CN110333521A - 一种遥控水面救生机器人冗余定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

一种遥控救生机器人冗余定位系统，在遥控救生机器人中装设有北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块；在远程控制端装有北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块；北斗定位模块和GPS定位模块用于独立获取遥控救生机器人的位置信息；通过北斗通信模块、无线通信模块、北斗接收模块、无线接收模块将位置信息上传至位置计算模块；位置计算模块对北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算，通过显示模块在地图上显示遥控救生机器人位置信息。本发明通过北斗传输通道和无线传输通道相互补充，进行位置信息传输的方式，避免了因某一通道传输终端导致无法获得机器人位置的情况，提高了机器人定位的可靠性性。

Description

一种遥控水面救生机器人冗余定位系统及定位方法

技术领域：

本发明属于遥控救生机器人定位技术领域，具体地涉及基于北斗和GPS卫星定位及通信技术。

背景技术：

遥控救生机器人主要用于落水人员的搜救，现有水面救生机器人基本上只采用遥控控制的方式，未配备定位装置，由于机器人体积较小，抛投至水面后受风浪及机器人运行距离影响，搜救人员肉眼难以实时查看机器人位置，故搜救人员需通过相应的定位及通信技术实时掌握设备位置，便于通过遥控对设备进行操控，从而实现对落水人员的及时搜救。

目前我国普遍采用的室外定位方法多为北斗或GPS卫星定位，定位精度较高，尤其适用于遥控救生机器人工作的水面无遮挡环境。但GPS系统本身不具备通信功能，只能借助其他通信手段，如移动通信网络、无线网络等，由于海面信号强度较差，难以保证位置传输的可靠性。北斗系统可实现定位和通信功能，但实时性受到频度限制。

因此，本发明的主要目的是提供一种可靠性高的、实时性强的定位方法，解决遥控救生机器人的实时定位问题。

发明内容：

为解决现有技术存在的技术问题，即远程操控人员对遥控救生机器人在海面工作时的实时定位问题。本发明公开了一种遥控救生机器人冗余定位系统及定位方法。

为实现上述发明目的，本发明具体采用以下技术方案。

一种遥控救生机器人冗余定位系统，包括北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块、北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块；其特征在于：

在遥控救生机器人中装设有北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块；

在远程控制端装有北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块；

所述北斗定位模块和GPS定位模块用于独立获取遥控救生机器人的位置信息；

所述北斗通信模块将北斗定位模块获取的位置信息发送至远程控制端的北斗接收模块；

所述无线通信模块将GPS定位模块获取的位置信息发送至远程控制端的无线接收模块；

位置计算模块对北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算，将经融合计算后获得的遥控救生机器人的位置信息发送至显示模块；

显示模块将获取的位置经纬度信息与GIS地图进行映射，在地图上显示遥控救生机器人位置信息。

本发明进一步包括以下优选方案。

在远程控制端的北斗接收模块能够对应接收多个遥控救生机器人中的北斗通信模块所发送的遥控救生机器人的位置信息。

在远程控制端的无线接收模块能够对应接收多个遥控救生机器人中的北斗通信模块所发送的遥控救生机器人的位置信息。

本发明还公开了一种遥控救生机器人冗余定位方法，在每一个遥控救生机器人中同时安装北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块，在远程控制端安装北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块；其特征在于，所述冗余定位方法包括以下步骤：

步骤1：北斗定位模块和GPS定位模块独立获取所属遥控救生机器人的位置信息；

步骤2：北斗通信模块将遥控救生机器人的位置信息上传至北斗接收模块，所述无线通信模块将遥控救生机器人的位置信息上传至无线接收模块；

步骤3：位置计算模块对北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算；

其中融合计算主要在位置计算模块中进行，北斗接受模块和无线通信模块接受位置信息后，都会分析出运动状态量，得到运动状态量后根据相关的融合计算逻辑分析出最终期望位置。

按照以下方式将北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算：

(1)北斗接收模块和无线接收通信模块在同一采集周期内分别接收得到N组位置信息离散数据，位置计算模块计算北斗接收模块接收的N组位置信息离散数据平均值为北斗均值EX₁，计算无线接收通信模块接收的N组位置信息离散数据平均值为无线均值EX₂，标准差分别为S₁和S₂，按照切比雪夫公式P{|X-EX|>＝ε，取ε为0.5；

