CN106898249B - 一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建方法 - Google Patents
一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建方法，属于灾后重建装置领域，包括空中探测装置和陆地探测装置；所述空中探测装置包括飞行器、双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块；所述陆地探测装置包括运载体、陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块；其中，空中探测装置与陆地探测装置通过紫蜂通讯模块通讯连接。将空中探测装置与陆地探测装置通过自主通讯进行互联，能迅速获得灾后地图及待救信息，有效节约人力，并缩短探测时间，显著提高救援效率。
Description
技术领域
本发明属于灾后重建装置领域，尤其涉及的是一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建系统及其构建方法。
背景技术
近年来，国内外频发的地震灾害给社会带来了严重的人员伤亡和经济损失。而当灾害发生后，通信基站遭到破坏，使得灾区通信中断，成为与世隔绝的“信息孤岛”，在此条件下救援工作很难开展。据统计：四川芦山地震中所有应急通信的修复工作长达56小时，不仅如此，汶川地震中成都指挥部从地震发生到第一次收到震中消息也已经过去了60小时。这段因通信时效而无法开展勘测与救援的时间就是盲区时间，而灾害所造成的损失每分每秒都在增加，如何充分利用这段盲区时间成为灾后地图构建与救援的重难点。
机器人在灾后救援方面受到越来越多的关注，它可以代替人类到达恶劣的环境中进行工作，但现阶段灾后救援机器人控制方式单一，均为人工控制，且依赖于良好的通信条件。地震发生后，通信设备受到极大的损毁，通信系统遭受的破坏十分严重，居所、通信机房、基站、程控交换、传输、电源等设备、设施以及光缆、电缆等传输线路无一幸免，所以在这种情况下，实现灾区与外界的通信十分困难，也因此难以实现对传统救援机器人的控制。
发明内容
本发明为了解决现有技术无法及时探测受灾区域信息，搜救时效性差的问题，本发明将空中探测装置与陆地探测装置通过自主通讯进行互联，提供一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建系统，能迅速获得灾后地图及待救信息，有效节约人力，并缩短探测时间，显著提高救援效率。
本发明提供的技术方案如下：
一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建系统，其中，包括空中探测装置和陆地探测装置；所述空中探测装置包括飞行器、双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块；所述陆地探测装置包括运载体、陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块；其中，空中探测装置与陆地探测装置通过紫蜂通讯模块通讯连接。
优选的，在空中探测装置中，所述飞行器搭载双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块；所述双目视觉模块包括至少两个同种异位传感器，采集空中及地面传感信息；所述地图构建模块包括即时定位与地图构建组件；空中导航模块与地图构建模块和飞行器通讯连接。本发明所述双目视觉模块能够通过同种异位传感器获得异位传感信息，经差值计算提高目标标定准确性，促进后续三维点云地图的构建，方便救援人员在救援中短时间内准确标定地标并实施救援。
优选的，在陆地探测装置中，运载体搭载陆地传感模块、地图修订模块和地面导航模块；所述陆地传感模块包括激光测距雷达、里程计、电磁/超声波传感器和摄像头中的至少一种，其采集地面目标传感信息；所述地图修订模块包括即时定位与地图构建组件，并与紫蜂通讯模块通讯连接；陆地导航模块与运载体、地图构建模块和紫蜂通讯模块通讯连接。
本发明所述紫蜂是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。本发明所述紫蜂通讯模块优选包括多个互联的微型传感器，通过位于不同空中和/或陆地探测装置的紫蜂通讯模块的无线电波的接力传播进行信号传递。其实现多探测装置的自组网运行，使陆地探测装置与空中探测装置协同工作，实现本地图构建系统在灾后现场对盲区时间的充分利用，对灾区灾后的环境地图进行实时的构建、存储与定位。
