用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法与系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法和系统，该方法包括如下步骤：S01：通过惯性导航系统获得定位主体的位置信息、类矩形环境的地图信息，进而得到定位主体的中心到类矩形环境的四个边缘的四个预测距离值；S02：根据超声波传感器相对定位主体的位置、定位主体的航向以及超声波传感器的测距值计算定位主体中心到类矩形环境的四个边缘的四个实测距离值；S03：将实测距离值与预测距离值进行比较，计算两者差值的绝对值，根据该差值的绝对值的大小设定不同实测距离值的不同的权重；S04：依据不同的权值对实测距离值进行加权平均求和，得到最终的实际距离；S05：依据最终的实际距离对定位主体进行位置的更新。

【技术实现步骤摘要】
用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法与系统
本专利技术涉及惯性导航和室内定位导航技术，特别涉及一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法与系统。
技术介绍
在室外导航定位技术中，卫星导航系统，包括全球定位系统GPS以及我国自主研发的北斗导航系统都已经得到了非常广泛的应用，极大地丰富了人们的生活。然而，当处在室内环境下时，所能接收到的GPS信号或北斗卫星信号是非常微弱的，甚至根本接收不到，这就需要提供室内导航与定位的新方法。目前的室内导航方法主要分为两种，一种是基于信标定位的方法，另一种是基于惯性器件定位的方法。基于信标定位的方法，即在当前环境中先预设一定数量的位置固定的信标，用户通过与这些信标的信息交互来获取自身当前的位置，如RFID定位、WIFI定位等。基于惯性器件定位的方法，通过设备内置的加速度计、陀螺仪、磁力计等来感知定位目标的运动方向和运动距离，逐步计算目标位置进行定位导航。基于信标定位的方法虽然精度高，但有以下两个缺陷：(1).需要事先在环境中部署信标，所需成本很高；(2).若发生灾害，信标极有可能会被摧毁，使得该条件下的室内定位导航不可进行。而基于惯性器件定位的方法，不需要设定信标，因而成本相对较低，且由于惯性传感器安装在可便携设备中，具有自主性，即使发生灾害或其他紧急情况也能够进行定位和导航。虽然惯性导航有以上的诸多优点，但这种导航方法也有自己的不足之处，其最大的缺点是长时间导航精度较低。因为惯性器件的误差是可累积的，当经过一定的时间后，导航定位误差会迅速增长。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何使惯性导航系统的定位结果更加精确，导航性能更好。为了解决这一技术问题，本专利技术提供了一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法，用以辅助惯性导航系统，提供了定位主体和若干设于所述定位主体外围的超声波传感器，若干所述超声波传感器的发射超声波的方向的反向延长线均通过所述定位主体的中心，所述超声波传感器用以测量超声波发射点到对应类矩形环境一条边缘的垂线距离，得到测距值；该方法包括如下步骤：S01：通过惯性导航系统获得所述定位主体的位置信息、类矩形环境的地图信息，进而得到所述定位主体的中心到类矩形环境的四个边缘的四个预测距离值；S02：根据所述超声波传感器相对定位主体的位置、定位主体的航向以及超声波传感器的测距值计算所述定位主体中心到类矩形环境的四个边缘的四个实测距离值；S03：将实测距离值与预测距离值进行比较，计算两者差值的绝对值，根据该差值的绝对值的大小设定不同实测距离值的不同的权重，其中，差值的绝对值越大，权重越小；S04：依据不同的权值对实测距离值进行加权平均求和，得到最终的实际距离；S05：依据最终的实际距离对定位主体进行位置的更新。在所述步骤S02之前，还包括对所述超声波传感器筛选的过程，在该过程中，先计算每个所述超声波传感器相对于类矩形环境地图的朝向，然后根据朝向的角度阈值过滤掉部分超声波传感器，仅就未被过滤的超声波传感器实施后续步骤。