精确定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一个精确定位系统，可以达到几毫米以下的定位精度，它由摄像机、微控制器、成像面板、惯性测量单元和高度计构成，所述成像面板的中心区域由光学滤波材料制成，其余区域由扩散材料制成。摄像机捕捉无缘或投射标记的图像，并获得其相对于地标坐标系的姿势。如果无缘标记和投射标记固定在某些位置，则它们的全局姿态是已知的。在已知定位系统与摄像机坐标系、标记坐标系和世界坐标系之间的关系的情况下，定位系统相对于世界坐标系的全局姿态将能够被获取。高度计可以用来获得高度信息。利用高度信息以及在XY平面的全局姿态信息，就可以确定系统在三维空间中的全局姿态。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】精确定位系统
本专利技术公开了一种成像面板、摄像机、惯性测量单元、高度计和形成精确定位系统的MCU，用于获得其相对于无源或投射标记的姿态。
技术介绍
精确定位系统对于例如无人飞行器(UAV)或无人地面车辆(UGV)之类的移动机器人的导航至关重要。对于某些需要移动操作的应用，定位和定位精度至关重要。市场上已有采用超声传感器、红外传感器、激光测距仪、无线信标和视觉的定位系统。基于超声或红外传感器的定位系统的问题是，该系统只能提供位置信息，而不能提供方位信息。为了便于导航，移动机器人需要额外的传感器来获取方位信息。基于激光测距仪的定位系统的问题是，在某些动态环境下，计算出的位置精度可能会下降。有时候，在某些情形下根本无法获得自己的位置。有一种基于视觉的定位系统，该系统使用摄像机从地面上的标记中获取其姿态。但是，标记很容易损坏，或者在某些地方不允许将其放置在地面上。另外，这种系统不能用于UAV上的定位。使用视觉同步定位和建图方法(vSLAM)的基于视觉的系统的位置精度会受到不断变化的照明条件和动态环境的影响。有时，在某些情况下根本无法获得自己的位置。无线定位系统存在非视距条件的不确定性和无线电多径问题，这会影响定位精度。作为基于标记的系统的示例，专利WO2004/015369A2公开了一种跟踪、自动校准和地图生成系统，以在天花板上的人工标记作为定位方法之一。专利CN102419178A公开了一种基于捕捉天花板上的红外标记的移动机器人定位系统和方法。专利CN102135429A公开了一种基于天花板上的无源标记的室内定位系统。专利WO2008/013355A1公开了一种用于使用里程计和照射红外标记的组合来计算位置的系统和方法。这些系统采用摄像机来捕获无源或照射的人工标记图像。摄像机和标记之间的距离越远，定位精度越低。此外，这些标记不包含便于从不同距离进行图像识别的，具有不同大小和样式的子标记。此外，无源或发光人工标记的有效图像识别距离比投射标记的有效图像识别距离短。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种定位系统，该定位系统可用于UAV和UGV，具有确定和精确的定位精度。根据本专利技术，可以实现小于几毫米定位精度的精确定位系统包括成像面板、摄像机、惯性测量单元、高度计和MCU。根据本专利技术的第一方面，无源或投射标记由子标记组成，所述子标记结合了大、中和小二维码，以及围绕该二维码的实心和空心的圆和正方形的组。根据本专利技术的第二方面，成像面板位于摄像机的焦距范围内。成像面板的中心区域由用于过滤掉不需要的光谱的光过滤材料制成，摄像机可以直接通过滤光片看到无源标记，并获得其相对于标记的姿态。成像面板的其余区域由扩散材料制成，用于捕获投射到其上的标记图像。根据本专利技术的第三方面，可以在移动机器人上将成像面板、摄像机和MCU安装在移动机器人上以获得其全局姿态信息。根据本专利技术的第四方面，可以使用移动机器人上的高度计来获取其高度信息，而惯性测量单元与移动机器人的里程计一起可以用于在无法从标记或投射标记获取信息时估计其位置。根据本专利技术的第五方面，可以将无源或投射标记放置在托盘上，以利于托盘和移动叉车之间的精确对准以进行操纵。根据本专利技术的第六方面，可以将定向RFID标签放置在用于移动叉车的托盘或柜子上以了解其大致的姿态，然后借助其上的无源或投射标记来执行精确的操纵任务。