CN106840154A - 地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统与方法 - Google Patents

地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统与方法，该系统的惯性测量处理模块接惯性测量数据，通过导航积分计算载体位置、速度、姿态和航向数据以及相对于惯性测量单元的距离，组合定位系统经过锚点布设区域时，无线信号接收器接收锚点发射的无线电信号，计算接收器和锚点的距离，卡尔曼滤波计算模块计算修正参数，惯性测量处理模块接收修正参数，计算导航数据，地下通道反馈模块对导航数据进行修正，得出位置信息。组合定位系统经过非锚点布设区域，惯性测量单元输出的导航数据进入地下通道反馈模块，修正导航数据，得出位置信息。本发明引入了地下空间通道反馈算法，减小了无线传感器的布设密度，节约了成本，提高了定位精度。

Description

地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统与方法
技术领域
本发明涉及一种地下空间定位系统及方法，尤其是一种地下空间通道反馈的惯性测量与无线传感器组合定位系统与方法。
背景技术
由于地下空间区域无法接受全球定位系统信号，所以需要借助其他的手段获取地下空间室内位置信息。
运用惯性测量单元的惯性测量技术是从20世纪初发展起来的一种新的导航技术。基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用惯性测量仪中的加速度计测量载体的运动加速度，利用陀螺仪测量载体的旋转角速度，然后通过计算机对这些惯性测量值进行处理，得到载体的位置、速度和姿态。稍具体地讲，给定载体运动状态的初始条件，将加速度测量值对时间进行一次积分可获得载体的运动速度，对时间进行二次积分可获得其空间位置。同样，对旋转角速度测量值对时间进行积分，惯性导航系统可获得载体在空间三维中的姿态角。与其他类型的导航系统不同，惯性导航系统具有自主导航能力，不需要从运载体传送信号或者从外部接收信号，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能连续地提供载体位置、速度和姿态等定位导航参数，其数据更新率快、量程较大，且具有短时间内较高的相对精度。近几年，随着惯性器件的低成本、低功耗的发展，惯性测量技术应用愈加广泛。
但是，在没有其它测量手段辅助的情况下，惯性测量的误差短时间内会产生累积，容易引起较大的测量误差。在地面上，一般是通过惯性测量和全球定位系统组合，但是，在地下空间环境中，由于信号被遮挡，无法接收全球定位系统信号，需要引入室内定位技术辅助惯性测量。室内定位技术是通过无线信号接收器获取锚点发出的无线信号强度，经过模型反算得到距离和位置信息，可以很好的应用于地下空间环境，因此可以像惯性测量和全球定位系统组合那样，将惯性测量和无线传感器组合获取定位信息。
基于无线信号的室内定位技术由于建模误差等方面的问题，解算的位置信息精度要比全球定位系统的位置信息精度差，通过室内定位和惯性测量组合得到的定位信息精度不能满足地下空间高精度的定位要求。鉴于此，如果在将惯性测量和无线传感器组合的基础上，通过地下空间地图匹配的方法对组合定位的结果进行纠正，既可提高组合定位的精度，又可增加解算的可靠性。目前，还没有地下空间通道反馈的组合定位装置。
发明内容
本发明的目的是要克服已有技术中的不足，提供一种地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统与方法。在将惯性测量和无线传感器组合的基础上，通过地下空间地图匹配的方法对组合定位的结果进行纠正，既可提高组合定位的精度，又可增加解算的可靠性。
本发明提出的地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统，包括惯性测量单元、惯性测量处理模块、无线信号接收器、卡尔曼滤波计算模块、地下通道反馈模块、电源模块。其特征是：惯性测量单元的输出端与惯性测量处理模块相连，惯性测量处理模块与无线信号接收器分别连接卡尔曼滤波计算模块，地下空间反馈模块与惯性测量处理模块相连，卡尔曼滤波计算模块同时接收惯性测量处理模块和无线信号接收器的输出信号，通过多状态卡尔曼滤波计算，修正惯性测量处理模块和无线信号接收器参数，将修正的参数反馈到惯性测量处理模块和无线信号接收器，惯性测量处理模块接收卡尔曼滤波计算模块反馈的修正参数后得到组合导航数据，导航数据输入到地下通道反馈模块中，作进一步的修正反馈，得出最终的定位信息。
所述惯性测量单元，包括陀螺仪、加速度计和温度传感器，三者的输出连接滤波器和同步化模块，再经A/D转换模块进行模数转换后输出。
所述卡尔曼滤波计算模块为采用紧耦合算法的卡尔曼滤波计算模块。
本发明的地下空间惯性测量与无线传感器组合定位方法：
