一种光惯融合定位方法、设备及系统与流程

本发明涉及空间定位领域，具体是一种光惯融合定位方法、设备及系统

背景技术

本发明专利提到的空间定位技术是指室内空间定位技术。室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯性定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置跟踪。虚拟现实技术是指电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般。近年来，虚拟现实技术蓬勃发展，已经在各个领域产生了巨大的影响，如：教育、房地产、购物、电商、娱乐等。室内定位技术作为虚拟现实的一种交互方式，使用户可以获得完全的沉浸感。目前vr行业应用的空间定位技术有惯性定位技术、激光定位技术uwb定位技术和光学定位技术等。

惯性定位技术采用三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的惯性测量单元(imu，inertialmeasurementunit)来测量传感器的运动参数。而由imu所测得的传感器运动参数有严重噪声干扰，且存在明显的零偏和漂移，使得惯性式动作捕捉系统无法长时间地对人体姿态进行精确的跟踪。

光学定位技术是利用摄像机拍摄目标物体，根据得到的目标图像及摄像机自身的位置信息推算出目标物体的位姿信息。遮挡问题一直是光学定位系统最常见的工作失效原因之一。光学定位系统需要至少两个摄像头同时拍到同一标记点方可实现该标记点的定位，而当红外光线被用户或物体遮挡时，空间点三维重构就会由于缺少必要的二维图像中的特征点间对应信息，导致定位跟踪失败。然而每一标识点在定位空间任意位置任一时刻必须有两个以上的摄像头覆盖是非常高的要求，特别是在多人vr交互场景下，遮挡会频繁发生，造成运动估计不连续的现象。此外，光学定位技术存在帧率较低的问题。

因此，如何在大空间运动场景下，以高帧率对定位空间的标识点进行平滑而精确的位姿跟踪是急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明目的就在于为解决上述问题而提供一种光惯融合定位方法、设备及系统，从而实现超高精度，超低延时，超强鲁棒性，低成本，超高沉浸感的大空间虚拟现实空间定位。

根据本发明的一个方面，提供了一种光惯融合定位方法，通过该种光惯融合定位方法实现上述目的：

一种主动光学定位方法，具体包括：基于定位空间中的多台相机以及目标物绑定的光惯融合组件中的惯性传感器分别获取目标物的光学数据和惯性数据，通过光惯融合算法，解算出目标物的实时位姿信息。具体地，所述定位空间内设有至少两台相机，不同的相机在所述定位空间内的位置不同，不断获取定位空间中的光学数据并上传至服务器。服务器对光学数据进行初步解算，并将解算结果传至计算单元。与此同时，所述光惯融合组件中的惯性传感器可以不断获取光惯融合组件的惯性数据并上传至计算单元。系统基于无线传输方式实现光惯融合组件的同步，基于有线传输方式实现相机的同步。在所述同步机制下，计算单元基于某种卡尔曼滤波器(例如扩展卡尔曼滤波器(ukf)，无迹卡尔曼滤波器(ekf)、平方根容积卡尔曼滤波(sckf))对所述光学数据和惯性数据进行融合，解算出目标物在当前时刻的位姿信息。

具体而言：

s11：所述定位空间内设有至少两台相机，不同的相机在所述定位空间内的位置不同，不断获取定位空间中的光学数据并通过有线的传输方式上传至服务器进行初步解算，并将解算结果传至计算单元。

s12：与此同时所述光惯融合组件中的惯性传感器可以不断获取光惯融合组件的惯性数据并通过有线或者无线的传输方式上传至计算单元。

s13：系统基于无线以及有线的传输方式实现同步机制。

s14：在所述同步机制下，计算单元对光学数据和惯性数据进行处理，并基于某种卡尔曼滤波器进行融合，解算出目标物在当前时刻的位姿信息。

s15：再通过平滑滤波处理，输出平滑的目标物轨迹信息。

根据本发明的另一方面，提供了一种光惯融合定位设备，包括多台相机、服务器、光惯融合组件、系统同步组件、计算单元。所述多台相机布设于所述定位空间的不同位置，可视范围覆盖整个所述定位空间，多台相机同时曝光，获取定位空间的光学数据并上传至服务器进行初步解算，并将解算结果传至计算单元。

