CN108267136A - 一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统。该系统主要包括多传感器模块，GPS定位及解算模块和移动客户端模块。首先借助加速度计、陀螺仪与磁罗盘一起来实现航向角的估计；其次利用GPS定位数据，进行GPS和多传感器数据的融合解算，通过移动客户端完成路径显示功能；最后通过移动客户端将路径导航数据发送给系统后台，系统后台可下达指令通过移动客户端自助引导人员巡检。本发明通过使用多传感器联合测量，利用加速度计、陀螺仪与磁罗盘一起来实现航向角的估计，同时利用GPS数据辅助定位定姿，提高导航路径精度，本发明具有精度高、抗干扰能力强的特点，可实现自助引导巡检。

Description

一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统

技术领域

本发明属于通信铁塔维护技术领域，特别是涉及一种基于多个传感器的自助引导巡检方法。

背景技术

目前任务巡检主要由人工独立完成，不能实时监测巡检人员路径，并对巡检人员进行自助引导，为此提出基于多传感器的任务巡检客户端，实现自助引导巡检。

发明内容

本发明的技术解决问题是：通过多传感器数据融合实现导航路径实时显示，通过移动客户端实现与系统后台之间数据通信，设计一种基于多传感器的自助引导巡检系统。

基于物联网的巡检终端的整体系统架构如图2所示。系统硬件部分包括通信模块和多传感器模块，传感设备的通信模块与系统后台进行实时通信；系统软件部分包括系统数据库、数据处理平台和数据管理发布平台，其中系统数据库接收来自传感设备的传感数据并保存所有系统日志，数据处理平台调取系统数据库中的数据进行处理和分析，数据管理发布平台接收数据处理平台的数据处理结果和系统数据库中的相应记录进行管理和发布；系统后台包括管理设备和客户端，管理设备包括但不限于工作站、电脑等设施，客户端包括但不限于APP、微信、Html网页等形式；本系统的应用人员包括但不限于管理人员和维护人员，其接口分别为管理设备和客户端。

本发明技术解决方案是：一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统，实现步骤如下：

(1)多传感器模块，包含加速度计、陀螺仪与磁罗盘传感器，一起来实现航向角的估计，避免长时间航向角的发散。

(2)GPS定位及解算模块，利用GPS定位数据，和实时加速度计、陀螺仪、磁罗盘数据进行数据融合解算，得到路径导航数据。

(3)移动客户端模块，可以在系统数据库内实时显示当前巡检路径，实时路径导航数据和后台系统进行数据通信。

所述步骤(1)中使用加速度计、陀螺仪与磁罗盘传感器实现航向角的估计，具体步骤如下：

基于三轴加速度计在静止状态或匀速状态通过检测重力加速度，可确定载体的姿态角，即俯仰角和横滚角。三轴加速度计三个轴感测的重力加速度可记为：

载体静止状态下，加速度计检测的重力加速度不因航向角的变化发生改变，转换矩阵为：

在地理坐标系下，加速度计的输出为：

fⁿ＝[0 0 g]^T

将坐标系转换矩阵代入，即

已知加速度计的输出，得到俯仰角和横滚角，计算公式如下：

基于地球的地磁场，且磁场方向由南指北，则可利用磁罗盘检测的磁场估计磁北向。三轴磁罗盘感测的地球磁场可记为：

将由加速度计得到的姿态角代入可确定地磁场的水平磁分量为：

由三角函数关系确定载体与地球磁北向的夹角，即绝对航向角y为：

由上述推导可知，基于加速度计和磁力计可确定横滚角、俯仰角和航向角，见公式

所述步骤(2)中利用GPS定位数据，和实时加速度计、陀螺仪、磁罗盘数据进行数据融合解算，得到路径导航数据，具体建模步骤如下：

①状态方程

系统的状态变量为：X(t)＝[(X_a(t))^T,(X_e(t))^T]^T，其中

X_a(t)＝[δL δλ δh δv_E δv_N δv_U δq₀ δq₁ δq₂ δq₃]^T

系统的状态方程为：

式中，系数矩阵F_a(t)；系统噪声转移矩阵G(t)和F_e(t)表达式如下：

系统噪声：其中变量分别为加速度计和陀螺仪的随机误差。

系统噪声方差阵：其中变量分别为加速度计和陀螺仪的随机误差协方差。

②量测方程

取系统解算的位置、速度与GPS输出的位置、速度之差作为量测值，即：

z₁(t)＝P_SINS-P_GPS＝δP-δP_GPS

z₂(t)＝V_SINS-V_GPS＝δV-δV_GPS

式中：P＝[L λ h]^T，δP＝[δL δλ δh]^T，下标表示状态所属的系统。

由于经纬度误差均用弧度表示，数值很小，易引起滤波数值的不稳定，故采用如下公式，把误差单位由弧度转换成米，即：

由SINS姿态计算得到的ox_by_bz_b下的三轴磁场强度为：

式中，为ox_ny_nz_n的三维磁场强度。

取SINS计算得到的ox_by_bz_b下的三轴磁场强度与磁强计输出的磁场强度之差作为量测值，即：

式中：δM_MMC为三轴磁强计的磁感应误差，H₀是当地地磁场水平强度，α是磁偏角，β是磁倾角。

则量测方程写成：

式中：Z(t)为观测矢量，h(X(t))为非线性部分，H(t)＝[D_3×3 I_3×3]为量测矩阵，其中D_3×3(t)＝diag[R_M R_NcosL 1]；υ(t)为量测噪声矢量。

