為了解決現(xiàn)有定位系統(tǒng)精度低、成本高、抗干擾能力弱、不易維護的技術問題，本發(fā)明專利技術提供一種非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法及系統(tǒng)，通過至少一個激光定標器向屋頂或墻壁發(fā)射參考圖形，激光定標器發(fā)射非可見激光；地面上待定位裝置上的攝像頭將參考圖形生成成像圖形；根據(jù)定位點成像的位置及距離反推攝像頭中心相對于參考圖形中定位點p1、p2的仰角及旋轉(zhuǎn)角，計算出每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角；根據(jù)每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角，計算出攝像頭中心的三維坐標，進而對待定位裝置進行定位或?qū)Ш?。本發(fā)明專利技術精度高，成本低，抗干擾能力強且便于維護。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法及系統(tǒng)
本專利技術涉及一種室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)，尤其涉及一種VR/AR系統(tǒng)適用的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)
技術介紹
現(xiàn)有的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)，采用以下兩種定位原理：SLAM技術或超寬帶技術。但是其具有如下不足：1、成本高：SLAM技術所采用的深度攝像機與超寬帶技術中采用的基站成本居高不下3、抗干擾能力弱。SLAM是對環(huán)境進行識別，但環(huán)境結構發(fā)生改變時，SLAM技術無法實現(xiàn)兩者匹配，而超寬帶技術使用的電磁波也會受到其他設備干擾，造成位置精度飄動4、不易維護。SLAM技術需要環(huán)境保持不變，超寬帶技術則需要選擇合適的位置架設基站，并且同一區(qū)域的基站數(shù)量不少于4個。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術目的是提供一種非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法及系統(tǒng)，其解決了現(xiàn)有定位系統(tǒng)精度低、成本高、抗干擾能力弱、不易維護的技術問題。本專利技術的技術解決方案是提供一種非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法，包括以下步驟：1)至少一個激光定標器向屋頂或墻壁發(fā)射參考圖形，所述參考圖形至少包括兩個已知三維坐標的定位點p1、p2；所述激光定標器發(fā)射非可見激光；2)地面上待定位裝置上的攝像頭將所述參考圖形生成成像圖形；3)根據(jù)定位點成像的位置及距離反推攝像頭中心相對于參考圖形中定位點p1、p2的仰角及旋轉(zhuǎn)角；4)根據(jù)攝像頭中心的仰角和俯角結合定位點p1、p2的坐標位置，計算出每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角；5)根據(jù)每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角，計算出攝像頭中心的三維坐標，進而對待定位裝置進行定位或?qū)Ш?。?yōu)選的，上述步驟4)還包括以下修正步驟：當有多個激光定標器時，待定裝置獲取距離最近的激光定標器的ID或激光定標器的參考圖形的ID信息來進行初步定位。優(yōu)選的，上述步驟4)還包括以下修正步驟：實時獲取運動中的攝像頭的空間姿態(tài)(水平和旋轉(zhuǎn)兩個屬性)，對攝像頭俯角和旋轉(zhuǎn)角進行修正，進而修正每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角。上述攝像頭為非可見光魚眼攝像頭或非可見光廣角攝像頭；上述步驟3)具體如下：3.1)攝像頭將定位點p1、p2成像為成像圖形中的投影點a、b；3.2)根據(jù)攝像頭的成像穹隆球的半徑r，可以看出投影點a、b在穹隆球上虛擬映射圖形的對應點px1，px2，進而可以計算出p1、p2相對于穹隆球圓心的俯角以及旋轉(zhuǎn)角；3.3)由于p1、p2之間的關系已知，p1、p2相對于穹隆球圓心的俯角以及旋轉(zhuǎn)角已知，則可以推算出穹隆球圓心的坐標；上述步驟4)具體如下：4.1)根據(jù)距離遠近，獲取最近的激光定標器的ID；或者根據(jù)激光定標器的參考圖形獲取該激光定標器的ID；4.2)根據(jù)激光定標器的ID獲取已知定位點p1，p2的三維坐標；4.3)根據(jù)已知定位點p1，p2的三維坐標以及虛擬映射圖形對應點px1，px2的三維坐標，生成延長線向量，延長線向量交叉點坐標即為攝像頭三維坐標。