一種uwb自主定位系統(tǒng)及其實(shí)施方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及室內(nèi)自主導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種UWB自主定位系統(tǒng)及其實(shí)施方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，由于GPS與北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用，室外導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展日趨成熟。然而由于衛(wèi)星信號(hào)難以穿透室內(nèi)建筑物，并且室內(nèi)的環(huán)境非常復(fù)雜，存在的多徑、非視距干擾導(dǎo)致室內(nèi)導(dǎo)航定位難以實(shí)現(xiàn)或難以真正達(dá)到應(yīng)用需求。
[0003]然而室內(nèi)又是與人類生活工作關(guān)系最為密切的場(chǎng)合，室內(nèi)導(dǎo)航定位服務(wù)存在大量的應(yīng)用需求。例如在消防作戰(zhàn)中，消防隊(duì)員的工作性質(zhì)高度危險(xiǎn)，他們可能會(huì)進(jìn)入一些復(fù)雜的高層建筑，人員的自身安全就成為問題，火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜惡劣，尤其是建筑物內(nèi)部布局復(fù)雜、障礙物多、多徑效應(yīng)嚴(yán)重，定位困難，火場(chǎng)如果有高層建筑，各樓層的火勢(shì)不同，指揮員指揮作戰(zhàn)需要將人員的位置精確定位到樓層及樓層上的具體位置；同時(shí)指揮保障終端需要隨時(shí)監(jiān)控人員的位置信息、身體狀況及其所處環(huán)境條件，以至于能夠在危險(xiǎn)時(shí)候最為及時(shí)通知并召回人員。
[0004]再如反恐作戰(zhàn)時(shí)，往往是一個(gè)班或排進(jìn)行戰(zhàn)斗，且作戰(zhàn)時(shí)間可能為夜間，作戰(zhàn)環(huán)境多為樓宇民居，在這種布局復(fù)雜巷戰(zhàn)環(huán)境中導(dǎo)航定位非常困難，同時(shí)班排間需要獲知相互位置信息，互相協(xié)同作戰(zhàn)；同時(shí)班排指揮員需要隨時(shí)獲知各個(gè)單兵的位置信息、身體情況，能夠隨時(shí)指揮調(diào)動(dòng)單兵行動(dòng)，并能夠通過各個(gè)單兵獲取的場(chǎng)景信息得到戰(zhàn)場(chǎng)全局狀況。
[0005]多模復(fù)合室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖自主導(dǎo)航定位全數(shù)字化單兵頭盔可以有效的解決這些問題，首先它可以實(shí)現(xiàn)人員高精度的室內(nèi)導(dǎo)航定位需求；其次它可以獲取復(fù)雜環(huán)境的全天候圖像信息便于單兵展開工作；再次它可以通過多個(gè)傳感器復(fù)合處理對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景實(shí)時(shí)構(gòu)圖；最后指揮控制終端能夠綜合單兵信息，得到戰(zhàn)場(chǎng)全局態(tài)勢(shì)，靈活指揮單兵作戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的問題是提供一種UWB自主定位系統(tǒng)及其實(shí)施方法，利用多模復(fù)合對(duì)室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度的火場(chǎng)、反恐等領(lǐng)域戰(zhàn)士的自主導(dǎo)航定位要求，為場(chǎng)指揮員的作戰(zhàn)指揮和場(chǎng)內(nèi)戰(zhàn)士的安全提供保障，有效提升我國(guó)在室內(nèi)人員自主定位方面的技術(shù)水平和裝備水平。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種UWB自主定位系統(tǒng)，包括多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔、以及室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端；
[0008]所述的多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔包括UWB模塊、IR紅外成像模塊、MEMS模塊、LA激光測(cè)距模塊、自動(dòng)云臺(tái)穩(wěn)定模塊、呼吸過濾模塊、室溫測(cè)量模塊、多模復(fù)合處理模塊、CC數(shù)據(jù)傳輸模塊；所述的UWB模塊通過UWB雷達(dá)收發(fā)模塊獲取人員在室內(nèi)空間距離信息，所述的IR紅外成像模塊利用長(zhǎng)波紅外的穿透性，可以在煙霧、黑夜等惡劣環(huán)境下獲取當(dāng)前的周邊環(huán)境圖像，所述的MEMS模塊利用MEMS傳感器獲取當(dāng)前人員的姿態(tài)信息，所述的LA激光測(cè)距模塊利用激光測(cè)距模塊進(jìn)行掃描獲取當(dāng)前人員與室內(nèi)空間的相對(duì)距離信息，所述多模復(fù)合處理模塊將UWB模塊、IR紅外成像模塊、MEMS模塊和LA激光測(cè)距模塊四個(gè)模塊的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收，所述自動(dòng)云臺(tái)穩(wěn)定模塊與UWB模塊、LA激光測(cè)距模塊相連，用于對(duì)UWB模塊與LA激光測(cè)距模塊進(jìn)行穩(wěn)定，避免上述模塊因和振動(dòng)大角度運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量精度下降；所述呼吸過濾模塊、室溫測(cè)量模塊直接與多模復(fù)合處理模塊相連，所述的呼吸過濾模塊用于為人員提供氧氣、防毒氣等功能，所述的室溫測(cè)量模塊用于測(cè)量當(dāng)前的環(huán)境溫度；所述的CC數(shù)據(jù)傳輸模塊將多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔的原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)绞覂?nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端；