根据本专利技术的第七方面，可以将无源标记或投射标记放在人的外套上，以使移动机器人能够跟随。根据本专利技术的第八方面，提供了一种无人机(UAV)，其配备有成像面板、摄像机、惯性测量单元、光检测和测距传感器、红外投射仪、高度计以及用于在建筑物周围导航的MCU。根据本专利技术的第九方面，建筑物照明装置可以用作无人机导航的参考位置。可以将无源标记和投射标记安装在照明装置旁边，以进行无人机定位。投射仪向下投射标记，以供无人机上的摄像机捕获。根据本专利技术的第十方面，使用无人机上的高度计来获取无人机的高度信息，而惯性测量单元以及光检测和测距传感器可以用于在位置和方向信息无法从照明装置、标记或投射标记获得时估计其姿态。根据本专利技术的第十一方面，UAV上的红外投射仪用于将光投射到照明装置上，以触发其运动传感器，并基于亮度水平变化来判断照明装置的工作状态。附图说明图1示出了无源标记、标记投射仪、成像面板和摄像机；图2示出了成像面板和摄像机；图3示出了投射到面板上的QR码图像的图像处理过程；图4示出了相对于摄像机坐标系的投射QR码的姿态；图5示出了将标记阵列投射到地面上的情形；图6示出了安装有定位系统的无人机的构造；图7示出了用于物料配送的无人机机队；图8示出了用于物料搬运的移动叉车；图9示出了一种标记构造；图10示出了具有大和小QR码的一种子标记构造的类型；图11示出了具有中和小QR码的子标记构造的类型；图12示出了具有实心和空心的圆的一种子标记构造的类型；图13示出了具有实心和空心的正方形的一种子标记构造的类型；图14示出了定位系统中的部件的坐标系；图15示出了QR码投射的概念；图16示出了在X方向上、天花板和投射标记之间的关系；图17示出了在Y方向上、天花板投射标记之间的关系；图18示出了具有标记的托盘的构造；图19示出了使用自主移动叉车进行的托盘提升；图20示出了带有定向RFID标签的托盘；图21示出了带有定向RFID标签的机柜；图22示出了跟随携带无源或投射标记人员的机器人；图23示出了无人机在以标记为参考的建筑物中导航；图24示出了无人机以投射标记进行导航；图25示出了UAV投射红外光以触发照明装置的运动传感器。具体实施方式如图1所示，投射仪100将标记投射到位于摄像机101的焦距范围内的成像面板102上。成像面板102由在其中心区域的光学滤光材料和在该区域的其余部分的扩散材料组成。摄像机101可以通过滤光器104捕获无源标记图像103，或者投射到成像面板102的扩散区域上的标记图像。标记可以二维码或其他可由MCU识别和处理的图像模式的形式出现。如图2所示，可以将标记的一副或多副图像投射到面板102上，并且摄像机101捕获该图像并将其传输到MCU以进行处理。图3示出了在成像面板上投射的QR码(二维码)的MCU图像处理过程。首先将面板上捕获的图像转换为黑白图像，然后识别图像边缘的三个正方形。基于所识别出的三个正方形，将局部坐标系Oq赋给QR码，并且可以获得四个角D1、D2、D3、D4的坐标。QR码的内容是唯一的，并表示其相对于标记坐标系Om的相对位置。如图4所示，基于如图3所示获得的QR码坐标，可以获得图像相对于摄像机坐标系Oc的局部姿态。一旦固定后，所有标记的全局姿态都将是已知的。有了这些信息，就可以获取摄像机在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确定位系统，包括：/n成像面板，其中心区域由光学滤光材料制成，用于去除不需要的光谱，其余区域由扩散材料制成，用于投射人工标记图像的形成；/n摄像机，其或者通过成像面板的滤光器捕获无源的人工标记图像，或者捕获在成像面板上形成的投射人工标记图像；/n惯性测量单元，其用于测量系统的姿态；/n高度计，其用来测量系统高度；以及/nMCU，其获取相对于世界坐标系的系统全局姿态。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种精确定位系统，包括：
成像面板，其中心区域由光学滤光材料制成，用于去除不需要的光谱，其余区域由扩散材料制成，用于投射人工标记图像的形成；
摄像机，其或者通过成像面板的滤光器捕获无源的人工标记图像，或者捕获在成像面板上形成的投射人工标记图像；
惯性测量单元，其用于测量系统的姿态；
高度计，其用来测量系统高度；以及
MCU，其获取相对于世界坐标系的系统全局姿态。


