CN107238384A - 一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，该系统是一种以惯性导航和计步零速修正算法融合的导航系统为基础，以卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统为辅的多模式协同三维立体智能精准导航定位系统；本发明采用并行实时操作系统实现任务调度，以实时计步零速修正算法校正惯导系统速度、位置误差为主，智能选择多种融合定位技术中功耗最低，并满足精度要求的导航方法校准系统的位置误差，实现了个人室内外无缝三维立体精准定位；本发明采用芯片级电路设计，将各导航分系统集成封装成贴片设备，便于进行嵌入式开发；本发明在军事领域为单兵作战、警察执勤、消防、抢险救灾等提供更高级别的安全保障，在民用领域如商场、机场、车站、停车场、园区、景区、博物馆、养老院、医院等场所帮助用户快速规划目标路线，与用户进行实时互动，进行精准引导定位，增强了用户体验，大大提高了效率，具有较高的应用价值。

Description

一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统
技术领域
本发明属于复杂环境下组合导航技术领域，尤其涉及一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统。
背景技术
近年来，行人导航(PedestrianNavigation，PN)作为导航技术应用的新兴领域，正越来越受到各国学者的重视，并逐渐成为该领域的研究热点。然而在大型商场、超市、隧道、仓库、地下停车场等室内环境下，外界无线电信号微弱、电磁干扰强烈等因素都会对目标行人导航信息获取的准确性、实时性及鲁棒性有很大影响。如何将室内环境下获取的有限信息进行有效的融合以消除室内复杂环境影响，并且保证行人在室内外不同的环境中可以实现无缝衔接，保证导航精度的持续稳定，具有重要的科学理论意义和实际应用价值。
在现有的定位方式中，全球卫星导航系统(GNSS)是最为常用的一种方式。虽然GNSS能够通过精度持续稳定的位置信息，但是其易受电磁干扰、遮挡等外界环境影响的缺点限制了其应用范围，特别是在室内、地下巷道等一些密闭的、环境复杂的场景，GNSS信号被严重遮挡，无法进行有效的工作。近年来，无线传感网络(WSN)以其低成本、低功耗和低系统复杂度的特点在短距离局部定位领域表现出很大的潜力。学者们提出将基于无线传感网络(WSN)的目标跟踪应用于GNSS失效环境下的行人导航。这种方式虽然能够实现室内定位，但是由于室内环境复杂多变，WSN信号十分容易受到干扰而导致定位精度下降甚至失锁；与此同时，目前的导航定位精度为米级，不能保证对室内行人高精度的导航需求；除此之外，由于WSN采用的通信技术通常为短距离无线通信技术，因此若想完成大范围的室内目标跟踪定位，需要大量的网络节点共同完成，这必将引入网络组织结构优化设计、多节点多簇网络协同通信等一系列问题。因此现阶段基于WSN的目标跟踪在室内导航领域仍旧面临很多挑战。为了克服上述两种导航方法需要参考节点并容易产生失锁的缺点，学者们提出将惯性测量单元(IMU)应用于小区域目标跟踪领域。IMU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
本发明的目的是：针对现有个人导航系统定位模式单一、精度较低、覆盖范围较小、可靠性较低等缺点，克服现有技术的不足，提供一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统；所述智能导航系统是一种以惯性导航和计步零速修正算法融合的导航系统为基础，以卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统为辅的多模式协同三维立体智能导航系统；所述智能导航系统包括下位机系统和上位机系统；所述下位机系统包括中央控制器系统、智能惯性导航系统、卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统和无线数据发送系统；所述上位机系统包括无线数据接收系统、接口模块和第三方设备；所述智能导航系统采用并行实时操作系统实现任务调度，以实时计步零速修正算法校正惯导系统速度、位置误差为主，智能选择多种融合定位技术中功耗最低，并满足精度要求的导航方法校准系统的位置误差；所述智能导航系统实现了个人室内外无缝三维立体精准定位；所述智能导航系统采用芯片级电路设计，将各导航分系统集成封装成贴片设备，便于进行嵌入式开发。