[0009]所述室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端包括ZD數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)控指揮模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)景構(gòu)圖模塊；所述室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端通過ZD數(shù)據(jù)傳輸模塊接收多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔的原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)，ZD數(shù)據(jù)傳輸模塊與監(jiān)控指揮模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)景構(gòu)圖模塊相連，所述的監(jiān)控指揮模塊，利用接收到的人員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、姿態(tài)位置信息、環(huán)境溫度信息等，實(shí)時(shí)判斷人員的安全狀態(tài)，及時(shí)有效的指揮其相應(yīng)的運(yùn)作；所述的數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)一步對(duì)各個(gè)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，得到室內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)信息，人員位置信息等，并通過實(shí)景構(gòu)圖模塊進(jìn)行顯示；所述的實(shí)景構(gòu)圖模塊，利用數(shù)據(jù)處理模塊處理的數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前未知室內(nèi)進(jìn)行實(shí)景構(gòu)圖，并繪制人員三維運(yùn)行軌跡。
[0010]進(jìn)一步地，在上述方案中，所述的UWB模塊包括UWB雷達(dá)收發(fā)模塊、UffB信息處理模塊、所述的UWB雷達(dá)收發(fā)模塊用于發(fā)射和接收UWB雷達(dá)信號(hào)，并對(duì)接收到的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；所述的UWB處理模塊用于得到人員在室內(nèi)的相對(duì)距離信息。
[0011]進(jìn)一步地，在上述方案中，所述的IR成像模塊包括IR圖像傳感器、IR圖像采集模塊、IR圖像匹配處理模塊，所述的IR圖像傳感器用于探測(cè)煙霧、黑暗場(chǎng)景下的室內(nèi)場(chǎng)景；所述的IR圖像采集模塊用于采集IR傳感器得到紅外圖像，并將其傳輸給IR圖像匹配處理模塊；所述的IR圖像匹配處理模塊用于對(duì)紅外圖像進(jìn)行匹配處理，得到室內(nèi)場(chǎng)景的特征點(diǎn)便于進(jìn)行定位處理。
[0012]進(jìn)一步地，在上述方案中，所述的MEMS模塊包括加速度計(jì)傳感器、陀螺儀傳感器、磁力傳感器、氣壓傳感器，所述的加速度計(jì)傳感器用于得到人員當(dāng)前各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的加速度，并將其傳輸?shù)蕉嗄?fù)合處理模塊；所述的陀螺儀傳感器用于得到人員當(dāng)前姿態(tài)信息并將其傳輸?shù)蕉嗄?fù)合處理模塊；所述的磁力傳感器用于得到人員當(dāng)前磁力信息并將其傳輸?shù)蕉嗄?fù)合處理模塊；所述的氣壓傳感器用于得到人員當(dāng)前氣壓信息并將其傳輸?shù)蕉嗄?fù)合處理模塊。
[0013]進(jìn)一步地，在上述方案中，所述的LA激光測(cè)距模塊包括激光測(cè)距傳感器、激光掃描控制模塊、所述的LA激光測(cè)距傳感器用于測(cè)量室內(nèi)各個(gè)方位的相對(duì)距離信息；所述的激光掃描控制模塊用于對(duì)激光傳感器進(jìn)行精確轉(zhuǎn)動(dòng)控制，使其準(zhǔn)確的進(jìn)行360掃描運(yùn)行。
[0014]進(jìn)一步地，在上述方案中，所述的多模復(fù)合處理模塊包括ARM處理器、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、多模復(fù)合模塊，所述的ARM處理器用于為數(shù)據(jù)預(yù)處理和多模復(fù)合提供快速運(yùn)算平臺(tái)；所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊用于對(duì)IR紅外圖像、MEMS模塊、激光測(cè)距模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將預(yù)處理結(jié)果發(fā)送到多模復(fù)合模塊；所述的多模復(fù)合模塊用于對(duì)UWB距離信息、IR紅外圖像匹配結(jié)果、MEMS姿態(tài)數(shù)據(jù)以及激光測(cè)距結(jié)果進(jìn)行復(fù)合處理，得到穩(wěn)定的室內(nèi)導(dǎo)航定位信息。