本发明的方法和系统具有以下两个优点：

(1)采用加速度计、陀螺仪与磁罗盘等多传感器传感器，可以提高系统航向角精度。

(2)采用GPS/多传感器数据进行融合解算，可以实现导航路径实时输出和显示。

附图说明

图1为本发明的应用场景示意图；

图2为本发明的应用系统框图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

本发明涉及的基于多传感器的自助引导巡检方法和系统，如图1所示。在移动客户端集成多传感器和GPS定位系统，通过数据处理平台实现数据融合处理，并在移动客户端实时显示路径；通过通信模块实现移动客户端和系统后台之间的通信，通过应用人员引导，或通过指令方式自助引导巡检人员进行工作。

基于物联网的巡检终端的整体系统架构如图2所示。系统硬件部分包括通信模块和多传感器模块，传感设备的通信模块与系统后台进行实时通信；系统软件部分包括系统数据库、数据处理平台和数据管理发布平台，其中系统数据库接收来自传感设备的传感数据并保存所有系统日志，数据处理平台调取系统数据库中的数据进行处理和分析，数据管理发布平台接收数据处理平台的数据处理结果和系统数据库中的相应记录进行管理和发布；系统后台包括管理设备和客户端，管理设备包括但不限于工作站、电脑等设施，客户端包括但不限于APP、微信、Html网页等形式；本系统的应用人员包括但不限于管理人员和维护人员，其接口分别为管理设备和客户端。

本发明提出的一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统，包括多传感器模块，GPS定位及解算模块，移动客户端模块。

(1)多传感器模块，包含加速度计、陀螺仪与磁罗盘传感器，一起来实现航向角的估计，避免长时间航向角的发散。

基于三轴加速度计在静止状态或匀速状态通过检测重力加速度，可确定载体的姿态角，即俯仰角和横滚角。三轴加速度计三个轴感测的重力加速度可记为：

载体静止状态下，加速度计检测的重力加速度不因航向角的变化发生改变，转换矩阵为：

在地理坐标系下，加速度计的输出为：

fⁿ＝[0 0 g]^T

由坐标系转换矩阵的定义得。将坐标系转换矩阵代入，即

已知加速度计的输出，得到俯仰角和横滚角，计算公式如下：

基于地球的地磁场，且磁场方向由南指北，则可利用磁罗盘检测的磁场估计磁北向。三轴磁罗盘感测的地球磁场可记为：

将由加速度计得到的姿态角代入可确定地磁场的水平磁分量为：

由三角函数关系确定载体与地球磁北向的夹角，即绝对航向角y为：

由上述推导可知，基于加速度计和磁力计可确定横滚角、俯仰角和航向角，见公式

(2)GPS定位及解算模块，利用GPS定位数据，和实时加速度计、陀螺仪、磁罗盘数据进行数据融合解算，得到路径导航数据。

①状态方程

系统的状态变量为：X(t)＝[(X_a(t))^T,(X_e(t))^T]^T，其中

X_a(t)＝[δL δλ δh δv_E δv_N δv_U δq₀ δq₁ δq₂ δq₃]^T

系统的状态方程为：

式中，系数矩阵F_a(t)；系统噪声转移矩阵G(t)和F_e(t)表达式如下：

系统噪声：其中变量分别为加速度计和陀螺仪的随机误差。

系统噪声方差阵：其中变量分别为加速度计和陀螺仪的随机误差协方差。

②量测方程

取系统解算的位置、速度与GPS输出的位置、速度之差作为量测值，即：

z₁(t)＝P_SINS-P_GPS＝δP-δP_GPS

z₂(t)＝V_SINS-V_GPS＝δV-δV_GPS

式中：P＝[L λ h]^T，δP＝[δL δλ δh]^T，下标表示状态所属的系统。

由于经纬度误差均用弧度表示，数值很小，易引起滤波数值的不稳定，故采用如下公式，把误差单位由弧度转换成米，即：

由SINS姿态计算得到的ox_by_bz_b下的三轴磁场强度为：

式中，为ox_ny_nz_n的三维磁场强度。

取SINS计算得到的ox_by_bz_b下的三轴磁场强度与磁强计输出的磁场强度之差作为量测值，即：

式中：δM_MMC为三轴磁强计的磁感应误差，H₀是当地地磁场水平强度，α是磁偏角，β是磁倾角。

则量测方程写成：

式中：Z(t)为观测矢量，h(X(t))为非线性部分，H(t)＝[D_3×3 I_3×3]为量测矩阵，其中D_3×3(t)＝diag[R_M R_NcosL 1]；υ(t)为量测噪声矢量。

(3)移动客户端模块，可以在系统数据库内实时显示当前巡检路径，实时路径导航数据和后台系统进行数据通信。

实时获取的导航路径数据可在移动客户端屏幕上实时显示，提示巡检人员当前走过的路径，路径颜色使用绿色标识。移动客户端可将路径数据传送给后台，后台工作人员可实时监控当前巡检人员的位置。后台应用人员可下达多个巡检目的，并形成新的导航路径传送给巡检人员，新的巡检路线使用红色标识显示在移动客户端上。巡检人员可根据当前路径引导，自助完成巡检工作。

Claims (4)

1.一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统，其特征在于包括多传感器模块，GPS定位及解算模块，移动客户端模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统，其特征在于：所述多传感器模块包含加速度计、陀螺仪与磁罗盘传感器，一起来实现航向角的估计，避免长时间航向角的发散。

3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统，其特征在于：所述GPS定位及解算模块利用GPS定位数据，和加速度计、陀螺仪、磁罗盘实时数据进行数据融合解算，得到路径导航数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的自助引导巡检方法及系统，其特征在于：所述移动客户端模块可以在系统数据库内实时显示当前巡检路径，实时路径导航数据和后台系统进行数据通信。