本发明涉及一种免标定的定位方法，同时涉及实现该定位方法的定位系统，属于空间定位技术领域。
背景技术
近年来，定位服务的相关技术和产业正在向室内发展，特别是在vr(虚拟现实)和ar(增强现实)领域，定位技术已经成为vr和ar交互的基础。现有的vr和ar领域的定位技术包括：红外光学定位、可见光定位及激光定位。交互通常是采用手柄或手套等可持装置进行。
对于红外定位方法来说，一般根据vr手柄发射的红外线进行定位；但红外线没有明显的外在特征，在很多用户场景中很难区分出每个用户的vr手柄。
对于可见光定位方法来说，vr手柄发出的单色光束容易受到环境干扰，为定位vr手柄带来困难。
激光定位方法包括多激光定位、激光+超声定位等方法，通常包括定位基站，用于发送激光信号或激光+超声信号等定位信号；接收定位基站发送的定位信号之后，通过极坐标等算法得到所需的位置及方向。
然而，对于激光定位方法，在计算时需要先将定位基站进行标定，将需要确定的位置和方向限定在定位基站设定的坐标系中，以进行位置解算，但是这个标定的过程对于用户来说较繁琐。
现有技术中，仍然需要一种简便易行、且不需用户操作即可完成的标定方法。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种免标定的定位方法。
本发明所要解决的另一技术问题提供一种免标定的定位系统。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种免标定的定位方法，包括如下步骤：
s1，设定定位周期，获取被定位物体在一个定位周期结束时基站坐标系下的第一坐标，并对被定位物体在所述定位周期内进行惯性导航，得到第一惯导结果；
s2，在下一定位周期内，控制被定位物体做移动，得到在下一定位周期结束时基站坐标系下的第二坐标，并对被定位物体在所述下一定位周期内进行惯性导航，得到第二惯导结果，计算基站坐标系下的位移向量和惯导坐标系下的位移向量；
s3，根据基站坐标系下的位移向量和惯导坐标系下的位移向量，计算旋转四元数；
s4，将惯性导航得到的坐标经过旋转四元数，变换到基站坐标系下，并输出变换之后的被定位物体的位置。
其中较优地，所述免标定的定位方法用于开机标定时，在步骤s1中，获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的第一坐标，并对被定位物体进行惯性导航。
其中较优地，所述获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的第一坐标，对被定位物体进行惯性导航，包括如下步骤：
采用定位基站持续获取被定位物体在基站坐标系下的坐标；
设定时间阈值，当时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标均不改变时，判定被定位物体处于静止状态；
获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的第一坐标，并对被定位物体进行惯性导航。
其中较优地，处于静止状态的被定位物体的速度为0，对被定位物体进行惯性导航得到的惯性坐标系下的位移向量为(0,0,0)。
其中较优地，根据基站坐标系下的位移向量和惯导坐标系下的位移向量，计算旋转四元数，包括如下步骤：
求得基站坐标系下的位移向量和惯导坐标系下的位移向量的转换夹角；
根据转换夹角将惯导坐标系下的位移向量转换到基站坐标系下；
根据两个坐标系中向量与坐标的关系求得旋转四元数。
其中较优地，所述根据转换夹角α和两个位移向量求得旋转四元数q，采用如下公式：
其中，xb，yb，xb为基站坐标系下的位移向量pb，xt，yt，zt为惯导坐标系下的位移向量pt；α为基站坐标系下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt的转换夹角。
其中较优地，所述免标定的定位方法，还包括如下步骤：
s5，当持续校准标定数据时，重复上述步骤s1～s4，直至第二时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标和在惯导坐标系下的坐标均不改变时，校准定位结束。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种免标定的定位系统，包括处理器和存储器；所述存储器上存储有可用在所述处理器上运行的计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
设定定位周期，获取被定位物体在一个定位周期结束时基站坐标系下的第一坐标，并对被定位物体在所述定位周期内进行惯性导航，得到第一惯导结果；
在下一定位周期内，控制被定位物体移动，在下一定位周期结束时得到基站坐标系下的第二坐标，并对被定位物体在所述下一定位周期内进行惯性导航，得到第二惯导结果，计算基站坐标系下的位移向量和惯导坐标系下的位移向量；
根据基站坐标系下的位移向量和惯导坐标系下的位移向量，计算旋转四元数；
将惯性导航得到的坐标经过旋转四元数，变换到基站坐标系下，并输出变换之后的被定位物体的位置。
其中较优地，当所述免标定的定位系统用于开机标定时，所述计算机程序被所述处理器执行，还实现如下步骤；
获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的第一坐标，对被定位物体进行惯性导航。
其中较优地，所述计算机程序被所述处理器执行，还实现如下步骤；
采用定位基站持续获取被定位物体在基站坐标系下的坐标；
设定时间阈值，当时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标均不改变时，判定被定位物体处于静止状态；
获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的第一坐标，并对被定位物体进行惯性导航。
