用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng)有害物質(zhì)檢測(cè)定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng)有害物質(zhì)檢測(cè)定位系統(tǒng)，屬于北斗 技術(shù)應(yīng)用、多傳感器數(shù)據(jù)融合及應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)化高速發(fā)展的今天，各類突發(fā)性公共衛(wèi)生事件的頻發(fā)一一大規(guī)模的有機(jī)化 工廠的爆炸、毒性化學(xué)物質(zhì)泄漏、煤氣礦井管道破裂等一系列問(wèn)題已對(duì)人類的生存和發(fā)展 構(gòu)成重大威脅。目前針對(duì)有害物的檢測(cè)技術(shù)如在毒性化學(xué)物質(zhì)泄漏、煤氣礦井管道破裂等 防治領(lǐng)域多采用靜態(tài)布置傳感器節(jié)點(diǎn)的方法。其缺陷是鋪設(shè)成本高，設(shè)備老化或失效時(shí)不 易進(jìn)行及時(shí)更換。
[0003]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，簡(jiǎn)寫B(tài)DS)是中國(guó)自 行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)?？梢栽谌蚍秶鷥?nèi)全天候、全天時(shí)地為各類用戶提供精 確的，具有持續(xù)穩(wěn)定導(dǎo)航精度的導(dǎo)航信息。但是在室內(nèi)、高層建筑密集的市區(qū)、礦井、隧道等 環(huán)境下北斗信號(hào)將會(huì)失鎖，不能進(jìn)行有效定位。北斗系統(tǒng)特有的短報(bào)文通信即使在信號(hào)盲 區(qū)仍能發(fā)送短報(bào)文信息，解決了通信阻斷地區(qū)的定位與通信難題。
[0004] 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，簡(jiǎn)寫INS)具有全自主，可提供運(yùn)動(dòng) 信息且全面、短時(shí)、高精度的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。但是因?yàn)闇y(cè)量誤差會(huì)隨時(shí)間積累，所 以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)并不適于長(zhǎng)航時(shí)運(yùn)行條件下的精確定位。
[0005] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，簡(jiǎn)寫WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大 量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 WSN特別適合應(yīng)用在惡劣環(huán)境或人類不宜實(shí)時(shí)實(shí)地監(jiān)控的區(qū)域，例如礦井、核物質(zhì)反應(yīng)堆周 圍等有害物質(zhì)濃度較高的區(qū)域。其缺點(diǎn)是只能完成短距離的無(wú)線通信，長(zhǎng)距離的目標(biāo)定位 需要耗費(fèi)大量的節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)費(fèi)用。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng) 有害物質(zhì)檢測(cè)定位系統(tǒng)，通過(guò)INS/WSN/BDS三種導(dǎo)航方式的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外的可移動(dòng) 檢測(cè)。
[0007] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng)有害物質(zhì)檢測(cè)定位系統(tǒng)，包括：位于移動(dòng)載體上的 INS/WSN/BDS組合導(dǎo)航模塊、有害物質(zhì)檢測(cè)模塊、中央數(shù)據(jù)處理器和無(wú)線通信模塊，以及遠(yuǎn) 端的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端；
[0009] 所述INS/WSN/BDS組合導(dǎo)航模塊，包括INS導(dǎo)航模塊、WSN導(dǎo)航模塊和BDS導(dǎo)航模 塊；
[0010] 所述中央數(shù)據(jù)處理器，設(shè)有：
[0011] 數(shù)據(jù)采集單元，分別與INS導(dǎo)航模塊、WSN導(dǎo)航模塊和BDS導(dǎo)航模塊連接，用于接 收三者輸出的導(dǎo)航信息，并輸出INS、WSN和BDS的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及采用的組合導(dǎo)航方式，所述 組合導(dǎo)航方式包括INS/WSN組合導(dǎo)航和INS/BDS組合導(dǎo)航；
[0012] 擴(kuò)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(dǎo)航數(shù)據(jù)和WSN導(dǎo)航 數(shù)據(jù)，輸出第一位置信息；
[0013] 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(dǎo)航數(shù)據(jù)和BDS導(dǎo)航 數(shù)據(jù)，輸出第二位置信息；
[0014] 以及，數(shù)據(jù)融合單元，分別與數(shù)據(jù)采集單元、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、不敏卡爾曼濾波 器和有害物質(zhì)檢測(cè)模塊連接，輸出位置信息與污染物檢測(cè)信息的組合信息，所述位置信息 為根據(jù)組合導(dǎo)航方式確定的第一位置信息或第二位置信息；
[0015] 所述無(wú)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(cè) 信息的組合信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送；
[0016] 所述遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端，用于接收移動(dòng)載體發(fā)送的位置信息和污染物檢測(cè)信息 的組合信息，繪制空間中相應(yīng)區(qū)域的污染物分布圖并顯示在終端上。
[0017] 進(jìn)一步的，所述無(wú)線通信模塊包括GPRS通信單元和北斗短報(bào)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(bào)文通信單元連接，用于檢測(cè)GPRS信號(hào)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選擇 采用GPRS或北斗短報(bào)文方式發(fā)送數(shù)據(jù)融合單元輸出的組合信息。
[0018] 進(jìn)一步的，所述INS導(dǎo)航模塊包括3個(gè)單軸的加速度計(jì)和3個(gè)單軸的陀螺儀。
[0019] 進(jìn)一步的，所述WSN導(dǎo)航模塊通過(guò)ZigBee或WIFI與其他移動(dòng)載體上的WSN導(dǎo)航 模塊通信。