在所述步骤S03中，还包括对实测距离值筛选的过程，在该过程中，将实测距离值与预测距离值差值的绝对值与一个阈值比较，若大于该阈值，则将该实测距离值过滤掉，仅就未被过滤掉的实测距离值进行权重设定，进而实施后续步骤。本专利技术还提供了一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位系统，用以辅助惯性导航系统，包括粗略位置获取模块、地图信息获取模块、距离预测模块、超声波阵列测距模块、航向获取模块和导航滤波模块，所述粗略位置获取模块，用以通过所述惯性导航系统获得定位主体的位置信息；所述地图信息获取模块，用以获得定位主体所处类矩形环境的地图信息；所述距离预测模块，用以根据定位主体的位置信息和其所处类矩形环境的地图信息计算定位主体到类矩形环境四个边缘的距离，得到相应的预测距离值；所述超声波阵列测距模块，至少包括若干安装于定位主体上的超声波传感器，所述超声波传感器用以测量超声波发射点到对应类矩形环境一条边缘的垂线距离，得到测距值；若干所述超声波传感器分布于所述定位主体的外围，且每个所述超声波传感器发射超声波的方向的反向延长线均通过所述定位主体的中心。所述航向获取模块，用以通过所述惯性导航系统获得定位主体的前进方向；使用的是惯性导航系统中输出的航向信息，记为heading。所述导航滤波模块，用以根据所述预测距离值、测距值和定位主体的前进方向，计算得到定位主体到类矩形环境四条边的实际距离，进而实现对定位主体位置的位置更新。所述导航滤波模块在用于计算得到定位主体到类矩形环境四条边的实际距离时，所述导航滤波模块先用以根据所述超声波传感器相对定位主体的位置、定位主体的航向以及超声波传感器的测距值计算所述定位主体中心到类矩形环境的四个边缘的四个实测距离值；所述导航滤波模块再用以将实测距离值与预测距离值进行比较，计算两者差值的绝对值，根据该差值的绝对值的大小设定不同实测距离值的不同的权重，其中，差值的绝对值越大，权重越小；然后，所述导航滤波模块依据不同的权值对实测距离值进行加权平均求和，得到最终的实际距离；最后，所述导航滤波模块依据最终的实际距离对定位主体进行位置的更新。在计算得到所述实测距离值之前，所述导航滤波模块还用以实施所述超声波传感器筛选的过程，在该过程中，先计算每个所述超声波传感器相对于类矩形环境地图的朝向，然后根据朝向的角度阈值过滤掉部分超声波传感器，仅就未被过滤的超声波传感器实施后续步骤。在对实测距离值设置不同的权重之前，所述导航滤波模块还用以实施对实测距离值筛选的过程，在该过程中，将实测距离值与预测距离值差值的绝对值与一个阈值比较，若大于该阈值，则将该实测距离值过滤掉，仅就未被过滤掉的实测距离值进行权重设定，进而实施后续步骤。本专利技术在惯性器件定位的基础上，添加超声波阵列测距装置，将超声波传感器设于定位主体上，从而进行融合定位导航，解决了累积误差问题，进一步的，本专利技术还将预测距离值和实测距离值有效的运用与整合，最终使惯性导航系统的定位结果更加精确，导航性能更好。附图说明图1是本专利技术一实施例中用于室内导航的超声波阵列辅助定位系统的模块示意图；图2是本专利技术一实施例中定位主体距离预测示意图；图3是本专利技术一实施例中超声波阵列均匀分布示意图；图4是本专利技术另一实施例中超声波阵列非均匀分布示意图；图5是本专利技术一实施例中超声波传感器测距示意图；图6是本专利技术一实施例中导航滤波模块的操作流程图。具体实施方式以下将结合图1至图6对本专利技术提供的用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法与系统进行详细的描述，其为本专利技术一可选的实施例，可以认为，本领域的技术人员在不改变本专利技术精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。