非可见激光定标室内定位导航方法及系统与流程

本发明涉及一种室内定位方法及系统，尤其涉及一种VR/AR系统适用的室内定位方法及系统

背景技术：

现有的高精度室内定位系统，采用以下两种定位原理：SLAM技术或超宽带技术。但是其具有如下不足：

1、成本高：SLAM技术所采用的深度摄像机与超宽带技术中采用的基站成本居高不下

3、抗干扰能力弱。SLAM是对环境进行识别，但环境结构发生改变时，SLAM技术无法实现两者匹配，而超宽带技术使用的电磁波也会受到其他设备干扰，造成位置精度飘动

4、不易维护。SLAM技术需要环境保持不变，超宽带技术则需要选择合适的位置架设基站，并且同一区域的基站数量不少于4个。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种非可见激光定标室内定位导航方法及系统，其解决了现有定位系统精度低、成本高、抗干扰能力弱、不易维护的技术问题。

本发明的技术解决方案是提供一种非可见激光定标室内定位导航方法，包括以下步骤：

1)至少一个激光定标器向屋顶或墙壁发射参考图形，所述参考图形至少包括两个已知三维坐标的定位点p1、p2；所述激光定标器发射非可见激光；

2)地面上待定位装置上的摄像头将所述参考图形生成成像图形；

3)根据定位点成像的位置及距离反推摄像头中心相对于参考图形中定位点p1、p2的仰角及旋转角；

4)根据摄像头中心的仰角和俯角结合定位点p1、p2的坐标位置，计算出每个定位点相对于摄像头中心的俯角和旋转角；

5)根据每个定位点相对于摄像头中心的俯角和旋转角，计算出摄像头中心的三维坐标，进而对待定位装置进行定位或导航。

优选的，上述步骤4)还包括以下修正步骤：

当有多个激光定标器时，待定装置获取距离最近的激光定标器的ID或激光定标器的参考图形的ID信息来进行初步定位。

优选的，上述步骤4)还包括以下修正步骤：

实时获取运动中的摄像头的空间姿态(水平和旋转两个属性)，对摄像头俯角和旋转角进行修正，进而修正每个定位点相对于摄像头中心的俯角和旋转角。

上述摄像头为非可见光鱼眼摄像头或非可见光广角摄像头；

上述步骤3)具体如下：

3.1)摄像头将定位点p1、p2成像为成像图形中的投影点a、b；

3.2)根据摄像头的成像穹隆球的半径r，可以看出投影点a、b在穹隆球上虚拟映射图形的对应点px1，px2，进而可以计算出p1、p2相对于穹隆球圆心的俯角以及旋转角；

3.3)由于p1、p2之间的关系已知，p1、p2相对于穹隆球圆心的俯角以及旋转角已知，则可以推算出穹隆球圆心的坐标；

上述步骤4)具体如下：

4.1)根据距离远近，获取最近的激光定标器的ID；或者根据激光定标器的参考图形获取该激光定标器的ID；

4.2)根据激光定标器的ID获取已知定位点p1，p2的三维坐标；

4.3)根据已知定位点p1，p2的三维坐标以及虚拟映射图形对应点px1，px2的三维坐标，生成延长线向量，延长线向量交叉点坐标即为摄像头三维坐标。

当定位点的数量大于2时，将获得的多个摄像头三维坐标进行平均计算。

本发明还提供一种非可见激光定标室内定位导航系统，其特殊之处在于：包括固定在室内的至少一个激光定标器、固定在待定位装置上的定位模块；

上述激光定标器发射近红外波段的不可见激光图形；

上述定位模块包括红外摄像头、处理单元、无线通讯单元；上述红外摄像头实时获取由激光定标器投射在屋顶或墙壁的不可见激光图形，上述图形至少包括两个已知三维坐标的定位点p1、p2；