當定位點的數(shù)量大于2時，將獲得的多個攝像頭三維坐標進行平均計算。本專利技術還提供一種非可見激光定標室內(nèi)定位導航系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括固定在室內(nèi)的至少一個激光定標器、固定在待定位裝置上的定位模塊；上述激光定標器發(fā)射近紅外波段的不可見激光圖形；上述定位模塊包括紅外攝像頭、處理單元、無線通訊單元；上述紅外攝像頭實時獲取由激光定標器投射在屋頂或墻壁的不可見激光圖形，上述圖形至少包括兩個已知三維坐標的定位點p1、p2；上述處理單元用于定位或?qū)Ш接嬎悖簧鲜鰺o線通訊單元與外界進行通訊、接收處理單元傳遞的位置信息。當激光定標器數(shù)量大于1時，還包括一個廣播單元，用于廣播該激光定標器的設備ID；上述無線通訊單元接收廣播單元傳遞的設備ID。上述定位模塊還包括陀螺儀和加速度計，用于修正攝像頭所獲取圖像的偏移。上述處理單元為STM32；所述無線通訊模塊為藍牙BLE或WIFI；所述廣播單元為藍牙BLE模塊。本專利技術相對于傳統(tǒng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：1、精度高：精度與SLAM相當。SLAM(simultaneouslocalizationandmapping)，也稱為CML(ConcurrentMappingandLocalization)，即時定位與地圖構建，或并發(fā)建圖與定位。2、成本低：硬件成本僅為SLAM技術的10-20％，基站成本也僅為超寬帶技術的20-30％，并且只需要架設一個就可實現(xiàn)該區(qū)域的定位。超寬帶(Ultra-wideband，簡稱UWB)是一種具備低耗電與高速傳輸?shù)臒o線個人局域網(wǎng)絡通訊技術，適合需要高質(zhì)量服務的無線通信應用，可以用在無線個人局域網(wǎng)絡(WPAN)、家庭網(wǎng)絡連接和短距離雷達等領域。3、抗干擾能力強：與環(huán)境結構無關，其獨特的布設方式很難被遮擋，電磁波對其也無影響。4、便于維護：基站可部署在任何位置，并將定位圖形投射到墻體或天花板上。5、三維坐標定位。附圖說明圖1為本專利技術的光路透視關系圖；其中，參考面為通過激光定標器照出的面，成像面為魚眼像機中實際的成像面，映射面為通過成像面反推的虛擬成像半球上的虛擬映射面；圖2為本專利技術的光路映射圖；圖3為圖2的簡易示例。具體實施方式以下結合附圖所本專利技術做進一步的描述。本專利技術原理：本專利技術基于視覺透視原理，通過計算定位模塊上的攝像頭獲取激光定標器所發(fā)射的圖形的大小及形變反推出定位模塊相對于定位圖形的距離及角度，再由獲取的最近的激光定標器的ID結合導航系統(tǒng)中的定位數(shù)據(jù)，計算出定位點的實際坐標。如圖1所示，本專利技術中，優(yōu)先考慮使用紅外魚眼攝像頭(大于等于180度視角)以實現(xiàn)最大范圍的識別，但不排除在特定環(huán)境使用更小視角的廣角或普通攝像頭。該定位方式無法在有太陽光直射的環(huán)境下使用，故僅限用于室內(nèi)、坑道等具備遮陽光遮擋環(huán)境下的定位導航。計算方法：魚眼攝像頭成像為半球的圓形投影，根據(jù)投影點a，b的位置，可以計算出任意點相對于180度穹隆球的位置，這里取任意已知定位點p1，p2，假設穹隆球半徑為r，則可根據(jù)弧度計算出穹隆球上對應的點的位置px1，px2。由穹隆球上對應的點px1、px2的位置可計算出每個點的俯角和旋轉(zhuǎn)角。再通過已知定位點p1，p2的坐標，結合每個點的俯角和旋轉(zhuǎn)角生成延長線向量，計算延長線向量交叉點坐標，因為實際使用時攝像頭分辨率導致的誤差，在超過2個已知定位點的情況下，通過平均計算多個交叉點坐標提高定位精度。在設備工作中，并不能保證魚眼攝像頭的方向始終固定，因此還需要引入陀螺儀及加速度計對其進行修正，將獲取的姿態(tài)代入之前計算的俯角和旋轉(zhuǎn)角進行旋轉(zhuǎn)計算，以得到正確的數(shù)值，再進行交叉點，即可得到正確的數(shù)值。