本实施例提供了一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法，用以辅助惯性导航系统，提供了定位主体和若干设于所述定位主体外围的超声波传感器，若干所述超声波传感器的发射超声波的方向的反向延长线均通过所述定位主体的中心，所述超声波传感器用以测量超声波发射点到对应类矩形环境一条边缘的垂线距离，得到测距值；该方法包括如下步骤：S01：通过惯性导航系统获得所述定位主体的位置信息、类矩形环境的地图信息，进而得到所述定位主体的中心到类矩形环境的四个边缘的四个预测距离值；S02：根据所述超声波传感器相对定位主体的位置、定位主本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法，用以辅助惯性导航系统，提供了定位主体和若干设于所述定位主体外围的超声波传感器，若干所述超声波传感器的发射超声波的方向的反向延长线均通过所述定位主体的中心，所述超声波传感器用以测量超声波发射点到对应类矩形环境一条边缘的垂线距离，得到测距值；该方法包括如下步骤：S01：通过惯性导航系统获得所述定位主体的位置信息、类矩形环境的地图信息，进而得到所述定位主体的中心到类矩形环境的四个边缘的四个预测距离值；S02：根据所述超声波传感器相对定位主体的位置、定位主体的航向以及超声波传感器的测距值计算所述定位主体中心到类矩形环境的四个边缘的四个实测距离值；S03：将实测距离值与预测距离值进行比较，计算两者差值的绝对值，根据该差值的绝对值的大小设定不同实测距离值的不同的权重，其中，差值的绝对值越大，权重越小；S04：依据不同的权值对实测距离值进行加权平均求和，得到最终的实际距离；S05：依据最终的实际距离对定位主体进行位置的更新。

【技术特征摘要】
1.一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法，用以辅助惯性导航系统，提供了定位主体和若干设于所述定位主体外围的超声波传感器，若干所述超声波传感器的发射超声波的方向的反向延长线均通过所述定位主体的中心，所述超声波传感器用以测量超声波发射点到对应类矩形环境一条边缘的垂线距离，得到测距值；该方法包括如下步骤：S01：通过惯性导航系统获得所述定位主体的位置信息、类矩形环境的地图信息，进而得到所述定位主体的中心到类矩形环境的四个边缘的四个预测距离值；S02：根据所述超声波传感器相对定位主体的位置、定位主体的航向以及超声波传感器的测距值计算所述定位主体中心到类矩形环境的四个边缘的四个实测距离值；S03：将实测距离值与预测距离值进行比较，计算两者差值的绝对值，根据该差值的绝对值的大小设定不同实测距离值的不同的权重，其中，差值的绝对值越大，权重越小；S04：依据不同的权值对实测距离值进行加权平均求和，得到最终的实际距离；S05：依据最终的实际距离对定位主体进行位置的更新。2.如权利要求1所述的用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法，其特征在于：在所述步骤S02之前，还包括对所述超声波传感器筛选的过程，在该过程中，先计算每个所述超声波传感器相对于类矩形环境地图的朝向，然后根据朝向的角度阈值过滤掉部分超声波传感器，仅就未被过滤的超声波传感器实施后续步骤。3.如权利要求1所述的用于室内导航的超声波阵列辅助定位方法，其特征在于：在所述步骤S03中，还包括对实测距离值筛选的过程，在该过程中，将实测距离值与预测距离值差值的绝对值与一个阈值比较，若大于该阈值，则将该实测距离值过滤掉，仅就未被过滤掉的实测距离值进行权重设定，进而实施后续步骤。4.一种用于室内导航的超声波阵列辅助定位系统，用以辅助惯性导航系统，包括粗略位置获取模块、地图信息获取模块、距离预测模块、超声波阵列测距模块、航向获取模块和导航滤波模块，所述粗略位置获取模块，用以通过所述惯性导航系统获得定位主体的位置信息；所述地图信息获取模块，用以获得定位主体所处类矩形环境的地图信息；所述距离预测模块，用以根据定位主体的位置信息和其所处类矩形环境的地图信息计算定位主体到类矩形环境四个边...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成旋，钱久超，裴凌，邹丹平，刘佩林，郁文贤，籍晨，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31