CN111694006A - 一种用于室内无人系统的导航传感系统 - Google Patents

一种用于室内无人系统的导航传感系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111694006A
CN111694006A CN202010474274.XA CN202010474274A CN111694006A CN 111694006 A CN111694006 A CN 111694006A CN 202010474274 A CN202010474274 A CN 202010474274A CN 111694006 A CN111694006 A CN 111694006A
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
navigation
unmanned
information
map
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010474274.XA
Other languages
English (en)
Inventor
余厉阳
蔡旺
郑经维
张鹏飞
施佳仁
徐豪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Dianzi University
Original Assignee
Hangzhou Dianzi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Dianzi University filed Critical Hangzhou Dianzi University
Priority to CN202010474274.XA priority Critical patent/CN111694006A/zh
Publication of CN111694006A publication Critical patent/CN111694006A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/86—Combinations of sonar systems with lidar systems; Combinations of sonar systems with systems not using wave reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/86—Combinations of lidar systems with systems other than lidar, radar or sonar, e.g. with direction finders

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于室内无人系统的导航传感系统。整个系统包括主控制器、地图构建模块，定位模块、导航模块和数据存储模块,其中通过单片机控制地图构建模块，定位模块、导航模块独立工作，数据存储模块用于存储地图构建模块传来的室内地图信息和定位模块传来的无人系统的状态信息、位置信息。所述地图构建模块包括UWB、里程计和激光雷达；所述定位模块包括惯性导航系统和测距系统；所述导航模块包括摄像头和路径规划子模块。本无人系统的导航传感系统集室内地图构建、定位、导航于一体，系统体积小，装置容易，功能完备，在各种场景下均可以得到非常好的使用效果。

