基于虚拟现实技术的建筑内导航系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，包括一三维模拟系统、一捷联惯导系统及一虚拟现实显示系统；所述捷联惯导系统包括电子罗盘、陀螺仪加速度计及气压计，用于获取使用者的定位信息包括朝向信息及姿态信息；所述三维模拟系统用于对建筑结构及场景进行三维建模，并对捷联惯导系统输入的定位信息进行坐标变换，将定位信息加入到三维建模后的三维建筑信息中，然后将处理结果输出给虚拟现实显示系统显示给使用者；所述虚拟现实显示系统接收三维模拟系统输出的处理结果，并显示给使用者，用于虚拟场景的显示和导航。
【专利说明】
基于虚拟现实技术的建筑内导航系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种导航系统，尤其是涉及一种基于虚拟现实技术的建筑内火场 导航系统。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济发展，城市建筑物的结构呈高层化、复杂化的发展趋势。火情发生 时，火灾现场烟雾弥漫，可见度低，消防人员很难辨别自己在建筑中所处的位置(尤其是在 不熟悉该建筑结构的情况下），无法快速定位火灾具体发生地点和被困人员位置，再加上建 筑结构复杂、场面混乱，人员疏散距离长，这些都对搜救造成了巨大的阻碍，拖延了救援时 间，不仅对受灾人是生命与财产的损失，也危及到消防人员的人身安全。
[0003] 由于建筑内部情况复杂、火灾浓烟影响消防救援的情况是一个普遍问题，严重时 甚至危及消防员生命安全。消防救援人员如何在复杂情况下准确定位火灾位置、提高火灾 搜救效率已成为消防部门共同关注的话题。 【实用新型内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种能够提高解决上述问题的基于虚拟现实技术的建筑 内导航系统。
[0005] -种基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，包括一三维模拟系统、一捷联惯导系 统及一虚拟现实显示系统;所述捷联惯导系统包括电子罗盘、陀螺仪加速度计及气压计，用 于获取使用者的定位信息包括朝向信息及姿态信息;所述三维模拟系统用于对建筑结构及 场景进行三维建模，并对捷联惯导系统输入的定位信息进行坐标变换，将定位信息加入到 三维建模后的三维建筑信息中，然后将处理结果输出给虚拟现实显示系统显示给使用者； 所述虚拟现实显示系统接收三维模拟系统输出的处理结果，并显示给使用者，用于虚拟场 景的显示和导航。
[0006] 捷联惯导系统测得相对惯性空间的加速度和角加速度及沿载体轴的分量，然后使 用行人航迹推测算法，对加速度和角加速度的分量进行计算，获得使用者的步数、步长及航 向，并将使用者的步数、步长及航向转换到地理坐标系内的分量。
[0007] 所述加速度计为三轴加速度计，所述陀螺仪为单轴陀螺仪。
[0008] 所述三维模拟系统包括一三维建模模块、一定位信息接收模块，以及一实时信息 输出模块，所述三维建模模块利用建筑结构的真实信息进行三维建模;所述定位信息接收 模块接收捷联惯导系统输出的定位信息，并将定位信息处理后传输给实时信息输出模块； 所述实时信息输出模块将解析后的定位信息及导航信息传输给虚拟现实显示系统。
[0009] 所述实时信息输出模块包括一第一人称视角图像输出模块、一使用者室内定位输 出模块、一使用者行进路线跟踪模块及一定位信息手动修正模块。
[0010] 所述虚拟现实显示系统同时以第一人称视角的方式显示使用者的相对位置及朝 向位置、使用者在室内的精确位置以及使用者从开始起的行进路线，为使用者提供导航。
[0011] 所述虚拟现实显示系统为头戴式显示器。
[0012] 与现有技术相比较，本实用新型提供的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，将 人员室内定位技术与虚拟现实等技术相融合，建立建筑内火场导航系统，实现建筑火灾能 见度低、环境复杂等救援条件下的救援人员位置实时感知与疏散/撤离引导。
【附图说明】
[0013] 图1为本实用新型实施例提供的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统的示意图。
[0014] 图2为本实用新型实施例提供的捷联惯导系统的示意图。
[0015]主要元件符号说明
[0016]
[0017]如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本实用新型。
