一種uwb自主定位系統及其實施方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及室內自主導航定位技術領域，特別是涉及一種UWB自主定位系統及其實施方法。
【背景技術】
[0002]目前，由于GPS與北斗導航衛星的廣泛應用，室外導航定位技術的發展日趨成熟。然而由于衛星信號難以穿透室內建筑物，并且室內的環境非常復雜，存在的多徑、非視距干擾導致室內導航定位難以實現或難以真正達到應用需求。
[0003]然而室內又是與人類生活工作關系最為密切的場合，室內導航定位服務存在大量的應用需求。例如在消防作戰中，消防隊員的工作性質高度危險，他們可能會進入一些復雜的高層建筑，人員的自身安全就成為問題，火場環境復雜惡劣，尤其是建筑物內部布局復雜、障礙物多、多徑效應嚴重，定位困難，火場如果有高層建筑，各樓層的火勢不同，指揮員指揮作戰需要將人員的位置精確定位到樓層及樓層上的具體位置；同時指揮保障終端需要隨時監控人員的位置信息、身體狀況及其所處環境條件，以至于能夠在危險時候最為及時通知并召回人員。
[0004]再如反恐作戰時，往往是一個班或排進行戰斗，且作戰時間可能為夜間，作戰環境多為樓宇民居，在這種布局復雜巷戰環境中導航定位非常困難，同時班排間需要獲知相互位置信息，互相協同作戰；同時班排指揮員需要隨時獲知各個單兵的位置信息、身體情況，能夠隨時指揮調動單兵行動，并能夠通過各個單兵獲取的場景信息得到戰場全局狀況。
[0005]多模復合室內實景構圖自主導航定位全數字化單兵頭盔可以有效的解決這些問題，首先它可以實現人員高精度的室內導航定位需求；其次它可以獲取復雜環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傳感器復合處理對室內場景實時構圖；最后指揮控制終端能夠綜合單兵信息，得到戰場全局態勢，靈活指揮單兵作戰。
【發明內容】
[0006]本發明解決的問題是提供一種UWB自主定位系統及其實施方法，利用多模復合對室內實景構圖，實現實時高精度的火場、反恐等領域戰士的自主導航定位要求，為場指揮員的作戰指揮和場內戰士的安全提供保障，有效提升我國在室內人員自主定位方面的技術水平和裝備水平。
[0007]本發明的技術方案是，一種UWB自主定位系統，包括多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔、以及室內實景構圖指揮保障ZHD終端；
[0008]所述的多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔包括UWB模塊、IR紅外成像模塊、MEMS模塊、LA激光測距模塊、自動云臺穩定模塊、呼吸過濾模塊、室溫測量模塊、多模復合處理模塊、CC數據傳輸模塊；所述的UWB模塊通過UWB雷達收發模塊獲取人員在室內空間距離信息，所述的IR紅外成像模塊利用長波紅外的穿透性，可以在煙霧、黑夜等惡劣環境下獲取當前的周邊環境圖像，所述的MEMS模塊利用MEMS傳感器獲取當前人員的姿態信息，所述的LA激光測距模塊利用激光測距模塊進行掃描獲取當前人員與室內空間的相對距離信息，所述多模復合處理模塊將UWB模塊、IR紅外成像模塊、MEMS模塊和LA激光測距模塊四個模塊的數據信息進行接收，所述自動云臺穩定模塊與UWB模塊、LA激光測距模塊相連，用于對UWB模塊與LA激光測距模塊進行穩定，避免上述模塊因和振動大角度運動導致測量精度下降；所述呼吸過濾模塊、室溫測量模塊直接與多模復合處理模塊相連，所述的呼吸過濾模塊用于為人員提供氧氣、防毒氣等功能，所述的室溫測量模塊用于測量當前的環境溫度；所述的CC數據傳輸模塊將多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔的原始數據及處理后的數據及時傳輸到室內實景構圖指揮保障ZHD終端；
[0009]所述室內實景構圖指揮保障ZHD終端包括ZD數據傳輸模塊、監控指揮模塊、數據處理模塊、實景構圖模塊；所述室內實景構圖指揮保障ZHD終端通過ZD數據傳輸模塊接收多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔的原始數據及處理后的數據，ZD數據傳輸模塊與監控指揮模塊、數據處理模塊、實景構圖模塊相連，所述的監控指揮模塊，利用接收到的人員的運動狀態、姿態位置信息、環境溫度信息等，實時判斷人員的安全狀態，及時有效的指揮其相應的運作；所述的數據處理模塊，進一步對各個傳感器的原始數據進行融合處理，得到室內的空間結構信息，人員位置信息等，并通過實景構圖模塊進行顯示；所述的實景構圖模塊，利用數據處理模塊處理的數據對當前未知室內進行實景構圖，并繪制人員三維運行軌跡。
[0010]進一步地，在上述方案中，所述的UWB模塊包括UWB雷達收發模塊、UffB信息處理模塊、所述的UWB雷達收發模塊用于發射和接收UWB雷達信號，并對接收到的雷達回波信號進行預處理；所述的UWB處理模塊用于得到人員在室內的相對距離信息。