本发明还提供一种采用上述系统进行地图构建的方法，步骤包括：
1)采用陆地探测装置在待测区域通过陆地传感模块进行定位数据采集，同时提取目标点数据；将定位数据发送至陆地导航模块进行自身定位与导航，然后将目标点数据发送至地图构建模块通过传感器数据关联进行地图构建，将地图信息通过紫蜂通讯模块发送至空中探测装置和其他陆地探测装置；
2)然后，根据陆地探测装置和其他空中探测装置所发出地图信息，采用空中探测装置对目标点区域，通过双目视觉模块进行二次信息采集；通过地图构建模块自主筛除无效区域，设定搜救路径，通过紫蜂通讯模块传送发送至陆地探测装置和其他空中探测装置；
3)进一步，陆地探测装置根据接收到的搜救路径对目标点区域进行进一步探测，构建未知区域地图信息，准确探测目标点周边环境信息，于目标点区域锁定目标点位置。
进一步，在陆地探测装置和空中探测装置中，所述地图构建模块和所述地图修订模块通过紫蜂通讯模块实时接收其他探测装置地图信息，根据接收的地图信息与观测数据对自身位置和构建地图进行实时更新。
优选的，在空中探测装置中，采用树莓派控制器对双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块进行集成控制；在陆地探测装置中，采用树莓派控制器对陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块进行集成控制。
优选的，所述空中导航模块和所述地面导航模块采用自主协同定位组件使多探测装置协同定位并规划路径进行自主作业。
进一步，所述空中探测装置和所述陆地探测装置至少设置有三台，包括控制机器人、环境探测机器人和辅助定位机器人，且均设置有超声波接收器和超声波发生器；控制机器人发送并接受超声波，计算距离；环境探测机器人发送超声波进行定位；辅助定位机器人发送并接受超声波，辅助距离计算；
优选的，环境探测机器人和辅助定位机器人通过超声波测得互相间以及与控制机器人间的距离；环境探测机器人和辅助定位机器人中至少有一台机器人处于静止时，通过已知静止的机器人与控制机器人连线偏离控制机器人所处纬线的角度，计算出另一台非控制机器人的位置。
进一步，在所述地图构建模块中，地图构建步骤包括：特征提取、数据关联、状态估计、状态更新以及特征更新，最终更新探测装置位置信息，并通过双目视觉模块或陆地传感模块获得环境信息进行更正；
优选的，双目视觉模块或陆地传感模块包括激光测距单元，所述激光测距单元获得局部环境的点云数据，通过地图导航模块或地图修订模块采用插值对点云数据仅限前处理，把当前局部环境的点云数据在已建立的地图上寻找对应位置进行匹配。其能保证探测装置自身位置数据与激光测距单元数据的匹配性，并获得三维点云地图，方便灾区空中建筑特征的匹配定位，为灾后人员现场标定救援打下基础，进一步缩短救援时间。
本发明综合技术方案及综合效果包括：
本发明通过自组网技术实现地震环境地图实时构建与定位等功能的系统。充分利用了在恢复正常通信之前救援人员不能展开全面勘测工作的这段盲区时间，来进行地图构建，采集灾区环境信息来为救援工作的顺利展开奠定基础，并进行目标定位等工作。
附图说明
图1为本发明实施例地图构建系统及其方法运转流程框图。
图2为本发明实施例地图构建系统协同定位原理示意图。
图3为本发明实施例地图构建系统碰撞后协同定位轨迹示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例主要针对灾后失联区域的迅速实时地图智能构建，帮助救援人员导航救援，发明了一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建系统及其构建方法，该装置及运转流程图如图1所示，
一种针对地震灾区通信失效区域的地图构建系统，其中，包括空中探测装置和陆地探测装置；所述空中探测装置包括飞行器、双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块；所述陆地探测装置包括运载体、陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块；其中，空中探测装置与陆地探测装置通过紫蜂通讯模块通讯连接。
在空中探测装置中，所述飞行器搭载双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块；所述双目视觉模块包括至少两个同种异位传感器，采集空中及地面传感信息；所述地图构建模块包括即时定位与地图构建组件；空中导航模块与地图构建模块和飞行器通讯连接。本实施例所述双目视觉模块能够通过同种异位传感器获得异位传感信息，经差值计算提高目标标定准确性，促进后续三维点云地图的构建，方便救援人员在救援中短时间内准确标定地标并实施救援。
