本發(fā)明涉及一種地下空間定位系統(tǒng)及方法，尤其是一種地下空間通道反饋的慣性測量與無線傳感器組合定位系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

由于地下空間區(qū)域無法接受全球定位系統(tǒng)信號，所以需要借助其他的手段獲取地下空間室內(nèi)位置信息。

運用慣性測量單元的慣性測量技術(shù)是從20世紀初發(fā)展起來的一種新的導(dǎo)航技術(shù)?；驹硎歉鶕?jù)牛頓提出的相對慣性空間的力學(xué)定律，利用慣性測量儀中的加速度計測量載體的運動加速度，利用陀螺儀測量載體的旋轉(zhuǎn)角速度，然后通過計算機對這些慣性測量值進行處理，得到載體的位置、速度和姿態(tài)。稍具體地講，給定載體運動狀態(tài)的初始條件，將加速度測量值對時間進行一次積分可獲得載體的運動速度，對時間進行二次積分可獲得其空間位置。同樣，對旋轉(zhuǎn)角速度測量值對時間進行積分，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可獲得載體在空間三維中的姿態(tài)角。與其他類型的導(dǎo)航系統(tǒng)不同，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主導(dǎo)航能力，不需要從運載體傳送信號或者從外部接收信號，不受環(huán)境、載體機動及無線電干擾的影響，能連續(xù)地提供載體位置、速度和姿態(tài)等定位導(dǎo)航參數(shù)，其數(shù)據(jù)更新率快、量程較大，且具有短時間內(nèi)較高的相對精度。近幾年，隨著慣性器件的低成本、低功耗的發(fā)展，慣性測量技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛。

但是，在沒有其它測量手段輔助的情況下，慣性測量的誤差短時間內(nèi)會產(chǎn)生累積，容易引起較大的測量誤差。在地面上，一般是通過慣性測量和全球定位系統(tǒng)組合，但是，在地下空間環(huán)境中，由于信號被遮擋，無法接收全球定位系統(tǒng)信號，需要引入室內(nèi)定位技術(shù)輔助慣性測量。室內(nèi)定位技術(shù)是通過無線信號接收器獲取錨點發(fā)出的無線信號強度，經(jīng)過模型反算得到距離和位置信息，可以很好的應(yīng)用于地下空間環(huán)境，因此可以像慣性測量和全球定位系統(tǒng)組合那樣，將慣性測量和無線傳感器組合獲取定位信息。

基于無線信號的室內(nèi)定位技術(shù)由于建模誤差等方面的問題，解算的位置信息精度要比全球定位系統(tǒng)的位置信息精度差，通過室內(nèi)定位和慣性測量組合得到的定位信息精度不能滿足地下空間高精度的定位要求。鑒于此，如果在將慣性測量和無線傳感器組合的基礎(chǔ)上，通過地下空間地圖匹配的方法對組合定位的結(jié)果進行糾正，既可提高組合定位的精度，又可增加解算的可靠性。目前，還沒有地下空間通道反饋的組合定位裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要克服已有技術(shù)中的不足，提供一種地下空間慣性測量與無線傳感器組合定位系統(tǒng)與方法。在將慣性測量和無線傳感器組合的基礎(chǔ)上，通過地下空間地圖匹配的方法對組合定位的結(jié)果進行糾正，既可提高組合定位的精度，又可增加解算的可靠性。

本發(fā)明提出的地下空間慣性測量與無線傳感器組合定位系統(tǒng)，包括慣性測量單元、慣性測量處理模塊、無線信號接收器、卡爾曼濾波計算模塊、地下通道反饋模塊、電源模塊。其特征是：慣性測量單元的輸出端與慣性測量處理模塊相連，慣性測量處理模塊與無線信號接收器分別連接卡爾曼濾波計算模塊，地下空間反饋模塊與慣性測量處理模塊相連，卡爾曼濾波計算模塊同時接收慣性測量處理模塊和無線信號接收器的輸出信號，通過多狀態(tài)卡爾曼濾波計算，修正慣性測量處理模塊和無線信號接收器參數(shù)，將修正的參數(shù)反饋到慣性測量處理模塊和無線信號接收器，慣性測量處理模塊接收卡爾曼濾波計算模塊反饋的修正參數(shù)后得到組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入到地下通道反饋模塊中，作進一步的修正反饋，得出最終的定位信息。

所述慣性測量單元，包括陀螺儀、加速度計和溫度傳感器，三者的輸出連接濾波器和同步化模塊，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出。

所述卡爾曼濾波計算模塊為采用緊耦合算法的卡爾曼濾波計算模塊。

本發(fā)明的地下空間慣性測量與無線傳感器組合定位方法：

a. 在地下通道每隔設(shè)定的距離（如每隔1公里）處布設(shè)錨點，并測出錨點的位置信息，通過實驗訓(xùn)練，得出無線信號強度（RSS）與距離的關(guān)系曲線，簡稱RSS曲線。

b. 將組合定位系統(tǒng)固定在運動載體上，通過慣性測量單元測量行進中運動載體的三軸角速度和三軸比力值之后傳輸給慣性測量處理模塊，經(jīng)慣性測量處理模塊進行慣性測量力學(xué)編排得到運動載體的位置、速度和姿態(tài)，根據(jù)這些值預(yù)測計算相對于慣性測量單元的距離。

c. 組合定位系統(tǒng)經(jīng)過非錨點布設(shè)區(qū)域時，慣性測量單元輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進入地下通道反饋模塊，修正導(dǎo)航數(shù)據(jù)，得出位置信息。

d. 組合定位系統(tǒng)經(jīng)過錨點布設(shè)區(qū)域時，錨點發(fā)射無線電信號和錨點的位置信息，無線信號接收器接收錨點發(fā)射的無線電信號，由訓(xùn)練RSS曲線計算接收器和錨點的距離，卡爾曼濾波計算模塊接收慣性測量處理模塊和無線信號接收器的輸出的距離信息，通過多狀態(tài)卡爾曼濾波計算修正參數(shù)，并將修正參數(shù)反饋到慣性測量處理模塊，慣性測量處理模塊接收修正參數(shù)，計算導(dǎo)航數(shù)據(jù)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入到地下通道反饋模塊，對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行修正，得出位置信息。