Description

一种用于室内无人系统的导航传感系统
技术领域
本发明公开了一种用于室内无人系统的导航传感系统。
背景技术
随着经济社会的快速发展，科学技术的日新月异，秉持科技服务于人的理念，一方面为给人们的室内空间提供更好的定位导航服务，另一方面对于一些不利于人类进入的室内环境，就需要相应的无人系统完成一些必要的操作，因此迫切需要一种室内定位导航技术。
本无人系统主要包括无人机、无人车、机器人等，因其具有体积小、机动性强、操作灵活、成本低廉等特点，可在危险及复杂环境下执行任务，可广泛的应用在侦察、救灾、环境探测等军用和民用领域等环境。如何在复杂室内环境(如高层建筑火灾现场、震后建筑物、塌方矿井等)下实现无人系统的定位导航是该领域的重要研究问题，也是室内导航的关键技术所在。
室内环境是一类典型的复杂任务场景，与大尺度室外空间相比，结构复杂且非结构化，具有封闭三维空间、环境不确定性、无GPS定位信号辅助等特点。因此，在该类环境下实现无人系统的定位导航，要求无人系统在无外部辅助导航设施、自身机载载荷和计算资源有限的情况下，仅采用机载传感器自主确定自身的位置、速度、姿态等运动状态，并利用传感器信息建立环境的三维模型，在此基础上自主完成导航任务。
尽管室内导航需求强烈，传统的导航技术却因各种技术限制，无法满足室内定位要求。比如，目前室外应用最广泛的GPS技术在室内使用时，卫星信号容易被建筑物阻隔，导致无法实现准确定位；尽管手机的无线通讯信号可以穿透多数建筑的墙壁，但移动通信基站的分布密度太低，利用手机无线通讯信号进行定位的精度不足；基于Wi-Fi的定位技术需要了解每一个Wi-Fi热点的准确位置，甚至对每一个Wi-Fi信号强度进行测量，测量成本太高，定位精度难以保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于室内无人系统的导航传感系统，以解决现有的由于室内封闭，无法使用GPS信号实现系统的定位导航，以及对于某些场景，无法预先布置基站实现定位导航的难题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：
一种用于室内无人系统的导航传感系统，包括主控制器、无线传输模块、地图构建模块、定位模块、导航模块和数据存储模块,其中通过主控制器控制地图构建模块，定位模块、导航模块独立工作，通过无线传输模块进行模块之间的数据传输，采用UDP/IP方式进行传输。所述的数据存储模块，用于存储地图构建模块传来的室内地图信息和定位模块传来的无人系统的状态信息、位置信息。
所述的地图构建模块包括UWB、里程计和激光雷达，通过UWB、里程计和激光雷达分别采集无人系统与锚点的距离信息、位姿信息和环境信息；根据距离信息、位姿信息和环境信息，构建顶点-约束图；通过图优化算法对顶点-约束图进行优化，获取优化后的无人系统轨迹数据；通过优化后的无人系统轨迹数据和环境信息构建栅格地图。最后将构建好的地图信息通过无线传输模块发送给数据存储模块进行存储；
所述的定位模块包括惯性导航系统和测距系统，通过惯性导航系统获取无人系统的状态信息，包括陀螺仪和加速度计，通过陀螺仪测量无人系统的回转速度，其测量值的一次积分可求出角度，通过加速度计测量无人系统的加速度，所述的测距系统通过红外线测距和超声波测距可得到该无人系统在室内环境中的位置信息，将无人系统的状态信息、位置信息通过无线传输模块发送给数据存储模块进行存储。
所述的导航模块，包括摄像头和路径规划子模块，首先通过安装在无人系统上的摄像头找到目标，路径规划子模块根据地图构建模块构建的地图确定该目标的位置信息，以无人系统此刻的位置即定位模块采集到的无人系统在室内环境中的位置信息作为坐标原点，建立坐标系，计算目标的具体坐标，使用机器学习算法对两点的坐标进行路径规划，找出最合理的路径，完成导航。
所述的主控制器采用STC89C52单片机。
以上所述的模块可布置在无人机、无人车等无人系统中，均可以得到理想的室内导航结果。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
本无人系统的导航传感系统集室内地图构建、定位、导航于一体，系统体积小，装置容易，功能完备，在各种场景下均可以得到非常好的使用效果。
附图说明
图1为本发明系统模块连接示意图；
图2为本发明地图构建模块示意图；
图3为本发明定位模块示意；
图4为本发明导航模块示意；
图5为本发明激光测距原理图；
图6为本发明无人机仰角计算图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
一种用于室内无人系统的导航传感系统，整个系统包括主控制器、地图构建模块，定位模块、导航模块和数据存储模块,其中通过单片机控制地图构建模块，定位模块、导航模块独立工作，数据存储模块用于存储地图构建模块传来的室内地图信息和定位模块传来的无人系统的状态信息、位置信息。所述地图构建模块包括UWB、里程计和激光雷达；所述定位模块包括惯性导航系统和测距系统；所述导航模块包括摄像头和路径规划子模块。
如图1所示，展示了本发明导航传感系统的总体构造。利用单片机作为主控制器，系统开启后主控制器首先通无线传输模块向地图构建模块发送信号，如图2所示，地图构建模块开始正常工作，通过UWB、里程计和激光雷达分别采集无人系统与锚点的距离信息、位姿信息和环境信息；根据距离信息、位姿信息和环境信息，构建顶点-约束图；通过图优化算法对顶点-约束图进行优化，获取优化后的无人系统轨迹数据；通过优化后的无人系统轨迹数据和环境信息构建栅格地图。最后将构建好的地图信息通过无线传输模块发送给数据存储模块进行存储，并向主控制器发送地图构建已完成的信号，主控制器收到信号后向定位模块发送开启信号，如图3所示，定位模块模块开始正常工作，通过惯性导航传感系统中的陀螺仪与加速度计获取无人系统的角速度，加速度，其中角速度测量值的一次积分可求出角度，具体方法如下：
陀螺仪也称相对测角法，即测量角速度值，通过对其积分累积计算相对于起始方向的偏转角度，
Figure BDA0002515319510000041
其中δ为在t时刻相对起始方向的偏转角度，w为瞬间角速度，t0为起始时刻。
然后测距系统通过红外线测距和超声波测距相结合的方式获取无人系统的在室内环境中的位置信息，对于无人机可利用激光测距获取机头与机尾据地面的距离信息，通过三角函数公式计算出无人机的仰角，将速度信息、状态信息、距离信息(无人机包括仰角)的数据上传到云端进行存储，并向主控制器发送定位模块工作已完成的信号，主控制器收到信号后向导航模块发送开启信号，如图4所示，导航模块开始正常工作，首先通过摄像头找到目标，之后根据构建的室内地图确定该目标的位置信息，通过路径规划子模块以无人系统此刻的位置作为坐标原点，建立坐标系，计算目标的具体坐标，使用机器学习算法对两点的坐标进行路径规划，找出最合理的路径，完成导航。
如图5所示，展示了测距的原理，将红外线测距和超声波测距融合到一个系统中实现测距。具体原理为：发射装置同时发出超声波信号和红外线信号，经过一段时间后，接受装置可接受到超声波和红外线反射回来的信号，计时电路可分别计算出从发送到接受超声波所用的时间t1秒，从发送到接受红外线所用的时间t2秒，声波在空气中的传播速度为340m/s,发射装置与接受装置之间的距离为L,超声波的测量距离为340*t11/2＝170t1米，根据超声波测距得到的实际距离为
Figure BDA0002515319510000042
米，红外线在空气中的传播速度为3*108m/s,根据红外线测距得到的实际距离为1.5*108t2m,通过比较电路对比二者计算值的差值，若相差太大直接丢弃数据，重新测量，在可允许的误差范围内，通过计算二者测量值的均值，可得到更加精确的坐标值，最终本系统与外界目标精确距离为
Figure BDA0002515319510000051
从而得到本系统的精确位置信息。
如图6所示，展示了无人机搭载本系统时仰角的计算方法，通过在机头和机尾安装两个测距模块，通过图4所述的原理可计算出机头与地面的距离为L1,机尾与地面的距离为L2，已知无人机的机身长度为s,根据三角函数公式可计算出无人机仰角的角度为arcsin(L1-L2)/s。

