[發明專利]一種智能設備導航方法及導航系統

在審

• 申請號: 201811163117.6
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN109341679A
• 公開（公告）日: 2019-02-15
• 發明（設計）人: 王巍;張勝凱;江濤
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/20
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

1.一種智能設備導航方法，用于實現智能設備的自主導航，其特征在于，包括如下步驟：

(1)將所述智能設備內網卡上的多根天線構造成線型的天線陣列，其中每一根天線為一個陣元；

(2)利用所述天線陣列采集環境中由無線信號發射裝置所發射的無線信號的信道狀態，并估計所述無線信號發射裝置與所述智能設備之間的信號到達角度和信號傳播時間；利用慣性測量單元測量所述智能設備的慣性參數；

(3)根據滑動窗口估計器實現所述信號到達角度和所述信號傳播時間以及所述慣性參數之間的數據融合，從而估計所述智能設備的狀態變量；

(4)以所述狀態變量為參考，調整所述智能設備的運動狀態，從而實現所述智能設備的自主導航；

其中，無線信號為OFDM信號，所述滑動窗口估計器用于保存所述智能設備最新的多個狀態變量和當前能被所述無線信號發射裝置的位置信息。

2.如權利要求1所述的智能設備導航方法，其特征在于，所述步驟(2)中，估計無線信號發射裝置與所述智能設備之間的信號到達角度和信號傳播時間的方式包括：

(21)將所述天線陣列接收到的N個OFDM信號子載波的信道狀態信息疊加，得到測量信號矩陣X'，并通過CSI平滑方法使得所述測量信號矩陣X'的秩大于無線信號傳播路徑的數目，從而得到信號測量矩陣X；

(22)根據導向向量模型和所述信號測量矩陣X，利用MUSIC算法得到每一條傳播路徑所對應的信號到達角度和信號傳播時間；

(23)將具有最小信號傳播時間的傳播路徑確定為直射路徑，并將所述直射路徑所對應的信號到達角度和信號傳播時間分別確定為無線信號發射裝置與所述智能設備之間的信號到達角度和信號傳播時間；

其中，所述導向向量模型用于利用信號到達角度和信號傳播時間描述由對應的陣元引入的相位偏移。

3.如權利要求2所述的智能設備導航方法，其特征在于，所述導向向量模型為：

其中，Φ_θ和Ω_τ的表達式分別為：

Φ_θ＝e^{-j2π×d×sin(θ)×f/c}；

上標表示乘方運算的指數，θ表示信號到達角，τ表示信號傳播時間，表示由信號到達角度為θ且信號傳播時間為τ的傳播路徑所對應的陣元引入的相位偏移，Φ_θ表示由信號到達角為θ的傳播路徑所對應的陣元引入的相位偏移，Ω_τ表示信號傳播時間為τ的傳播路徑所對應的陣元引入的相位偏移，d表示相鄰兩個陣元的間距，f表示傳輸信號的頻率，c表示光速，f_δ表示相鄰子載波之間的頻率間隔，M和N分別表示所述天線陣列中的陣元個數和傳輸無線信號的子載波數。

4.如權利要求1所述的智能設備導航方法，其特征在于，所述步驟(3)包括如下步驟：

(31)根據所述慣性測量單元測量得到慣性參數構建所述慣性測量單元的測量信息矩陣，并由此計算所述慣性測量單元的測量向量；

(32)根據所采集到的無線信號的信道狀態構建無線信號的測量信息矩陣，并由此計算無線信號的測量向量；

(33)根據所述滑動窗口估計器，所述慣性測量單元的測量信息矩陣和測量向量，以及無線信號的測量信息矩陣和測量向量，計算當前的滑動窗口估計器，以最小化所有測量誤差的馬氏范數之和；將當前的滑動窗口估計器中最新的一個狀態變量作為所估計的狀態變量。