一种地下空间内既定路径自主定位方法
阅读说明：本技术 一种地下空间内既定路径自主定位方法 (Autonomous positioning method for established path in underground space ) 是由 柏思忠 于庆 张加易 孙世岭 路萍 李莉 梁光清 张远征 赵庆川 罗前刚 马勤勇 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种地下空间内既定路径自主定位方法,属于定位技术领域。该方法为：利用地下空间的分层特性,将地下空间分解为多个一定深度的二维平面,针对地下空间巷道分布数字化平面地图结合巷道交叉点坐标,设备E-(0)自主定位变化为既定路径的惯性导航,分解为简单的直线运动导航和交叉点标定,计算出实时相对坐标和运动路径。本发明导入交叉点坐标矩阵,所有路径变成既定路径；巷道交叉点标定,消除惯性导航累计误差。(The invention relates to an autonomous positioning method for a given path in an underground space, and belongs to the technical field of positioning. The method comprises the following steps: decomposing the underground space into a plurality of two-dimensional planes with certain depth by utilizing the layering characteristic of the underground space, combining a digital plane map for underground space roadway distribution with roadway intersection coordinates, and equipment E 0 The autonomous positioning change is inertial navigation of a set path, the inertial navigation is decomposed into simple linear motion navigation and intersection point calibration, and real-time relative coordinates and a motion path are calculated. According to the invention, a cross point coordinate matrix is introduced, and all paths are changed into established paths; and calibrating the intersection of the roadway, and eliminating the accumulated error of inertial navigation.)
技术领域
本发明属于定位技术领域，涉及一种地下空间内既定路径自主定位方法。
背景技术
本发明涉及室内定位技术领域，更具体的，涉及地下空间内既定路径自主定位方法。主要针对红外定位技术、超声波定位技术、WIFI定位技术、蓝牙定位技术、惯性导航技术、超宽带定位技术等进行现状分析：
(1)红外定位技术：红外线是一种常见的电磁波，红外线定位是利用其电磁波特性实现定位，其原理是在室内环境中布置位置固定的光学传感器，通过接收移动设备发出的红外线进行位置估算进而推算位置进行定位。红外线具有极高的定位精度，但是由于红外线不能穿过障碍物仅能视距传播和红外线定位易受灯光干扰这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。
(2)超声波定位技术：在测量环境中布置多个固定的接收超声波接收器，携带超声波发生器的目标会以特定的频率发送脉冲信号，根据每个接收器接收信号的时间差系统计算断出每个接收器与目标的距离，进而推算出目标的位置。在小范围内都可以获取到高精度的定位结果，但是超声波的脉冲信号传输衰减大，当室内环境过大时，信号的误差会变得不可控制。
(3)WIFI定位技术：WIFI定位需要事先收集固定接入点的位置信息，在移动设备接入无线局域网时，通过采集其信号强度，借助于信号衰减模型与实际环境推测等手段估算与接入点的距离，当使用三个及以上接入点推算出距离后，即可使用三角定位方式对当前移动设备的位置进行计算。缺点在于若仅依靠固定接入点的位置信息而不去实时更新数据,信号会受到墙体结构和人体阻挡估算误差增大。
(4)蓝牙定位技术：当使用移动设备通过蓝牙与多个主设备进行连接时，即可获取主设备的信号强度，通过信号强度即计算出位置。但是蓝牙定位系统在环境空间相对复杂的情境下接收到的信号强度稳定性稍差，移动设备很容易受到其他信号源的干扰。
(5)惯性导航技术：助于移动设备的加速度传感器和陀螺仪可以测算出以上物理量，利用这些连续数据就可以估测目标的移动情况和当前位置。不与外部交互，不被其他信号干扰，适合在条件恶劣的复杂环境下工作。但是推算的位置信息通过积分计算获得，在系统运行过程中其随着时间增加会形成累计误差。
(6)超宽带定位技术(UWB)：是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内，利用信号在两个异步收发机之间飞行时间来测量节点间的距离。它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点；但是高频段脉冲穿透性差，要求无遮挡，需要布置大量的基站形成网络，成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地下空间内既定路径自主定位方法。根据地下空间巷道分布数字化平面地图生成巷道交叉点坐标矩阵并导入设备，设备预知平面内所有运动路径，在既定路径上直线运动惯性导航，巷道交叉点时进行坐标标定，实现设备实时坐标和运动路径自主定位。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种地下空间内既定路径自主定位方法，该方法为：
