CN114577206A - 一种基于超声波的室内惯导建图方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于超声波的室内惯导建图方法和系统。该方法包括：获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。通过该方法可以实现室内地图的构建。

Description

一种基于超声波的室内惯导建图方法和系统
技术领域
本发明实施例涉及导航规划技术领域，尤其涉及一种基于超声波的室内惯导建图方法和系统。
背景技术
室内建图技术是室内结构建模的主要手段，被广泛用于建筑内部建模，作为室内技术的平面可视化参考，同时在室内受灾救援如火灾、矿井隧道塌方等紧急场景中有着广阔的应用前景。明晰的室内地图能够对救援力量分配、个人安全保障和后续支援工作带来关键性信息参考，有效降低因意外情况带来的生命财产损失。
现有的室内建图方案有：基于视觉传感器的结构建模，利用视觉捕捉的特征点进行视频帧拼接和空间组合；基于激光雷达的扫描建模，利用激光主动式扫描周围环境进行点云结构建模和融合；基于CAD和全站仪的测绘建模，利用激光测距、视觉辅助和已知结构信息对室内具体如墙面、门、走廊等结构的精细结构数据进行测量建模。
然而在火场环境、地下矿井等充满烟雾粉尘、着火点、黑暗的恶劣环境下，视觉传感器和激光传感器无法很好捕捉到周围环境信息，直接导致建图精度下降甚至停止工作。同时，通过精密扫描计算的建图方法对计算平台性能要求较高，测绘方案对后期处理时间要求较长，因此不适合在救援等紧张情况下使用。
发明内容
本发明提供一种基于超声波的室内惯导建图方法和系统，以实现室内地图的构建，为处于火灾房、矿井隧道塌方等恶劣环境中的人员提供明晰的室内行驶轨迹地图，确保其生命安全，进而确保救援工作的顺利进行。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于超声波的室内惯导建图方法，由基于超声波的室内惯导建图系统执行，所述建图系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过所述第一无线通信模块与所述第一控制模块连接，通过所述第二无线通信模块与所述第二控制模块连接；
所述建图方法包括：
获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；
根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；
根据所述参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；
获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；
将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
可选地，所述特征数据至少包括大气压强数据和磁指纹特征数据；所述磁指纹特征数据包括运动逻辑特征数据和拓扑结构数据。
可选地，所述将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，包括：
将所述当前特征数据的大气压强数据与记录存储的所有特征数据的大气压强数据进行匹配，如果匹配，则将所述当前特征数据的磁指纹特征数据与记录存储的所有特征数据的磁指纹特征数据进行匹配，如果匹配，则判断所述当前特征数据的运动逻辑特征数据和拓扑结构数据是否满足预设条件，如果满足，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
可选地，所述大气压强数据包括所述第一气压检测模块获取的第一大气压强数据和所述第二气压检测模块获取的第二大气压强数据。
可选地，所述第一惯导模块至少包括第一磁力计，所述第二惯导模块至少包括第二磁力计；所述磁指纹特征数据包括所述第一磁力计获取的第一磁指纹特征数据和所述第二磁力计获取的第二磁指纹特征数据。
可选地，所述第一惯导模块至少包括：第一加速度计和第一陀螺仪；所述第二惯导模块至少包括：第二加速度计和第二陀螺仪；
所述惯导数据包括加速度数据和陀螺仪数据；所述加速度数据包括所述第一加速度计获取的第一加速度和所述第二加速度计获取的第二加速度；所述陀螺仪数据包括所述第一陀螺仪获取的第一陀螺仪数据和所述第二陀螺仪获取的第二陀螺仪数据；
所述根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，包括：
根据每一步的加速度数据确定步伐长度；
根据每一步的陀螺仪数据确定步行方向；
根据每一步的所述步伐长度、所述步行方向和所述海拔高度确定每一步的落点位置。