a. 在地下通道每隔设定的距离（如每隔1公里）处布设锚点，并测出锚点的位置信息，通过实验训练，得出无线信号强度（RSS）与距离的关系曲线，简称RSS曲线。
b. 将组合定位系统固定在运动载体上，通过惯性测量单元测量行进中运动载体的三轴角速度和三轴比力值之后传输给惯性测量处理模块，经惯性测量处理模块进行惯性测量力学编排得到运动载体的位置、速度和姿态，根据这些值预测计算相对于惯性测量单元的距离。
c. 组合定位系统经过非锚点布设区域时，惯性测量单元输出的导航数据进入地下通道反馈模块，修正导航数据，得出位置信息。
d. 组合定位系统经过锚点布设区域时，锚点发射无线电信号和锚点的位置信息，无线信号接收器接收锚点发射的无线电信号，由训练RSS曲线计算接收器和锚点的距离，卡尔曼滤波计算模块接收惯性测量处理模块和无线信号接收器的输出的距离信息，通过多状态卡尔曼滤波计算修正参数，并将修正参数反馈到惯性测量处理模块，惯性测量处理模块接收修正参数，计算导航数据，导航数据输入到地下通道反馈模块，对导航数据进行修正，得出位置信息。
本发明系统与方法，在将惯性测量和无线传感器组合的基础上，通过地下空间地图匹配的方法对组合定位的结果进行纠正，既可提高组合定位的精度，又可增加解算的可靠性。引入了地下通道反馈算法，减小了地下空间定位无线传感器的布设密度，节约了成本，进一步提高了定位精度，增强了数据可靠性。
附图说明
图1是本发明地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统的结构框图。
图2是本发明地下空间惯性测量与无线传感器组合定位方法流程图。
图3是本发明的惯性测量处理模块的数据流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统，包括惯性测量单元1、惯性测量处理模块2、无线信号接收器3、卡尔曼滤波计算模块4、地下通道反馈模块5和电源模块。
所述惯性测量单元1，包括MEMS陀螺仪11、MEMS加速度计12和温度传感器13，三者的输出的角度率、加速度和温度的二进制信号经滤波器14滤波去除误差，再经过同步化模块15使不同传感器的观测值实现时间同步，然后经A/D转换模块进行模数转换，输入至惯性测量处理模块2。
无线信号接收器3采用WLAN信号接收器，其中，无线信号接收模块31接收锚点6发射的无线电信号，经信号消噪模块32消噪处理，由距离运算模块计算无线信号接收器3和锚点6的距离。
惯性测量处理模块2与无线信号接收器3分别连接卡尔曼滤波计算模块4，地下通道反馈模块5与惯性测量处理模块2相连，卡尔曼滤波计算模块4同时接收惯性测量处理模块2和无线信号接收器3的输出信号，通过多状态卡尔曼滤波计算，修正惯性测量处理模块2和无线信号接收器3参数，将修正的参数反馈到惯性测量处理模块2和无线信号接收器3，惯性测量处理模块2接收卡尔曼滤波计算模块4反馈的修正参数后得到组合导航数据，导航数据输入到地下通道反馈模块5中。
如图2所示，本发明地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统，按照本发明提出的定位方法，对矿井井下巷道的车辆进行定位测量，具体过程如下：
a. 在矿井井下巷道每隔1公里处布设锚点，锚点一般设置在巷道的侧壁的上方位置，锚点上安装无线信号发射器，并测出锚点的位置信息，通过实验训练，得出无线信号强度与距离的关系曲线。
b. 将组合定位系统固定在井下运输车辆上，通过惯性测量单元测量行进中井下运输车辆的三轴角速度和三轴比力值之后传输给惯性测量处理模块，经惯性测量处理模块进行惯性测量力学编排得到运动载体的位置、速度和姿态，根据这些值预测计算相对于惯性测量单元的距离，惯性测量力学编排计算如图2所示，由加速度计提供载体坐标系中的比力测量值，陀螺仪提供载体坐标系中角速度的测量值，当给定导航初始时刻载体的姿态估值后，根据相对于惯性坐标系的载体角速度的测量值，姿态计算得到方向余弦矩阵。通过比力测量值左乘方向余弦矩阵，得到导航坐标系中比力值。利用得到的，在速度和位置初始估值的基础上，综合重力计算得到的当地重力矢量和哥氏校正信息经导航计算得到载体的位置和速度及新的哥氏改正，位置信息通过重力计算得到新的当地重力矢量，利用可以提取载体的姿态、航向信息。得到的载体位置、速度、姿态、当地重力矢量和哥氏校正信息作为下一次计算的初始值，直至得到最终时刻载体位置、速度和姿态。
c. 井下运输车辆经过非锚点布设区域时，惯性测量单元输出的导航数据进入地下通道反馈模块，修正导航数据，得出位置信息。
d. 井下运输车辆经过锚点布设区域时，锚点发射无线电信号和锚点的位置信息，无线信号接收器接收锚点发射的无线电信号，由步骤a中得到的关系曲线计算接收器和锚点的距离，卡尔曼滤波计算模块接收惯性测量处理模块和无线信号接收器的输出的距离信息，通过多状态卡尔曼滤波计算修正参数，并将修正参数反馈到惯性测量处理模块，惯性测量处理模块接收修正参数，计算导航数据，导航数据输入到地下通道反馈模块，对导航数据进行修正，得出位置信息。

