測得到的害物質(zhì)檢測信息和組合導航計算得 到的組合位置信息一同由無線通信模塊傳送至數(shù)據(jù)監(jiān)測終端。
[0041] 監(jiān)測模塊根據(jù)位置信息和污染物檢測信息繪制出空間中相應區(qū)域的污染物分布 圖并在終端進行實施顯示。
[0042] 移動載體可以為包括車輛、船舶、飛機、智能機器人在內(nèi)的任意可控制位置移動的 載體?？梢栽贛CU上設(shè)置運動控制單元提供控制載體運動的相關(guān)信息，控制載體運動執(zhí)行， 載體的運動控制也可以通過其他獨立控制模塊控制運動執(zhí)行。移動載體上的有害物質(zhì)檢測 模塊可以由可檢測單一有害物質(zhì)的傳感器、可檢測多種有害物質(zhì)的傳感器或者多種傳感器 的組合構(gòu)成，如瓦斯傳感器、煙霧傳感器等。
[0043] 圖中，組合導航模塊中的INS、WSN、BDS的導航信息經(jīng)處理后得到平面位置信息， 分別用二維坐標（x〇, y〇)、（xl，yl)、（x2, y2)表示，有害物質(zhì)檢測模塊中的檢測信息用c表 不O
[0044] 無線通信模塊包括GPRS通信單元和北斗雙向短報文通信單元，GPRS通信具有資 源利用率高、傳輸速率高和接入時間短等優(yōu)點，是本系統(tǒng)的主要通信手段，但是卻存在部分 區(qū)域無 GPRS信號的缺點。北斗雙向短報文通信則可以在GPRS通信中斷時實行雙向通訊的 功能。因此本系統(tǒng)在GPRS信號優(yōu)良的地方優(yōu)先采用GPRS通信方式，同時使用北斗雙向短 報文通信方式作為通信中斷等特殊情況的必要補充。通過MCU上通信方式選擇單元判斷當 前GPRS通信單元是能夠成功連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，如果連接成功則由采用GPRS通信方式發(fā)送數(shù) 據(jù)，如果不能成功連接GPRS網(wǎng)絡(luò)則采用北斗雙向短報文通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0045] 本發(fā)明實施例公開的一種用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)的方 法，包括如下步驟：
[0046] (1)通過移動載體上的INS/WSN/BDS組合導航系統(tǒng)獲得移動載體的位置信息，具 體為：當有WSN信號時，采用INS/WSN組合導航方式，通過擴展卡爾曼濾波器對INS導航獲 得的絕對導航數(shù)據(jù)和WSN導航獲得的相對導航數(shù)據(jù)進行處理，獲得移動載體的位置信息； 否則采用INS/BDS組合導航方式，通過不敏卡爾曼濾波器對INS導航獲得的絕對導航數(shù)據(jù) 和BDS導航獲得的相對導航數(shù)據(jù)進行處理，獲得移動載體的位置信息；
[0047] (2)通過移動載體上的有害物質(zhì)檢測傳感器獲得移動載體所在位置的污染物檢測 信息；
[0048] (3)將步驟（1)中得到的位置信息和步驟（2)中得到的污染物檢測信息組合起來 通過無線方式發(fā)送至遠端的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端。
[0049] (4)數(shù)據(jù)監(jiān)測終端根據(jù)接收到的移動載體發(fā)送的位置信息和污染物檢測信息，繪 制空間中相應區(qū)域的污染物分布圖并顯示在終端上。
[0050] 如圖2所示，MCU根據(jù)WSN信號的有無和BDS信號的強弱判斷采用何種導航方式， 若有WSN信號則采用INS/WSN組合導航技術(shù)導航，若沒有WSN信號而BDS信號較好，則采用 INS/BDS組合導航技術(shù)導航，通過數(shù)據(jù)融合將組合導航信息（X，y)和檢測信息c以三維坐標 (X，y，c)通過通信系統(tǒng)傳送給數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，繪制有害物分布圖。
[0051] 如圖3所示，INS/WSN組合導航技術(shù)是基于WSN的無線定位技術(shù)測量未知節(jié)點的相 對位置信息，將相對位置信息（包括速度、位置等導航信息）與INS上得到的絕對導航信息 (包括速度、位置等導航信息），將兩者輸出的位置與速度信息的差值作為量測量，通過擴 展卡爾曼濾波器（EKF)進行數(shù)據(jù)融合，得到理想的導航信息，與此同時，將誤差信息分別反 饋給WSN和INS的誤差模型，對兩者的導航信息誤差進行建模，得到最優(yōu)的導航信息。INS/ BDS組合導航技術(shù)是將Unscented卡爾曼濾波器（UKF)用于INS/BDS松組合中，以慣性導航 系統(tǒng)輸出的平臺失準角、速度誤差、位置誤差以及陀螺和加速度計的零偏作為狀態(tài)量，以北 斗接收機輸出的位置、速度信息作為組合濾波的觀測量，經(jīng)過UKF計算，得到導航參數(shù)的估 計值，并作為組合系統(tǒng)的輸出。
[0052] 其中，擴展卡爾曼濾波器的算法分為非線性系統(tǒng)線性化和EKF算法求解兩部分：
[0053] (1)非線性系統(tǒng)線性化：
[0054] 根據(jù)系統(tǒng)特點，建立系統(tǒng)模型： N / \ \ / /
【主權(quán)項】