本发明所提供的免标定的定位方法，通过获取被定位物体在基站坐标下的位移向量和在惯导坐标系下的位移向量，计算旋转四元数；将惯性导航得到的坐标经过旋转四元数，变换到基站坐标系下，并输出变换之后的被定位物体的位置。该方法在保证定位准确度的基础上，很大程度地降低了标定的复杂程度，提高了用户体验度。此方法不仅适用于开机标定，也适用于在使用过程中持续校准标定数据。
附图说明
图1为本发明所提供的免标定的定位方法的流程图；
图2为本发明所提供的免标定的定位系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
本实施例选择在vr定位领域进行具体说明，可以理解的是，该免标定的定位方法不仅可应用于vr领域，也可应用于ar(增强现实)、mr(混合现实)、无人机等三维空间定位领域。
在vr领域，为了保证虚拟环境下用户的体验度，对操作的连贯性和实时反应能力会有一定的要求，这就要求对各类数据有很强的处理速度以及操作的准确定位，而且需要保证在定位过程中始终处于定位基站设定的坐标系内，本发明所提供的免标定的定位方法，在定位基站和被定位物体(例如vr交互应用的手柄)开机后，不进行标定，用户控制被定位物体做运动，通过被定位物体内的惯性传感器imu进行惯性导航得到惯导坐标系下的位移信息，即一个三维向量。通过基站定位也能得到这个被定位物体做运动过程中相对于基站坐标系的位移信息，即第二个三维向量。如果没有标定，两个向量模长基本一致，但是方向不同，两个向量的夹角就是标定信息。将被定位物体进行两个向量的夹角的补偿即完成了标定。此方法在保证定位准确度的基础上，很大程度地降低了标定的复杂程度，提高了用户体验度。此方法不仅适用于开机标定，也适用于在使用过程中持续校准标定数据。
如图1所示，本发明所提供的免标定的定位方法，包括如下步骤：首先，设定定位周期，获取被定位物体在一个定位周期结束时基站坐标系下的第一坐标b1，并对被定位物体在该定位周期内进行惯性导航，得到第一惯导结果t1；其次，在下一定位周期内，用户控制被定位物体移动，得到在下一定位周期结束时基站坐标系下的第二坐标b2，并对被定位物体在该下一定位周期内进行惯性导航，得到第二惯导结果t2，计算基站坐标系下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt；然后，根据基站坐标系下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt，计算旋转四元数；最后，将惯性导航得到的坐标经过旋转四元数，变换到基站坐标系下，并输出变换之后的被定位物体的位置。下面对这一过程做详细具体的说明。
s1，设定定位周期，获取被定位物体在一个定位周期结束时基站坐标系下的第一坐标b1，并对被定位物体在该定位周期内进行惯性导航，得到第一惯导结果t1。
根据实际使用的需求设定定位周期，在一个定位周期内进行一次定位校准。在vr环境下，获取被定位物体在一个定位周期结束时基站坐标系下的坐标b1，并对被定位物体在该定位周期内进行惯性导航。惯性导航是通过测量被定位物体的加速度，并自动进行积分运算，获得被定为物体瞬时速度和瞬时位置数据的技术。本发明所提供的免标定的定位方法，不仅适用于开机标定，也适用于在使用过程中持续校准标定数据。当用于开机标定时，在vr环境下，获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的坐标b1，并将速度设置为0，对被定位物体进行惯性导航。在确定0速度时刻时，不需要标定，当连续的基站坐标系下的坐标b保持不变即为0速度时刻，也即静止状态，记录此时的b坐标b1，并将速度设置为0，进行惯导。其中，具体包括如下步骤：
采用定位基站持续获取被定位物体在基站坐标系下的坐标；
设定时间阈值，当时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标均不改变时，判定被定位物体处于静止状态；
获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的第一坐标，并对被定位物体进行惯性导航。
此时，被定位物体的速度为0，对被定位物体进行惯性导航得到的位移向量为(0,0,0)。
s2，在下一定位周期内，控制被定位物体移动，得到在下一定位周期结束时基站坐标系下的第二坐标b2，并对被定位物体在该定位周期内进行惯性导航，得到第二惯导结果t2，计算基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt。
在下一定位周期内，用户控制被定位物体移动，得到在下一定位周期结束时基站坐标系下的第二坐标b2，并对被定位物体在该定位周期内进行惯性导航，得到第二惯导结果t2。
计算基站坐标下的位移向量pb采用b2-b1得到。基站坐标下的位移向量记为pb(xb，yb，xb)。
计算惯导坐标系下的位移向量pt采用t2-t1得到。惯导坐标系下的位移向量pt记为pt(xt，yt，zt)。
当用于开机标定时，由于上一周期设定惯导速度为0，故此次通过imu得到的惯导结果t2即为惯导坐标系下的位移向量pt(xt，yt，zt)。
s3，根据基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt，计算旋转四元数。
根据基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt，计算旋转四元数，具体包括如下步骤：
首先，求得基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt的转换夹角α；
求得基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt的转换夹角α，采用如下公式：