Claims (4)

1.一种地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统，包括惯性测量单元（1）、惯性测量处理模块（2）、无线信号接收器（3）、卡尔曼滤波计算模块（4）、地下通道反馈模块（5）和电源模块，其特征是：所述惯性测量单元（1）的输出端与惯性测量处理模块（2）相连，惯性测量处理模块（2）与无线信号接收器（3）分别连接卡尔曼滤波计算模块（4），地下通道反馈模块（5）与惯性测量处理模块（2）相连，卡尔曼滤波计算模块（4）同时接收惯性测量处理模块（2）和无线信号接收器（3）的输出信号，通过多状态卡尔曼滤波计算，修正惯性测量处理模块（2）和无线信号接收器（3）参数，将修正的参数反馈到惯性测量处理模块（2）和无线信号接收器（3），惯性测量处理模块（2）接收卡尔曼滤波计算模块（4）反馈的修正参数后得到组合导航数据，导航数据输入到地下通道反馈模块（5）中。
2.根据权利要求1所述的地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统，其特征在于：所述惯性测量单元（1），包括陀螺仪（11）、加速度计（12）和温度传感器（13），三者的输出连接滤波器（14）和同步化模块（15），再经A/D转换模块（16）进行模数转换后输出。
3.根据权利要求1所述的地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统，其特征在于：所述卡尔曼滤波计算模块（4）为采用紧耦合算法的卡尔曼滤波计算模块。
4.一种使用权利要求1、2或3所述地下空间惯性测量与无线传感器组合定位系统进行地下空间组合定位的方法，包括如下步骤：
a. 在地下空间通道每隔设定的距离处布设锚点，并测出锚点的位置信息；
b. 将组合定位系统固定在运动载体上，通过惯性测量单元（1）测量行进中运动载体的三轴角速度和三轴比力值之后传输给惯性测量处理模块（2），经惯性测量处理模块（2）进行惯性测量力学编排得到运动载体的位置、速度和姿态，根据这些值预测计算相对于惯性测量单元（1）的距离；
c. 组合定位系统经过非锚点布设区域时，惯性测量单元（1）输出的导航数据进入地下通道反馈模块，修正导航数据，得出位置信息；
d. 组合定位系统经过锚点布设区域时，锚点（6）发射无线电信号和锚点的位置信息，无线信号接收器（2）接收锚点发射的无线电信号，计算接收器和锚点的距离，卡尔曼滤波计算模块（4）接收惯性测量处理模块（3）和无线信号接收器（2）的输出的距离信息，通过多状态卡尔曼滤波计算修正参数，并将修正参数反馈到惯性测量处理模块（2），惯性测量处理模块（2）接收修正参数，计算导航数据，导航数据输入到地下通道反馈模块（5），对导航数据进行修正，得出位置信息。
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