本发明包括如下技术方案：
一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统是一种以惯性导航和计步零速修正算法融合的导航系统为基础，以卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统为辅的多模式协同三维立体智能导航系统；所述智能导航系统包括下位机系统和上位机系统；所述下位机系统包括中央控制器系统、智能惯性导航系统、卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统和无线数据发送系统；所述上位机系统包括无线数据接收系统、接口模块和第三方设备；所述中央控制器系统包括多模式协同导航数据融合系统和智能决策系统；所述智能惯性导航系统包括导航信号采集系统、姿态/速度/位置解算系统、航向解算系统、高度解算系统、步态检测系统、零速修正系统和数据融合系统；所述卫星导航系统包括卫星信号接收系统和卫星信号处理系统；所述无线传感网络定位系统包括无线传感网络信号接收系统和无线传感网络信号处理系统；所述智能导航系统采用并行实时操作系统实现任务调度，以实时计步零速修正算法校正惯导系统速度、位置误差为主，智能选择多种融合定位技术中功耗最低，并满足精度要求的导航方法校准系统的位置误差；所述智能导航系统实现了个人室内外无缝三维立体精准定位；所述智能导航系统采用芯片级电路设计，将各导航分系统集成封装成贴片设备，便于进行嵌入式开发。
所述智能导航系统在军事领域为单兵作战、警察执勤、消防、抢险救灾等提供更高级别的安全保障；在智慧商业或机场、火车站等场景中，帮助消费者及乘客快速规划轨迹找到商铺或检票口等目标，进行精准互动营销或方位引导，并将用户行为数据化分析指导销售策略或进行客流监控；在养老类及医护类场景中，可以对老人、护理对象、医生等人员及医疗器材、资产等设备进行实时追踪定位，以提高服务效率；在智慧园区、景区、博物馆、会展等游览类场景中，可以根据游客实时位置规划游览路线，并将周围景点、展品通过手机进行导览播报，增强游览体验；在地下停车场，为用户提供停车、找车定位导航服务，节省时间提高停车场管理效率，提升用户停车体验；在工厂、仓库等场景中需要实现智能仓储管理、生产过程追踪、自动货物搬运、自动对象加工，达到降低成本、提高效率的效果。
本发明与现有技术相比的优点是：
(1)由IMU(陀螺仪和加速度计)解算得出的姿态、速度、位置短时间内具有较高的精度，且不受外界影响，但误差会随着时间的积累而发散；在航向解算系统中，IMU确定的姿态组合磁强计确定的姿态，可以消除IMU姿态误差随时间累积，并且可以抑制外界干扰磁场对磁强计的影响；
(2)在高度解算系统中，IMU解算出的高度误差会快速发散，与气压计组合确定的高度误差较小，精度较高；
(3)惯性导航系统中加入步态检测系统，根据步速为零时，比力和角速度的模值都为零，对IMU解算出的速度和位置误差进行零速修正，可以实现较长时间内的全天候、全地形自主导航，不受外界影响，导航精度较高；
(4)智能惯性导航系统的误差会随时间的积累以及步态检测的误差而缓慢的发散，经过一段时间，需要卫星导航系统来校正惯导系统的误差，智能惯性导航系统和卫星导航系统的组合导航，可以提高导航系统的导航时长及导航精度；
(5)卫星导航系统在室内、地下等较为封闭、复杂的环境中无法获取卫星信号，需要无线传感网络定位系统或者地图匹配导航系统来校正惯导系统的误差，智能惯性导航系统与无线传感网络定位系统或地图匹配导航系统的组合导航，可以实现没有卫星信号情况下的精确导航；
(6)采用无线传感器网络定位系统对惯导系统的误差进行校正，大大减少了无线传感网络的网络节点，而且解决了网络组织结构的优化设计以及多节点网络协同通信等一系列复杂的无线传感网络定位技术问题，不但大大降低了成本，而且减少了个人导航系统中定位算法的复杂度，提高了算法的运行效率；
(7)中央控制器系统负责整个智能导航系统的综合控制，多模式协同导航数据融合系统采用并行实时操作系统实现各个分系统任务的调度及导航数据的融合，智能决策系统智能选择多种融合定位技术中功耗最低，并满足精度要求的导航方法校准智能惯性导航系统的误差，从而实现个人室内外无缝三维立体精准定位；
(8)智能导航系统采用芯片级电路设计，将各个导航分系统集成封装成贴片设备，可以装配到鞋、手机、手持式仪器等装备上，便于进行嵌入式开发设计；
(9)智能导航系统在军事领域为单兵作战、警察执勤、消防、抢险救灾等提供更高级别的安全保障，在民用领域如商场、机场、车站、停车场、园区、景区、博物馆、养老院、医院等场所帮助用户快速规划目标路线，与用户进行实时互动，进行精准引导定位，增强了用户体验，大大提高了效率。