可选地，所述每一步的超声波数据包括：每一步的所述第一超声波测距模块获取的第一超声波数据和所述第二超声波测距模块获取的第二超声波数据；
所述根据所述参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点，包括：
将所述参考轨迹和每一步的所述第一超声波数据进行融合得到人左脚每一步的初始超声地图点；
将所述参考轨迹和每一步的所述第二超声波数据进行融合得到人右脚每一步的初始超声地图点。
可选地，在将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对之后，还包括将所有初始地图点进行可视化。
可选地，所述每一步的惯导数据和海拔高度数据包括：人左脚的所述第一惯导模块获取的第一惯导数据和所述第一气压检测模块获取的第一海拔高度数据，以及人右脚的所述第二惯导模块获取的第二惯导数据和所述第二气压检测模块获取的第二海拔高度数据。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于超声波的室内惯导建图系统，该系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过所述第一无线通信模块与所述第一控制模块连接，通过所述第二无线通信模块与所述第二控制模块连接；
所述终端模块用于：获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；
根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；
根据所述参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；
获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；
将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
本发明通过提供一种基于超声波的室内惯导建图方法和系统，由基于超声波的室内惯导建图系统执行，建图系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过第一无线通信模块与第一控制模块连接，通过第二无线通信模块与第二控制模块连接；建图方法包括：获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。通过该方法可以实现室内地图的构建，为处于火灾房、矿井隧道塌方等恶劣环境中的人员提供明晰的室内行驶轨迹地图，确保其生命安全，进而确保救援工作的顺利进行。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种基于超声波的室内惯导建图方法的流程图；
图2是本发明实施例中的一种参考轨迹与初始超声地图点的示意图；
图3是本发明实施例中的一种基于超声波的室内惯导建图系统的结构框图；
图4是本发明实施例中的部分传感器的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例中提供的一种基于超声波的室内惯导建图方法的流程图，图2是本发明实施例中提供的一种参考轨迹与初始超声地图点的示意图。本实施例可适用于基于超声波的室内惯导建图方法的实现过程，该方法可以由基于超声波的室内惯导建图系统来执行，建图系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过所述第一无线通信模块与所述第一控制模块连接，通过所述第二无线通信模块与所述第二控制模块连接。参考图1，具体包括如下步骤：
步骤110、获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；
示例性的，假设人进入发生火灾的室内，人的左脚鞋面上设置有第一惯导模块、第一超声波测距模块和第一气压检测模块，第一惯导模块用于检测获得人左脚每一步的惯导数据，第一超声波测距模块用于检测获得人左脚每一步的超声波数据，第一气压检测模块用于检测获得人左脚每一步的海拔高度数据。同理，人的右脚鞋面上设置有第二惯导模块、第二超声波测距模块和第二气压检测模块，第二惯导模块用于检测获得人右脚每一步的惯导数据，第二超声波测距模块用于检测获得人右脚每一步的超声波数据，第二气压检测模块用于检测获得人右脚每一步的海拔高度数据。因此，可以获取人行走每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据。
步骤120、根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；