上述处理单元用于定位或导航计算；

上述无线通讯单元与外界进行通讯、接收处理单元传递的位置信息。

当激光定标器数量大于1时，还包括一个广播单元，用于广播该激光定标器的设备ID；上述无线通讯单元接收广播单元传递的设备ID。

上述定位模块还包括陀螺仪和加速度计，用于修正摄像头所获取图像的偏移。

上述处理单元为STM32；所述无线通讯模块为蓝牙BLE或WIFI；所述广播单元为蓝牙BLE模块。

本发明相对于传统的室内定位系统，具有以下优点：

1、精度高：精度与SLAM相当。SLAM(simultaneous localization and mapping)，也称为CML(Concurrent Mapping and Localization)，即时定位与地图构建，或并发建图与定位。

2、成本低：硬件成本仅为SLAM技术的10-20％，基站成本也仅为超宽带技术的20-30％，并且只需要架设一个就可实现该区域的定位。超宽带(Ultra-wideband，简称UWB)是一种具备低耗电与高速传输的无线个人局域网络通讯技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络(WPAN)、家庭网络连接和短距离雷达等领域。

3、抗干扰能力强：与环境结构无关，其独特的布设方式很难被遮挡，电磁波对其也无影响。

4、便于维护：基站可部署在任何位置，并将定位图形投射到墙体或天花板上。

5、三维坐标定位。

附图说明

图1为本发明的光路透视关系图；其中，参考面为通过激光定标器照出的面，成像面为鱼眼像机中实际的成像面，映射面为通过成像面反推的虚拟成像半球上的虚拟映射面；

图2为本发明的光路映射图；

图3为图2的简易示例。

具体实施方式

以下结合附图所本发明做进一步的描述。

本发明原理：

本发明基于视觉透视原理，通过计算定位模块上的摄像头获取激光定标器所发射的图形的大小及形变反推出定位模块相对于定位图形的距离及角度，再由获取的最近的激光定标器的ID结合导航系统中的定位数据，计算出定位点的实际坐标。

如图1所示，本发明中，优先考虑使用红外鱼眼摄像头(大于等于180度视角)以实现最大范围的识别，但不排除在特定环境使用更小视角的广角或普通摄像头。

该定位方式无法在有太阳光直射的环境下使用，故仅限用于室内、坑道等具备遮阳光遮挡环境下的定位导航。

计算方法：

鱼眼摄像头成像为半球的圆形投影，根据投影点a，b的位置，可以计算出任意点相对于180度穹隆球的位置，这里取任意已知定位点p1，p2，假设穹隆球半径为r，则可根据弧度计算出穹隆球上对应的点的位置px1，px2。

由穹隆球上对应的点px1、px2的位置可计算出每个点的俯角和旋转角。再通过已知定位点p1，p2的坐标，结合每个点的俯角和旋转角生成延长线向量，计算延长线向量交叉点坐标，因为实际使用时摄像头分辨率导致的误差，在超过2个已知定位点的情况下，通过平均计算多个交叉点坐标提高定位精度。

在设备工作中，并不能保证鱼眼摄像头的方向始终固定，因此还需要引入陀螺仪及加速度计对其进行修正，将获取的姿态代入之前计算的俯角和旋转角进行旋转计算，以得到正确的数值，再进行交叉点，即可得到正确的数值。

本发明非可见激光定标室内定位导航系统包括激光定标器和定位模块，激光定标器是是一个由电池或外部供电的激光发射器，通过将工作在近红外波段的不可见激光，通过滤镜折射出需要的图形并投射在环境物体上，考虑到遮挡关系，一般投射方向为上部。该激光定标器上同时包含一个蓝牙BLE模块，用于广播该激光定标器的设备ID，区分不同的激光定标器。定位模块由红外鱼眼摄像头、陀螺仪、加速度计、处理单元(如STM32等)、无线通讯模块(蓝牙BLE、WIFI等)组成。红外鱼眼摄像头负责实时获取由激光定标器投射在环境中的影像，陀螺仪和加速度计用于修正摄像头拍摄到的图像的偏移，协助处理单元计算出定位模块相对于投射影像的相对位置，从而实现定位的功能。导航系统(软件)：通过接收定位模块传递的位置信息(及蓝牙BLE标签)，导航系统将该位置信息与数据库中的区域信息进行比对，计算出周边环境信息，实现整套的导航功能。同时，由于在同一系统下的所有定位模块均在系统中标记出其坐标，因此，每个定位模块相互之间也能够获取对应的坐标信息。