面向室内三维空间的定位校正方法、定位方法及其设备技术

本发明专利技术公开了一种面向室内三维空间的定位校正方法，同时也公开了采用该定位校正方法的三维空间定位方法及三维空间定位设备。在该定位校正方法中，首先创建一个在室内三维空间中独立使用的三维正交坐标系；然后将三维正交坐标系与三维空间定位设备已经建立的真实坐标系进行比较，得到三维空间定位设备的真实坐标系与三维正交坐标系之间的偏差；最后基于该偏差，对三维空间定位设备的定位计算进行校正。利用本发明专利技术，可以使三维空间定位设备实现精确定位。

Positioning correction method, positioning method and equipment for indoor three-dimensional space

The invention discloses a positioning correction method for indoor three-dimensional space, and also discloses a three-dimensional spatial positioning method and a three-dimensional spatial positioning device adopting the positioning correction method. In this method, firstly, a three-dimensional orthogonal coordinate system is created, which is used independently in the indoor three-dimensional space; secondly, the deviation between the real coordinate system and the three-dimensional orthogonal coordinate system is obtained by comparing the three-dimensional orthogonal coordinate system with the real coordinate system already established by the three-dimensional space positioning equipment; finally, based on the deviation, the three-dimensional space positioning is carried out. The location calculation of the equipment is corrected. By using the present invention, the three-dimensional space positioning equipment can be accurately positioned.

【技术实现步骤摘要】
面向室内三维空间的定位校正方法、定位方法及其设备
本专利技术涉及一种面向室内三维空间的定位校正方法，同时也涉及采用该定位校正方法的三维空间定位方法及三维空间定位设备，属于无线定位

技术介绍
无线定位技术根据定位方式的不同，可以分为基于测距和无需测距两种方法。基于测距的方法主要是通过测量节点之间的距离或者角度，使用三边测量法、三角测量法或最大似然法等定位算法来估算未知节点的位置；无需测距的方法主要利用空间几何关系或者网络多跳路由来完成定位，例如质心算法、凸规划算法等。针对室内环境中进行三维空间定位的需求，现有技术提供了一种利用两个激光平面及超声波信号进行三维空间定位的方法。如图1所示，该方法将定位基站内带动两个激光平面旋转的电机所在的旋转轴定义为两个坐标轴(X、Y)，两个坐标轴的交点位置为原点，同时也是超声波发射器所在的位置。超声波发射器以垂直于两个坐标轴所在平面发射超声波信号，假设超声波发射的方向为Z轴，则可建立一个三维空间坐标系。在三维空间坐标系中的待定位设备接收激光信号和超声信号，即可以在理论上得到待定位设备的精确位置。但是，上述方法的缺陷在于：由于三维空间坐标系是根据电机的旋转轴建立的。如果电机安装偏差，不是相互完全垂直，则由电机旋转轴建立的坐标轴(X、Y)不是完全正交，利用这样的坐标系得到的待定位设备的坐标值就会存在误差。吴军等人在论文《采用红外扫描激光与超声技术的室内空间定位》(刊载于《光学精密工程》2016年第24卷第10期)中，也提出了一种基于激光测距原理的室内空间定位方法。该方法通过单台测量定位基站向被测空间内发射旋转扫描红外激光信号以及超声脉冲信号，采用旋转扫描红外激光形成多平面约束，结合采用高精度超声测距形成距离约束。然后，将多平面约束与距离约束相耦合，得到测量靶标的非线性约束方程组，最后利用非线性最优化算法解算得到测量靶标的精确空间坐标。但是，该室内空间定位方法也没有考虑消除电机安装偏差的不利影响。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术所要解决的首要技术问题在于提供一种面向室内三维空间的定位校正方法。本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述定位校正方法的三维空间定位方法。本专利技术所要解决的又一技术问题在于提供一种采用上述定位校正方法的三维空间定位设备。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述的技术方案：根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种面向室内三维空间的定位校正方法，包括如下步骤：创建一个在室内三维空间中独立使用的三维正交坐标系；将所述三维正交坐标系与三维空间定位设备已经建立的真实坐标系进行比较，得到三维空间定位设备的真实坐标系与所述三维正交坐标系之间的偏差；基于所述偏差，对所述三维空间定位设备的真实坐标系进行校正。其中较优地，所述三维正交坐标系以放置为竖直状态的平面标定板为基准创建而成，所述竖直状态由水平仪或者惯性测量单元予以确定。其中较优地，所述平面标定板上包括多个数据点，每个数据点分别包括一个光电管和一个超声波接收器；所述三维空间定位设备中包括定位基站，所述定位基站中的两个激光发射源发射激光束分别照射到光学透镜上，形成两个垂直的激光平面；电机转动带动所述激光平面进行匀速旋转运动，在三维空间内形成不断旋转的激光平面；所述定位基站还包括超声波测距模块。其中较优地，所述定位基站从多个视角对所述平面标定板进行投影成像，获取所述定位基站相对于所述平面标定板的姿态矩阵；解算包括姿态参数的方程组，得到所述真实坐标系与所述三维正交坐标系之间的偏差。其中较优地，所述姿态参数包括内参和外参；所述内参由安装误差导致，包括两个激光面之间的夹角、两个激光面与参考零度平面所对应的绝对转角和超声波测距模块的安装误差；所述外参为真实坐标系相对大地坐标系之间的位姿。根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种三维空间定位方法。该方法在定位过程中，采用上述的定位校正方法对三维空间定位设备的定位计算进行校正。根据本专利技术实施例的第三方面，提供一种三维空间定位设备，包括定位基站和待定位设备，所述定位基站的内部包括两个相互垂直的电机、两个激光发射源和至少一个超声波测距模块，所述待定位设备包括感光模块和超声波接收器，其中：所述定位基站采用上述的定位校正方法得到经过校正的真实坐标系，所述待定位设备根据经过校正的真实坐标系进行定位计算。根据本专利技术实施例的第四方面，提供一种三维空间定位矫正设备，包括定位基站，所述定位基站的内部包括两个相互垂直的电机、两个激光发射源和至少一个超声波测距模块，其中：所述三维空间定位矫正设备中还包括平面标定板和能够测量所述平面标定板本身姿态的装置；所述平面标定板放置为竖直状态，作为基准创建三维正交坐标系；将所述三维正交坐标系与所述三维空间定位设备已经建立的真实坐标系进行比较，得到三维空间定位设备的真实坐标系与所述三维正交坐标系之间的偏差；基于所述偏差，对所述定位基站的真实坐标系进行校正。其中较优地，所述平面标定板上包括多个数据点，每个数据点分别包括一个光电管和一个超声接收器；当所述平面标定板全部位于所述定位基站的信号区域内时，所述数据点感知定位基站的两束旋转激光面的光信号和超声信号，并标记当前的位置。其中较优地，所述能够测量所述平面标定板本身姿态的装置为水平仪或者惯性测量单元。与现有技术相比较，本专利技术创造性地利用水平仪和平面标定板创建一个在室内三维空间中能够独立使用的三维正交坐标系，然后将平面标定板在各个方位放置，依次收集多个数据点的在真实坐标系内的位置坐标，通过每一次位置坐标的收集过程获取定位基站相对平面标定板的姿态矩阵，得到定位基站的真实坐标系和理想的正交坐标系之间的偏差，由此矫正定位基站中电机的安装偏差，使三维空间定位设备实现精确定位。附图说明图1为现有技术中，利用两个激光平面及超声波信号进行三维空间定位的示意图；图2为定位基站的真实三维坐标系示意图；图3为经校正后的非正交坐标系示意图；图4为外参模型的示意图；图5为平面标定板的结构示例图；图6为本专利技术所提供的三维空间定位矫正设备的结构示意图；图7为惯性测量单元相对于定位基站的姿态示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案展开详细具体的说明。在本专利技术的一个实施例中，所提供的三维空间定位设备包括定位基站和待定位设备两部分，主要用作VR/AR(虚拟现实/增强现实)或者无人机组件。其中，定位基站的内部除了常规的运算模块之外，至少还包括两个相互垂直、不断旋转的电机、激光发射源(优选为面发射型)和至少一个超声波测距模块。待定位设备优选为手柄或者头盔，其内部包括感光模块(例如光电管)、通信模块和超声波接收器等。待定位设备通过通信模块不断与定位基站交换信息，并解算感光模块(例如光电管)和超声波接收器上各个传感器传输的数据，提供实际应用中所需的精确定位服务。在图1所示的三维空间定位模型中，横向电机和纵向电机分别绕着转轴O1O2和O3O4做角匀速旋转运动。两个激光发射源发射的激光束分别照射光学透镜(例如一字透镜)表面，形成两个垂直的激光平面；电机转动带动光学透镜一起做匀速旋转运动，在三维空间内形成不断旋转的激光平面；超声波测距模块和超声波接收器为定位提供距离约束信息。定位基站与待定位设备在运行过程中，不断通过通信模块进行时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向室内三维空间的定位校正方法，其特征在于包括如下步骤：创建一个在室内三维空间中独立使用的三维正交坐标系；将所述三维正交坐标系与三维空间定位设备已经建立的真实坐标系进行比较，得到三维空间定位设备的真实坐标系与所述三维正交坐标系之间的偏差；基于所述偏差，对所述三维空间定位设备的真实坐标系进行校正。

