模块利用激光测距模块进行扫描获取当前人员与室内空间的相对距离信息，UWB模块和LA激光测距模块结合起来对复杂环境下的室内场景进行测距，通过扫描方式可以实时获取室内建筑相对空间信息，从而得到每一时刻的室内平面图像；

(2)IR红外成像模块利用长波红外的穿透性，对烟雾、黑夜等恶劣环境的室内场景进行灰度成像；

(3)MEMS模块利用MEMS传感器精确地得到每一时刻人员的加速度、角速度和磁场信息，采用滤波技术得到相应的航向和姿态信息；

(4)多模复合处理模块将UWB模块、IR红外成像模块、MEMS模块和LA激光测距模块四个模块的数据信息进行接收后，首先通过多帧红外图像积累与匹配处理得到室内场景的稳定特征信息，通过得到的稳定特征信息判断人员的相对运动状态；其次融合处理IR图像、UWB和LA扫描图像信息，从而得到人员在室内的相对空间信息，结合MEMS航向和姿态信息，得到人员的相对运动轨迹；

(5)自动云台稳定模块与UWB模块、LA激光测距模块相连，对UWB模块与LA激光测距模块进行稳定，避免上述模块因和振动大角度运动导致测量精度下降；

(6)呼吸过滤模块为人员提供氧气，并进行防毒气，室温测量模块测量当前的环境温度，二者为后台指控终端提供调度的依据信息；

(7)CC数据传输模块将多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔的原始数据及处理后的数据及时传输到室内实景构图指挥保障ZHD终端；

(8)室内实景构图指挥保障ZHD终端通过ZD数据传输模块接收多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔的原始数据及处理后的数据，后台的室内实景构图指挥保障ZHD终端根据各个传感器的数据信息以及各个人员的相对坐标信息，得出人员在地球坐标下的准确运动轨迹信息；同时判断各个人员之间相对位置信息；并根据各个人员的呼吸、身体状态和环境温度信息判断其危险程度，进行及时的指挥调度和控制。

本发明的有益效果体现在：(1)利用多模复合对室内实景构图；(2)实现实时高精度的火场、反恐等领域战士的自主导航定位要求；(3)为场指挥员的作战指挥和场内战士的安全提供保障；(4)有效提升我国在室内人员自主导航定位、实景构图等方面的技术水平和装备水平。

附图说明

图1为本发明的系统总框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种UWB自主定位系统，包括多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔100以及室内实景构图指挥保障ZHD终端200；所述的多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔100包括UWB模块110、IR红外成像模块120、MEMS模块130、LA激光测距模块140、自动云台稳定模块150、呼吸过滤模块160、室温测量模块170、多模复合处理模块180、CC数据传输模块190；所述的UWB模块110包括UWB雷达收发模块1101、UWB信息处理模块1102，所述的IR成像模块120包括IR图像传感器1201、IR图像采集模块1202、IR图像匹配处理模块1203，所述的MEMS模块130包括加速度计传感器1301、陀螺仪传感器1302、磁力传感器1303、气压传感器1304，所述的LA激光测距模块140包括激光测距传感器1401、激光扫描控制模块1402，所述的多模复合处理模块180包括ARM处理器1801、数据预处理模块1802、多模复合模块1803；所述室内实景构图指挥保障ZHD终端200包括ZD数据传输模块210、监控指挥模块220、数据处理模块230、实景构图模块240；所述室内实景构图指挥保障ZHD终端200通过ZD数据传输模块210接收多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔100的原始数据及处理后的数据，ZD数据传输模块210与监控指挥模块220、数据处理模块230、实景构图模块240相连。

一种UWB自主定位系统的实施方法包括以下步骤：

(1)UWB模块110通过UWB雷达收发模块获取人员在室内空间距离信息，LA激光测距模块140利用激光测距模块进行扫描获取当前人员与室内空间的相对距离信息，UWB模块和LA激光测距模块结合可对复杂环境下的室内场景进行测距，通过扫描方式可以实时获取室内建筑相对空间信息，从而得到每一时刻的室内平面图像；

(2)IR红外成像模块120利用长波红外的穿透性，对烟雾、黑夜等恶劣环境的室内场景进行灰度成像；

(3)MEMS模块130利用MEMS传感器精确地得到每一时刻人员的加速度、角速度和磁场信息，采用滤波技术得到相应的航向和姿态信息；

(4)多模复合处理模块180将UWB模块110、IR红外成像模块120、MEMS模块130和LA激光测距模块140四个模块的数据信息进行接收后，首先通过多帧红外图像积累与匹配处理可以得到室内场景的稳定特征信息，通过得到的稳定特征信息可以判断人员的相对运动状态；其次融合处理IR图像、UWB和LA扫描图像信息，从而得到人员在室内的相对空间信息，结合MEMS航向和姿态信息，得到人员的相对运动轨迹；

(5)自动云台稳定模块150与UWB模块110、LA激光测距模块140相连，对UWB模块110与LA激光测距模块140进行稳定，避免上述模块因和振动大角度运动导致测量精度下降；

(6)呼吸过滤模块160为人员等提供氧气，并进行防毒气，室温测量模块170测量当前的环境温度，二者为后台指控终端提供调度的依据信息；

(7)CC数据传输模块190将多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔100的原始数据及处理后的数据及时传输到室内实景构图指挥保障ZHD终端200；