所述光惯融合组件主要包括标识点、惯性传感器、无线通信模块及控制单元。光惯融合组件表面布设有不少于3个标识点，所述标识点主动发射特定波段的红外光，或者所述标识点被动反射特别波段的红外光。所述多个标识点之间呈刚性连接。光惯融合组件内置有无线通信模块及usb有线通信模块，用于实现所述光惯融合组件与计算单元之间的通信。光惯融合组件既可以通过有线通信模块与计算单元之间传输所述惯性传感器数据，也可以通过usb有线通信模块与计算单元之间传输数据。光惯融合组件通过无线通信模块与系统同步模块通信，实现系统同步机制。系统同步组件可以独立于相机、光惯融合组件等系统其他设备，也可以内置于系统的其他设备中，例如内置于所述某台相机中。系统同步组件通过无线以及有线通信的方式分别持续向光惯融合组件以及相机发射同步信号，保证相机与光惯融合组件的时钟同步，以保证系统光学数据、惯性数据的同步。

根据本发明的另一方面，还提供了一种光惯融合定位系统，用于对定位空间中的目标物进行定位，该定位系统包括：定位空间内布设至少两台相机，不同的相机在所述定位空间内的位置不同，不断获取定位空间中的光学数据并通过有线的传输方式上传至服务器。服务器对光学数据进行初步解算，并将解算结果传至计算单元。所述光惯融合组件中的惯性传感器可以不断获取光惯融合组件的惯性数据并通过有线或者无线的传输方式上传至计算单元。系统基于无线以及有线的传输方式实现同步机制。在所述同步机制下，计算单元对光学数据和惯性数据进行处理，并基于某种卡尔曼滤波器进行融合，解算出目标物在当前时刻的位姿信息。再通过平滑滤波处理，输出平滑的目标物轨迹信息；以及根据权利要求2所述的主动光学定位设备。

综上，本发明的有益效果在于：本系统采用光惯融合定位技术，既可以避免单纯的光学定位方案中的遮挡问题，又可以避免惯性定位无法长时间精准定位的问题，提高了定位鲁棒性；另一方面系统不完全依赖于光学定位，相比于单纯的光学定位技术，单位面积需要安装的相机数量要求降低，从而降低系统成本；系统可以同时兼容主动光学定位和被动光学定位两种定位方式，可以根据实际定位环境的需要选择合适的定位方式。本发明具有定位精准度高、延时小、鲁棒性强、成本低等优势。

附图说明

图1是本发明所述一种光惯融合定位方案的实现流程；

图2是本发明所述一种光惯融合定位光惯融合组件示意图；

图3是本发明所述一种光惯融合定位系统场景示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的内容作进一步说明。

如图3所示，本发明所述的一种光惯融合定位系统示意图。在定位空间中布设多台相机，分别布设于定位空间的不同位置，保证相机的照射范围可以覆盖整个定位空间。定位空间中的系统同步组件通过无线的方式向光惯融合组件发射同步信号，通过有线的方式向相机发射同步信号，以保证系统同步。

如图1所示，本发明所述的一种光惯融合定位系统运行流程，其特征在于：系统开始工作，系统同步组件发送同步信号，控制光惯融合组件及相机同步工作。所有相机同时曝光，获取定位空间中的光学信息。相机内部的计算单元对获取的原始图像信息进行预处理成为空间中2d点坐标信息，并通过有线的方式上传至上位机(即服务器)，上位机对光学数据进行初步解算，并通过无线的传输方式传至计算单元。与此同时，光惯融合组件中的惯性传感器不断获取惯性原始数据，并通过无线的方式上传至计算单元。计算单元对光学数据和惯性数据进行预处理，再基于某种卡尔曼滤波算法进行融合解算，获取目标物最终的实时位姿信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。