其中，根据每一步的惯导数据可以确定每一步的步伐长度和步伐方向，然后结合每一步的海拔高度数据可以确定每一步的落点位置。其中，落点位置如图2中示出的脚步位置。依此方法，可以将人走过的每一步都确定出对应的落点位置，并将各个落点位置连接起来形成参考轨迹，如图2中示出的将三个脚步位置连接起来形成的参考轨迹。
步骤130、根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；
其中，参考轨迹是由人走过的每一步的落点位置组成的，由于超声波测距模块能够检测模块前方的障碍物的距离，且由于超声波测距模块能够在烟雾等恶劣环境中相对稳定地进行工作，因此，根据每一步的超声波数据结合每一步的落点位置可以确定对应脚步的初始超声地图点，如图2所示的超声地图点，进而能够根据人走过的每一步规划出避障通道边缘。其中，每一步的初始超声地图点都有对应的特征数据，每一步的特征数据可以包括每一步的大气压强数据、磁场分布数据、运动逻辑特征数据等。为便于后续处理，将每个初始超声地图点以及对应的特征数据记录并存储。
步骤140、获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；
具体的，根据上述步骤提供的方法，对人行走的每一步都计算出其对应的初始超声地图点，且每个初始超声地图点都有其对应的特征数据。为了确保进入恶劣室内环境的人员的安全，例如，确保其按照原路返回或者按照先前走过的且安全的线路行走或返回等，获取到人员当前脚步对应的当前初始超声地图点，并获取对应的当前特征数据，便于和记录存储的数据进行比对，从而确保人员行走的安全性。
步骤150、将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
其中，每个初始超声地图点对应的特征数据可以表征对应初始超声地图点的基本属性，可以用于区分其他初始超声地图点。将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果不满足预设条件，则继续前行；如果满足预设条件，说明记录存储的所有特征数据中存在与当前特征数据很相似的特征数据，也说明记录存储的所有特征数据对应的初始超声地图点中存在与当前初始超声地图点处于同一或很近的地理位置的地图点，从而说明当前初始超声地图点是安全的返回行走点(例如原路返回)，因此，将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合，也就是将重合的地图点融合，从而指引人员按照原路返回或者按照先前走过的安全路线行走。
在本实施例的技术方案中，该基于超声波的室内惯导建图方法的工作原理为：参考图1，首先，获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。由此可知，根据人员行走的每一步确定其行走的参考轨迹，并确定每一步的初始超声地图点和对应的特征数据，然后将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，说明记录存储的所有特征数据对应的初始超声地图点中存在与当前初始超声地图点处于同一或很近的地理位置的地图点，从而说明当前初始超声地图点是安全的返回行走点(例如原路返回)，因此，将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合，也就将重合的地图点融合，从而指引人员按照原路返回或者按照先前走过的安全路线行走。从而实现室内地图的构建，为处于火灾房、矿井隧道塌方等恶劣环境中的人员提供明晰的室内行驶轨迹地图，确保其生命安全，进而确保救援工作的顺利进行。
本实施例的技术方案，通过提供一种基于超声波的室内惯导建图方法，由基于超声波的室内惯导建图系统执行，建图系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过第一无线通信模块与第一控制模块连接，通过第二无线通信模块与第二控制模块连接；建图方法包括：获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。通过该方法可以实现室内地图的构建，为处于火灾房、矿井隧道塌方等恶劣环境中的人员提供明晰的室内行驶轨迹地图，确保其生命安全，进而确保救援工作的顺利进行。
在上述技术方案的基础上，可选地，特征数据至少包括大气压强数据和磁指纹特征数据；磁指纹特征数据包括运动逻辑特征数据和拓扑结构数据。
通常，室内场景中的磁场分布受到钢筋、电梯等钢结构物体或天然磁体的影响，在特定位置具有明显的磁力计信号频域特性，穿戴者步行轨迹的惯性数据变化在拐角、楼梯、障碍物等位置也有着较为明显的规律。另外，由于室内结构的封闭性和相对稳定性，消防员的轨迹受到外立面、楼梯间、大门等障碍物的阻拦而向后转，经过回字型走廊探索一周会返回原处。大气压强数据，磁指纹特征数据、运动逻辑特征和拓扑结构数据这些显著的有规律的特征标签能够作为特征学习的辅助判别。因此，将这类具有地理特性和运动学逻辑特征的数据作为训练数据，学习其具有的突出特性作为在线学习字典集，以数据库的形式编码存储起来。其中，存储模式示例如下：
初始超声地图点本身拥有海拔高度和平面(例如，x,y)坐标，磁指纹学习得到的每一个磁场频域分布信号可以分别用一个结构体存储，标签记为1-n，惯性特征主要标记超声地图点所在的脚步的运动方向，运动逻辑特征主要绘制从起始位置到当前位置的运动拓扑结构图，用于识别如：“从走廊原路返回当前位置”或“绕行一周回到起始位置”等，用于理清初始超声地图点在向邻近位置的出现顺序和拓扑关系。将这些特性赋予初始超声地图点，用于分辨其所对应的各种室内建筑结构。每一个初始超声地图点都会获得对应的大气压强数据、磁指纹特征数据、惯性数据、运动逻辑特征数据。
其中，大气压强数据可以通过气压检测模块获取；其中，惯导模块可以为九轴IMU，其中包括地磁计，磁指纹特征数据可以通过其中的地磁计获取。
可选地，将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，包括：
将当前特征数据的大气压强数据与记录存储的所有特征数据的大气压强数据进行匹配，如果匹配，则将当前特征数据的磁指纹特征数据与记录存储的特征数据的磁指纹特征数据进行匹配，如果匹配，则判断当前特征数据的运动逻辑特征数据和拓扑结构数据是否满足预设条件，如果满足，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
具体的，首先，将当前特征数据的大气压强数据与记录存储的所有特征数据的大气压强数据进行匹配，如果不匹配，则说明没有相类似的大气压强数据特征记录，则保存当前磁指纹特征数据的编码并继续前行；如果匹配，说明有相类似的大气压强数据特征记录，则进一步的，将当前特征数据的磁指纹特征数据与记录存储的特征数据的磁指纹特征数据进行匹配，如果不匹配，则说明没有相类似的磁指纹特征数据记录，则保存当前磁指纹特征数据的编码并继续前行；如果匹配，说明说明有相类似的磁指纹特征数据记录，则进一步的，判断当前特征数据的运动逻辑特征数据和拓扑结构数据是否满足预设条件，例如，根据当前特征数据的运动逻辑特征数据和拓扑结构数据，将当前的初始超声地图点与记录存储的且具有相类似的初始超声地图点的分布位置的远近进行比较，若位置较近，说明这些地图点分布于相同区域位置，是同一个地理位置，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合，也就是将重合的地图点融合，从而指引人员按照原路返回或者按照先前走过的安全路线行走。若位置较远，则保存当前磁指纹特征数据的编码并继续前行。
可选地，大气压强数据包括第一气压检测模块获取的第一大气压强数据和第二气压检测模块获取的第二大气压强数据。
其中，人行走的每一步的大气压强数据可能是左脚的数据，也可能是右脚的数据，因此，每一步的大气压强数据可能是第一气压检测模块获取的第一大气压强数据和第二气压检测模块获取的第二大气压强数据。
可选地，第一惯导模块至少包括第一磁力计，第二惯导模块至少包括第二磁力计；磁指纹特征数据包括第一磁力计获取的第一磁指纹特征数据和第二磁力计获取的第二磁指纹特征数据。
其中，人行走的每一步的磁指纹特征数据可能是左脚的数据，也可能是右脚的数据，因此，每一步的磁指纹特征数据可能是第一磁力计获取的第一磁指纹特征数据和第二磁力计获取的第二磁指纹特征数据。
可选地，第一惯导模块至少包括：第一加速度计和第一陀螺仪；第二惯导模块至少包括：第二加速度计和第二陀螺仪；
惯导数据包括加速度数据和陀螺仪数据；加速度数据包括第一加速度计获取的第一加速度和第二加速度计获取的第二加速度；陀螺仪数据包括第一陀螺仪获取的第一陀螺仪数据和第二陀螺仪获取的第二陀螺仪数据；
根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，包括：
根据每一步的加速度数据确定步伐长度；
根据每一步的陀螺仪数据确定步行方向；
根据每一步的步伐长度、步行方向和海拔高度确定每一步的落点位置。
具体的，人迈步行进过程中，脚步从抬腿到落脚有显著的周期性变化规律，基于每一步的加速度数据，可以获得以时间先后为序的加速度的波形图，基于波形图，通过求取滤波后加速度模值的波谷，波谷所在位置的时间戳作为脚步的时间域位置。基于波形图，通过计算脚步之间的加速度的标准差，脚步间的时间差等信息可以计算出步伐长度。
根据每一步的陀螺仪数据，通过捕捉双脚在步行过程中陀螺仪出现的明显的脉冲峰作为转向判断依据，结合惯性传感器输出的航向角数据，累加判别当前步行方向。
最后，从初始位置出发，以时间先后为序利用步伐长度、步行方向和海拔高度可以计算出每个脚步在三维坐标系中的落点位置，将各落地位置顺次相连得到参考轨迹。
可选地，每一步的超声波数据包括：每一步的第一超声波测距模块获取的第一超声波数据和第二超声波测距模块获取的第二超声波数据；
根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点，包括：
将参考轨迹和每一步的第一超声波数据进行融合得到人左脚每一步的初始超声地图点；
将参考轨迹和每一步的第二超声波数据进行融合得到人右脚每一步的初始超声地图点。
其中，人行走的每一步的超声波数据可能是左脚的数据，也可能是右脚的数据，因此，每一步的超声波数据可能是第一超声波测距模块获取的第一超声波数据和第二超声波测距模块获取的第二超声波数据。
其中，参考轨迹是由人走过的每一步的落点位置组成，而每一步的落点位置是由每一步的惯导数据和海拔高度数据确定的。由于超声波测距模块能够在烟雾等恶劣环境中相对稳定地进行工作，因此，根据每一步的超声波数据结合每一步的落点位置可以确定对应脚步的初始超声地图点。且由于人的左脚设置有第一超声波测距模块，人的右脚设置有第二超声波测距模块，则每一步的超声波数据包括：第一超声波测距模块获取的第一超声波数据和第二超声波测距模块获取的第二超声波数据，相应的，根据左脚的第一超声波数据和对应的落点位置(或参考轨迹)可以确定左脚每一步的初始超声地图点，根据右脚的第二超声波数据和对应的落点位置(或参考轨迹)可以确定右脚每一步的初始超声地图点。
可选地，在将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对之后，还包括将所有初始地图点进行可视化。
具体的，根据栅格地图的建图原理，绘制采样点到最终确定的超声地图点之间的Bresenham直线，该直线所覆盖的像素区域定义为占用区域，每个像素可能会被多根Bresenham直线覆盖。通过确定像素点重复占用数和占用栅格地图的占用率，确定轨迹周围的环境数据，消除某些重合部分的冗余超声地图点。像素占用率超过80％的部分的像素定为白色，低于30％的部分定为黑色，在30％-80％的部分定为灰色，最终可视化全局三维栅格地图。
此外，可通过设置显示模块，例如显示屏、可视手环等显示设备，将初始超声地图点、融合点等建图结果进行显示，以方便相关人员及时查看，从而确保其在室内安全行走。
可选地，每一步的惯导数据和海拔高度数据包括：人左脚的第一惯导模块获取的第一惯导数据和第一气压检测模块获取的第一海拔高度数据，以及人右脚的第二惯导模块获取的第二惯导数据和第二气压检测模块获取的第二海拔高度数据。
其中，人行走的每一步的惯导数据和海拔高度数据可能是左脚的数据，也可能是右脚的数据，因此，每一步的惯导数据可能是第一惯导模块101获取的第一惯导数据和第二惯导模块获取的第二惯导数据；每一步的海拔高度数据可能是第一气压检测模块103获取的第一海拔高度数据和第二气压检测模块203获取的第二海拔高度数据。
图3是本发明实施例中提供的一种基于超声波的室内惯导建图系统的结构框图，图4是本发明实施例中提供的部分传感器的安装示意图。本发明实施例提供了一种基于超声波的室内惯导建图系统，参考图3，基于超声波的室内惯导建图系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块101、第一超声波测距模块102、第一气压检测模块103、第一控制模块104和第一无线通信模块105；设置于人右脚的第二惯导模块201、第二超声波测距模块202、第二气压检测模块203、第二控制模块204和第二无线通信模块205；终端模块300，通过第一无线通信模块105与第一控制模块104连接，通过第二无线通信模块205与第二控制模块204连接；
终端模块300用于获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；
根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；
根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；
获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；
将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
其中，第一惯导模块101用于检测获得左脚的第一惯导数据并发送给第一控制模块104，第一控制模块104对第一惯导数据进行滤波和消噪等处理后通过第一无线通信模块105发送给终端模块300；第一超声波测距模块102用于检测获得左脚的第一超声波数据并发送给第一控制模块104，第一控制模块104对第一超声波数据进行滤波和消噪等处理后通过第一无线通信模块105发送给终端模块300；第一气压检测模块103用于检测获得左脚的第一大气压强数据和第一海拔高度数据并发送给第一控制模块104，第一控制模块104对第一大气压强数据和第一海拔高度数据进行滤波和消噪等处理后通过第一无线通信模块105发送给终端模块300。
其中，第二惯导模块201用于检测获得右脚的第二惯导数据并发送给第二控制模块204，第二控制模块204对第二惯导数据进行滤波和消噪等处理后通过第二无线通信模块205发送给终端模块300；第二超声波测距模块202用于检测获得右脚的第二超声波数据并发送给第二控制模块204，第二控制模块204对第二超声波数据进行滤波和消噪等处理后通过第二无线通信模块205发送给终端模块300；第二气压检测模块203用于检测获得右脚的第二大气压强数据和第二海拔高度数据并发送给第二控制模块204，第二控制模块204对第二大气压强数据和第二海拔高度数据进行滤波和消噪等处理后通过第二无线通信模块205发送给终端模块300。
其中，第一惯导模块101和第二惯导模块201可以为九轴IMU传感器，例如惯性传感芯片(IMU)BNO055，分别安装在左脚的鞋面外侧和右脚的鞋面外侧，如图4所示；第一超声波测距模块102和第二超声波测距模块202可以为超声波传感器，例如超声测距模块HC-SR04，分别安装在左脚的鞋面外侧和右脚的鞋面外侧，如图4所示；第一气压检测模块103和第二气压检测模块203可以为气压计，如气压计模块BMP280；第一控制模块104和第二控制模块204可以为单片机，例如微控制芯片(MCU)Seeeduino XIAO；第一无线通信模块105和第二无线通信模块205可以为无线传输发射端模块Lora，其采用无线传输协议进行数据传输，目前主要考虑Lora作为主要的无线传输协议。也可以参考使用新一代WLAN协议等更稳定更具性价比的方案，具体可根据实际情况进行设置，在此不做具体的限定。此外，系统还包括电源模块，例如1000毫安时锂电池组，用于为各传感器供电。
其中，人行走的每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据可能是左脚的数据，也可能是右脚的数据，因此，每一步的惯导数据可能是第一惯导模块101获取的第一惯导数据和第二惯导模块获取的第二惯导数据；每一步的超声波数据可能是第一超声波测距模块102获取的第一超声波数据和第二超声波测距模块202获取的第二超声波数据；每一步的海拔高度数据可能是第一气压检测模块103获取的第一海拔高度数据和第二气压检测模块203获取的第二海拔高度数据。
本实施例的技术方案，通过提供一种基于超声波的室内惯导建图系统，该基于超声波的室内惯导建图系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过第一无线通信模块与第一控制模块连接，通过第二无线通信模块与第二控制模块连接；终端模块用于：获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；根据参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；将当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。通过该系统可以实现室内地图的构建，为处于火灾房、矿井隧道塌方等恶劣环境中的人员提供明晰的室内行驶轨迹地图，确保其生命安全，进而确保救援工作的顺利进行。
本发明实施例所提供的基于超声波的室内惯导建图系统可执行本发明任意实施例所提供的基于超声波的室内惯导建图方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，由基于超声波的室内惯导建图系统执行，所述建图系统包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过所述第一无线通信模块与所述第一控制模块连接，通过所述第二无线通信模块与所述第二控制模块连接；
所述建图方法包括：
获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；
根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；
根据所述参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；
获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；
将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，所述特征数据至少包括大气压强数据和磁指纹特征数据；所述磁指纹特征数据包括运动逻辑特征数据和拓扑结构数据。