然后，根据转换夹角α和两个位移向量求得旋转四元数q，公式如下：
其中，xb，yb，xb为基站坐标下的位移向量pb，xt，yt，zt为惯导坐标系下的位移向量pt；α为基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt的转换夹角。
在本发明所提供的实施例中，由向量夹角和两个向量可得基站坐标系和惯导坐标系的旋转四元数。旋转四元数描述了从惯导坐标系到基站坐标系的旋转过程。旋转四元数即为标定信息。
s4，将惯性导航得到的坐标经过旋转四元数，变换到基站坐标系下，并输出变换之后的被定位物体的位置。
得到标定信息后，每次由惯导得到的坐标经过旋转四元数，变换到基站坐标系下(惯导坐标点转换成四元数格式与标定四元数做乘法)，进行惯导变换以及输出位置。以此，惯导坐标系与基站坐标系统一，不需要手动标定并且可以在使用过程中不断重复使用以降低测量误差。该方法可以在保证定位准确度的基础上，很大程度地降低了标定的复杂程度，提高了用户体验度。
s5，当持续校准标定数据时，重复上述步骤s1～s4，直至第二时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标和在惯导坐标系下的坐标均不改变时，校准定位结束。
当持续校准标定数据时，设定第二时间阈值，在第二时间阈值内，如果被定位物体在基站坐标系下的坐标和在惯导坐标系下的坐标均不改变时，则判定被定位物体处于静止状态，结束校准定位。
当持续校准标定数据时，重复上述步骤s1～s4，可以持续将惯性导航得到的坐标经过旋转矩阵，变换到基站坐标系下，进行惯导变换，并输出变换之后的被定位物体的位置。直至第二时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标和在惯导坐标系下的坐标均不改变时，被定位物体处于静止状态，校准定位结束。
综上所述，本发明所提供的免标定的定位方法，在定位基站和被定位物体开机后，不进行标定，被定位物体运动，通过对被定位物体进行惯性导航得到惯导坐标系下的位移信息，通过基站定位得到被定位物体做运动过程中基站坐标系的位移信息，计算得到的两个向量的夹角就是标定信息。将被定位物体进行两个向量的夹角的补偿即完成了标定。此方法在保证定位准确度的基础上，很大程度地降低了标定的复杂程度，提高了用户体验度。此方法不仅适用于开机标定，也适用于在使用过程中持续校准标定数据。
在本发明所提供的实施例中，被定位物体可以是手柄，也可以是头显和定位器以及无人机等。当是被定位物体为手柄、头显时，可以将获取的定位球的球心坐标作为被定位物体的坐标。也可以将根据定位球的球心坐标获取其他点的坐标作为被定位物体的坐标。
本发明还提供了一种免标定的定位系统。如图2所示，该系统包括处理器22以及存储有处理器22可执行指令的存储器21；
其中，处理器22可以是通用处理器，例如中央处理器(cpu)，还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
其中，存储器21，用于存储程序代码，并将该程序代码传输给cpu。存储器21可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(ram)；存储器21也可以包括非易失性存储器，例如只读存储器、快闪存储器、硬盘或固态硬盘；存储器21还可以包括上述种类的存储器的组合。
具体地，本发明实施例所提供的一种免标定的定位系统，包括处理器22和存储器21；存储器21上存储有可用在处理器22上运行的计算机程序，当计算机程序被处理器22执行时实现如下步骤：
设定定位周期，获取被定位物体在一个定位周期结束时基站坐标系下的第一坐标b1，并对被定位物体在该定位周期内进行惯性导航，得到第一惯导结果t1；
在下一定位周期内，控制被定位物体移动，得到在下一定位周期结束时基站坐标系下的第二坐标b2，并对被定位物体在该定位周期内进行惯性导航，得到第二惯导结果t2，计算基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt；
根据基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt，计算旋转四元数；
将惯性导航得到的坐标经过旋转四元数，变换到基站坐标系下，并输出变换之后的被定位物体的位置。
其中，当用于开机标定时，计算机程序被处理器22执行实现如下步骤；
获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的坐标b1，对被定位物体进行惯性导航。
其中，当计算机程序被处理器22执行时实现如下步骤；
采用定位基站持续获取被定位物体在基站坐标系下的坐标；
设定时间阈值，当时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标均不改变时，判定被定位物体处于静止状态；
获取被定位物体处于静止状态时基站坐标系下的第一坐标，并对被定位物体进行惯性导航。
此时，被定位物体的速度为0，对被定位物体进行惯性导航得到的位移向量为(0,0,0)。
其中，根据基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt，计算旋转四元数，当计算机程序被处理器22执行时实现如下步骤；
求得基站坐标下的位移向量pb和惯导坐标系下的位移向量pt的转换夹角α；
根据转换夹角α和两个位移向量得到旋转四元数q。
其中，当持续校准标定数据时，计算机程序被处理器22执行实现如下步骤；
重复上述定位步骤，直至时间阈值内被定位物体在基站坐标系下的坐标和在惯导坐标系下的坐标均不改变时，校准定位结束。
上面对本发明所提供的免标定的定位方法及系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。