Claims (5)

1.一种用于室内无人系统的导航传感系统，其特征在于，包括主控制器、无线传输模块、地图构建模块、定位模块、导航模块和数据存储模块,其中通过主控制器控制地图构建模块，定位模块、导航模块独立工作，通过无线传输模块进行模块之间的数据传输，采用UDP/IP方式进行传输；所述的数据存储模块，用于存储地图构建模块传来的室内地图信息和定位模块传来的无人系统的状态信息、位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于室内无人系统的导航传感系统，其特征在于，所述的地图构建模块包括UWB、里程计和激光雷达，通过UWB、里程计和激光雷达分别采集无人系统与锚点的距离信息、位姿信息和环境信息；根据距离信息、位姿信息和环境信息，构建顶点-约束图；通过图优化算法对顶点-约束图进行优化，获取优化后的无人系统轨迹数据；通过优化后的无人系统轨迹数据和环境信息构建栅格地图；最后将构建好的地图信息通过无线传输模块发送给数据存储模块进行存储。
3.根据权利要求2所述的一种用于室内无人系统的导航传感系统，其特征在于，所述的定位模块包括惯性导航系统和测距系统，通过惯性导航系统获取无人系统的状态信息，包括陀螺仪和加速度计，通过陀螺仪测量无人系统的回转速度，其测量值的一次积分可求出角度，通过加速度计测量无人系统的加速度，所述的测距系统通过红外线测距和超声波测距可得到该无人系统在室内环境中的位置信息，将无人系统的状态信息、位置信息通过无线传输模块发送给数据存储模块进行存储。
4.根据权利要求3所述的一种用于室内无人系统的导航传感系统，其特征在于，所述的导航模块，包括摄像头和路径规划子模块，首先通过安装在无人系统上的摄像头找到目标，路径规划子模块根据地图构建模块构建的地图确定该目标的位置信息，以无人系统此刻的位置即定位模块采集到的无人系统在室内环境中的位置信息作为坐标原点，建立坐标系，计算目标的具体坐标，使用机器学习算法对两点的坐标进行路径规划，找出最合理的路径，完成导航。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于室内无人系统的导航传感系统，其特征在于，所述的主控制器采用STC89C52单片机。
CN202010474274.XA 2020-05-29 2020-05-29 一种用于室内无人系统的导航传感系统 Pending CN111694006A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010474274.XA CN111694006A (zh) 2020-05-29 2020-05-29 一种用于室内无人系统的导航传感系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010474274.XA CN111694006A (zh) 2020-05-29 2020-05-29 一种用于室内无人系统的导航传感系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111694006A true CN111694006A (zh) 2020-09-22

Family

ID=72478819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010474274.XA Pending CN111694006A (zh) 2020-05-29 2020-05-29 一种用于室内无人系统的导航传感系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111694006A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112308998A (zh) * 2020-11-02 2021-02-02 广东电网有限责任公司 一种基于蓝牙的室内定位智能巡检系统及方法
CN113720331A (zh) * 2020-12-25 2021-11-30 北京理工大学 多相机融合的无人机建筑物内导航定位方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104535061A (zh) * 2015-01-06 2015-04-22 常州先进制造技术研究所 一种基于多传感器数据融合的导航系统
CN105823478A (zh) * 2016-03-14 2016-08-03 武汉卓拔科技有限公司 一种自主避障导航信息共享和使用方法
CN106774315A (zh) * 2016-12-12 2017-05-31 深圳市智美达科技股份有限公司 机器人自主导航方法和装置
CN106886219A (zh) * 2017-03-06 2017-06-23 上海悦合自动化技术有限公司 机器人自动导航系统
CN110645974A (zh) * 2019-09-26 2020-01-03 西南科技大学 一种融合多传感器的移动机器人室内地图构建方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104535061A (zh) * 2015-01-06 2015-04-22 常州先进制造技术研究所 一种基于多传感器数据融合的导航系统
CN105823478A (zh) * 2016-03-14 2016-08-03 武汉卓拔科技有限公司 一种自主避障导航信息共享和使用方法
CN106774315A (zh) * 2016-12-12 2017-05-31 深圳市智美达科技股份有限公司 机器人自主导航方法和装置
CN106886219A (zh) * 2017-03-06 2017-06-23 上海悦合自动化技术有限公司 机器人自动导航系统
CN110645974A (zh) * 2019-09-26 2020-01-03 西南科技大学 一种融合多传感器的移动机器人室内地图构建方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张毅 等: "《移动机器人技术基础与制作》", 31 January 2013 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112308998A (zh) * 2020-11-02 2021-02-02 广东电网有限责任公司 一种基于蓝牙的室内定位智能巡检系统及方法
CN113720331A (zh) * 2020-12-25 2021-11-30 北京理工大学 多相机融合的无人机建筑物内导航定位方法
CN113720331B (zh) * 2020-12-25 2023-12-19 北京理工大学 多相机融合的无人机建筑物内导航定位方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2704614C1 (ru) Система управления полетом беспилотного летательного аппарата с дифференциальным позиционированием на основе сети cors
US10801843B2 (en) Indoor mobile robot position and posture measurement system based on photoelectric scanning and measurement method
JP6377169B2 (ja) Ｕａｖの位置を推定するシステム及び方法
CN111912419A (zh) 基于激光雷达的高精度语义导航地图构建方法和装置
CN106950976B (zh) 基于卡尔曼和粒子滤波的室内飞艇三维定位装置及方法
CN106289235A (zh) 基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法
CN111694001A (zh) 一种用于无人机的实时测距定位系统
RU195749U1 (ru) Интеллектуальная система технического зрения беспилотного летательного аппарата для решения задач навигации, построения трехмерной карты окружающего пространства и препятствий и автономного патрулирования
US12019453B2 (en) Multi-sensor-fusion-based autonomous mobile robot indoor and outdoor positioning method and robot
CN111694006A (zh) 一种用于室内无人系统的导航传感系统
WO2020113391A1 (zh) 航向的确定方法、设备、存储介质和可移动平台
CN114545918A (zh) 一种可接入移动终端的机器人巡检系统及巡检方法
Chugunov et al. Integration of local ultrawideband ToA/AOA phase difference of arrival system and inertial navigation systems
JP2019007964A (ja) Ｕａｖの位置を推定するシステム及び方法
Grishin et al. Methods for correcting positions of tethered UAVs in adverse weather conditions
KR20170074388A (ko) 고정밀 측위 시스템 및 방법
Raja et al. High accuracy indoor localization for robot-based fine-grain inspection of smart buildings
Demetriou A Survey of Sensors for Localization of Unmanned Ground Vehicles (UGVs).
GB2593121A (en) Deployable location system
Shin et al. UWB/GPS Sensor Fusion Using Kalman Filter for Outdoor Autonomous Robot
O'Keefe et al. Ultrasonic localization of a quadrotor using a portable beacon
KR102596954B1 (ko) 주행체에 장착되는 태그 및 이를 포함하는 주행체 좌표 측정 시스템
JP7396618B2 (ja) 移動体位置推定システム
Shu et al. An imu/sonar-based extended kalman filter for mini-uav localization in indoor environment
US20240310848A1 (en) Apparatus and method for detecting indoor environment using unmanned mobile vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200922