(2)当北斗接收模块得到的N组数据中与北斗均值EX₁相差1个S₁的数目不高于N/2；无线接收模块得到的N组数据中与无线均值EX₂相差1个S₂数目高于N/2时，位置计算模块采用北斗接收模块的数据作为遥控救生机器人的位置信息；

(3)当无线接收模块得到的N组数据中与无线均值EX₂相差1个S₁的数目不高于N/2；北斗接收模块得到N组数据中与北斗均值EX₂相差1个S₂数目高于N/2时，位置计算模块采用无线接收模块得到的数据作为遥控救生机器人的位置信息；

(4)当无线接收模块得到的N组数据中与无线均值EX₁相差1个S₁的数目不高于N/2；北斗接收模块得到N组数据中与北斗均值EX₂相差1个S₂数目也不高于N/2时，按照如下公式(13)和(14)进行计算遥控救生机器人的位置信息：

X＝(X_北斗+X_无线通信)/2 (13)

Y＝(Y_北斗+Y_无线通信)/2 (14)

X、Y为融合计算后的遥控救生机器人在地心直角坐标系中的位置坐标，X_北斗、Y_北斗为北斗定位模块获得的遥控救生机器人位置坐标，X_无线通信、Y_无线通信为GPS定位模块获得的遥控救生机器人位置坐标。

步骤4：显示模块将获取的位置经纬度信息与GIS地图进行映射，在地图上显示遥控救生机器人位置信息。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的遥控救生机器人冗余定位方法可实时获取多个救生机器人的位置信息，能够实现对多个救生机器人的远程实时定位。

本发明的遥控救生机器人冗余定位方法通过增加无线传输通道方式对位置信息进行传输，解决了北斗卫星传输通道时效性差的问题，保证了定位信息的实时性。

本发明的遥控救生机器人冗余定位方法通过北斗传输通道和无线传输通道相互补充，进行位置信息传输的方式，避免了因某一通道传输终端导致无法获得机器人位置的情况，提高了机器人定位的可靠性性。

附图说明：

图1为本发明中遥控救生机器人冗余定位系统的结构框图；

图2为本发明中遥控救生机器人冗余定位方法流程示意图。

具体实施方式：

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

参照图1，遥控救生机器人上装有北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块，远程控制端装有北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块。北斗定位模块和GPS定位模块用于位置信息的获取。北斗通信及接收模块通过卫星以短报文方式进行位置及速度信息的传输。无线通信及接收模块通过无线电的方式进行位置及速度信息的传输。位置计算模块对北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算。显示模块将获取的位置经纬度信息与GIS地图进行映射，在地图上显示遥控救生机器人位置信息。

显示模块可同时对多个遥控救生机器人位置进行实时显示。

在已知落水者具体位置的情况下，系统可提供搜救导航功能。

图2为本发明中遥控救生机器人冗余定位方法流程示意图，遥控救生机器人北斗定位单元接收到北斗卫星定位及速度信息后，通过北斗卫星通道以短报文的形式将其发送至远程遥控端。同时,GPS定位单元接收GPS定位及速度信息后，通过无线电台将其发送至远程遥控端。遥控端若只接收到一个位置信息，则自动使用该位置信息，若可同时接收到两个位置信息，则对其进行融合计算，得出救生机器人当前位置及速度。显示模块在GIS地图上标注本机位置及救生机器人位置。远程遥控端可同时显示多台救生机器人位置。具体包括以下步骤：