3.根据权利要求2所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，所述将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，包括：
将所述当前特征数据的大气压强数据与记录存储的所有特征数据的大气压强数据进行匹配，如果匹配，则将所述当前特征数据的磁指纹特征数据与记录存储的所有特征数据的磁指纹特征数据进行匹配，如果匹配，则判断所述当前特征数据的运动逻辑特征数据和拓扑结构数据是否满足预设条件，如果满足，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
4.根据权利要求2所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，所述大气压强数据包括所述第一气压检测模块获取的第一大气压强数据和所述第二气压检测模块获取的第二大气压强数据。
5.根据权利要求2所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，所述第一惯导模块至少包括第一磁力计，所述第二惯导模块至少包括第二磁力计；所述磁指纹特征数据包括所述第一磁力计获取的第一磁指纹特征数据和所述第二磁力计获取的第二磁指纹特征数据。
6.根据权利要求1所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，所述第一惯导模块至少包括：第一加速度计和第一陀螺仪；所述第二惯导模块至少包括：第二加速度计和第二陀螺仪；
所述惯导数据包括加速度数据和陀螺仪数据；所述加速度数据包括所述第一加速度计获取的第一加速度和所述第二加速度计获取的第二加速度；所述陀螺仪数据包括所述第一陀螺仪获取的第一陀螺仪数据和所述第二陀螺仪获取的第二陀螺仪数据；
所述根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，包括：
根据每一步的加速度数据确定步伐长度；
根据每一步的陀螺仪数据确定步行方向；
根据每一步的所述步伐长度、所述步行方向和所述海拔高度确定每一步的落点位置。
7.根据权利要求1所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，所述每一步的超声波数据包括：每一步的所述第一超声波测距模块获取的第一超声波数据和所述第二超声波测距模块获取的第二超声波数据；
所述根据所述参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点，包括：
将所述参考轨迹和每一步的所述第一超声波数据进行融合得到人左脚每一步的初始超声地图点；
将所述参考轨迹和每一步的所述第二超声波数据进行融合得到人右脚每一步的初始超声地图点。
8.根据权利要求1所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，在将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对之后，还包括将所有初始地图点进行可视化。
9.根据权利要求1所述的基于超声波的室内惯导建图方法，其特征在于，所述每一步的惯导数据和海拔高度数据包括：人左脚的所述第一惯导模块获取的第一惯导数据和所述第一气压检测模块获取的第一海拔高度数据，以及人右脚的所述第二惯导模块获取的第二惯导数据和所述第二气压检测模块获取的第二海拔高度数据。
10.一种基于超声波的室内惯导建图系统，其特征在于，包括：设置于人左脚的第一惯导模块、第一超声波测距模块、第一气压检测模块、第一控制模块和第一无线通信模块；设置于人右脚的第二惯导模块、第二超声波测距模块、第二气压检测模块、第二控制模块和第二无线通信模块；终端模块，通过所述第一无线通信模块与所述第一控制模块连接，通过所述第二无线通信模块与所述第二控制模块连接；
所述终端模块用于：获取人每一步的惯导数据、超声波数据和海拔高度数据；
根据每一步的惯导数据和海拔高度数据确定对应脚步的落点位置，并将各个落点位置连线得到参考轨迹；
根据所述参考轨迹和每一步的超声波数据确定各初始超声地图点；其中，每个初始超声地图点对应一特征数据；并将每个初始超声地图点的特征数据记录并存储；
获取当前脚步对应的当前初始超声地图点以及对应的当前特征数据；
将所述当前特征数据与记录存储的所有特征数据进行比对，如果满足预设条件，则采用粒子滤波算法将当前初始超声地图点与各具有相类似特征的初始超声地图点融合。
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