[0020] 進(jìn)一步的，所述有害物質(zhì)檢測(cè)模塊為可檢測(cè)單一有害物質(zhì)的傳感器、可檢測(cè)多種 有害物質(zhì)的傳感器或者多種傳感器的組合構(gòu)成。
[0021] 進(jìn)一步的，所述移動(dòng)載體為包括車輛、船舶、飛機(jī)、智能機(jī)器人在內(nèi)的任意可控制 位置移動(dòng)的載體。
[0022] 工作原理：用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng)有害物質(zhì)檢測(cè)定位系統(tǒng)的運(yùn)行步驟包括：
[0023] (1)通過(guò)移動(dòng)載體上的INS/WSN/BDS組合導(dǎo)航系統(tǒng)獲得移動(dòng)載體的位置信息，具 體為：當(dāng)有WSN信號(hào)時(shí)，采用INS/WSN組合導(dǎo)航方式，通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)INS導(dǎo)航獲 得的絕對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)和WSN導(dǎo)航獲得的相對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得移動(dòng)載體的位置信息； 否則采用INS/BDS組合導(dǎo)航方式，通過(guò)不敏卡爾曼濾波器對(duì)INS導(dǎo)航獲得的絕對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù) 和BDS導(dǎo)航獲得的相對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得移動(dòng)載體的位置信息；
[0024] (2)通過(guò)移動(dòng)載體上的有害物質(zhì)檢測(cè)傳感器獲得移動(dòng)載體所在位置的污染物檢測(cè) 信息；
[0025] (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(cè)信息組合起來(lái) 通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端；
[0026] (4)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端根據(jù)接收到的移動(dòng)載體發(fā)送的位置信息和污染物檢測(cè)信息，繪 制空間中相應(yīng)區(qū)域的污染物分布圖并顯示在終端上。
[0027] 有益效果：本實(shí)用新型提出了一種用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng)有害物質(zhì)檢測(cè)定位系 統(tǒng)，其有益效果是不但可以對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行有害物檢測(cè)，根據(jù)有害物分布圖判斷有害物分 布情況，還可以用于危險(xiǎn)情況下對(duì)危險(xiǎn)源的查找，以便做出及時(shí)的響應(yīng)和處理，保障人員及 設(shè)施的安全。置于移動(dòng)載體上使得系統(tǒng)的可移動(dòng)檢測(cè)及搜索成為可能，INS/WSN/BDS三種 導(dǎo)航方式的融合以及GPRS、北斗短報(bào)文兩種通信方式的組合，使得該系統(tǒng)具有極強(qiáng)的適應(yīng) 能力，保證在各種極端條件下都能夠出色完成任務(wù)。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1是本實(shí)用新型用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng)有害物質(zhì)檢測(cè)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖；
[0029] 圖2是本實(shí)用新型的MCU的處理過(guò)程示意圖；
[0030]圖3是本實(shí)用新型的組合導(dǎo)航模塊的原理示意圖；
[0031] 圖4是本實(shí)用新型的通信模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖5是本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端的處理過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 以下結(jié)合一種具體的實(shí)施方案和附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)的說(shuō)明：
[0034] 如圖1所示，本實(shí)施例公開的一種用于室內(nèi)和室外的可移動(dòng)有害物質(zhì)檢測(cè)定位系 統(tǒng)，包括INS/WSN/BDS組合導(dǎo)航模塊、有害物質(zhì)檢測(cè)模塊、無(wú)線通信模塊、中央數(shù)據(jù)處理器 (MCU)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端。
[0035]INS/WSN/BDS組合導(dǎo)航模塊對(duì)有害物物源實(shí)施定位，包括INS導(dǎo)航模塊、WSN導(dǎo)航 模塊和BDS導(dǎo)航模塊，其中INS導(dǎo)航模塊通過(guò)包含3個(gè)單軸的加速度計(jì)和3個(gè)單軸的陀螺 儀的慣性單元獲得絕對(duì)導(dǎo)航信息；WSN導(dǎo)航模塊通過(guò)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)布置，以無(wú)線通信方 式（如ZigBee,WIFI)形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆 蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，從而確定未知節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置信息；DBS導(dǎo)航模塊通過(guò)衛(wèi)星、 地面中心站和用戶終端組成有源定位系統(tǒng)。
[0036]INS/WSN組合導(dǎo)航借助加速度計(jì)一陀螺儀和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)北斗信號(hào)區(qū)域的 定位，利用北斗定位克服INS導(dǎo)航誤差隨時(shí)間漂移問(wèn)題；INS/BDS組合導(dǎo)航借助加速度計(jì)一 陀螺儀和北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)可接收北斗信號(hào)區(qū)域的定位，克服了在地下巷道、狹長(zhǎng)隧道、高層 建筑密集的市區(qū)等北斗信號(hào)長(zhǎng)期失鎖的環(huán)境下INS導(dǎo)航誤差隨時(shí)間漂移問(wèn)題，具有極強(qiáng)的 環(huán)境適應(yīng)能力。所有位置信息經(jīng)（MCU)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及組合算法實(shí)現(xiàn)，MCU設(shè)有數(shù)據(jù)采集 單元、擴(kuò)展卡爾曼濾波器單元、不敏卡爾曼濾波器單元和數(shù)據(jù)融合單元，數(shù)據(jù)采集單元分別 與INS導(dǎo)航模塊、WSN導(dǎo)航模塊和BDS導(dǎo)航模塊連接，將接收到的導(dǎo)航信息傳遞給濾波器單 元，并確定采用INS