本發(fā)明系統(tǒng)與方法，在將慣性測量和無線傳感器組合的基礎(chǔ)上，通過地下空間地圖匹配的方法對組合定位的結(jié)果進行糾正，既可提高組合定位的精度，又可增加解算的可靠性。引入了地下通道反饋算法，減小了地下空間定位無線傳感器的布設(shè)密度，節(jié)約了成本，進一步提高了定位精度，增強了數(shù)據(jù)可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明地下空間慣性測量與無線傳感器組合定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明地下空間慣性測量與無線傳感器組合定位方法流程圖。

圖3是本發(fā)明的慣性測量處理模塊的數(shù)據(jù)流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明地下空間慣性測量與無線傳感器組合定位系統(tǒng)，包括慣性測量單元1、慣性測量處理模塊2、無線信號接收器3、卡爾曼濾波計算模塊4、地下通道反饋模塊5和電源模塊。

所述慣性測量單元1，包括MEMS陀螺儀11、MEMS加速度計12和溫度傳感器13，三者的輸出的角度率、加速度和溫度的二進制信號經(jīng)濾波器14濾波去除誤差，再經(jīng)過同步化模塊15使不同傳感器的觀測值實現(xiàn)時間同步，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入至慣性測量處理模塊2。

無線信號接收器3采用WLAN信號接收器，其中，無線信號接收模塊31接收錨點6發(fā)射的無線電信號，經(jīng)信號消噪模塊32消噪處理，由距離運算模塊計算無線信號接收器3和錨點6的距離。

慣性測量處理模塊2與無線信號接收器3分別連接卡爾曼濾波計算模塊4，地下通道反饋模塊5與慣性測量處理模塊2相連，卡爾曼濾波計算模塊4同時接收慣性測量處理模塊2和無線信號接收器3的輸出信號，通過多狀態(tài)卡爾曼濾波計算，修正慣性測量處理模塊2和無線信號接收器3參數(shù)，將修正的參數(shù)反饋到慣性測量處理模塊2和無線信號接收器3，慣性測量處理模塊2接收卡爾曼濾波計算模塊4反饋的修正參數(shù)后得到組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入到地下通道反饋模塊5中。

如圖2所示，本發(fā)明地下空間慣性測量與無線傳感器組合定位系統(tǒng)，按照本發(fā)明提出的定位方法，對礦井井下巷道的車輛進行定位測量，具體過程如下：

a. 在礦井井下巷道每隔1公里處布設(shè)錨點，錨點一般設(shè)置在巷道的側(cè)壁的上方位置，錨點上安裝無線信號發(fā)射器，并測出錨點的位置信息，通過實驗訓(xùn)練，得出無線信號強度與距離的關(guān)系曲線。

b. 將組合定位系統(tǒng)固定在井下運輸車輛上，通過慣性測量單元測量行進中井下運輸車輛的三軸角速度和三軸比力值之后傳輸給慣性測量處理模塊，經(jīng)慣性測量處理模塊進行慣性測量力學(xué)編排得到運動載體的位置、速度和姿態(tài)，根據(jù)這些值預(yù)測計算相對于慣性測量單元的距離，慣性測量力學(xué)編排計算如圖2所示，由加速度計提供載體坐標系中的比力測量值，陀螺儀提供載體坐標系中角速度的測量值，當(dāng)給定導(dǎo)航初始時刻載體的姿態(tài)估值后，根據(jù)相對于慣性坐標系的載體角速度的測量值，姿態(tài)計算得到方向余弦矩陣。通過比力測量值左乘方向余弦矩陣，得到導(dǎo)航坐標系中比力值。利用得到的，在速度和位置初始估值的基礎(chǔ)上，綜合重力計算得到的當(dāng)?shù)刂亓κ噶亢透缡闲Ｕ畔⒔?jīng)導(dǎo)航計算得到載體的位置和速度及新的哥氏改正，位置信息通過重力計算得到新的當(dāng)?shù)刂亓κ噶?，利用可以提取載體的姿態(tài)、航向信息。得到的載體位置、速度、姿態(tài)、當(dāng)?shù)刂亓κ噶亢透缡闲Ｕ畔⒆鳛橄乱淮斡嬎愕某跏贾?，直至得到最終時刻載體位置、速度和姿態(tài)。

c. 井下運輸車輛經(jīng)過非錨點布設(shè)區(qū)域時，慣性測量單元輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進入地下通道反饋模塊，修正導(dǎo)航數(shù)據(jù)，得出位置信息。

d. 井下運輸車輛經(jīng)過錨點布設(shè)區(qū)域時，錨點發(fā)射無線電信號和錨點的位置信息，無線信號接收器接收錨點發(fā)射的無線電信號，由步驟a中得到的關(guān)系曲線計算接收器和錨點的距離，卡爾曼濾波計算模塊接收慣性測量處理模塊和無線信號接收器的輸出的距離信息，通過多狀態(tài)卡爾曼濾波計算修正參數(shù)，并將修正參數(shù)反饋到慣性測量處理模塊，慣性測量處理模塊接收修正參數(shù)，計算導(dǎo)航數(shù)據(jù)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入到地下通道反饋模塊，對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行修正，得出位置信息。