在陆地探测装置中，运载体搭载陆地传感模块、地图修订模块和地面导航模块；所述陆地传感模块包括激光测距雷达、里程计、超声波传感器和摄像头，其采集地面目标传感信息；所述地图修订模块包括即时定位与地图构建组件，并与紫蜂通讯模块通讯连接；陆地导航模块与运载体、地图构建模块和紫蜂通讯模块通讯连接。
本实施例所述紫蜂是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。本实施例所述紫蜂通讯模块优选包括多个互联的微型传感器，通过位于不同空中和陆地探测装置的紫蜂通讯模块的无线电波的接力传播进行信号传递。其实现多探测装置的自组网运行，使陆地探测装置与空中探测装置协同工作，实现本地图构建系统在灾后现场对盲区时间的充分利用，对灾区灾后的环境地图进行实时的构建、存储与定位。
一种采用上述系统进行地图构建的方法，如图1所示，步骤包括：
1)采用陆地探测装置在待测区域通过陆地传感模块进行定位数据采集，同时提取目标点数据；将定位数据发送至陆地导航模块进行自身定位与导航，然后将目标点数据发送至地图构建模块通过传感器数据关联进行地图构建，将地图信息通过紫蜂通讯模块发送至空中探测装置和其他陆地探测装置；
2)然后，根据陆地探测装置和其他空中探测装置所发出地图信息，采用空中探测装置对目标点区域，通过双目视觉模块进行二次信息采集；通过地图构建模块自主筛除无效区域，设定搜救路径，通过紫蜂通讯模块传送发送至陆地探测装置和其他空中探测装置；
3)进一步，陆地探测装置根据接收到的搜救路径对目标点区域进行进一步探测，构建未知区域地图信息，准确探测目标点周边环境信息，于目标点区域锁定目标点位置。
进一步，在陆地探测装置和空中探测装置中，所述地图构建模块和所述地图修订模块通过紫蜂通讯模块实时接收其他探测装置地图信息，根据接收的地图信息与观测数据对自身位置和构建地图进行实时更新。
在空中探测装置中，采用树莓派控制器对双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块进行集成控制；在陆地探测装置中，采用树莓派控制器对陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块进行集成控制。
所述空中导航模块和所述地面导航模块采用自主协同定位组件使多探测装置协同定位并规划路径进行自主作业。
进一步，如图2所示，所述空中探测装置和所述陆地探测装置至少设置有三台，包括控制机器人K、环境探测机器人R1和辅助定位机器人R2，且均设置有超声波接收器和超声波发生器；控制机器人K发送并接受超声波，计算距离；环境探测机器人R1发送超声波进行定位；辅助定位机器人R2发送并接受超声波，辅助距离计算；
环境探测机器人R1和辅助定位机器人R2通过超声波测得互相间以及与控制机器人K间的距离；环境探测机器人R1和辅助定位机器人R2中至少有一台机器人处于静止时，通过已知静止的机器人与控制机器人K连线偏离控制机器人所处纬线的角度，计算出另一台非控制机器人的位置。x轴为控制机器人K所处纬线。
假设控制机器人K与辅助定位机器人R2一开始静止，他们之间的距离可以通过超声传感器获得，且辅助定位机器人R2与x轴的夹角θ2已知，则可以知道R1与x轴的夹角θ1为：
θ1＝θ2+θ3 (1)
可知：
式中：
d1——R1与R2之间的距离；
d2——K与R1之间的距离；
d3——K与R2之间的距离。
由于超声传感器的测量范围有限，而多机器人系统必须向超出范围的区域移动。所以当K与R2准备移动到新的指定位置时，其定位的职责必然要转移给其他机器人，使K或R2与其他机器人的职责互换。只要确保群体内有两台机器人保持不动，通过坐标系的变换，多机器人体系才能不断地完成定位和向前运动。
本实施例采用系统协同定位与探测装置自主定位融合的方法，将上述协同数据用于修订机器人自主定位传感器数据，进行导航定位与地图构建。
如图3所示，本实施例系统中探测装置的传感模块内设置有码盘与电子罗盘，进行自主定位数据采集，并通过地图构建模块与地图修订模块进行数据处理。当探测装置受外力如碰撞作用，位姿被迫改变时，利用协同定位数据进行校正。图3中，“之”字型线为探测装置真实运动轨迹，途径额外物理碰撞发生侧向偏移，空心圆点为探测装置自主定位数据，折线为经协同系统滤波后所得估计轨迹。
