一种多基多模组网融合室内人员导航定位系统及其实施方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及室内实时地图生成与导航定位领域，特别是涉及一种多基多模组 网融合室内人员导航定位系统及其实施方法，主要适用于消防救援和应急抢险中人员定位 与导航。
【背景技术】
[0002] 目前室外导航定位由于有先验地图和卫星辅助信号，导航定位精度较高，且已有 众多成熟产品，如谷歌地图、百度地图等借助GPS、北斗卫星定位信号的定位导航产品。然而 由于卫星信号无法覆盖室内，且室内地图难以获得，因此室内导航成为目前导航定位领域 的难点和热点。尽管目前包括谷歌和百度等大公司已经开始涉足室内导航领域，但现有室 内导航定位系统精度较低，且需要一些先验信息如Wifi热点或无线射频标签位置等，这在 消防和应急救援领域是难以接受的。
[0003] 在消防救援和一些应急救灾领域，由于对事故现场缺乏事先了解，盲目进入现场 后往往会对救援人员造成不必要的伤害，甚至危及生命。因此亟须一种有效的高精度室内 导航定位系统，保证现场指挥和救援人员在救援过程中对现场环境、救援人员位置和状态 的了解，引导救援人员沿安全路径作业，降低和消除救援人员的生命安全威胁。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是，提供一种多基多模组网融合室内人员导航定位系统， 以达到在复杂未知环境中实时地图生成以及人员导航定位的目的。
[0005] 本发明解决的第二个技术问题是提供一种多基多模组网融合室内人员导航定位 系统的实施方法。
[0006] 本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：
[0007] -种多基多模组网融合室内人员导航定位系统，包括导航定位服务器端、指挥监 控端和多个终端设备；所述终端设备包括传感模块、信息处理模块、信息传输模块和本地显 示模块，其中：所述传感模块包括頂U惯性测量单元、IR红外图像传感器、LA激光扫描测距 仪和UWB超宽带雷达，所述IMU惯性测量单元用于获取人员运动时的角速度、加速度信息以 及当地磁场信息，所述IR红外图像传感器用于获取室内红外图像信息，所述LA激光扫描 测距仪用于获取二维平面距离信息，所述UWB超宽带雷达用于获取室内雷达成像信息；所 述信息处理模块包括小型嵌入式处理终端，用于传感模块信息的预处理和人员航迹推算； 所述导航定位服务器端包括信息传输模块、高性能信息处理平台和室内地图数据库，其中， 所述信息传输模块用于保持与多个终端设备之间的通信；所述高性能信息处理平台是一台 高性能计算机，用于根据终端设备信息实时创建地图，并为各终端设备提供导航服务，同时 为指挥监控端提供访问接口；所述室内地图数据库用于实时保存和更新室内地图数据；所 述指挥监控端为远程指挥监控端或现场指挥监控端，所述远程指挥监控端为通过Internet 与导航定位服务器端相连的远程计算机，所述现场指挥监控端为通过无线局域网与导航定 位服务器端相连的手持设备，如平板电脑，智能手机等智能终端设备，用于从导航定位服务 器端获取室内环境状况和人员位置信息，为指挥管理决策提供必要信息。
[0008] 进一步地，所述信息传输模块为长波通信，也可以是3G或4G移动网络，用于与导 航定位服务器端的信息传输；
[0009] 进一步地，所述本地显示模块为一块小型IXD显示屏，用于指示环境地图和人员 位置信息；
[0010] 为解决第二个技术问题，本发明的技术方案为：提供一种多基多模组网融合室内 人员导航定位系统的实施方法，具体包括如下步骤：
[0011] (1)系统初始化，当人员携定位终端设备进入由室外进入室内之前，系统启动并完 成初始化工作，包括以下步骤：
[0012] SlL所属终端设备初始化，对传感模块中各传感器进行自检并初始化，包括对 IMU惯性测量单元中的陀螺仪、加速度计和磁传感器进行软校准，设置各传感器数据预处理 滤波器的各项参数，启动数据处理线程，获取传感模块信息并进行预处理，包括MU惯性测 量单元获得的初始时刻的姿态方位角、IR红外图像传感器的图像数据、UWB超宽带雷达的 成像数据、LA激光扫描测距仪的激光扫描数据，启动通信链路并发送数据至导航定位服务 器端；
[0013] S12.导航定位服务器端通过轮询方式获取多个或单个终端设备中的传感模块信 息，包括MU惯性测量单元的解算信息、多帧IR红外图像传感器的图像信息、LA激光扫描 测距仪的激光平面扫描距离信息和UWB超宽带雷达的成像信息，对来自多个终端的数据进 行信息融合，利用IR红外图像传感器的图像信息和UWB超宽带雷达的成像信息形成启发式 信息，对LA激光扫描测距仪的激光扫描二维图像进行特征提取（线、直角、圆弧等），获得地 标特征数据并构建二维平面特征地图；
[0014] S13.根据旋转匹配所确定的参数获得初始人员定位信息，并结合三维图像特征信 息确定二维平面地图中的地标特征信息，将初始地图结构化数据和人员位置及地标特征信 息发布至各定位终端设备；
[0015] (2)多模室内高精度人员定位，在各终端获得初始地图和地标特征信息以及各自 初始位置后，人员进入室内并开始室内导航定位，室内定位主要依靠运行于嵌入式处理器 上的扩展卡曼滤波算法完成，同时与导航定位服务端进行交互，主要包括以下步骤：
[0016] S21.终端设备重复步骤Sll中的信息预处理过程，在预处理结束后，联合MU惯性 测量单元的姿态航向信息、LA激光扫描测距仪的激光扫描测距信息和导航定位服务器端发 布的初始地图和地标特征信息进行特征匹配，提取人员位置和移动方向信息，特别地，为降 低本地计算负担，所述终端设备中的图像匹配主要指LA激光扫描测距所形成的二维图像 匹配；
[0017] S22.采用扩展卡曼滤波器的预测校正机制，利用步骤S21所提取的人员位置和移 动方向对基于运动模型所获得的人员位置及移动方向进行校正；
[0018] S23.利用步骤S22校正结果对IR红外图像传感器的红外图像数据、LA激光扫描 测距仪的激光测距数据进行图像配准，并将当前帧红外图像与前一帧红外图像进行差分， 获取目标运动距离等信息后将IR红外图像传感器的红外图像、LA激光扫描测距仪的激光 测距数据和步骤S21所提取的人员位置信息发送至导航定位服务器端；
[0019] (3)多基实时室内地图生成与导航，导航定位服务端融合多个终端设备的图像、 测距以及姿态方位信息，更新现有地图，并重新核定人员位置状态，修正终端设备的定位数 据。主要步骤包括：
[0020] S31.融合多个终端设备在步骤S23所提供的图像、测距及姿态方位信息，并与已 有地图进行匹配，重复步骤S12的工作，更新室内地图，并获取人员位置信息，利用该位置 信息对定位终端所给的位置信息进行校正，当多次比对结果大于一定阈值时，给终端设备 发送指令重置位置信息；
[0021] S32.重复步骤S13获得新的特征地标信息，并发布更新的地图数据和地标特征数 据至各终端设备。
[0022] 进一步地，所述步骤Sll中，MU惯性测量单元的姿态航向解算采用扩展卡尔曼滤 波方法获得俯仰、滚转和偏航角，IR红外图像传感器的图像滤波包括降噪处理和多帧图像 配准，所述图像配准利用姿态航向解算结果来加速配准，LA滤波消除扫描测距数据噪声。
[0023] 进一步地，所述步骤S12中的特征提取，首先利用各终端设备的LA激光扫描测距