2.一种人造标记，其为无源形式或由标记投射仪投射，包括：
结合了大、中、小二维码以及围绕二维码的实心、空心的圆和正方形组的子标记；
小的二维码嵌套在大的二维码内部或外部；
在水平和垂直方向上，围绕二维码放置了实心或空心的圆和正方形组；
实心或空心的圆按组排列，其中实心圆表示“1”，空心圆表示“0”，并且组内的实心圆和空心圆的组合表示子标记在水平方向上的位置。例如，从左到右计数，七个空心圆后跟一个实心圆表示二进制“00000001”，指示该子标记的水平位置；
实心或空心的正方形按组排列，实心正方形表示“1”，空心正方形表示“0”，并且组内的实心和空心的正方形的组合表示子标记在垂直方向上的位置。例如，从下到上，六个空心正方形后跟两个实心正方形表示二进制“00000011”，指示该子标记的垂直位置。


3.根据权利要求1和2所述的系统，其特征在于：如果摄像机通过成像面板的滤光镜捕获了固定位置的无源标记的二维码类型子标记，则：
能够得到子标记相对于摄像机坐标系的姿态，并利用定位系统与摄像机坐标系、子标记和标记坐标系、标记和世界坐标系之间的已知关系获得定位系统相对于世界坐标系的全局姿态；
在已知子标记尺寸、获得的以像素为单位的子标记图像尺寸、以及摄像机的焦距的情况下，定位系统与无源标记之间的距离将可获得。


4.根据权利要求1和2所述的系统，其特征在于：如果摄像机通过成像面板的滤光镜捕获了在固定位置的无源标记的圆型子标记，则：
能得到子标记相对于摄像机坐标系的姿态，并利用定位系统和摄像机坐标系、子标记和标记坐标系、标记和世界坐标系之间的已知关系获得定位系统相对于世界坐标系的全局姿态；
组中的实心和空心的圆的组合表示子标记在标记坐标系的X方向上的位置，例如，从左到右计数，组中七个空心圆后跟一个实心圆表示二进制“00000001”，表示其唯一位置；
在已知子标记尺寸、获得的以像素为单位的子标记图像尺寸、以及摄像机的焦距的情况下，定位系统与无源标记之间的距离将可获得。
如果仅捕获了组中子标记的实心或空心的圆的一部分，尽管无法获得子标记的精确姿态，但仍能够获得其方位，因此能获得定位系统相对于世界坐标系的全球方位。


5.根据权利要求1和2所述的系统，其特征在于：如果摄像机通过成像面板的滤光镜捕获了固定位置的无源标记的正方形子标记，则：
能得到子标记相对于摄像机坐标系的姿态，并利用定位系统与摄像机坐标系、子标记和标记坐标系、标记和世界坐标系之间的已知关系获得定位系统相对于世界坐标系的全局姿态；
组中的实心和空心的正方形的组合表示子标记在标记坐标系的Y方向上的位置，例如，从下到上计数，六个空心正方形跟着两个实心正方形表示二进制“00000011”，指示其唯一的位置；
在已知子标记尺寸、获得的以像素为单位的子标记图像尺寸、以及摄像机的焦距的情况下，定位系统与无源标记之间的距离将可获得。
如果仅捕获了组中子标记的实心或空心的正方形的一部分，尽管无法获得子标记的确切姿态，但仍能够获得其方位，因此能获得定位系统相对于世界坐标系的全球方位。


6.根据权利要求1和2所述的系统，其特征在于：如果将二维码类型的子标记投射到成像面板的扩散区域上并由摄像机捕获，则：
能得到子标记相对于摄像机坐标系的投射的姿态，并利用定位系统和摄像机坐标系、投射的子标记和标记坐标系、标记和世界坐标系之间的已知关系获得定位系统相对于世界坐标系的全局姿态；
在已知子标记尺寸、获得的以像素为单位的子标记图像尺寸、以及摄像机的焦距的情况下，定位系统与无源标记之间的距离将可获得。


7.根据权利要求1和2所述的系统，其特征在于：如果将圆型子标记投射到成像面板的扩散区域上并由摄像机捕获，则：
能够得到子标记相对于摄像机坐标系的投射的姿态，并利用定位系统和摄像机坐标系、投射的子标记和标记坐标系、标记和世界坐标系之间的已知关系获得定位系统相对于世界坐标系的全局姿态；
组中的实心和空心的圆的组合表示子标记在标记坐标系X方向上的位置，例如，从左到右计数，七个空心圆圈后跟一个实心圆表示二进制“00000001”，表示其唯一的位置；
在已知子标记尺寸、获得的以像素为单位的子标记图像尺寸、以及摄像机的焦距的情况下，定位系统与无源标记之间的距离将可获得。
如果仅捕获了组中子标记的实心或空心的圆的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏庆华，
申请(专利权)人：优泰机电有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG