面向三维空间的组合定位方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向三维空间的组合定位方法，同时也公开了采用该方法的组合定位系统。在该组合定位方法中，采用至少两种不同的定位技术手段，通过信息融合的方式进行相互校正，可以实现组合定位导航。利用本发明专利技术，一方面可以消除惯性测量单元的累计积分误差，实现三维空间精确定位；另一方面可以进一步提高三维空间定位设备的刷新速率，改善用户的使用体验。

【技术实现步骤摘要】
面向三维空间的组合定位方法及其系统
本专利技术涉及一种面向三维空间的组合定位方法，同时也涉及采用该方法的组合定位系统，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。图1所示为现有技术中的一种三维空间定位设备。该模型包括定位基站和待定位设备两部分。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设备中，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一字镜表面，形成两个垂直的激光平面；电机转动带动一字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同步，使得整个三维空间定位设备拥有同一个时钟基准。当待定位设备中的光电管与不断旋转的激光平面恰好共面时，待定位设备感知到激光束的光信号并标定当前时刻(称之为时间戳)，因此根据事件触发的时间戳，定位基站/待定位设备可以解算出当前激光平面旋转的角度，即确定待定位设备的方位信息。但是，上述三维空间定位设备针对位置的刷新速率较低。对于目标运动速度较大的VR(虚拟现实)应用而言，采用上述三维空间定位设备存在或多或少的时间延迟，导致可供显示的VR画面迟滞，影响用户体验。
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三维空间的组合定位方法。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方法的组合定位系统。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，提供一种面向三维空间的组合定位方法，其中在惯性测量单元进行位置积分的过程中，当定位基站获取定位信息后，执行基于卡尔曼滤波算法的预测环节和更新环节；通过所述更新环节提供的概率最优模型，对所述惯性测量单元的当前位置进行矫正。其中较优地，所述更新环节提供的概率最优模型为：K＝PHT(HPHT+V)-1P←(I-KH)P；其中，K为状态误差相关矩阵，P为协方差，H为测量系统的参数。其中较优地，所述预测环节为：其中，P为协方差，F为状态转移矩阵，Q为量测噪声相关矩阵。其中较优地，在使用卡尔曼滤波算法的过程中，对状态量进行一阶近似。其中较优地，对所述惯性测量单元相对虚拟坐标系的姿态进行参数标定，实现外参估计。其中较优地，通过如下步骤实现外参估计：在定位基站被放置并保持静止的情况下，在虚拟坐标系上三个轴上分别安装加速度计，用于感知重力在三个轴方向的分解力大小；根据所述重力的分解情况，获得静止状态下虚拟坐标系相对大地坐标系之间的相对姿态。其中较优地，所述定位基站从多个视角对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，得到内参模型和外参模型的所有参数值。根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种面向三维空间的组合定位系统，包括惯性测量单元和三维空间定位设备；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一字镜上，形成两个垂直的激光平面；电机转动带动所述一字镜进行匀速旋转运动，在三维空间内形成不断旋转的激光平面；其中：在惯性测量单元进行位置积分的过程中，当收到定位基站的数据时，将所述惯性测量单元输出的位置信息和所述定位基站提供的位置信息进行融合，利用概率最优模型对所述惯性测量单元的当前位置进行矫正。其中较优地，所述概率最优模型是基于卡尔曼滤波算法的预测环节和更新环节得到的。与现有技术相比较，本专利技术采用至少两种不同的定位技术手段，通过信息融合的方式进行相互校正，可以实现组合定位导航。利用本专利技术，一方面可以消除惯性测量单元的累计积分误差，实现三维空间精确定位；另一方面可以进一步提高三维空间定位设备的刷新速率，改善用户的使用体验。附图说明图1为现有技术中，一种三维空间定位设备的示意图；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为实施本专利技术的三维空间定位设备的结构示意图；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。本专利技术的核心思想在于采用至少两种不同的定位技术手段，通过信息融合的方式进行相互校正，以便实现组合定位导航。在进行组合定位导航之前，首先说明本专利技术所涉及的一些坐标系，包括大地坐标系n、虚拟坐标系v和手柄坐标系b。其中，将大地坐标系n定义为以重力方向为轴，平面位于水平面的坐标系；将虚拟坐标系v定义为经内参校正和手眼标定后的正交坐标系；将手柄坐标系b定义为以手柄的惯性测量单元(IMU)的坐标轴为基准的坐标系。组合定位导航输出的坐标系以虚拟坐标系v为参照。下面，首先对如何实现虚拟坐标系v的具体过程展开详细说明。参见图1所示，定义平面O1O2Z2Z1和平面O3O4Z4Z3分别为电机转角的参考零度平面(Zero-AngleReferencePlane)，即当待定位设备恰好处于参考零度平面内时，规定定位基站对目标测量的转角为零度。当然，最优的参考零度平面位置应尽可能处于激光扫描区域的正中间。当确定三维坐标系后，为了统一电机的旋转方向，一般选取右手坐标系，握住当前电机旋转轴，则另一个电机转轴正半轴指向为旋转方向。因此，根据参考零度平面O1O2Z2Z1和O3O4Z4Z3以及右手螺旋法则，确立以{xyd}为轴的坐标系，d处于两个参考零度平面的交线处，x、y处于电机旋转中心轴，将坐标系{xyd}称之为虚拟坐标系v，它为VR(虚拟现实)应用提供了一个正比例缩放的空间参考。理想情况下，如果不考虑测量过程存在的时间对齐因素，假设一次测量的传感器值均在同一时刻下观测。设超声波测距模块的测距中心位于虚拟坐标系v下原点，即超声波的坐标为v[000]T，在t时刻横向和纵向电机的激光平面恰好与待定位设备的感光模块(例如光电管)重合，其相对参考零值平面的转角为此时超声波测距模块的测距为R，即当前时刻提供了一组感知数据若假设目标在虚拟坐标系v下的坐标为v[x,y,z]，则根据几何关系容易得到：但是，由于三维坐标系是根据电机的旋转轴建立的。如果电机存在安装偏差，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有明显误差。在当前制作工艺的局限下，电机的安装位置总是存在或大或小的偏差，两个激光发射源难以做到完全垂直。因此，采用上述三维空间定位设备的定位系统在实际使用时会不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向三维空间的组合定位方法，其特征在于在惯性测量单元进行位置积分的过程中，当定位基站获取定位信息后，执行基于卡尔曼滤波算法的预测环节和更新环节；通过所述更新环节提供的概率最优模型，对所述惯性测量单元的当前位置进行矫正。