[0015]一種UWB自主定位系統(tǒng)的實(shí)施方法，包括以下步驟:
[0016](I) UffB模塊通過UWB雷達(dá)收發(fā)模塊獲取人員在室內(nèi)空間距離信息，LA激光測(cè)距模塊利用激光測(cè)距模塊進(jìn)行掃描獲取當(dāng)前人員與室內(nèi)空間的相對(duì)距離信息，UWB模塊和LA激光測(cè)距模塊結(jié)合起來對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)距，通過掃描方式可以實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)建筑相對(duì)空間信息，從而得到每一時(shí)刻的室內(nèi)平面圖像；
[0017](2) IR紅外成像模塊利用長(zhǎng)波紅外的穿透性，對(duì)煙霧、黑夜等惡劣環(huán)境的室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行灰度成像；
[0018](3)MEMS模塊利用MEMS傳感器精確地得到每一時(shí)刻人員的加速度、角速度和磁場(chǎng)信息，采用濾波技術(shù)得到相應(yīng)的航向和姿態(tài)信息；
[0019](4)多模復(fù)合處理模塊將UWB模塊、IR紅外成像模塊、MEMS模塊和LA激光測(cè)距模塊四個(gè)模塊的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收后，首先通過多幀紅外圖像積累與匹配處理得到室內(nèi)場(chǎng)景的穩(wěn)定特征信息，通過得到的穩(wěn)定特征信息判斷人員的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；其次融合處理IR圖像、UffB和LA掃描圖像信息，從而得到人員在室內(nèi)的相對(duì)空間信息，結(jié)合MEMS航向和姿態(tài)信息，得到人員的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0020](5)自動(dòng)云臺(tái)穩(wěn)定模塊與UWB模塊、LA激光測(cè)距模塊相連，對(duì)UWB模塊與LA激光測(cè)距模塊進(jìn)行穩(wěn)定，避免上述模塊因和振動(dòng)大角度運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量精度下降；
[0021](6)呼吸過濾模塊為人員提供氧氣，并進(jìn)行防毒氣，室溫測(cè)量模塊測(cè)量當(dāng)前的環(huán)境溫度，二者為后臺(tái)指控終端提供調(diào)度的依據(jù)信息；
[0022](7) CC數(shù)據(jù)傳輸模塊將多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔的原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)绞覂?nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端；
[0023](8)室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端通過ZD數(shù)據(jù)傳輸模塊接收多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔的原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)，后臺(tái)的室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端根據(jù)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息以及各個(gè)人員的相對(duì)坐標(biāo)信息，得出人員在地球坐標(biāo)下的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)軌跡信息；同時(shí)判斷各個(gè)人員之間相對(duì)位置信息；并根據(jù)各個(gè)人員的呼吸、身體狀態(tài)和環(huán)境溫度信息判斷其危險(xiǎn)程度，進(jìn)行及時(shí)的指揮調(diào)度和控制。
[0024]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:(I)利用多模復(fù)合對(duì)室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖；(2)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度的火場(chǎng)、反恐等領(lǐng)域戰(zhàn)士的自主導(dǎo)航定位要求；(3)為場(chǎng)指揮員的作戰(zhàn)指揮和場(chǎng)內(nèi)戰(zhàn)士的安全提供保障；(4)有效提升我國(guó)在室內(nèi)人員自主導(dǎo)航定位、實(shí)景構(gòu)圖等方面的技術(shù)水平和裝備水平。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)總框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027]如圖1所示，一種UWB自主定位系統(tǒng)，包括多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔100以及室內(nèi)實(shí)景構(gòu)圖指揮保障ZHD終端200 ;所述的多模復(fù)合自主導(dǎo)航定位MSFL全數(shù)字化單兵頭盔100包括UWB模塊110、IR紅外成像模塊120、MEMS模塊130、LA激光測(cè)距模塊140、自動(dòng)云臺(tái)穩(wěn)定模塊150、呼吸過濾模塊160、室溫測(cè)量模塊170、多模復(fù)合處理模塊180、CC數(shù)據(jù)傳輸模塊190 ;所述的UWB模塊110