1. 一種用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)，其特征在于，包括：位于移 動載體上的INS/WSN/BDS組合導航模塊、有害物質(zhì)檢測模塊、中央數(shù)據(jù)處理器和無線通信 模塊，以及遠端的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端； 所述INS/WSN/BDS組合導航模塊，包括INS導航模塊、WSN導航模塊和BDS導航模塊； 所述中央數(shù)據(jù)處理器，設(shè)有： 數(shù)據(jù)采集單元，分別與INS導航模塊、WSN導航模塊和BDS導航模塊連接，用于接收三 者輸出的導航信息，并輸出INS、WSN和BDS的導航數(shù)據(jù)以及采用的組合導航方式，所述組合 導航方式包括INS/WSN組合導航和INS/BDS組合導航； 擴展卡爾曼濾波器單元，與數(shù)據(jù)采集單元連接，用于接收INS導航數(shù)據(jù)和WSN導航數(shù) 據(jù)，輸出第一位置信息； 不敏卡爾曼濾波器單元，與數(shù)據(jù)采集單元連接，用于接收INS導航數(shù)據(jù)和BDS導航數(shù) 據(jù)，輸出第二位置信息； 以及，數(shù)據(jù)融合單元，分別與數(shù)據(jù)采集單元、擴展卡爾曼濾波器、不敏卡爾曼濾波器和 有害物質(zhì)檢測模塊連接，輸出位置信息與污染物檢測信息的組合信息，所述位置信息為根 據(jù)組合導航方式確定的第一位置信息或第二位置信息； 所述無線通信模塊，與數(shù)據(jù)融合單元連接，用于將載體的位置信息與污染物檢測信息 的組合信息通過無線方式發(fā)送； 所述遠端的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，用于接收移動載體發(fā)送的位置信息和污染物檢測信息的組 合信息，繪制空間中相應區(qū)域的污染物分布圖并顯示在終端上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述無線通信模塊包括GPRS通信單元和北斗短報文通信單元，所述中央數(shù)據(jù)處理器還 包括通信方式選擇單元，所述通信方式選擇單元分別與所述數(shù)據(jù)融合單元、GPRS通信單元 和北斗短報文通信單元連接，用于檢測GPRS信號，并根據(jù)檢測結(jié)果選擇采用GPRS或北斗短 報文方式發(fā)送數(shù)據(jù)融合單元輸出的組合信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述INS導航模塊包括3個單軸的加速度計和3個單軸的陀螺儀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述WSN導航模塊通過ZigBee或WIFI與其他移動載體上的WSN導航模塊通信。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述有害物質(zhì)檢測模塊為可檢測單一有害物質(zhì)的傳感器、可檢測多種有害物質(zhì)的傳感 器或者多種傳感器的組合構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述移動載體為包括車輛、船舶、飛機、智能機器人在內(nèi)的任意可控制位置移動的載體。
7. -種用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位方法，其特征在于，包括如下步 驟： (1)通過移動載體上的INS/WSN/BDS組合導航系統(tǒng)獲得移動載體的位置信息，具體為： 當有WSN信號時，采用INS/WSN組合導航方式，通過擴展卡爾曼濾波器對INS導航獲得的絕 對導航數(shù)據(jù)和WSN導航獲得的相對導航數(shù)據(jù)進行處理，獲得移動載體的位置信息；否則采 用INS/BDS組合導航方式，通過不敏卡爾曼濾波器對INS導航獲得的絕對導航數(shù)據(jù)和BDS 導航獲得的相對導航數(shù)據(jù)進行處理，獲得移動載體的位置信息； (2) 通過移動載體上的有害物質(zhì)檢測傳感器獲得移動載體所在位置的污染物檢測信 息； (3) 將步驟⑴中得到的位置信息和步驟⑵中得到的污染物檢測信息組合起來通過 無線方式發(fā)送至遠端的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端； (4) 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端根據(jù)接收到的移動載體發(fā)送的位置信息和污染物檢測信息，繪制空 間中相應區(qū)域的污染物分布圖并顯示在終端上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位方法，其特征 在于，所述步驟（3)中的無線方式為GPRS通信和北斗短報文通信，當有GPRS信號時，采用 GPRS通信，否則采用北斗短報文通信。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于室內(nèi)和室外的可移動有害物質(zhì)檢測定位系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括INS/WSN/BDS組合導航模塊、有害物質(zhì)檢測模塊、通信模塊、監(jiān)測終端和中央數(shù)據(jù)處理器。有害物質(zhì)檢測模塊對物源進行偵測，組合導航模塊對載體所在位置進行實時定位。通信模塊利用GPRS或北斗短報文方式將位置和有害物檢測信息傳送至監(jiān)測終端，監(jiān)測終端繪制并顯示空間中相應區(qū)域的污染物分布圖。本發(fā)明可以對某一區(qū)域進行有害物檢測，還可以用于危險情況下對危險源的搜索，以便及時響應和處理，保障人員及設(shè)施安全。INS/WSN/BDS三種導航方式的融合以及GPRS、北斗短報文兩種通信方式的組合，使得系統(tǒng)具有極強的適應能力，保證在各種極端條件下都能夠出色完成任務(wù)。
【IPC分類】G01S19-49, G01N33-00
【公開號】CN104597216
【申請?zhí)枴緾N201510083073
【發(fā)明人】閆晣, 陳熙源, 袁昌旺, 朱雨婷, 黃華林
【申請人】東南大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年2月15日