利用地下空间的分层特性，将地下空间分解为多个一定深度的二维平面，针对地下空间巷道分布数字化平面地图结合巷道交叉点坐标，设备E0自主定位变化为既定路径的惯性导航，分解为简单的直线运动导航和交叉点标定，计算出实时相对坐标和运动路径。
可选的，所述方法具体包括以下步骤：
S1：结合电子地图标注出所有的巷道交叉点及坐标，建立交叉点坐标矩阵并导入设备，建立所有运动路径的数学模型，任意路径成为既定路径；
S2：设备运动过程中当姿态角变化超过角度阈值时判定交叉点；
S3：设备运动到巷道交叉点时直接用交叉点已知坐标标定实时坐标，消除惯性导航累计误差。
可选的，所述地下空间巷道分布数字化平面地图中，起始点O(0,0)作为平面坐标原点，将所有巷道交叉连接点逐点逐行编号，并标明平面内相对坐标，包括A1(x1,y1)至An(xn,yn)，根据交叉点坐标确定巷道内所有路径，将地下空间任意一条路径明确为既定路径，地下空间设备自主定位变化为一定深度值条件下的二维既定路径惯性导航；
A1(x1,y1)至An(xn,yn)按照行列关系生成二维数字化平面地图坐标矩阵如下式：
每行元素个数由同一水平巷道交叉点数量确定，其余各行不够的元素空缺，行数由电子地图中水平巷道数量确定。
可选的，所述设备E0的工作过程分为以下三个步骤：
第一步零速标定：在起始点O(0,0)处设备E0正对水平巷道中心静止状态开始标定初始状态和初始姿态，设备E0初始化当前坐标为原点O(0,0)，初始姿态为正向面对X轴正向；
第二步交叉点标定：设备E0运动到所有的A1(x1,y1)到An(xn,yn)处，即设备E0姿态角水平方向变化值超过阈值θth时判定为设备E0到达指定交叉点Ai(xi,yi)，根据交叉点已知坐标值对当前实时值进行校正，消除惯性导航的累计误差；
第三步直线惯性导航：设备E0直线运动，即设备E0姿态角水平方向变化值不超过阈值θth时，经过惯性导航组件解算得到设备E0相对导航坐标系下的速度、位置和姿态角的信息计算出实时坐标和运动路径。
本发明的有益效果在于：
(1)导入交叉点坐标矩阵，所有路径变成既定路径；
(2)巷道交叉点标定，消除惯性导航累计误差。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为地下空间巷道分布数字化平面地图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明利用地下空间的分层特性，将地下空间分解为多个一定深度的二维平面，针对地下空间巷道分布数字化平面地图结合巷道交叉点坐标，设备自主定位变化为既定路径的惯性导航，分解为简单的直线运动导航和交叉点标定，计算出实时相对坐标和运动路径。
(1)结合电子地图标注出所有的巷道交叉点及坐标，建立交叉点坐标矩阵并导入设备，建立了所有运动路径的数学模型，任意路径都成为了既定路径；
(2)设备运动过程中当姿态角变化超过角度阈值时判定交叉点；
(3)设备运动到巷道交叉点时直接用交叉点已知坐标标定实时坐标，消除惯性导航累计误差。
地下空间常常是在一定深度的水平层面或者多个一定深度的水平层面，设备自主定位对高度不敏感时，可以将不同高度分层的地下空间标记为多个深度值一定的二维平面，将三维空间转换为二维平面自主定位。深度一定的地下空间巷道分布数字化平面地图如图1所示，结合地下空间巷道分布数字化平面地图，起始点O(0,0)作为平面坐标原点，将所有巷道交叉连接点逐点逐行编号，并标明平面内相对坐标如A1(x1,y1)到An(xn,yn)，根据交叉点坐标确定巷道内所有路径，将地下空间任意一条路径明确为既定路径，地下空间设备自主定位变化为一定深度值条件下的二维既定路径惯性导航。
图1中所示各点按照行列关系生成二维数字化平面地图坐标矩阵如下式，每行元素个数由同一水平巷道交叉点数量确定，其余各行不够的元素空缺，行数由电子地图中水平巷道数量确定。具有惯性导航功能的设备E0工作过程分为以下三个步骤：
第一步零速标定：在起始点O(0,0)处设备E0正对水平巷道中心静止状态开始标定初始状态和初始姿态，设备E0初始化当前坐标为原点O(0,0)，初始姿态为正向面对X轴正向。
第二步交叉点标定：设备E0运动到所有的A1(x1,y1)到An(xn,yn)处，即设备E0姿态角水平方向变化值超过阈值θth时判定为设备E0到达指定交叉点Ai(xi,yi)，根据交叉点已知坐标值对当前实时值进行校正，消除惯性导航的累计误差。
第三步直线惯性导航：设备E0直线运动，即设备E0姿态角水平方向变化值不超过阈值θth时，经过惯性导航组件解算得到设备E0相对导航坐标系下的速度、位置、姿态角等信息计算出实时坐标和运动路径。
实施例：
一种地下空间内既定路径自主定位方法的实施例，该实施例中地下空间巷道分布数字化平面地图如图1所示，结合地下空间巷道分布数字化平面地图，起始点O(0,0)作为平面坐标原点，将所有巷道交叉连接点逐点逐行编号，并标明平面内相对坐标如A1(x1,y1)到A12(x12,y12)。图中所示各点按照行列关系生成二维数字化平面地图坐标矩阵如下式，每行元素个数由各行元素最大值确定，其余各行不够的元素空缺，行数由电子地图中水平巷道数量确定。具有惯性导航功能的设备E0工作过程分为以下三个步骤：
第一步零速标定：在起始点O(0,0)处设备E0正对水平巷道A1(x1,y1)方向，静止状态开始标定初始状态和初始姿态，设备E0初始化当前坐标为原点O(0,0)，初始姿态为正向面对X轴正向。
第二步交叉点标定：设备E0运动到所有的A1(x1,y1)到A12(x12,y12)处，即设备E0姿态角水平方向变化值超过阈值θth＝15°时，判定为设备E0到达指定交叉点Ai(xi,yi)，根据交叉点已知坐标值(xi,yi)对当前实时值进行校正，消除惯性导航的累计误差。
第三步直线惯性导航：设备E0直线运动，即设备E0姿态角水平方向变化值不超过阈值θth＝15°时，惯性导航组件自主解算，得到相对导航坐标系下的实时坐标和运动路径。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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