【具体实施方式】
[0018] 下面将结合附图及具体实施例，对本实用新型提供的电梯自动导引辅助系统作进 一步的详细说明。
[0019] 请参阅图1，本实用新型实施例提供的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统包括： 一三维模拟系统1、一捷联惯导系统2及一虚拟现实显示系统3。所述三维模拟系统1用于对 建筑结构及场景进行三维建模，并对捷联惯导系统2输入的信息进行处理，然后将处理结果 输出给虚拟现实显示系统3显示;所述捷联惯导系统2用于获取使用者的朝向信息及姿态； 所述虚拟现实显示系统3用于虚拟场景的显示和导航。
[0020] 请一并参阅图2,所述捷联惯导系统2用于在不需要参照物、定位基站的情况下，得 到使用者如消防人员的定位信息，包括朝向信息及姿态信息。所述捷联惯导系统2包括电子 罗盘、陀螺仪、加速度计及气压计。所述捷联惯导系统2可直接安装在人员身上，通过捷联惯 导系统2中的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度及沿载体轴的分量，然后使 用行人航迹推测算法，对加速度和角加速度的分量进行计算，获得使用者的步数、步长及航 向，并将使用者的步数、步长及航向转换到计算机预定的地理坐标系内的分量。那么载体坐 标系测得的相对惯性空间的位移和航向，经过捷联惯导系统2转换后便即可得到沿地理坐 标系的位移和航向分量。获得已知方位的位移和航向分量之后，可根据力学方程解出所需 的导航和姿态参数。
[0021] 具体的，所述捷联惯导系统2包括:三轴加速度计，单轴陀螺仪，电子罗盘和气压 计。其中，所述三轴加速度计和单轴陀螺仪用于测量消防员加速度和角加速度数据，本实施 例中，所述三轴加速度计及单轴陀螺仪采用ADIS16300传感器模块。进一步，每个传感器模 块都拥有自身的动态补偿，可用于校正公式，从而可在+4.75V至+5.25V的电源电压范围内 提供精确的传感器测量;所述电子罗盘采用HMC5883L模块，用于测量地磁夹角以修正陀螺 仪积分的漂移误差。该单轴陀螺仪具有15°/h的漂移误差并随时间积累，该捷联惯导系统2 采用电子罗盘所测得地磁夹角（由于铁磁效应可能有较大误差)作为观测参数，使用卡尔曼 滤波对航向做出最优估计。所述气压计用于测量大气压以获得消防员所处楼层。
[0022] 具体的，所述三维模拟系统1用于以虚拟现实的方式形成使用者的位置信息及导 航信息，并将使用者的定位信息进行坐标变换，加入到三维建筑信息中。所述三维模拟系统 可包括一三维建模模块、一定位信息接收模块，以及一实时信息输出模块。所述三维建模模 块用于利用建筑结构的真实信息如图纸进行三维建模，将建筑内部的主要结构建筑内部的 主要结构，包括出入口、安全出口、房间、走廊、楼梯间等进行三维建模，获得精确细节和详 细数据，以利于在建筑内部进行距离分析，作为虚拟现实显示的基础，以便于利用三维引擎 对信息进行显示和分析。
[0023] 所述定位信息接收模块用于接收捷联惯导系统2输出的定位信息，并将定位信息 处理后传输给实时信息输出模块，以实现实时位置定位功能。所述定位信息接收模块可以 实现使用者的朝向信息及姿态信息等位置信息进行采集及解析，形成导航信息，并将其传 输给实时信息输出模块。所述实时信息输出模块将解析后的定位信息及导航信息传输给虚 拟现实显示系统3,以将定位信息及导航信息经过虚拟现实显示系统3展示给使用者。
[0024] 所述实时信息输出模块可包括一第一人称视角图像输出模块、一使用者室内定位 输出模块、一使用者行进路线跟踪模块及一定位信息手动修正模块。所述第一人称视角图 像输出模块用于以第一人称视角的方式实时输出室内使用者的相对位置及朝向位置信息； 所述使用者室内定位模块用于实时输出使用者在室内的精确位置信息;所述使用者行进路 线跟踪模块用于输出从开始起的行进路线信息;所述定位信息手动修正模块用于根据实际 场景输出定位信息进行手动修正的信息。针对普遍存在的长距离跟踪后的漂移问题，三维 模拟系统1可以采用消防人员自主校正的方法。当消防员进入到建筑内后，可根据三维场景 和定位信息采用人工交互的方式，在已知定位点通过手持设备等方式对传感器定位信息进 行校正。本实施例中，所述三维模拟系统1是使用Microsoft Visual Studio 2008软件，基 于Win32控制台和OpenSceneGraph技术进行开发。
[0025] 虚拟场景和现实场景的融合，需要将使用者的定位信息进行坐标变换，加入到三 维建筑信息。本实施例中，通过使用Microsoft Visual Studio 2008软件，基于Win32控制 台和OpenSceneGraph技术进行开发数据接口，将调用捷联惯导系统2采集信息并解析使用 者位置信息及姿态信息，接入到三维场景中，动态对使用者位置信息进行更新和显示。 [0026] 所述虚拟现实显示系统3用于对火场虚拟场景的显示和导航，具体的，所述虚拟现 实显示系统3可同时以第一人称视角的方式显示使用者的相对位置及朝向位置、使用者在 室内的精确位置以及使用者从开始起的行进路线，从而为使用者提供导航。所述虚拟现实 显示系统3可为腕式显示器或头戴式显示器，如眼镜/头盔显示器、手持显示设备等。进一 步，所述虚拟现实显示系统3为一头戴式虚拟现实显示系统3,从而以第一视角，根据使用者 位置信息在建筑三维场景进行行动和漫游显示，并保持使用者的行进目视方向一致，以实 现复杂火场条件下的增强虚拟现实。同时，在虚拟场景中显示建筑中关键结构如房间、安全 出口的位置信息，以及回放消防救援人员自身的路径记录。
[0027]本实用新型提供的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，将人员室内定位技术与 虚拟现实等技术相融合，建立建筑内火场导航系统，实现建筑火灾能见度低、环境复杂等救 援条件下的救援人员位置实时感知与疏散/撤离引导。同时，通过利用室内定位技术，实现 火场情况下消防人员位置定位、朝向探测等，并通过虚拟现实技术，在消防员随身携带的显 示终端显示消防人员建筑中自身所在位置、消防人员朝向、三维运动轨迹、建筑各类安全出 口位置等，进行火场导航。该基于虚拟现实技术的建筑内导航系统中位移信息不是由加速 度积分得出，而是用每一步位移叠加而成，计算量少，所以能实时输出；并且航向信息是根 据陀螺仪输出和电子罗盘输出做出的最优估计。
[0028]另外，本领域技术人员还可以在本实用新型精神内做其他变化，这些依据本实用 新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围内。
【主权项】
1. 一种基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，包括一三维模拟系统、一捷联惯导系统 及一虚拟现实显示系统;所述捷联惯导系统包括电子罗盘、陀螺仪、加速度计及气压计，用 于获取使用者的定位信息包括朝向信息及姿态信息;所述三维模拟系统用于对建筑结构及 场景进行三维建模，并对捷联惯导系统输入的定位信息进行处理，然后将处理结果输出给 虚拟现实显示系统显示给使用者;所述虚拟现实显示系统接收三维模拟系统输出的处理结 果，并显示给使用者，用于虚拟场景的显示和导航。2. 如权利要求1所述的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，其特征在于，所述捷联惯 导系统包括三轴加速度计，单轴陀螺仪，电子罗盘和气压计，所述三轴加速度计和单轴陀螺 仪用于测量消防员加速度和角加速度数据。3. 如权利要求1所述的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，所述三维模拟系统包括 一三维建模模块、一定位信息接收模块，以及一实时信息输出模块，所述三维建模模块利用 建筑结构的真实信息进行三维建模;所述定位信息接收模块接收捷联惯导系统输出的定位 信息，并将定位信息处理后传输给实时信息输出模块;所述实时信息输出模块将解析后的 定位信息及导航信息传输给虚拟现实显示系统。4. 如权利要求3所述的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，其特征在于，所述实时信 息输出模块包括一第一人称视角图像输出模块、一使用者室内定位输出模块、一使用者行 进路线跟踪模块及一定位信息手动修正模块。5. 如权利要求1所述的基于虚拟现实技术的建筑内导航系统，其特征在于，所述虚拟现 实显示系统为头戴式显示器。
【文档编号】G01C21/00GK205655839SQ201620091911
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年1月30日 公开号201620091911.4, CN 201620091911, CN 205655839 U, CN 205655839U, CN-U-205655839, CN201620091911, CN201620091911.4, CN205655839 U, CN205655839U
【发明人】陈涛, 周钊, 魏蓓蓓
【申请人】清华大学