(8)室内实景构图指挥保障ZHD终端200通过ZD数据传输模块210接收多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔100的原始数据及处理后的数据，后台的室内实景构图指挥保障ZHD终端根据各个传感器的数据信息以及各个人员的相对坐标信息，得出人员在地球坐标下的准确运动轨迹信息；同时判断各个人员之间相对位置信息；并根据各个人员的呼吸、身体状态和环境温度信息判断其危险程度，进行及时的指挥调度和控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种UWB自主定位系统，其特征在于：包括多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔(100)、以及室内实景构图指挥保障ZHD终端(200)；所述的多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔(100)包括UWB模块(110)、IR红外成像模块(120)、MEMS模块(130)、LA激光测距模块(140)、自动云台稳定模块(150)、呼吸过滤模块(160)、室温测量模块(170)、多模复合处理模块(180)、CC数据传输模块(190)；所述室内实景构图指挥保障ZHD终端(200)包括ZD数据传输模块(210)、监控指挥模块(220)、数据处理模块(230)、实景构图模块(240)；所述多模复合处理模块(180)将UWB模块(110)、IR红外成像模块(120)、MEMS模块(130)和LA激光测距模块(140)四个模块的数据信息进行接收，所述自动云台稳定模块(150)与UWB模块(110)、LA激光测距模块(140)相连，所述呼吸过滤模块(160)、室温测量模块(170)直接与多模复合处理模块(180)相连；所述的CC数据传输模块(190)将多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔(100)的原始数据及处理后的数据及时传输到室内实景构图指挥保障ZHD终端(200)，所述室内实景构图指挥保障ZHD终端(200)通过ZD数据传输模块(210)接收多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔(100)的原始数据及处理后的数据，ZD数据传输模块(210)与监控指挥模块(220)、数据处理模块(230)、实景构图模块(240)相连。

2.如权利要求1所述的一种UWB自主定位系统，其特征在于所述的UWB模块(110)包括UWB雷达收发模块(1101)、UWB信息处理模块(1102)。

3.如权利要求1所述的一种UWB自主定位系统，其特征在于所述的IR成像模块(120)包括IR图像传感器(1201)、IR图像采集模块(1202)、IR图像匹配处理模块(1203)。

4.如权利要求1所述的一种UWB自主定位系统，其特征在于所述的MEMS模块(130)包括加速度计传感器(1301)、陀螺仪传感器(1302)、磁力传感器(1303)、气压传感器(1304)。

5.如权利要求1所述的一种UWB自主定位系统，其特征在于所述的LA激光测距模块(140)包括激光测距传感器(1401)、激光扫描控制模块(1402)。

6.如权利要求1所述的一种UWB自主定位系统，其特征在于所述的多模复合处理模块(180)包括ARM处理器(1801)、数据预处理模块(1802)、多模复合模块(1803)。

7.如权利要求1所述的一种UWB自主定位系统的实施方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)UWB模块(110)通过UWB雷达收发模块获取人员在室内空间距离信息，LA激光测距模块(140)利用激光测距模块进行扫描获取当前人员与室内空间的相对距离信息，UWB模块和LA激光测距模块结合起来对复杂环境下的室内场景进行测距，通过扫描方式可以实时获取室内建筑相对空间信息，从而得到每一时刻的室内平面图像；

(2)IR红外成像模块(120)利用长波红外的穿透性，对烟雾、黑夜等恶劣环境的室内场景进行灰度成像；

(3)MEMS模块(130)利用MEMS传感器精确地得到每一时刻人员的加速度、角速度和磁场信息，采用滤波技术得到相应的航向和姿态信息；

(4)多模复合处理模块(180)将UWB模块(110)、IR红外成像模块(120)、MEMS模块(130)和LA激光测距模块(140)四个模块的数据信息进行接收后，首先通过多帧红外图像积累与匹配处理得到室内场景的稳定特征信息，通过得到的稳定特征信息判断人员的相对运动状态；其次融合处理IR图像、UWB和LA扫描图像信息，从而得到人员在室内的相对空间信息，结合MEMS航向和姿态信息，得到人员的相对运动轨迹；

(5)自动云台稳定模块(150)与UWB模块(110)、LA激光测距模块(140)相连，对UWB模块(110)与LA激光测距模块(140)进行稳定；

(6)呼吸过滤模块(160)为人员提供氧气，并进行防毒气，室温测量模块(170)测量当前的环境温度，二者为后台指控终端提供调度的依据信息；

(7)CC数据传输模块(190)将多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔(100)的原始数据及处理后的数据及时传输到室内实景构图指挥保障ZHD终端(200)；

(8)所述室内实景构图指挥保障ZHD终端(200)通过ZD数据传输模块(210)接收多模复合自主导航定位MSFL全数字化单兵头盔(100)的原始数据及处理后的数据，后台的室内实景构图指挥保障ZHD终端根据各个传感器的数据信息以及各个人员的相对坐标信息，得出人员在地球坐标下的准确运动轨迹信息；同时判断各个人员之间相对位置信息；并根据各个人员的呼吸、身体状态和环境温度信息判断其危险程度，进行及时的指挥调度和控制。