本專利技術非可見激光定標室內(nèi)定位導航系統(tǒng)包括激光定標器和定位模塊，激光定標器是是一個由電池或外部供電的激光發(fā)射器，通過將工作在近紅外波段的不可見激光，通過濾鏡折射出需要的圖形并投射在環(huán)境物體上，考慮到遮擋關系，一般投射方向為上部。該激光定標器上同時包含一個藍牙BLE模塊，用于廣播該激光定標器的設備ID，區(qū)分不同的激光定標器。定位模塊由紅外魚眼攝像頭、陀螺儀、加速度計、處理單元(如STM32等)、無線通訊模塊(藍牙BLE、WIFI等)組成。紅外魚眼攝像頭負責實時獲取由激光定標器投射在環(huán)境中的影像，陀螺儀和加速度計用于修正攝像頭拍攝到的圖像的偏移，協(xié)助處理單元計算出定位模塊相對于投射影像的相對位置，從而實現(xiàn)定位的功能。導航系統(tǒng)(軟本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
一種非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法，其特征在于：包括以下步驟：1)至少一個激光定標器向屋頂或墻壁發(fā)射參考圖形，所述參考圖形至少包括兩個已知三維坐標的定位點p1、p2；所述激光定標器發(fā)射非可見激光；2)地面上待定位裝置上的攝像頭將所述參考圖形生成成像圖形；3)根據(jù)定位點成像的位置及距離反推攝像頭中心相對于參考圖形中定位點p1、p2的仰角及旋轉(zhuǎn)角；4)根據(jù)攝像頭中心的仰角和俯角結合定位點p1、p2的坐標位置，計算出每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角；5)根據(jù)每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角，計算出攝像頭中心的三維坐標，進而對待定位裝置進行定位或?qū)Ш健?
【技術特征摘要】
1.一種非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法，其特征在于：包括以下步驟：1)至少一個激光定標器向屋頂或墻壁發(fā)射參考圖形，所述參考圖形至少包括兩個已知三維坐標的定位點p1、p2；所述激光定標器發(fā)射非可見激光；2)地面上待定位裝置上的攝像頭將所述參考圖形生成成像圖形；3)根據(jù)定位點成像的位置及距離反推攝像頭中心相對于參考圖形中定位點p1、p2的仰角及旋轉(zhuǎn)角；4)根據(jù)攝像頭中心的仰角和俯角結合定位點p1、p2的坐標位置，計算出每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角；5)根據(jù)每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角，計算出攝像頭中心的三維坐標，進而對待定位裝置進行定位或?qū)Ш健?.根據(jù)權利要求1所述的非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法，其特征在于：步驟4)還包括以下修正步驟：當有多個激光定標器時，待定裝置獲取距離最近的激光定標器的ID或激光定標器的參考圖形的ID信息來進行初步定位。3.根據(jù)權利要求2所述的非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法，其特征在于：步驟4)還包括以下修正步驟：實時獲取運動中的攝像頭的空間姿態(tài)，對攝像頭俯角和旋轉(zhuǎn)角進行修正，進而修正每個定位點相對于攝像頭中心的俯角和旋轉(zhuǎn)角。4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的非可見激光定標室內(nèi)定位導航方法，其特征在于：所述攝像頭為非可見光魚眼攝像頭或非可見光廣角攝像頭；所述步驟3)具體如下：3.1)攝像頭將定位點p1、p2成像為成像圖形中的投影點a、b；3.2)根據(jù)攝像頭的成像穹隆球的半徑r，可以看出投影點a、b在穹隆球上虛擬映射圖形的對應點px1，px2，進而可以計算出p1、p2相對于穹隆球圓心的俯角以及旋轉(zhuǎn)角；3.3)由于p1、p2之間的關系已知，p1、p2相對于穹隆球圓心的俯角以...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：林瑩，王璐，
申請(專利權)人：西安可視可覺網(wǎng)絡科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61
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