附图说明
图1是本发明一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统原理图；
图2是本发明智能惯性导航系统原理图。
图中：
1.下位机系统 2.上位机系统
11.中央控制器系统 12.智能惯性导航系统 13.卫星导航系统
14.无线传感网络定位系统 15.地图匹配导航系统 16.无线数据发送系统
111.多模式协同导航数据融合系统 112.智能决策系统
121.导航信号采集系统 122.姿态/速度/位置解算系统 123.航向解算系统
124.高度解算系统 125.步态检测系统 126.零速修正系统
127.数据融合系统
131.卫星信号接收系统 132.卫星信号处理系统
141.无线传感网络信号接收系统 142.无线传感网络信号处理系统
1211.IMU 1212.磁强计 1213.气压计
1221.姿态解算 1222.速度解算 1223.位置解算
21.无线数据接收系统 22.接口模块 23.第三方设备
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1、图2所示，本发明是一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，本系统是一种以惯性导航和计步零速修正算法融合的导航系统为基础，以卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统为辅的多模式协同三维立体智能导航系统；本发明包括包括下位机系统1和上位机系统2；本发明中的下位机系统1包括中央控制器系统11、智能惯性导航系统12、卫星导航系统13、无线传感网络定位系统14、地图匹配导航系统15和无线数据发送系统16；本发明中的上位机系统2包括无线数据接收系统21、接口模块22和第三方设备23；本发明中的中央控制器系统11包括多模式协同导航数据融合系统111和智能决策系统112；本发明中的智能惯性导航系统12包括导航信号采集系统121、姿态/速度/位置解算系统122、航向解算系统123、高度解算系统124、步态检测系统125、零速修正系统126和数据融合系统127；本发明中的导航信号采集系统121包括IMU 1211、磁强计1212和气压计1213；本发明中的姿态/速度/位置解算系统122包括姿态解算1221、速度解算1222和位置解算1223；本发明中的卫星导航系统13包括卫星信号接收系统131和卫星信号处理系统132；本发明中的无线传感网络定位系统14包括无线传感网络信号接收系统141和无线传感网络信号处理系统142。
本发明中的姿态/速度/位置解算系统122根据IMU 1211中陀螺仪和加速度计采集的导航信号，解算出人体的姿态、速度、位置；速度解算1222根据姿态解算1221得出的横滚角和俯仰角信息，解算得到速度信息；位置解算1223根据速度信息解算得到位置信息；短时间内具有较高的精度，且不受外界影响，能够实现全自主导航；本发明中的航向解算系统123根据磁强计1212输出的三轴磁分量以及姿态解算1221输出的偏航角信息确定人体的姿态，不但可以消除IMU1211姿态误差随时间积累，而且可以抑制外界干扰磁场对磁强计的影响；本发明中的高度解算系统124根据气压计1213输出的高度信息和位置解算1223输出的位置信息组合确定人体的高度信息，可以抑制IMU1211解算出高度误差的发散，高度定位精度较高；本发明中的智能惯性导航系统12中加入步态检测系统125，根据步速为零时，比力和角速度的模值都为零，对IMU1211解算出的速度和位置误差进行零速修正，可以实现个人较长时间内的全天候、全自主导航，不受外界影响，导航精度较高。
本发明中的无线数据发送系统16与无线数据接收系统21实时通信，把下位机系统1解算的数据实时传输给上位机系统2；本发明中的接口模块22把无线数据接收系统21接收的实时数据做转换处理，并通过多种协议与第三方设备23进行交互通信。
本发明中的卫星信号接收系统131接收采集到的卫星信号，通过卫星信号处理系统132进行数据处理，解算得到个人的位置信息。
本发明中的智能惯性导航系统12的误差会随时间的积累以及步态检测的误差而缓慢的发散，经过一段时间，若有卫星信号，则用卫星导航系统13来校正智能惯性导航系统12的误差，可以提高导航系统的导航时长及导航精度。
本发明中的无线传感网络信号接收系统141接收采集到的无线传感网络信号，通过无线传感网络信号处理系统142进行数据处理，解算得到个人的位置信息。
本发明中的卫星导航系统13在室内、地下等较为封闭、复杂的环境中无法获取卫星信号，需要无线传感网络定位系统14或者地图匹配导航系统15来校正智能惯性导航系统12的误差，智能惯性导航系统12与无线传感网络定位系统14或地图匹配导航系统15的组合导航，可以实现没有卫星信号情况下的精确导航。
本发明中的无线传感器网络定位系统14对智能惯性导航系统12的误差进行校正，大大减少了无线传感网络的网络节点，而且解决了网络组织结构的优化设计以及多节点网络协同通信等一系列复杂的无线传感网络定位技术问题，不但大大降低了成本，而且减少了个人导航系统中定位算法的复杂度，提高了算法的运行效率。
本发明中的中央控制器系统11负责基于多模式协同的军民两用智能导航系统的综合控制，多模式协同导航数据融合系统111采用并行实时操作系统实现各个分系统任务的调度及导航数据的融合，以实时计步零速修正算法校正智能惯性导航系统12的速度、位置误差，并通过智能决策系统112智能选择多种融合定位技术中功耗最低，满足精度要求的导航方法校准智能惯性导航系统12的误差，从而实现个人室内外无缝三维立体精准定位。
本发明基于多模式协同的军民两用智能导航系统采用芯片级电路设计，将各个导航分系统集成封装成贴片设备，可以装配到鞋、手机、手持式仪器等装备上，便于进行嵌入式开发设计；本发明在军事领域为单兵作战、警察执勤、消防、抢险救灾等提供更高级别的安全保障；在智慧商业或机场、火车站等场景中，帮助消费者及乘客快速规划轨迹找到商铺或检票口等目标，进行精准互动营销或方位引导，并将用户行为数据化分析指导销售策略或进行客流监控；在养老类及医护类场景中，可以对老人、护理对象、医生等人员及医疗器材、资产等设备进行实时追踪定位，以提高服务效率；在智慧园区、景区、博物馆、会展等游览类场景中，可以根据游客实时位置规划游览路线，并将周围景点、展品通过手机进行导览播报，增强游览体验；在地下停车场，为用户提供停车、找车定位导航服务，节省时间提高停车场管理效率，提升用户停车体验；在工厂、仓库等场景中需要实现智能仓储管理、生产过程追踪、自动货物搬运、自动对象加工，达到降低成本、提高效率的效果。
本发明的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，该系统是一种以惯性导航和计步零速修正算法融合的导航系统为基础，以卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统为辅的多模式协同三维立体智能精准导航定位系统；本发明采用并行实时操作系统实现任务调度，以实时计步零速修正算法校正惯导系统速度、位置误差为主，智能选择多种融合定位技术中功耗最低，并满足精度要求的导航方法校准系统的位置误差，实现了个人室内外无缝三维立体精准定位；本发明采用芯片级电路设计，将各导航分系统集成封装成贴片设备，便于进行嵌入式开发；本发明在军事领域为单兵作战、警察执勤、消防、抢险救灾等提供更高级别的安全保障，在民用领域如商场、机场、车站、停车场、园区、景区、博物馆、养老院、医院等场所帮助用户快速规划目标路线，与用户进行实时互动，进行精准引导定位，增强了用户体验，大大提高了效率，具有较高的应用价值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：由下位机系统1和上位机系统2；
所述下位机系统1由中央控制器系统11、智能惯性导航系统12、卫星导航系统13、无线传感网络定位系统14、地图匹配导航系统15和无线数据发送系统16组成；
所述上位机系统2由无线数据接收系统21、接口模块22和第三方设备23组成；
所述中央控制器系统11由多模式协同导航数据融合系统111和智能决策系统112组成；所述智能惯性导航系统12由导航信号采集系统121、姿态/速度/位置解算系统122、航向解算系统123、高度解算系统124、步态检测系统125、零速修正系统126和数据融合系统127组成；所述导航信号采集系统121由IMU 1211、磁强计1212和气压计1213组成；所述姿态/速度/位置解算系统122由姿态解算1221、速度解算1222和位置解算1223组成；所述卫星导航系统13由卫星信号接收系统131和卫星信号处理系统132组成；所述无线传感网络定位系统14由无线传感网络信号接收系统141和无线传感网络信号处理系统142组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：该系统是一种以惯性导航和计步零速修正算法融合的导航系统为基础，以卫星导航系统、地图匹配导航系统、无线传感网络定位系统为辅的多模式协同三维立体智能导航系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述姿态/速度/位置解算系统122根据IMU 1211中陀螺仪和加速度计采集的导航信号，解算出人体的姿态、速度、位置；速度解算1222根据姿态解算1221得出的横滚角和俯仰角信息，解算得到速度信息；位置解算1223根据速度信息解算得到位置信息；短时间内具有较高的精度，且不受外界影响，能够实现全自主导航。
4.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述航向解算系统123根据磁强计1212输出的三轴磁分量以及姿态解算1221输出的偏航角信息确定人体的姿态，不但可以消除IMU1211姿态误差随时间积累，而且可以抑制外界干扰磁场对磁强计的影响。
5.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述高度解算系统124根据气压计1213输出的高度信息和位置解算1223输出的位置信息组合确定人体的高度信息，可以抑制IMU1211解算出高度误差的发散，高度定位精度较高。
6.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述智能惯性导航系统12中加入步态检测系统125，根据步速为零时，比力和角速度的模值都为零，对IMU1211解算出的速度和位置误差进行零速修正，可以实现个人较长时间内的全天候、全自主导航，不受外界影响，导航精度较高。
7.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述智能惯性导航系统12的误差会随时间的积累以及步态检测的误差而缓慢的发散，经过一段时间，若有卫星信号，则用卫星导航系统13来校正智能惯性导航系统12的误差，可以提高导航系统的导航时长及导航精度。
8.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述卫星信号接收系统131接收采集到的卫星信号，通过卫星信号处理系统132进行数据处理，解算得到个人的位置信息。
9.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述无线传感网络信号接收系统141接收采集到的无线传感网络信号，通过无线传感网络信号处理系统142进行数据处理，解算得到个人的位置信息。
10.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述卫星导航系统13在室内、地下等较为封闭、复杂的环境中无法获取卫星信号，采用无线传感网络定位系统14或者地图匹配导航系统15来校正智能惯性导航系统12的误差，智能惯性导航系统12与无线传感网络定位系统14或地图匹配导航系统15的组合导航，可以实现没有卫星信号情况下的精确导航。
11.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述中央控制器系统11负责基于多模式协同的军民两用智能导航系统的综合控制；多模式协同导航数据融合系统111采用并行实时操作系统实现各个分系统任务的调度及导航数据的融合，以实时计步零速修正算法校正智能惯性导航系统12的速度、位置误差，并通过智能决策系统112智能选择多种融合定位技术中功耗最低，满足精度要求的导航方法校准智能惯性导航系统12的误差，从而实现个人室内外无缝三维立体精准定位。
12.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述无线数据发送系统16与无线数据接收系统21实时通信，把下位机系统1解算的数据实时传输给上位机系统2。
13.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述接口模块22把无线数据接收系统21接收的实时数据做转换处理，并通过多种协议与第三方设备23进行交互通信。
14.根据权利要求1所述的一种基于多模式协同的军民两用智能导航系统，其特征在于：所述基于多模式协同的军民两用智能导航系统采用芯片级电路设计，将各个导航分系统集成封装成贴片设备，可以装配到鞋、手机、手持式仪器等装备上，便于进行嵌入式开发设计。
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