【技术特征摘要】
1.一种面向三维空间的组合定位方法，其特征在于在惯性测量单元进行位置积分的过程中，当定位基站获取定位信息后，执行基于卡尔曼滤波算法的预测环节和更新环节；通过所述更新环节提供的概率最优模型，对所述惯性测量单元的当前位置进行矫正。2.如权利要求1所述的组合定位方法，其特征在于所述更新环节提供的概率最优模型为：K＝PHT(HPHT+V)-1P←(I-KH)P；其中，K为卡尔曼增益，V为量测噪声，P为量测噪声的协方差，H为测量系统的参数。3.如权利要求1所述的组合定位方法，其特征在于所述预测环节为：其中，P为量测噪声的协方差，Q为系统噪声的协方差，F为状态转移矩阵。4.如权利要求1所述的组合定位方法，其特征在于在使用卡尔曼滤波算法的过程中，对状态量进行一阶近似。5.如权利要求1所述的组合定位方法，其特征在于：对所述惯性测量单元相对虚拟坐标系的姿态进行参数标定，实现外参估计。6.如权利要求5所述的组合定位方法，其特征在于通过如下步骤实现外参估计：在定位基站被放置并保持静止的情况下，在虚拟坐标系上三个轴上分别安装加速度计，用于感知重力在三个轴方向的分解力大小；根据所述重力的分解情况，获得静止状态下虚拟坐标系相对大地坐标系...

【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