进一步，在所述地图构建模块中，地图构建步骤包括：特征提取、数据关联、状态估计、状态更新以及特征更新，最终更新探测装置位置信息，并通过双目视觉模块或陆地传感模块获得环境信息进行更正；
双目视觉模块或陆地传感模块包括激光测距单元，所述激光测距单元获得局部环境的点云数据，通过地图导航模块或地图修订模块采用插值对点云数据仅限前处理，把当前局部环境的点云数据在已建立的地图上寻找对应位置进行匹配。其能保证探测装置自身位置数据与激光测距单元数据的匹配性，并获得三维点云地图，方便灾区空中建筑特征的匹配定位，为灾后人员现场标定救援打下基础，进一步缩短救援时间。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种采用针对地震灾区通信失效区域的地图构建系统进行地图构建的方法，其特征在于，
地图构建系统包括：空中探测装置和陆地探测装置；所述空中探测装置包括飞行器、双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块；所述陆地探测装置包括运载体、陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块；其中，空中探测装置与陆地探测装置通过紫蜂通讯模块通讯连接；
地图构建方法的步骤包括：
1)采用陆地探测装置在待测区域通过陆地传感模块进行定位数据采集，同时提取目标点数据；将定位数据发送至陆地导航模块进行自身定位与导航，然后将目标点数据发送至地图构建模块通过传感器数据关联进行地图构建，将地图信息通过紫蜂通讯模块发送至空中探测装置和其他陆地探测装置；
2)然后，根据陆地探测装置和其他空中探测装置所发出地图信息，采用空中探测装置对目标点区域，通过双目视觉模块进行二次信息采集；通过地图构建模块自主筛除无效区域，设定搜救路径，通过紫蜂通讯模块传送发送至陆地探测装置和其他空中探测装置；
3)进一步，陆地探测装置根据接收到的搜救路径对目标点区域进行进一步探测，构建未知区域地图信息，准确探测目标点周边环境信息，于目标点区域锁定目标点位置。
2.根据权利要求1所述的地图构建方法，其特征在于，在空中探测装置中，所述飞行器搭载双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块；所述双目视觉模块包括至少两个同种异位传感器，采集空中及地面传感信息；所述地图构建模块包括即时定位与地图构建组件；空中导航模块与地图构建模块和飞行器通讯连接。
3.根据权利要求1所述的地图构建方法，其特征在于，在陆地探测装置中，运载体搭载陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块；所述陆地传感模块包括激光测距雷达、里程计、电磁/超声波传感器和摄像头中的至少一种，其采集地面目标传感信息；所述地图构建模块包括即时定位与地图构建组件，并与紫蜂通讯模块通讯连接；陆地导航模块与运载体、地图构建模块和紫蜂通讯模块通讯连接。
4.根据权利要求1所述的地图构建方法，其特征在于，所述紫蜂通讯模块包括多个自组网互联的微型传感器，通过位于不同空中和/或陆地探测装置的紫蜂通讯模块的无线电波的接力传播进行信号传递。
5.根据权利要求1所述的地图构建方法，其特征在于，在陆地探测装置和空中探测装置中，所述地图构建模块和所述地图修订模块通过紫蜂通讯模块实时接收其他探测装置地图信息，根据接收的地图信息与观测数据对自身位置和构建地图进行实时更新。
6.根据权利要求1所述的地图构建方法，其特征在于，
在空中探测装置中，采用树莓派控制器对双目视觉模块、地图修订模块和空中导航模块进行集成控制；
在陆地探测装置中，采用树莓派控制器对陆地传感模块、地图构建模块和地面导航模块进行集成控制。
7.根据权利要求1所述的地图构建方法，其特征在于，所述空中导航模块和所述地面导航模块采用自主协同定位组件使多探测装置协同定位并规划路径进行自主作业。
8.根据权利要求1所述的地图构建方法，其特征在于，在所述地图构建模块中，地图构建步骤包括：特征提取、数据关联、状态估计、状态更新以及特征更新，最终更新探测装置位置信息，并通过双目视觉模块或陆地传感模块获得环境信息进行更正。
9.根据权利要求8所述的地图构建方法，其特征在于，双目视觉模块或陆地传感模块包括激光测距单元，所述激光测距单元获得局部环境的点云数据，通过地图导航模块或地图修订模块采用插值对点云数据仅限前处理，把当前局部环境的点云数据在已建立的地图上寻找对应位置进行匹配。
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