CN116600308B - 一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，涉及地下空间的无线通信传输建立与未知空间建图领域，能够在地下空间内快速完成空间探索和局部建图，并将探索到的局部图像及时快速地回传给地面工作站，同时在探索空间形成建图时完成无线通信网络的建立，而地面工作站还可以根据无人装备探测到的图像临时发布新任务。本发明可以用于地下空间的救援，地下溶洞的探索、地铁和地下停车场无线网络快速建立等。

Description

一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法

技术领域

本发明涉及地下空间的无线通信传输建立与未知空间建图领域，适用于地下室、矿洞等具有阻隔的地下空间的无线数据通信传输与空间探索建图任务，具体涉及一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法。

背景技术

随着无线组网通信技术的迅速发展，组网通信技术的应用领域也在不断拓展，无线网络突破了物理空间的限制，使得数据的传输不再受网线布置的限制。地铁、矿井、地下停车场等地下空间地形复杂且阻隔颇多，复杂的地下阻隔会大大阻挡无线电波的传输，而地下空间的通信、未知地下空间的探测、塌方地下空间的救援等任务均需要数据通信的支持。有线网络的建立耗时较长、成本较高，为此需要一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，实现未知地下空间的快速无线通信网络建立与空间建图。

目前常用的地下空间通信方法包含有漏缆加有源中继器和无源中继器两种，其中漏缆加有源中继器的通信方法成本较高，还需要配备相应的网管系统，而无源中继器如专利200420015720.7虽然成本相对较低，但在使用时需要提前安装和调试。对于塌方后已经改变的地下空间，提前布置的无源中继器无法使用；对于没有安装无源中继器的未知地下空间内，需要事先探知地下空间的空间分布，计算无线网络覆盖范围才能布置无源中继器，从而导致无线通信设备的安装耗时较长，无法适应具有时间限制的任务需求。现有的方法不能适应未知地下空间中无线通信网络的快速建立与空间探索建图任务，因此需要一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，该方法能够在地下空间内完成无线通信网络的快速建立并协助完成空间建图任务。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：确认无人装备与地面工作站的通信状态及各装备携带的无源信号节点的自检状态，进行无人装备中传感器的矫正和标定，随后地面工作站分配各无人装备的网络地址IP号与初始任务。

步骤2：派遣各无人装备前往探知空间区域，通过各无人装备上配备的传感器获取周边环境的信息，并在无人装备上的计算单元中生成已探索环境的空间语义地图，通过无线网络传输空间语义地图给地面工作站，地面工作站根据各无人装备的位置信息和回传的空间地图生成全局的空间地图。

步骤3：无人装备上无源信号节点随着无人装备的运动持续检测无源信号节点与地面工作站之间的无线信号强度和数据传输的丢包率，当信号强度与数据传输丢包率达到一定阈值时，无人装备将无源信号节点抛撒向周边。

步骤4：无人装备上通信设备进行通信源转换，由无人装备向地面工作站的通信链路转换为无人装备向无源信号节点，无源信号节点与地面工作站完成无线组网，更新无线网络的路由表。

步骤5：判断是否地下空间内所有空间均完成探索与通信覆盖，若是各无人装备返回地面工作站，否则重复步骤2-4，无源信号节点给无人装备提供信号指引，指示已经探索过的空间。

若无人装备上无源信号节点使用完但仍没有完成空间探索，则返回地面工作站进行无源信号节点的补充和充电，待重新整备结束后，无人装备返回最后放置无源信号节点的地点继续进行空间探索。

步骤6：地面工作站在收到所有完成探索和无源信号节点布置的无人装备返回的局部地图信息后进行全局地图拼接，生成地下空间的全局地图；无源信号节点自身配备的电池耗尽前持续发送信号，维持一段时间无线通信，在无源信号节点中电池电量耗尽前连接有线供电和传输缆线以便长期使用。

进一步地，步骤1中，地面工作站分配无人装备的初始任务，具体采用如下方法：

地面工作站对所有无人装备进行随机标号。

根据初始任务信息中的探索方向、空间的初始大小、无人装备的搜索范围及无人装备的续航能力进行任务分配，并将包含路线、IP号的任务信息分配给各无人装备。

各无人装备接收任务信息，并将自身的自检状态和任务接收状态回传给地面工作站，如果地面工作站没有收到无人装备返回的任务确认信息，则重复任务信息发送过程，直至收到各无人装备的确认信息。

进一步地，步骤2中，无人装备上配备的传感器包括红外传感器、激光传感器和可见光传感器，分别用于采集获得环境的红外图像、激光图像以及可见光图像。

进一步地，步骤2中，在无人装备上的计算单元中生成已探索环境的空间语义地图，具体采用如下方式：

各无人装备在不增加光感传感器的条件下，利用可见光传感器的图像进行光照条件的判断：首先将输入的图像转换成灰度矩阵，统计灰度矩阵中各元素灰度值出现的次数，计算灰度矩阵中各元素出现的概率，利用当前像素灰度值的个数占总像素个数的比值作为当前像素出现的概率，计算出当前可见光图像的全局信息熵，当图像全局信息熵低于3时则判断为当前为光照条件不充足的情况，连续180帧图像持续出现光照不充足的情况时需要切换不同的传感器对周边进行探测。

在光照条件不足的情况下，采用红外与激光传感器，通过神经网络与帧差法相结合的方法从红外图像中提取周围物体的二维轮廓特征，通过步骤1中进行的传感器标定确定红外与激光传感器视场的坐标中心，利用中心坐标对齐的方法进行红外图像与激光点云数据的数据对齐；将红外图像中物体的轮廓特征与激光点云中的物体边缘特征进行匹配，完成物体语义属性即物体类别与点云数据的关联，利用坐标转换的方法将对应类别中激光点云数据的距离和位置信息转换至空间三维坐标系，完成局部空间语义地图的建立；在完成所述局部空间语义地图建立后，无人装备读取自身IMU传感器中GPS信息作为局部坐标轴原点位置在全局三维空间中的三维位置，由此标定生成局部空间语义地图在全局三维空间中的三维位置，将局部空间语义地图坐标轴原点在全局三维空间中的坐标作为偏移量加到局部空间语义地图中各点的空间坐标上生成全局坐标下的局部空间语义地图。

在光照充足的环境中，采用可见光与激光传感器，通过可见光图像中提取丰富的周围物体的轮廓特征，直接提取周围目标的特征点与激光点云信息中的特征点进行匹配，完成物体语义属性即物体类别与点云数据的关联，通过步骤1中进行的传感器标定确定可见光与激光传感器视场的坐标中心，利用中心坐标对齐的方法进行可见光图像与激光点云数据的数据对齐；利用坐标转换的方法将对应类别中激光点云数据的距离和位置信息转换至空间三维坐标系，完成局部空间语义地图的建立；在完成所述局部空间语义地图的建立后，无人装备读取自身IMU传感器中GPS信息作为局部坐标轴原点位置在全局三维空间中的三维位置，由此标定生成局部空间语义地图在全局三维空间中的三维位置，将坐标轴原点的坐标作为偏移量加到局部空间语义地图中各点的空间坐标上生成全局坐标下的局部空间语义地图；完成全局坐标下的局部空间语义地图建立后将局部空间语义地图转化成离散的矩阵数据进行传输，地面工作站根据各无人装备的自身位置信息和回传的空间地图数据生成全局的空间地图。

进一步地，步骤2中，通过无线网络传输空间语义地图时，将语义地图二维化，并将空间语义地图转化成图片进行传输。

进一步地，步骤4中，更新无线网络路由表的过程包括：

确认无线网络是否有传输任务进行，如有，则等待传输任务的结束，传输任务结束后进行路由表更新；如没有，则进行路由表的更新，将无人装备原有的IP号重新分配给抛撒的无源信号节点，自身节点IP号重新更改。

有益效果：

本发明提供了一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，能够在地下空间内快速完成空间探索和局部建图，并将探索到的局部图像及时快速地回传给地面工作站，同时在探索空间形成建图时完成无线通信网络的建立，而地面工作站还可以根据无人装备探测到的图像临时发布新任务。从民用及军事运用领域来看，本发明可以用于地下空间的救援，地下溶洞的探索、地铁和地下停车场无线网络快速建立等。本发明的应用范围的广泛性，决定了其巨大的潜在市场价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法流程图；

图2为无源通信节点组成图；

图3为无源通信节点外壳特征图；

图4为无源通信节点天线弹出图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种本发明提供了一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，该方法能够在地下空间内完成无线通信网络的快速建立并协助完成空间建图任务，并可通过简单的安装工作完成无源节点的固定安装，为地下空间无线通信网络的建立提供了一种新的方法，如图1所示为该方法的流程图。该方法包括以下步骤：

步骤1：确认无人机、无人机器人或无人车等无人装备与地面工作站的通信状态及各装备携带的无源信号节点的状态并完成自检，更换有问题的无源信号节点并进行无人装备中传感器的矫正和标定，在完成传感设备和无人装备的检查后，地面工作站根据空间探索任务分配各无人装备的IP号与初始任务；

具体地，无人机、无人机器人或无人车等无人装备首先利用装备上的自检程序进行自身状态自检，将检查结果回传给地面工作站同时测试无人装备无线通信设备的状态，确认装备上携带传感器的状态并更换有问题的设备，对传感器数据发生误差的传感器进行传感器的标定与矫正，在完成传感设备和无人装备的检查后，地面工作站对所有无人装备进行随机标号；根据初始任务信息中的探索方向、空间的初始大小、无人装备的搜索范围及无人装备的续航能力进行任务分配，并将路线、IP号等任务信息分配给各无人装备；各无人装备接收任务信息，并将自身的自检状态和任务接收状态回传给地面工作站，如果地面工作站没有收到无人装备返回的任务确认信息，则重复任务信息发送过程，直至收到各无人装备的确认信息。

步骤2：派遣各无人装备前往探知空间区域，通过各装备上配备的传感器获取周边环境的信息，并在无人装备上的计算单元中生成已探索环境的空间语义地图，通过无线网络传输给地面工作站，地面工作站根据各无人装备的位置信息和回传的空间地图生成全局的空间地图；

具体地，各无人装备根据预先设定的任务按照路线前往探知空间区域。各无人装备在不增加光感传感器的条件下，利用可见光传感器的图像进行光照条件的判断。首先将输入的图像转换成灰度矩阵，统计灰度矩阵中各元素灰度值出现的次数，计算灰度矩阵中各元素出现的概率，利用当前像素灰度值的个数占总像素个数的比值作为当前像素出现的概率/>，利用公式/>计算出当前可见光图像的全局信息熵/>，当图像全局信息熵/>低于3时则判断当前光照不充足，连续180帧图像持续出现光照不充足的情况时需要切换不同的传感器对周边进行探测。在光照条件不足的情况下，主要采用红外与激光传感器，通过神经网络与帧差法相结合的方法从红外图像中提取周围物体的二维轮廓特征，通过步骤1中进行的传感器标定确定红外与激光传感器视场的坐标中心，利用中心坐标对齐的方法进行红外图像与激光点云数据的数据对齐；将红外图像中物体的轮廓特征与激光点云中的物体边缘特征进行匹配，完成物体语义属性即物体类别与点云数据的关联，利用坐标转换的方法将对应类别中激光点云数据的距离和位置信息转换至空间三维坐标系，完成局部空间语义地图（局部坐标）的建立。在完成所述局部空间语义地图（局部坐标）建立后，无人装备读取自身IMU传感器中GPS信息作为坐标轴原点位置标定生成局部空间语义地图（局部坐标）在全局三维空间中的三维位置，将局部空间语义地图（局部坐标）坐标轴原点在全局三维空间中的坐标作为偏移量加到局部空间语义地图（局部坐标）中各点的空间坐标上生成全局坐标下的局部空间语义地图。在光照充足的环境中，主要采用可见光与激光传感器，通过可见光图像中提取丰富的周围物体的轮廓特征，直接提取周围目标的特征点与激光点云信息中的特征点进行匹配，完成物体语义属性即物体类别与点云数据的关联，通过步骤1中进行的传感器标定确定可见光与激光传感器视场的坐标中心，利用中心坐标对齐的方法进行可见光图像与激光点云数据的数据对齐。利用坐标转换的方法将对应类别中激光点云数据的距离和位置信息转换至空间三维坐标系，完成局部空间语义地图（局部坐标）的建立。在完成所述局部空间语义地图（局部坐标）的建立后，无人装备读取自身IMU传感器中GPS信息作为坐标轴原点位置标定生成局部空间语义地图（局部坐标）在全局三维空间中的三维位置，将坐标轴原点的坐标作为偏移量加到局部空间语义地图（局部坐标）中各点的空间坐标上生成全局坐标下的局部空间语义地图；完成全局坐标下的局部空间语义地图建立后将局部空间语义地图转化成离散的矩阵数据进行传输，地面工作站根据各无人装备的自身位置信息和回传的空间地图数据生成全局的空间地图。