【技术特征摘要】
1.一种面向室内三维空间的定位校正方法，其特征在于包括如下步骤：创建一个在室内三维空间中独立使用的三维正交坐标系；将所述三维正交坐标系与三维空间定位设备已经建立的真实坐标系进行比较，得到三维空间定位设备的真实坐标系与所述三维正交坐标系之间的偏差；基于所述偏差，对所述三维空间定位设备的真实坐标系进行校正。2.如权利要求1所述的定位校正方法，其特征在于：所述三维正交坐标系以放置为竖直状态的平面标定板为基准创建而成，所述竖直状态由水平仪或者惯性测量单元予以确定。3.如权利要求2所述的定位校正方法，其特征在于：所述平面标定板上包括多个数据点，每个数据点分别包括一个光电管和一个超声波接收器；所述三维空间定位设备中包括定位基站，所述定位基站中的两个激光发射源发射激光束分别照射到光学透镜上，形成两个垂直的激光平面；电机转动带动所述激光平面进行匀速旋转运动，在三维空间内形成不断旋转的激光平面；所述定位基站还包括超声波测距模块。4.如权利要求3所述的定位校正方法，其特征在于：所述定位基站从多个视角对所述平面标定板进行投影成像，获取所述定位基站相对于所述平面标定板的姿态矩阵；解算包括姿态参数的方程组，得到所述真实坐标系与所述三维正交坐标系之间的偏差。5.如权利要求4所述的定位矫正方法，其特征在于：所述姿态参数包括内参和外参；所述内参由安装误差导致，包括两个激光面之间的夹角、两个激光面与参考零度平面所对应的绝对转角和超声波测距模块的安装误差；所述外参为所述真实坐标系相对大地坐标系之间的位姿。6.一种三...

【专利技术属性】
技术研发人员：张道宁，欧阳高，
申请(专利权)人：北京凌宇智控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11