步骤1：北斗定位模块和GPS定位模块独立获取所属遥控救生机器人的位置信息；

步骤2：北斗通信模块将遥控救生机器人的位置信息上传至北斗接收模块，所述无线通信模块将遥控救生机器人的位置信息上传至无线接收模块；

步骤3：位置计算模块对北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算。

其中北斗和无线定位获取位置的主要算法如下：

地球并非是真正的标准球体，为了提高定位精度，利用椭球体近似球体的方法，理论计算表明，当一个椭圆绕着地球的南北极形成的椭球体，并且是子午椭圆，这个椭圆可以用来代替球体，也就是可以替代大地水准面，即GFS-84椭球体是可以满足计算要求的椭球体，所以在进行计算时，可以利用这个椭球体将大地坐标系与地心直角坐标系进行转换。

利用高斯投影正算公式，由获取的大地坐标(L，B)计算高斯平面坐标(x，y)如下：(需要修改公式中的笔误，等式右边第3个式子是sinB)

其中：角度都为弧度，x轴是投影轴子午线，方向指向北方，在导航应用中将根据需要对x，y轴坐标进行互，L为点的经度，B为点的纬度。

基本椭球参数：椭球长半轴α，椭球扁率f，椭球短半轴：

b＝a(1-f) (3)

在WGS-84参考椭球体中，a＝6378137，b＝6356752.3142451，f＝0.003352810664

椭球第一偏心率：

椭球第二偏心率：

B为点的纬度，l″＝L-L₀，L为点的经度，L₀为中央子午线经度；

N为子午圈曲率半径:

t＝tanB (7)

η²＝e′²cos²B (8)

其中X为子午线弧长：

a₀,a₂,a₄,a₆,a₈为基本常量，按如下公式计算：(各公式中都没出现a₈，如果确实没用到，建议删除)

m₀,m₂,m₄,m₆,m₈为基本常量，按如下公式计算：

由式(1)和式(2)计算出的(X,Y)坐标为地心直角坐标系坐标，从而得到定位系统的实时坐标。

无论是北斗还是无线系统都是按照此方法进行计算得出最终的位置信息，位置计算模块在此基础上进行位置分析，按照如下算法进行数据融合:

北斗模块和无线通信模块同一采集周期内得到N组离散数据，其中两组数据的平均值分别为EX₁和EX₂，标准差为S₁和S₂按照切比雪夫公式P{|X-EX|>＝ε，取ε为0.5。将两组数据按照上述分析进行比较

(1)当北斗模块得到的N组数据中与平均值EX₁相差1个S₁的数目不高于N/2；无线通信方式得到N组数据中与平均值EX₂相差1个S₂数目高于N/2时，采用北斗位置计算模块的位置信息。

(2)当无线通信模块得到的N数据中与平均值EX₁相差1个S₁的数目不高于N/2；北斗通信方式得到N数据中与平均值EX₂相差1个S₂数目高于N/2时，采用无线通信位置计算模块的位置信息。

(3)当无线通信模块得到的N数据中与平均值EX₁相差1个S₁的数目不高于N/2；北斗通信方式得到N数据中与平均值EX₂相差1个S₂数目也不高于N/2时，按照如下公式13和14进行计算。

X＝(X_北斗+X_无线通信)/2 (13)

Y＝(Y_北斗+Y_无线通信)/2 (14)

步骤4：显示模块将获取的位置经纬度信息与GIS地图进行映射，在地图上显示遥控救生机器人位置信息。

Claims (7)

1.一种遥控救生机器人冗余定位系统，包括北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块、北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块；其特征在于：

在遥控救生机器人中装设有北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块；

在远程控制端装有北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块；

所述北斗定位模块和GPS定位模块用于独立获取遥控救生机器人的位置信息；

所述北斗通信模块将北斗定位模块获取的位置信息发送至远程控制端的北斗接收模块；

所述无线通信模块将GPS定位模块获取的位置信息发送至远程控制端的无线接收模块；

位置计算模块对北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算，将经融合计算后获得的遥控救生机器人的位置信息发送至显示模块；