步骤3：无人装备上无源信号节点随着无人装备的运动检测无源信号节点与地面工作站之间的无线信号强度和数据传输的丢包率，当信号强度与数据传输丢包率达到一定阈值时，无人装备将无源信号节点抛撒向周边；

具体地，无人装备上无源信号节点在没有语义地图回传的任务时，发送测试用的数据包，通过地面工作站返回的测试结果数据包检测无线信号强度和数据传输的丢包率，当信号强度与数据传输丢包率达到一定阈值时，无人装备将无源信号节点抛撒向周边；其中无源信号节点组成如图2所示由无源信号节点外壳1、射频电路板2、放大电路板3、信号处理电路板4和电池5组成，无源信号节点外壳1外面覆盖一层减震垫，减震垫能够减少抛撒落地的撞击对无源信号节点的影响，无源信号节点落地后；无源信号节点外壳特征图如图3所示，无源信号节点外壳外有四个信号增幅天线6，四个信号增幅天线在平常状态下收起，当无源信号节点抛撒到周边后，四根信号增幅天线6弹射而出，弹射出的天线可有效增幅通信信号，信号天线弹出后的效果图如图4所示；无源信号节点外壳有对称布置的散热用的凹槽1-1和1-2，散热用的凹槽能够增加无源信号节点与空气的接触面积，接触面积的增加能够加快无源信号节点工作时的散热效果。

步骤4：当无人装备将无源信号节点抛撒向周边后，无人装备上通信设备进行通信源转换，由无人装备向地面工作站的通信链路转换为无人装备向无源信号节点，无源信号节点与地面工作站完成无线组网，更新无线网络的路由表，在更新无线网络路由表前需要确认无线网络是否有传输任务进行，如有，则等待传输任务的结束，传输任务结束后进行路由表更新；如没有，则进行路由表的更新，将无人装备原有的IP号重新分配给抛撒的无源信号节点，自身节点IP号重新更改；

步骤5：重复步骤2-4，无源信号节点在无人装备探索时可以给无人装备提供信号指引，指示已经探索过的空间，当地下空间内所有空间均完成探索与通信覆盖，则各无人装备返回地面工作站；

步骤6：若无人装备上无源信号节点使用完但仍没有完成空间探索，则返回地面工作站进行无源信号节点的补充和充电，待重新整备结束后，无人装备返回最后放置无源信号节点的地点继续进行空间探索；

步骤7：地面工作站在收到所有完成探索和无源信号节点布置的无人装备返回的局部地图信息后进行全局地图拼接，生成地下空间的全局地图；无源信号节点自身配备的电池耗尽前将会持续发送信号，可维持一段时间无线通信，在无源信号节点中电池电量耗尽前可以连接有线供电和传输缆线；并将无源信号节点固定在地下空间的墙壁上完成长期使用的地下空间无线通信网络的布置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确认无人装备与地面工作站的通信状态及各装备携带的无源信号节点的自检状态，进行无人装备中传感器的矫正和标定，随后地面工作站分配各无人装备的网络地址IP号与初始任务；

步骤2：派遣各无人装备前往探知空间区域，通过各无人装备上配备的传感器获取周边环境的信息，并在无人装备上的计算单元中生成已探索环境的空间语义地图，通过无线网络传输空间语义地图给地面工作站，地面工作站根据各无人装备的位置信息和回传的空间地图生成全局的空间地图；

步骤3：无人装备上无源信号节点随着无人装备的运动持续检测无源信号节点与地面工作站之间的无线信号强度和数据传输的丢包率，当信号强度与数据传输丢包率达到一定阈值时，无人装备将无源信号节点抛撒向周边；

步骤4：无人装备上通信设备进行通信源转换，由无人装备向地面工作站的通信链路转换为无人装备向无源信号节点，无源信号节点与地面工作站完成无线组网，更新无线网络的路由表；

步骤5：判断是否地下空间内所有空间均完成探索与通信覆盖，若是各无人装备返回地面工作站，否则重复步骤2-4，无源信号节点给无人装备提供信号指引，指示已经探索过的空间；

若无人装备上无源信号节点使用完但仍没有完成空间探索，则返回地面工作站进行无源信号节点的补充和充电，待重新整备结束后，无人装备返回最后放置无源信号节点的地点继续进行空间探索；

步骤6：地面工作站在收到所有完成探索和无源信号节点布置的无人装备返回的局部地图信息后进行全局地图拼接，生成地下空间的全局地图；无源信号节点自身配备的电池耗尽前持续发送信号，维持一段时间无线通信，在无源信号节点中电池电量耗尽前连接有线供电和传输缆线以便长期使用。

