1.本發明涉及室內定位導航領域，具體地，涉及一種基于多定位融合的室內定位導航系統及方法。
背景技術：
2.現在用于室內的定位方式多為里程計、慣導、超寬帶等單一定位的方式，也存在通過對里程計、慣導、超寬帶等傳感器定位信息進行融合產生一個最終的定位信息的方式。
3.目前的室內場景的定位融合方式，在部分傳感器精度不高或者會出現跳變的情況下，依靠單一的定位方式的話，這種定位信息無法進行使用。考慮使用定位融合的話，在部分傳感器定位信息可信度不高的情況下，定位信息也會受到一定程度的影響。
4.專利文獻為cn 108981720 a的發明專利公開了一種uwb與慣導融合的室內導航系統，為解決現有室內導航系統基于未知環境進行，存在全局定位失效和綁架機器人的問題。所述uwb與慣導融合的室內導航系統，在移動機器人上設置四個uwb標簽、慣導和激光雷達，在移動機器人的運行環境中布置四個uwb基站；通過uwb基站、uwb標簽和移動機器人之間的幾何約束關系，獲取移動機器人的位姿；利用擴展卡爾曼濾波將獲取的移動機器人位姿與慣導獲得的位姿進行融合，獲得移動機器人的全局位姿；再將全局位姿代替導航系統中利用里程計獲得的位姿，與激光雷達數據進行融合定位。上述方案與本方案所述內容差別較大。首先是在實際應用中，在室內場景的小型機器人上應用uwb定位，定位誤差可能會達到10cm，這個誤差會導致小型機器人其他需要運用定位的功能，例如導航功能等無法正差工作。以及當機器人的里程計精度較低時，定位融合出來的結果其實也無法作為參考。
5.專利文獻為cn106643720b的發明專利公開了一種基于uwb室內定位技術與激光雷達的地圖構建方法，采用uwb和激光雷達雙傳感器構建地圖，可以保證，在室內受到金屬遮擋，導致uwb定位不準時，激光雷達的數據能讓誤差減小。當激光雷達的數據由于運動物體的定位精度降低時，uwb定位又可以讓此誤差減小。但是在成本方面三維激光雷達更高。并且因為激光雷達維數不同，所以激光雷達的定位方式也不同。
6.專利文獻為cn111694006a的發明專利公開了一種用于室內無人系統的導航傳感系統。整個系統包括主控制器、地圖構建模塊，定位模塊、導航模塊和數據存儲模塊,其中通過單片機控制地圖構建模塊，定位模塊、導航模塊獨立工作，數據存儲模塊用于存儲地圖構建模塊傳來的室內地圖信息和定位模塊傳來的無人系統的狀態信息、位置信息。所述地圖構建模塊包括uwb、里程計和激光雷達；所述定位模塊包括慣性導航系統和測距系統；所述導航模塊包括攝像頭和路徑規劃子模塊。電但是上述方案無法實現初始位置定位。
技術實現要素：
7.針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于多定位融合的室內定位導航系統及方法。
8.根據本發明提供的一種基于多定位融合的室內定位導航系統，包括如下模塊：
9.超寬帶模塊：獲得室內物體的初始定位坐標；
10.激光雷達定位模塊：基于超寬帶模塊提供的初始定位坐標為原點進行激光雷達slam定位，獲取激光雷達slam定位信息；
11.里程計定位模塊：獲取里程定位信息；
12.慣導定位模塊：獲取慣導定位信息；
13.定位信息融合模塊：對激光雷達slam定位信息、里程定位信息、慣導定位信息進行融合。
14.優選地，所述超寬帶模塊包括uwb標簽和uwb基站，所述uwb基站至少設置有三個，uwb基站在高于場景的位置架設。
15.優選地，所述uwb基站在對應的使用場景的最外周以矩形或者三角形頂點的位置架設。
16.優選地，所述里程計定位模塊包括光電編碼器。
17.優選地，所述慣導定位模塊包括加速度計和陀螺儀，加速度計用于輸出物體在載體坐標系統中的三個坐標軸方向上的加速度信息，陀螺儀用于輸出載體相對于導航坐標系的三個坐標軸方向上的角速度信息，根據載體在三維空間中的角速度以及加速度值解算出對應的姿態。
18.優選地，還包括搭設在室內場景中的靶標，所述靶標能夠達到激光雷達的高度需求。
19.優選地，定位信息融合模塊中，通過卡爾曼濾波進行定位信息的融合。
20.根據本發明提供的一種基于多定位融合的室內定位導航方法，包括如下步驟：
21.超寬帶定位步驟：用于獲得室內物體的初始定位坐標；
22.激光雷達定位步驟：基于超寬帶模塊提供的初始定位坐標為原點進行激光雷達slam定位，獲取激光雷達slam定位信息；
23.里程計定位步驟：獲取里程定位信息；
24.慣導定位步驟：獲取慣導定位信息；
25.定位信息融合步驟：對激光雷達slam定位信息、里程定位信息、慣導定位信息進行融合。
26.與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
27.1、本發明通過使用超寬帶獲得初始定位的方式，既可以得到激光雷達slam缺少的初始定位信息，又可以彌補超寬帶定位在小場景應用中，精度不足的問題。
28.2、本發明通過結合里程計與慣導信息，可以更好地修正激光雷達slam定位中可能出現的坐標抖動，最終可以作為一種室內比較準確的定位方式。
29.3、本發明采用的是uwb給出初始坐標，再通過二維激光雷達slam的算法進行定位，采用的slam的算法核心是掃描匹配，對于不同時刻點云形成的地圖進行匹配，位姿的運算并且在不同分辨率的地圖中進行迭代處理。
附圖說明
30.通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：
31.圖1為基于多定位融合的室內定位導航系統的結構示意圖。
具體實施方式
32.下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
33.如圖1所示，本發明提供了一種基于多定位融合的室內定位導航系統及方法，本發明為了在室內場景獲得比較準確的定位信息，需要采用更加準確的定位方式。在室內特征物比較豐富的情況下，所以利用激光雷達定位與建圖(slam)、里程計、慣導、超寬帶多種定位方式進行融合定位。在部分傳感器精度無法完成任務時，可以通過關閉或者降低權值的辦法來使融合后的信息更加準確。
34.進一步說明，本發明包括超寬帶模塊：獲得室內物體的初始定位坐標；激光雷達定位模塊：基于超寬帶模塊提供的初始定位坐標為原點進行激光雷達slam定位，獲取激光雷達slam定位信息；里程計定位模塊：獲取里程定位信息；慣導定位模塊：獲取慣導定位信息；定位信息融合模塊：對激光雷達slam定位信息、里程定位信息、慣導定位信息進行融合。
35.所述超寬帶模塊包括uwb標簽和uwb基站，所述uwb基站至少設置有三個，uwb基站在高于場景的位置架設。所述uwb基站在對應的使用場景的最外周以矩形或者三角形頂點的位置架設。所述里程計定位模塊包括光電編碼器。所述慣導定位模塊包括加速度計和陀螺儀，加速度計用于輸出物體在載體坐標系統中的三個坐標軸方向上的加速度信息，陀螺儀用于輸出載體相對于導航坐標系的三個坐標軸方向上的角速度信息，根據載體在三維空間中的角速度以及加速度值解算出對應的姿態。還包括搭設在室內場景中的靶標，所述靶標能夠達到激光雷達的高度需求。定位信息融合模塊中，通過卡爾曼濾波進行定位信息的融合。
36.本發明還提供的一種基于多定位融合的室內定位導航方法，包括超寬帶定位步驟：用于獲得室內物體的初始定位坐標；激光雷達定位步驟：基于超寬帶模塊提供的初始定位坐標為原點進行激光雷達slam定位，獲取激光雷達slam定位信息；里程計定位步驟：獲取里程定位信息；慣導定位步驟：獲取慣導定位信息；定位信息融合步驟：對激光雷達slam定位信息、里程定位信息、慣導定位信息進行融合。
37.里程計的航跡推算定位方法主要基于光電編碼器在采樣周期內脈沖的變化量計算出車輪相對于地面移動的距離和方向角的變化量，從而推算出移動機器人位姿的相對變化。假設一個機器人在其輪子或腿關節處配備有光電編碼器等設備，當它向前移動一段時間后，想要知道大致的移動距離，測量光電編碼器脈沖數目，可以得出輪子旋轉的圈數，如果知道了輪子的周長，便可以計算出機器人移動的距離。同樣里程計航跡推算定位方法也是存在累積誤差，不適合機器人長距離內的定位。
38.imu慣性傳感器內部一般含有三軸的加速度計和三軸的陀螺儀。其中，加速度計用于輸出物體在載體坐標系統中的三個坐標軸方向上的加速度信息，而陀螺儀用于輸出載體相對于導航坐標系的三個坐標軸方向上的角速度信息，根據載體在三維空間中的角速度以及加速度值解算出對應的姿態。基于慣性傳感器的定位方法主要優點是不依賴外部條件就
可實現移動機器人定位，短時精度比較好。缺點就是隨著時間的增長會有飄移，比較小的常數誤差被積分后都會無限變大。可見基于慣性傳感器的航跡推算方法不能滿足移動機器人長距離精確定位要求。
39.超寬帶(uwb)定位系統的搭建，需要在對應的使用場景的最外周以矩形或者三角形頂點的位置架設高于場景的uwb基站，再在使用的機器人或者小車上放置uwb標簽，從而滿足uwb正常工作的場景。對于激光雷達的使用需要在使用場景中搭設滿足激光雷達高度需求的靶標來使激光雷達可以正常工作形成點云信息。在對多傳感器定位信息的進行融合的時候，需要根據全局坐標系對各傳感器的坐標系進行校準統一，從而使每個傳感器信息準確有效。
40.本發明提供的方法以激光雷達slam作為主要的定位手段，通過超寬帶的提供的位置對激光雷達定位的原點進行修正，在過程中結合里程計和慣導等傳感器信息通過卡爾曼濾波進行定位信息的融合。通過超寬帶(uwb)獲得一個定位坐標，使用此坐標在作為初始坐標。將初始坐標作為原點進行激光雷達slam定位。在激光雷達slam定位的過程中，結合里程計和慣導信息，通過卡爾曼濾波進行定位信息融合。在卡爾曼濾波中，每種定位信息都需要給定一個協方差矩陣來作為該定位信息置信度相關的參數。通過調整不同協方差矩陣中的參數來改變定位信息在最終融合結果中的權重。當某種傳感器的定位信息受到干擾或者暫時無法作為參考時，也可以通過調整協方差矩陣來減小這種定位信息帶來的影響。當里程計和慣導的定位信息精度較小，有多次跳變的情況下，可以將其關閉，算法依然可以繼續運行。也可以替換為其他傳感器的定位信息，比如通過視覺傳感器獲得的信息進行視覺slam得到的定位信息或者二維碼定位得到的定位信息進行信息融合。
41.本發明正是因為uwb和里程計等定位精度不高，采用了激光雷達slam來作為主要的更加精確的定位方式，但是激光雷達slam的定位存在的不足就是它無法獲得機器人初始的全局位姿，所以可以利用uwb來提供一個初始全局位姿對激光雷達slam的定位進行補足。同時在激光雷達slam中可以結合其他傳感器的定位信息進行融合，來更好地減小激光雷達slam可能產生的跳變問題。在融合過程中可以通過調整協方差方程來讓激光雷達slam的定位作為主要定位，其他傳感器信息進行輔助。
42.以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本發明的實質內容。在不沖突的情況下，本技術的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。