CN110542418A - 一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，属于室内管路定位技术领域，根据现场管路的静态信息、动态信息建立数据库，将用于定位校正的管道节点的位置信息写入二维码保存。用户手持智能移动终端在节点处，通过节点二维码所含准确位置数据进行定位；同时，本发明利用二维码中的准确位置数据确定惯性传感器误差模型系数，用于实现在无二维码区域时，对惯性传感器定位误差的补偿，从而得到手持智能设备在室内连续的较为准确的位置信息，并将以上定位位置信息上传至数据库，在数据库中通过位置信息找到相应的管路静态和动态参数信息，再将参数信息传至智能移动终端并显示出来，完成管路的定位及参数可视化功能。

Description

一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法

技术领域

本发明属于室内管路定位技术领域，涉及一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法。

背景技术

随着管道设备的老化及人为损坏等原因,故障时有发生，给人们的生命财产造成了巨大的潜在威胁。因此，建立管道维护机制，及时检测维修故障点，可以最大限度地减少经济损失。

管道定位是管道维护，确定故障点的核心问题。在室外管道维护定位时，通常采用GPS定位技术，可以直接确定管道的大概位置，但对于相对封闭的室内环境而言，由于各种遮挡，使得常用的GPS信号在室内环境中的获取和接收变得非常困难，所以在室内主要采取以下另外几项定位方法，如WIFI定位技术、蓝牙定位技术、射频技术、Zig Bee技术和惯性传感器定位技术等。

①WIFI定位技术：在室内可通过多个WIFI模块信号强度变化进行定位，但在管路环境中应用复杂度太高，应用较为困难。

②蓝牙定位技术：处在同一局域网内的蓝牙设备可以通过通讯以及交换数据来实现定位功能，且不会受建筑物外壁干扰，但在复杂的管路环境下易受到噪声的干扰。

③射频识别技术使用射频技术实现的以非接触的方式进行自动识别的技术以达到辨别和定位的目的。它的优点是定位准确度很高，感应范围有保障，设备体积比较小，制造比较方便，花费不高。它的缺陷是只能在固定的范围进行识别，同时识别范围较小，且不能和其他定位方法融合。

④Zig Bee是一种近距离无线通讯的技术，Zig Bee网络主要使用无线传感器，可以在小的区域内组建内部网络，从而形成一个自组织的网络***，同样可以通过网络中各个节点之间的通讯实现室内环境中定位服务。这种方法具有较高的防干扰能力，缺点是其数据传输速度较低。

⑤惯性传感器的定位方法使用的是智能手机内置的加速度、陀螺等传感器进行方向推算，在短时间内可获取较高精度的定位结果，但会产生严重的误差累积效应，不适合管道中的长时定位。

上述现有的技术方案或多或少都存在易受干扰，使用可靠性、传输效率较低，安装维护成本高等问题，更加依赖外部设备，且受环境影响大。惯性定位是根据惯性传感器(加速度计、陀螺仪)获取的参数计算得到用户的速度、位置及方向信息，从而推算得到用户当前位置信息，该方法适合连续定位，但由于移动速度和方向存在误差，不适合用做长时间的主要定位手段，否则会产生严重的误差累积效应。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，以二维码作为载体，预存二维码所在位置(节点)的精确坐标作为坐标修正，在节点处通过扫描二维码的形式获取到该节点存储的位置坐标进行定位；在无节点处，通过智能移动终端上的惯性传感器进行室内导航定位，为消除惯性传感器导航定位方法的累积误差，将惯性器件定位坐标与二维码坐标的比对分析得到惯性传感器定位的误差模型，对其进行误差校正，以实现在定位处无二维码，仅靠惯性器件进行定位时，能获取更为准确的位置信息。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，包括以下步骤：

S1：根据定位需要确定管道上定位校正用二维码的放置点位置，生成包含放置点位置坐标的定位校正用二维码，放置在对应的位置，形成用于智能移动终端定位误差校正的二维码***，用于智能移动终端的惯性传感器定位导航误差校正；

S2：建立管道参数数据库，包括管道的静态信息和通过管道上传感器获取的管道动态信息；所述静态信息包括管道空间特征信息和属性特征信息，所述空间特征信息包括管路位置和长度，所述属性特征信息包括管道型号材质及铭牌数据；所述动态信息包括输送物料流量、压力和流速；

S3：当需要定位点为定位导航校正用二维码放置点时，利用智能移动终端扫描二维码，将其中的位置信息作为当前位置信息，同时通过智能移动终端内置的惯性传感器获取定位点的位置信息，再将二维码中的位置信息与惯性传感器获取的位置信息进行比对校正，获取惯性传感器校正补偿模型的相关参数，确定校正补偿模型；

当需要定位点不是定位导校正用二维码放置点时，通过智能移动终端的惯性传感器获取当前位置的位置信息，代入校正补偿模型进行校正补偿，得到经过误差修正后的较精确的坐标，完成定位；

S4：在获取到当前位置信息后，智能移动终端通过位置信息数据访问管道参数数据库，将管道相关信息传送至智能移动终端并显示，提供管道空间特征信息和属性特征信息，并基于所述管道空间特征信息和属性特征信息为管道运维提供可视化支持服务。

进一步，步骤S1中，为保持定位具有较高的准确度，在室内管道的重要位置(特殊节点、管道室内起始点位置)，布置定位校正用二维码。

进一步，步骤S3中，在扫描二维码时得到位置的精确坐标，与此时通过惯性传感器定位得到的测量位置坐标进行比对校正，得到此时惯性定位的误差模型系数，校正模式处于不停迭代状态，每扫一次二维码将会更新其误差模型系数；

其中，设二维码坐标为(x₀,y₀)，惯性传感器测量坐标(x′,y′)，则两个坐标存在如下对应关系：误差模型f_x的表达式为x₀＝a₁x′+b₁y′+c₁x′y′(包括但不限于此)，由测量坐标和准确坐标求得误差模型系数，从而对惯性传感器测量位置进行误差修正。

进一步，步骤S3中，

①当定位处有二维码节点时，通过扫描二维码获取该点的位置信息，并与惯性传感器所得位置信息进行比对校正，确定误差校正补偿模型；

②当定位处无二维码节点时，通过惯性传感器获取该点的位置信息，包括通过获取惯性传感器加速度计的加速度数据，以获取智能移动终端在x，y，z三个轴方向上的加速度变化情况，对其进行积分和二次积分，计算出速度信息和位移信息；通过惯性传感器陀螺仪，获取智能移动终端在x，y，z三个方向上的角度变化情况，从而计算得到当前智能移动终端即所处管道的初步位置，再经过误差修正，补偿惯性器件定位方法的误差漂移，得到所处管道的较准确位置。

本发明的有益效果在于：

1)提出一种综合二维码与惯性传感器的室内管道定位方法，以二维码提供的准确坐标作为误差校正，使惯性传感器导航可以连续较为准确的定位，提供了室内室外管道的有效位置服务。

2)二维码标签的信息能作为准确位置信息的索引，与数据库中相关管道参数信息关联，可以提供关于管道的相关动态静态数据。

3)二维码容易制作且成本很低，相较于其他定位方式接近零成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法流程示意图；

图2为本发明所述综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法实施的***示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，以二维码作为载体，预存二维码所在位置(节点)的精确坐标作为坐标修正，通过扫描二维码等形式获取到该节点存储的位置坐标，同时结合智能移动终端上的惯性传感器进行室内导航定位，通过与二维码坐标的比对分析得到惯性传感器定位的误差模型，对其进行误差校正，消除惯性传感器导航定位方法的累积误差，以获取在定位处无二维码，仅靠惯性传感器进行定位时，较未利用本发明提出的方法时更为准确的位置信息。

一、定位方法：

针对管路的定位需求，本发明在室内采取基于用户手持智能移动终端设备的惯性测量定位方法，结合二维码定位进行误差校正，解决惯性传感器定位中的误差累计问题，实现管路的较为准确定位。

1、惯性测量定位：

对于智能移动终端，通过获取惯性传感器加速度计的加速度数据，我们便可获取手持设备在x，y，z三个轴方向上的加速度变化情况，对其进行积分和二次积分，便可计算出相关的速度信息和位移信息；而通过惯性传感器陀螺仪，我们可以获取智能移动终端在x，y，z三个方向上的角度变化情况。利用以上信息，我们即可计算得到当前智能移动终端即所处管道的位置。

2、二维码定位：

本发明采用的是二维码，具有加密能力强、方便扫描等优点，在当前的生活中应用非常广泛。本发明将某点的具***置坐标分为两种进行描述，第一种是管道位置的绝对位置即空间坐标，将室内管道起始点位置作为原点，描述记录管道位置基于原点的三维坐标x、y、z(即长宽高)；第二种管道的相对位置，即为管路上某点距离该管道起点沿管管道方向的相对长度，通过这两种方式的位置信息融合能够准确定位到室内任意管道上点的位置，为它作为校正点提供了基础。

将这两种信息都存入到二维码中，用户使用智能移动终端设备扫描二维码并解析获取到存储在二维码中较准确的位置信息，实现室内定点定位，然后用于惯性传感器的误差校正，实现惯性测量定位方法少误差的连续导航。

二、工作过程

整个二维码融合惯性传感器定位的工作过程分两种：

1、校正过程

校正模式是在扫描节点二维码时得到该位置的精确坐标，与此时通过惯性传感器定位得到的测量位置坐标进行比对校正，通过误差分离，得到此时惯性定位的误差模型系数。校正模式处于不停迭代状态，每扫一次二维码将会更新其误差模型系数。具体工作过程示意图图1所示，其中，设二维码坐标为(x₀,y₀)，惯性传感器测量坐标(x′,y′)，则两个坐标存在如下对应关系：误差模型f_x的表达式较为复杂，此处为了方便理解，写成如下表达(包括但不限于x₀＝a₁x′+b₁y′+c₁x′y′)，由测量坐标和准确坐标可求得误差模型系数，从而对惯性传感器测量位置进行误差修正。

2、定位过程

(1)当定位点位置处于二维码节点时，可以扫描二维码获得其存储的精确坐标，将二维码中的位置信息作为当前位置信息，完成定位。同时将二维码中的位置信息与移动终端内惯性传感器得到的位置信息进行比对校正，确定校正补偿模型。

(2)当定位点位置未处于二维码节点时，通过惯性传感器的定位获取当前位置的测量坐标信息，代入之前求得的误差模型进行补偿校正，得到经过误差修正后的较精确的坐标，完成定位。

(3)在每个二维码处扫描获得准确坐标，不断迭代更新误差模型系数，控制惯性传感器定位的误差漂移，保证定位方法的准确性。

三、移动端显示

(1)本发明(包括但不限于)基于智能移动终端设备为客户端进行开发，PC机为数据库，用于存放相关管道参数信息。

(2)搭建管道参数数据库，存储所有管道节点(即二维码定位标识处)的静态和动态(由传感器获得)信息。

(3)根据陀螺仪等惯性传感器提供的位置数据(经二维码定位校正后)进行位置定位，通过定位信息在数据库中找到对应管路的相关参数。

(4)数据库接收客户端的请求，并根据计算匹配后的结果返回智能移动终端设备并显示在屏幕上。

实施例：

如图2所示，根据现场管路的静态信息(管道铭牌数据等信息)、动态信息(由传感器获取液体流量、压力、流速等信息)建立后端数据库，将用于定位校正的管道节点的位置信息写入二维码保存。用户手持智能移动终端，综合内置的惯性传感器测量位置数据及含有节点准确位置数据的二维码对室内管道定位，并将以上定位位置信息上传至后端数据库，在后端数据库中通过位置信息找到相应的管路静态和动态参数信息，再将参数信息传至智能移动终端并显示出来，完成管路的定位及参数可视化功能。

在以上实施例中，本发明专利提出的方法应用过程步骤如下：

1)根据定位需要确定管道上定位校正用二维码的放置点位置，生成包含放置点位置坐标的定位校正用二维码，并放置在对应的位置，形成用于手持设备定位误差校正的二维码***，用于直接定位及手持设备的惯性传感器定位导航误差校正。在应用中，为保持定位具有较高的准确度，在室内管道的重要位置(特殊节点、管道室内起始点位置)，应布置本方法提及的定位二维码。

2)建立管路参数数据库，将管路的静态信息(管路位置，长度等空间特征信息，管道型号材质及铭牌数据等属性特征信息)与通过管道上传感器获取的管道动态信息(如流量、压力、流速等)。

3)在定位过程中，当定位点有用于定位导航校正的二维码的情形时，手持移动终将二维码中的位置信息作为当前位置信息，同时，通过将二维码中的位置信息与终端内惯性传感器得到的位置信息进行比对校正，获取惯性传感器校正补偿模型的相关参数，确定校正补偿模型；

当定位点没有用于定位导航校正的二维码的情形时，手持设备以自身的惯性传感器获取的位置数据及其校正补偿模型完成定位。

4)在获取到当前位置信息后，手持设备通过位置信息数据访问相关静态和动态数据库，将管道相关信息传送至移动终端并显示，提供管路类型，输送物料流速和压力等信息，并基于以上相关信息为管道运维提供可视化支持服务。

本发明专利所述移动终端包括智能手机或平板电脑，智能手机和平板电脑包括但不限于Android，IOS和Windows等***。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据定位需要确定管道上定位校正用二维码的放置点位置，生成包含放置点位置坐标的定位校正用二维码，放置在对应的位置，形成用于智能移动终端定位误差校正的二维码***，用于直接定位及智能移动终端的惯性传感器定位导航误差校正；

S2：建立管道参数数据库，包括管道的静态信息和通过管道上传感器获取的管道动态信息；所述静态信息包括管道空间特征信息和属性特征信息，所述空间特征信息包括管路位置和长度，所述属性特征信息包括管道型号材质及铭牌数据；所述动态信息包括输送物料流量、压力和流速；

S3：当需要定位点为定位导航校正用二维码放置点时，利用智能移动终端扫描二维码，将其中的位置信息作为当前位置信息，同时通过智能移动终端内置的惯性传感器获取定位点的位置信息，再将二维码中的位置信息与惯性传感器获取的位置信息进行比对校正，获取惯性传感器校正补偿模型的相关参数，确定校正补偿模型；

当需要定位点不是定位导校正用二维码放置点时，通过智能移动终端的惯性传感器获取当前位置的位置信息，代入校正补偿模型进行校正补偿，得到经过误差修正后的较精确的坐标，完成定位；

S4：在获取到当前位置信息后，智能移动终端通过位置信息数据访问管道参数数据库，将管道相关信息传送至智能移动终端并显示，提供管道空间特征信息和属性特征信息，并基于所述管道空间特征信息和属性特征信息为管道运维提供可视化支持服务。

2.根据权利要求1所述的综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，其特征在于：步骤S1中，为保持定位具有较高的准确度，在室内管道的重要位置布置定位校正用二维码，包括特殊节点、管道室内起始点位置。

3.根据权利要求1所述的综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，其特征在于：步骤S3中，在扫描二维码时得到位置的精确坐标，与此时通过惯性传感器定位得到的测量位置坐标进行比对校正，得到此时惯性定位的误差模型系数，校正模式处于不停迭代状态，每扫一次二维码将会更新其误差模型系数；

其中，设二维码坐标为(x₀,y₀)，惯性传感器测量坐标(x′,y′)，则两个坐标存在如下对应关系：误差模型f_x的表达式包括但不限于x₀＝a₁x′+b₁y′+c₁x′y′，由测量坐标和准确坐标求得误差模型系数，从而对惯性传感器测量位置进行误差修正。

4.根据权利要求1所述的综合二维码和惯性传感器的室内管道定位方法，其特征在于：步骤S3中，

①当定位处有二维码时，通过扫描二维码获取该点的位置信息，并与惯性传感器所得位置信息进行比对校正，确定误差校正补偿模型；

②当定位处无二维码时，通过惯性传感器获取该定位处的位置信息，包括通过获取惯性传感器加速度计的加速度数据，以获取智能移动终端在x，y，z三个轴方向上的加速度变化情况，对其进行积分和二次积分，计算出速度信息和位移信息；通过惯性传感器陀螺仪，获取智能移动终端在x，y，z三个方向上的角度变化情况，从而计算得到当前智能移动终端即所处管道的初步位置，再经过误差修正，补偿惯性器件定位方法的误差漂移，得到所处管道的较准确位置。