2.如权利要求1所述的一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，其特征在于：所述步骤1中，地面工作站分配无人装备的初始任务，具体采用如下方法：

地面工作站对所有无人装备进行随机标号；

根据初始任务信息中的探索方向、空间的初始大小、无人装备的搜索范围及无人装备的续航能力进行任务分配，并将包含路线、IP号的任务信息分配给各无人装备；

各无人装备接收任务信息，并将自身的自检状态和任务接收状态回传给地面工作站，如果地面工作站没有收到无人装备返回的任务确认信息，则重复任务信息发送过程，直至收到各无人装备的确认信息。

3.如权利要求1所述的一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，其特征在于：所述步骤2中，无人装备上配备的传感器包括红外传感器、激光传感器和可见光传感器，分别用于采集获得环境的红外图像、激光图像以及可见光图像。

4.如权利要求3所述的一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，其特征在于：所述步骤2中，在无人装备上的计算单元中生成已探索环境的空间语义地图，具体采用如下方式：

各无人装备在不增加光感传感器的条件下，利用可见光传感器的图像进行光照条件的判断：首先将输入的图像转换成灰度矩阵，统计灰度矩阵中各元素灰度值出现的次数，计算灰度矩阵中各元素出现的概率，利用当前像素灰度值的个数占总像素个数的比值作为当前像素出现的概率，计算出当前可见光图像的全局信息熵，当图像全局信息熵低于3时则判断为当前为光照条件不充足的情况，连续180帧图像持续出现光照不充足的情况时需要切换不同的传感器对周边进行探测；

在光照条件不足的情况下，采用红外与激光传感器，通过神经网络与帧差法相结合的方法从红外图像中提取周围物体的二维轮廓特征，通过步骤1中进行的传感器标定确定红外与激光传感器视场的坐标中心，利用中心坐标对齐的方法进行红外图像与激光点云数据的数据对齐；将红外图像中物体的轮廓特征与激光点云中的物体边缘特征进行匹配，完成物体语义属性即物体类别与点云数据的关联，利用坐标转换的方法将对应类别中激光点云数据的距离和位置信息转换至空间三维坐标系，完成局部空间语义地图的建立；在完成所述局部空间语义地图建立后，无人装备读取自身IMU传感器中GPS信息作为局部坐标轴原点位置在全局三维空间中的三维位置，由此标定生成局部空间语义地图在全局三维空间中的三维位置，将局部空间语义地图坐标轴原点在全局三维空间中的坐标作为偏移量加到局部空间语义地图中各点的空间坐标上生成全局坐标下的局部空间语义地图；

在光照充足的环境中，采用可见光与激光传感器，通过可见光图像中提取丰富的周围物体的轮廓特征，直接提取周围目标的特征点与激光点云信息中的特征点进行匹配，完成物体语义属性即物体类别与点云数据的关联，通过步骤1中进行的传感器标定确定可见光与激光传感器视场的坐标中心，利用中心坐标对齐的方法进行可见光图像与激光点云数据的数据对齐；利用坐标转换的方法将对应类别中激光点云数据的距离和位置信息转换至空间三维坐标系，完成局部空间语义地图的建立；在完成所述局部空间语义地图的建立后，无人装备读取自身IMU传感器中GPS信息作为局部坐标轴原点位置在全局三维空间中的三维位置，由此标定生成局部空间语义地图在全局三维空间中的三维位置，将坐标轴原点的坐标作为偏移量加到局部空间语义地图中各点的空间坐标上生成全局坐标下的局部空间语义地图；完成全局坐标下的局部空间语义地图建立后将局部空间语义地图转化成离散的矩阵数据进行传输，地面工作站根据各无人装备的自身位置信息和回传的空间地图数据生成全局的空间地图。

5.如权利要求1所述的一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，其特征在于：所述步骤2中，通过无线网络传输空间语义地图时，将语义地图二维化，并将空间语义地图转化成图片进行传输。

6.如权利要求1所述的一种应用于地下空间的无线通信传输与空间建图方法，其特征在于：所述步骤4中，更新无线网络路由表的过程包括：

确认无线网络是否有传输任务进行，如有，则等待传输任务的结束，传输任务结束后进行路由表更新；如没有，则进行路由表的更新，将无人装备原有的IP号重新分配给抛撒的无源信号节点，自身节点IP号重新更改。