用于确定运动物体的位置的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于确定运动物体相对于由一组几何表面建模的环境的相对位置的方法，所述一组几何表面根据环境中的参照系形成3D模型，该方法包括：在至少一个方向上测量从物体到环境的多个距离以便获得运动物体的参照系中的一组限定的点的步骤(10)，评估所述一组点与环境的3D模型之间的差异的步骤，以及从所述差异确定运动物体在环境的参照系中的相对位置的步骤(20)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定运动物体的位置的方法和系统
本专利技术涉及一种用于确定运动物体相对于环境的相对位置的方法和系统。特别地，本专利技术涉及一种用于确定无人机(航空的，例如是多旋翼或直升机类型的)或表面检查机器人在已知环境中的位置的方法和系统，该已知环境例如是包含其表面要被检查的物体的飞机库。
技术介绍
运动物体，诸如在空间中自主运动的无人机或机器人，需要不断地知道其中它们四处运动的环境中的位置。如果它们在开放环境(室外)中运动，则运动物体通常是使用地理位置而定位的，例如通过全球定位系统(GPS)，这使得可以实现高精度。然而，全球定位系统的主要缺点是它们不能在室内工作。因此，已经寻求解决方案以允许在室内对运动物体进行定位。例如，提出的一种解决方案是从运动物体的已知位置开始并通过测量物体从该已知位置做出的运动来确定物体的位置。然而，该解决方案不能检查随着时间运动中的错误或任何精度不足，而这些随着时间累积并因此造成不能校正的不正确的位置。更进一步地，该解决方案使用惯性参考系统，尽管其具有良好的精度水平使得可以最小化这些误差，但惯性参考系统是昂贵且笨重(常常超过1kg)，这与在空中无人机中的使用不兼容。替代地，已经提出使用预先放置在环境中的信标系统，信标是诸如无线电收发器。通过为运动物体配备收发器，因此可以通过涉及相对于其它信标的三角测量的技术来估计其位置。然而，这种解决方案是昂贵的并且需要花费长时间来实现，因为需要布置信标并且需要确定它们的精确位置(通过校准)。已经寻求一种解决方案以允许克服这些缺点中的至少一些的室内定位。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服已知定位方法和系统的至少一些缺点。特别地，本专利技术的目的是在本专利技术的至少一个实施例中提供一种定位方法，该定位方法使得可以定位室内环境中的运动物体。在至少一个实施例中，本专利技术的目的还在于提供一种可以在低功率处理器上执行的快速定位方法。在至少一个实施例中，本专利技术的目的还在于提供一种精确定位方法。在至少一个实施例中，本专利技术的目的还在于提供一种定位方法，该定位方法不需要对其中物体运动的环境进行任何修改。在至少一个实施例中，本专利技术的目的还在于提供一种可以装载在运动物体上的定位系统。为此，本专利技术涉及一种用于确定运动物体相对于由一组几何表面建模的环境的相对位置的方法，所述一组几何表面根据环境中的参照系形成3D模型，该方法包括：-在至少一个方向上测量从物体到环境的多个距离，以便获得运动物体的参照系中的一组限定的点的步骤，-评估所述一组点的与环境的3D模型之间的差异的步骤，-从所述差异确定运动物体在环境的参照系中的相对位置的步骤。因此，根据本专利技术的方法允许在完全或部分已知的环境中对运动物体进行定位，而不需要定位信标。“环境”应被理解为意指运动物体在其中运动的体积连同构成所述体积的元素，例如包含其表面需要检查其的飞机的机库。当对具有大尺寸的元素执行表面检查时，所检查的元素是已知的并且可以通过计算机辅助设计(CAD)软件进行3D建模或者已经被建模以用于其它应用。该方法始终使用物体距环境的距离的测量，并使得可以确定其相对于环境的相对位置。例如，为了检查目的在飞行器周围飞行的无人机将始终知道它的位置，并且如果飞行器表面上存在缺陷，则能够确定该缺陷相对于其自身位置的位置，并且因此将其定位在飞行器上。因此，就用于执行的资源而言，实施的方法是快速且具有成本效益的；它可以容易地集成在运动物体上，并且使用消耗很少能量且允许实时处理的机载处理器。该方法的一部分，特别是仅需要执行一次并且与运动物体的位置或测量的距离无关的步骤(例如，与3D建模关联的预处理步骤)可以在运动物体外部执行，这些步骤的结果被提供给机载处理器，以便提高由其处理的步骤的执行速度。该方法的执行的速度还允许它被更频繁地执行，并且从而确保快速地追踪运动物体的位置，并且因此所述物体可以更快地运动。虽然由于缺乏地理位置该方法在室内特别地有利，但是它也可以在室外使用，用于在已知环境中需要改善的精度的应用，例如对室外飞行器、风力涡轮机的表面或干船坞中的船舶的检查。有利地并且根据本专利技术，3D模型是3D多边形网格，并且几何表面是多边形。使用3D多边形网格对3D环境进行建模允许简单建模并且更快速地处理该方法的不同步骤。另外，任何涉及更复杂的几何表面的3D模型可以根据本领域技术人员公知的技术通过3D多边形网格来近似。有利地并且根据本专利技术，测量多个距离的步骤由至少一个激光扫描仪(也称为激光测距仪)执行。有利地并且根据本专利技术的该前一方面，测量多个距离的步骤由被配置为在正割平面中进行扫描的至少两个激光扫描仪执行。优选地，每个附加的激光扫描仪被配置为在与其它激光扫描仪的扫描平面正割的平面中执行扫描。有利地并且根据本专利技术，评估所述一组点与环境的3D模型之间的差异的步骤包括：-从位置的估计并且从运动物体的姿态，将运动物体的参考系中的所述一组点转换为环境的参照系中的点云的步骤，-针对所述点云中的每个点，计算所述点与环境的3D模型的表面之间的范数(norm)的步骤。运动物体的姿态对应于物体在空间中的定向，由欧拉角θ，φ和ψ表示，这是本领域技术人员已知的。有利地，在针对所述点云中的每个点，计算所述点与环境的3D模型的表面之间的范数的步骤之前，根据本专利技术的方法包括：-将环境分解为叠加的立方体，以使得环境中的每个点包含在多个立方体内的步骤，-针对每个立方体，确定与立方体具有非零交叉的环境的3D模型的表面的步骤，并且针对所述点云中的每个点计算所述点与环境的3D模型的表面之间的范数的步骤包括：-选择各立方体中被称为居中的立方体的一个立方体的步骤，点云中的该点位于该居中的立方体中，并且在居中的立方体中点云中的该点距离居中的立方体的每个面最远，-取回与居中的立方体具有交叉的被称为近表面的表面的列表的步骤，-计算该点与每个近表面之间的范数的步骤，-从近表面中确定与该点最接近的表面的步骤，所述最近的表面是所述表面与该点之间的其范数最低的表面，所述范数被认为是该点与环境的3D模型之间的范数。有利地，将环境分解成叠加的立方体的步骤以及针对每个立方体确定与立方体具有非零交叉的环境的3D模型的表面的步骤可以被预先执行，并且这些步骤的结果可以保存在运动物体的存储器中，以允许更快速的处理。实际上，这些步骤并未与物体的位置或与所取得的距离测量关联。根据本专利技术的这个方面，将环境分解成立方体并计算每个点与近表面之间的范数允许在资源方面快速且有成本效益地计算每个点与环境的3D模型之间的范数，因为仅执行了与近表面的范数的计算，而不是与所有表面的范数的计算。点云距3D模型的距离是从点云中的每个点到3D模型的所有范数，特别是到最接近该点的3D模型的表面的所有范数。有利地并且根据本专利技术，点的范数大于预定的阈值的被称为孤立点的点是从点云中提取的，并且该方法包括检查障碍物的步骤，其中近孤立点被组合在一起以形成代表障碍物的体积，并记录所述体积。根据本专利技术的该方面，该方法使得可以隔离对应于未包括在环境的3D模型中的障碍物的点，处理所述点并且在定位运动物体时将它们考虑在内，以便防止运动物体与所述障碍物接触。表示障碍物的体积被记录，并且可以在导航中被考虑并且可以在运动物体四处运动时被追踪。有利地，根据本专利技术的方法包括从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定运动物体相对于由一组几何表面建模的环境的相对位置的方法，所述一组几何表面根据环境中的参照系形成3D模型，所述方法包括：‑在至少一个方向上测量从物体到环境的多个距离，以便获得运动物体的参照系中的一组限定的点的步骤(10)，‑评估所述一组点与环境的3D模型之间的差异的步骤，‑从所述差异确定运动物体在环境的参照系中的相对位置的步骤(20)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.14 FR 16503031.一种用于确定运动物体相对于由一组几何表面建模的环境的相对位置的方法，所述一组几何表面根据环境中的参照系形成3D模型，所述方法包括：-在至少一个方向上测量从物体到环境的多个距离，以便获得运动物体的参照系中的一组限定的点的步骤(10)，-评估所述一组点与环境的3D模型之间的差异的步骤，-从所述差异确定运动物体在环境的参照系中的相对位置的步骤(20)。2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，3D模型是3D多边形网格，并且几何表面是多边形。3.根据权利要求1或2所述的确定方法，其特征在于，测量多个距离的步骤(10)由至少一个激光扫描仪执行。4.根据权利要求3所述的确定方法，其特征在于，测量多个距离的步骤(10)由被配置为在正割平面中进行扫描的至少两个激光扫描仪执行。5.根据权利要求1至4中任一项所述的确定方法，其特征在于，评估所述一组点与环境的3D模型之间的差异的步骤包括：-从位置的估计并且从运动物体的姿态，将运动物体的参照系中的所述一组点转换为环境的参照系中的点云的步骤(16)，-针对所述点云中的每个点，计算所述点与环境的3D模型的表面之间的范数的步骤(18)。6.根据权利要求5所述的确定方法，其特征在于，在针对所述点云中的每个点计算所述点与环境的3D模型的表面之间的范数的步骤(18)之前，所述确定方法包括：-将环境分解为叠加的立方体，以使得环境中的每个点包含在多个立方体内的步骤，-针对每个立方体，确定与立方体具有非零交叉的环境的3D模型的表面的步骤，并且针对所述点云中的每个点计算所述点与环境的3D模型的表面之间的范数的步骤(18)包括：-选择各立方体中被称为居中的立方体的一个立方体的步骤，点云中的点位于居中的立方体中，并且在居中的立方体中点云中的该点距离居中的立方体的每个面最远，-取回与居中的立方体具有交叉的被称为近表面的表面的列表的步骤，-计算该点与每个近表面之间的范数的步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥尔本·德怀阿佩平，
申请(专利权)人：多耐科勒公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR