[發(fā)明專利]一種智能設(shè)備導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811163117.6
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN109341679A
• 公開（公告）日: 2019-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王巍;張勝凱;江濤
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/00
• 分類號(hào): G01C21/00;G01C21/20
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發(fā)明公開了一種智能設(shè)備導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：將智能設(shè)備內(nèi)網(wǎng)卡上的多根天線構(gòu)造成線型的天線陣列；利用天線陣列采集環(huán)境中由無線信號(hào)發(fā)射裝置所發(fā)射的無線信號(hào)的信道狀態(tài)，并估計(jì)無線信號(hào)發(fā)射裝置與智能設(shè)備之間的信號(hào)到達(dá)角度和信號(hào)傳播時(shí)間，利用慣性測量單元測量智能設(shè)備的慣性參數(shù)；根據(jù)滑動(dòng)窗口估計(jì)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)角度和信號(hào)傳播時(shí)間以及慣性參數(shù)之間的數(shù)據(jù)融合，從而估計(jì)智能設(shè)備的狀態(tài)變量；以狀態(tài)變量為參考，調(diào)整智能設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的自主導(dǎo)航。本發(fā)明能夠在GPS不可靠的環(huán)境下，利用周圍環(huán)境中普遍存在的無線信號(hào)估計(jì)智能設(shè)備的狀態(tài)，從而以較低的成本準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的自主導(dǎo)航。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域與智能設(shè)備控制領(lǐng)域的交叉技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種智能設(shè)備導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)

智能設(shè)備在國防、安全、航空、勘探等方面有著廣泛的應(yīng)用，并且在室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境中均有著廣泛的應(yīng)用。由于智能設(shè)備的快速動(dòng)態(tài)和復(fù)雜操作的需要，自主導(dǎo)航是其必備的技術(shù)。智能設(shè)備自主導(dǎo)航需要智能體執(zhí)行具有高度自主權(quán)的行為或任務(wù)，在無人干預(yù)的情況下長時(shí)間工作，這要求智能設(shè)備能夠獲得關(guān)于環(huán)境的信息，并估計(jì)其至多六個(gè)自由度(6-DoF)狀態(tài)，該狀態(tài)不僅包括位置，還包括方位，線速度和角速度。

可靠的狀態(tài)估計(jì)是自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)為狀態(tài)估計(jì)提供了一個(gè)直接的解決方案，使自主智能設(shè)備的大量戶外應(yīng)用成功商業(yè)化。然而，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)在狹窄、雜亂或室內(nèi)等GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))不可靠的環(huán)境中并不可靠，而這類環(huán)境往往需要智能設(shè)備的機(jī)動(dòng)性優(yōu)勢進(jìn)行各種活動(dòng)。在這種情況下，研究人員們已經(jīng)提出了許多通過使用視覺/激光傳感器輔助MAV(Micro Air Vehicle，微型飛行器)進(jìn)行自主導(dǎo)航的解決方案。但是，在室內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用通常需要在狹窄區(qū)域內(nèi)使用敏捷機(jī)動(dòng)的小型智能設(shè)備(如小型無人機(jī))，而小型智能設(shè)備的尺寸，重量和功率都受到了限制，這些限制影響了小型智能設(shè)備攜帶重型傳感器(如雷達(dá)或LiDAR)的能力。此外，由于小型智能設(shè)備的基線長度不足，無法攜帶多目立體相機(jī)系統(tǒng)，而僅能攜帶單目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，單目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)不僅計(jì)算復(fù)雜，而且易受環(huán)境照明條件的影響。

總的來說，目前，GPS不可靠環(huán)境下智能設(shè)備的導(dǎo)航系統(tǒng)主要依賴于視覺傳感和激光傳感手段進(jìn)行定位。然而視覺傳感導(dǎo)航計(jì)算復(fù)雜，受光照條件影響；激光傳感設(shè)備價(jià)格昂貴，重量大，不適合小型智能設(shè)備平臺(tái)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種智能設(shè)備導(dǎo)航方法及導(dǎo)航系統(tǒng)，其目的在于在GPS不可靠的環(huán)境下，利用周圍環(huán)境中普遍存在的無線信號(hào)估計(jì)智能設(shè)備的狀態(tài)，從而以較低的成本準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的自主導(dǎo)航。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種智能設(shè)備導(dǎo)航方法，用于實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的自主導(dǎo)航，包括如下步驟：

(1)將智能設(shè)備內(nèi)網(wǎng)卡上的多根天線構(gòu)造成線型的天線陣列，其中每一根天線為一個(gè)陣元；

(2)利用天線陣列采集環(huán)境中由無線信號(hào)發(fā)射裝置所發(fā)射的無線信號(hào)的信道狀態(tài)，并估計(jì)無線信號(hào)發(fā)射裝置與智能設(shè)備之間的信號(hào)到達(dá)角度和信號(hào)傳播時(shí)間；利用慣性測量單元測量智能設(shè)備的慣性參數(shù)；

(3)根據(jù)滑動(dòng)窗口估計(jì)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)角度和信號(hào)傳播時(shí)間以及慣性參數(shù)之間的數(shù)據(jù)融合，從而估計(jì)智能設(shè)備的狀態(tài)變量；

(4)以狀態(tài)變量為參考，調(diào)整智能設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的自主導(dǎo)航；

其中，無線信號(hào)為OFDM信號(hào)，滑動(dòng)窗口估計(jì)器用于保存智能設(shè)備最新的多個(gè)狀態(tài)變量和當(dāng)前能被無線信號(hào)發(fā)射裝置的位置信息。