一种智能设备导航方法及导航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种智能设备导航方法及导航系统，包括：将智能设备内网卡上的多根天线构造成线型的天线阵列；利用天线阵列采集环境中由无线信号发射装置所发射的无线信号的信道状态，并估计无线信号发射装置与智能设备之间的信号到达角度和信号传播时间，利用惯性测量单元测量智能设备的惯性参数；根据滑动窗口估计器实现信号到达角度和信号传播时间以及惯性参数之间的数据融合，从而估计智能设备的状态变量；以状态变量为参考，调整智能设备的运动状态，从而实现智能设备的自主导航。本发明专利技术能够在GPS不可靠的环境下，利用周围环境中普遍存在的无线信号估计智能设备的状态，从而以较低的成本准确、可靠地实现智能设备的自主导航。

【技术实现步骤摘要】
一种智能设备导航方法及导航系统
本专利技术属于无线通信领域与智能设备控制领域的交叉
，更具体地，涉及一种智能设备导航方法及导航系统。
技术介绍
智能设备在国防、安全、航空、勘探等方面有着广泛的应用，并且在室内环境和室外环境中均有着广泛的应用。由于智能设备的快速动态和复杂操作的需要，自主导航是其必备的技术。智能设备自主导航需要智能体执行具有高度自主权的行为或任务，在无人干预的情况下长时间工作，这要求智能设备能够获得关于环境的信息，并估计其至多六个自由度(6-DoF)状态，该状态不仅包括位置，还包括方位，线速度和角速度。可靠的状态估计是自主导航的基础。全球导航卫星系统(GNSS)为状态估计提供了一个直接的解决方案，使自主智能设备的大量户外应用成功商业化。然而，全球导航卫星系统信号在狭窄、杂乱或室内等GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统)不可靠的环境中并不可靠，而这类环境往往需要智能设备的机动性优势进行各种活动。在这种情况下，研究人员们已经提出了许多通过使用视觉/激光传感器辅助MAV(MicroAirVehicle，微型飞行器)进行自主导航的解决方案。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能设备导航方法，用于实现智能设备的自主导航，其特征在于，包括如下步骤：(1)将所述智能设备内网卡上的多根天线构造成线型的天线阵列，其中每一根天线为一个阵元；(2)利用所述天线阵列采集环境中由无线信号发射装置所发射的无线信号的信道状态，并估计所述无线信号发射装置与所述智能设备之间的信号到达角度和信号传播时间；利用惯性测量单元测量所述智能设备的惯性参数；(3)根据滑动窗口估计器实现所述信号到达角度和所述信号传播时间以及所述惯性参数之间的数据融合，从而估计所述智能设备的状态变量；(4)以所述状态变量为参考，调整所述智能设备的运动状态，从而实现所述智能设备的自主导航；其中，无线信号为OFDM...

【技术特征摘要】
1.一种智能设备导航方法，用于实现智能设备的自主导航，其特征在于，包括如下步骤：(1)将所述智能设备内网卡上的多根天线构造成线型的天线阵列，其中每一根天线为一个阵元；(2)利用所述天线阵列采集环境中由无线信号发射装置所发射的无线信号的信道状态，并估计所述无线信号发射装置与所述智能设备之间的信号到达角度和信号传播时间；利用惯性测量单元测量所述智能设备的惯性参数；(3)根据滑动窗口估计器实现所述信号到达角度和所述信号传播时间以及所述惯性参数之间的数据融合，从而估计所述智能设备的状态变量；(4)以所述状态变量为参考，调整所述智能设备的运动状态，从而实现所述智能设备的自主导航；其中，无线信号为OFDM信号，所述滑动窗口估计器用于保存所述智能设备最新的多个状态变量和当前能被所述无线信号发射装置的位置信息。2.如权利要求1所述的智能设备导航方法，其特征在于，所述步骤(2)中，估计无线信号发射装置与所述智能设备之间的信号到达角度和信号传播时间的方式包括：(21)将所述天线阵列接收到的N个OFDM信号子载波的信道状态信息叠加，得到测量信号矩阵X'，并通过CSI平滑方法使得所述测量信号矩阵X'的秩大于无线信号传播路径的数目，从而得到信号测量矩阵X；(22)根据导向向量模型和所述信号测量矩阵X，利用MUSIC算法得到每一条传播路径所对应的信号到达角度和信号传播时间；(23)将具有最小信号传播时间的传播路径确定为直射路径，并将所述直射路径所对应的信号到达角度和信号传播时间分别确定为无线信号发射装置与所述智能设备之间的信号到达角度和信号传播时间；其中，所述导向向量模型用于利用信号到达角度和信号传播时间描述由对应的阵元引入的相位偏移。3.如权利要求2所述的智能设备导航方法，其特征在于，所述导向向量模型为：其中，Φθ和Ωτ的表达式分别为：Φθ＝e-j2π×d×sin(θ)×f/c；上标表示乘方运算的指数，θ表示信号到达角，τ表示信号传播时间，表示由信号到达角度为θ且信号传播时间为τ的传播路径所对应的阵元引入的相位偏移，Φθ表示由信号到达角为θ的传播路径所对应的阵元引入的相位偏移，Ωτ表示信号传播时间为τ的传播路径所对应的阵元引入的相位偏移，d表示相邻两个阵元的间距，f表示传输信号的频率，c表示光速，fδ表示相邻子载波之间的频率间隔，M和N分别表示所述天线阵列中的阵元个数和传输无线信号的子载波数。4.如权利要求1所述的智能设备导航方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下步骤：(31)根据所述惯性测量单元测量得到惯性参数构建所述惯性测量单元的测量信息矩阵，并由此计算所述惯性测量单元的测量向量；(32)根据所采集到的无线信号的信道状态构建无线信号的测量信息矩阵，并由此计算无线信号的测量向量；(33)根据所述滑动窗口估计器，所述惯性测量单元的测量信息矩阵和测量向量，以及无线信号的测量信息矩阵和测量向量，计算当前的滑动窗口估计器，以最小化所有测量误差的马氏范数之和；将当前的滑动窗口估计器中最新的一个状态变量作为所估计的状态变量。5.如权利要求4所述的智能设备导航方法，其特征在于，所述步骤(31)中，计算所述惯性测量单元的测量向量，所采用的计算表达式为：其中，B0表示初始时刻获得信号到达角度时所述智能设备的本体坐标系，Bk和Bk+1分别表示第k次和第k+1次获得信号到达角度时所述智能设备的本体坐标系，表示第k次获得信号到达角度到第k+1次获得信号到达角度之间所述惯性测量单元的测量信息矩阵，和均为利用所述测量信息矩阵计算的协方差矩阵，表示坐标系Bk关于坐标系B0的转移矩阵，表示坐标系B0关于坐标系Bk+1的位置矩阵，Δt表示第k次获得信号到达角度到第k+1次获得信号到达角度之间的时间差，表示坐标系Bk关于坐标系Bk+1的转移矩阵，表示坐标系Bk+1关于坐标系Bk+1的速度矩阵，坐标系Bk+1下的地球重力向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，张胜凯，江涛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42