显示模块将获取的位置经纬度信息与GIS地图进行映射，在地图上显示遥控救生机器人位置信息。

2.根据权利要求1所述的遥控救生机器人冗余定位系统，其特征在于：

在远程控制端的北斗接收模块能够对应接收多个遥控救生机器人中的北斗通信模块所发送的遥控救生机器人的位置信息。

3.根据权利要求2所述的遥控救生机器人冗余定位系统，其特征在于：

在远程控制端的无线接收模块能够对应接收多个遥控救生机器人中的北斗通信模块所发送的遥控救生机器人的位置信息。

4.一种遥控救生机器人冗余定位方法，在每一个遥控救生机器人中同时安装北斗定位模块、GPS定位模块、北斗通信模块、无线通信模块，在远程控制端安装北斗接收模块、无线接收模块、位置计算模块和显示模块；其特征在于，所述冗余定位方法包括以下步骤：

步骤1：北斗定位模块和GPS定位模块独立获取所属遥控救生机器人的位置信息；

步骤2：北斗通信模块将遥控救生机器人的位置信息上传至北斗接收模块，所述无线通信模块将遥控救生机器人的位置信息上传至无线接收模块；

步骤3：位置计算模块对北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算；

步骤4：显示模块将获取的位置经纬度信息与GIS地图进行映射，在地图上显示遥控救生机器人位置信息。

5.根据权利要求4所述的遥控救生机器人冗余定位方法，其特征在于：

在步骤2中，在远程控制端的北斗接收模块对应接收多个遥控救生机器人中的北斗通信模块所发送的遥控救生机器人的位置信息离散数据；

在远程控制端的无线接收模块对应接收多个遥控救生机器人中的北斗通信模块所发送的遥控救生机器人的位置信息离散数据。

6.根据权利要求4或5所述的遥控救生机器人冗余定位方法，其特征在于：

在步骤3中，北斗接收模块和无线接收模块接受位置信息后，分析出运动状态量，得到运动状态量后根据相关的融合计算逻辑分析出最终期望位置。

7.根据权利要求4或5所述的遥控救生机器人冗余定位方法，其特征在于：

在步骤3中，按照以下方式将北斗、无线双通道接收到的位置信息进行融合计算：

(1)北斗接收模块和无线接收通信模块在同一采集周期内分别接收得到N组位置信息离散数据，位置计算模块计算北斗接收模块接收的N组位置信息离散数据平均值为北斗均值EX₁，计算无线接收通信模块接收的N组位置信息离散数据平均值为无线均值EX₂，标准差分别为S₁和S₂，按照切比雪夫公式P{|X-EX|>＝ε，取ε为0.5；

(2)当北斗接收模块得到的N组数据中与北斗均值EX₁相差1个S₁的数目不高于N/2；无线接收模块得到的N组数据中与无线均值EX₂相差1个S₂数目高于N/2时，位置计算模块采用北斗接收模块的数据作为遥控救生机器人的位置信息；

(3)当无线接收模块得到的N组数据中与无线均值EX₂相差1个S₁的数目不高于N/2；北斗接收模块得到N组数据中与北斗均值EX₂相差1个S₂数目高于N/2时，位置计算模块采用无线接收模块得到的数据作为遥控救生机器人的位置信息；

(4)当无线接收模块得到的N组数据中与无线均值EX₁相差1个S₁的数目不高于N/2；北斗接收模块得到N组数据中与北斗均值EX₂相差1个S₂数目也不高于N/2时，按照如下公式(13)和(14)进行计算遥控救生机器人的位置信息：

X＝(X_北斗+X_无线通信)/2 (13)

Y＝(Y_北斗+Y_无线通信)/2 (14)

X、Y为融合计算后的遥控救生机器人在地心直角坐标系中的位置坐标，X_北斗、Y_北斗为北斗定位模块获得的遥控救生机器人位置坐标，X_无线通信、Y_无线通信为GPS定位模块获得的遥控救生机器人位置坐标。