[0011]進一步地，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煙霧、黑暗場景下的室內場景；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紅外圖像進行匹配處理，得到室內場景的特征點便于進行定位處理。
[0012]進一步地，在上述方案中，所述的MEMS模塊包括加速度計傳感器、陀螺儀傳感器、磁力傳感器、氣壓傳感器，所述的加速度計傳感器用于得到人員當前各個方向運動的加速度，并將其傳輸到多模復合處理模塊；所述的陀螺儀傳感器用于得到人員當前姿態信息并將其傳輸到多模復合處理模塊；所述的磁力傳感器用于得到人員當前磁力信息并將其傳輸到多模復合處理模塊；所述的氣壓傳感器用于得到人員當前氣壓信息并將其傳輸到多模復合處理模塊。
[0013]進一步地，在上述方案中，所述的LA激光測距模塊包括激光測距傳感器、激光掃描控制模塊、所述的LA激光測距傳感器用于測量室內各個方位的相對距離信息；所述的激光掃描控制模塊用于對激光傳感器進行精確轉動控制，使其準確的進行360掃描運行。
[0014]進一步地，在上述方案中，所述的多模復合處理模塊包括ARM處理器、數據預處理模塊、多模復合模塊，所述的ARM處理器用于為數據預處理和多模復合提供快速運算平臺；所述的數據預處理模塊用于對IR紅外圖像、MEMS模塊、激光測距模塊的數據進行預處理，并將預處理結果發送到多模復合模塊；所述的多模復合模塊用于對UWB距離信息、IR紅外圖像匹配結果、MEMS姿態數據以及激光測距結果進行復合處理，得到穩定的室內導航定位信息。
[0015]一種UWB自主定位系統的實施方法，包括以下步驟:
[0016](I) UffB模塊通過UWB雷達收發模塊獲取人員在室內空間距離信息，LA激光測距模塊利用激光測距模塊進行掃描獲取當前人員與室內空間的相對距離信息，UWB模塊和LA激光測距模塊結合起來對復雜環境下的室內場景進行測距，通過掃描方式可以實時獲取室內建筑相對空間信息，從而得到每一時刻的室內平面圖像；
[0017](2) IR紅外成像模塊利用長波紅外的穿透性，對煙霧、黑夜等惡劣環境的室內場景進行灰度成像；
[0018](3)MEMS模塊利用MEMS傳感器精確地得到每一時刻人員的加速度、角速度和磁場信息，采用濾波技術得到相應的航向和姿態信息；
[0019](4)多模復合處理模塊將UWB模塊、IR紅外成像模塊、MEMS模塊和LA激光測距模塊四個模塊的數據信息進行接收后，首先通過多幀紅外圖像積累與匹配處理得到室內場景的穩定特征信息，通過得到的穩定特征信息判斷人員的相對運動狀態；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的相對空間信息，結合MEMS航向和姿態信息，得到人員的相對運動軌跡；
[0020](5)自動云臺穩定模塊與UWB模塊、LA激光測距模塊相連，對UWB模塊與LA激光測距模塊進行穩定，避免上述模塊因和振動大角度運動導致測量精度下降；
[0021](6)呼吸過濾模塊為人員提供氧氣，并進行防毒氣，室溫測量模塊測量當前的環境溫度，二者為后臺指控終端提供調度的依據信息；
[0022](7) CC數據傳輸模塊將多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔的原始數據及處理后的數據及時傳輸到室內實景構圖指揮保障ZHD終端；
[0023](8)室內實景構圖指揮保障ZHD終端通過ZD數據傳輸模塊接收多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔的原始數據及處理后的數據，后臺的室內實景構圖指揮保障ZHD終端根據各個傳感器的數據信息以及各個人員的相對坐標信息，得出人員在地球坐標下的準確運動軌跡信息；同時判斷各個人員之間相對位置信息；并根據各個人員的呼吸、身體狀態和環境溫度信息判斷其危險程度，進行及時的指揮調度和控制。
[0024]本發明的有益效果體現在:(I)利用多模復合對室內實景構圖；(2)實現實時高精度的火場、反恐等領域戰士的自主導航定位要求；(3)為場指揮員的作戰指揮和場內戰士的安全提供保障；(4)有效提升我國在室內人員自主導航定位、實景構圖等方面的技術水平和裝備水平。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的系統總框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0027]如圖1所示，一種UWB自主定位系統，包括多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔100以及室內實景構圖指揮保障ZHD終端200 ;所述的多模復合自主導航定位MSFL全數字化單兵頭盔100包括UWB模塊110、IR紅外成像模塊120、MEMS模塊130、LA激光測距模塊140、自動云臺穩定模塊150、呼吸過濾模塊160、室溫測量模塊170、多模復合處理模塊180、CC數據傳輸模塊190 ;所述的UWB模塊110