一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法技术

本发明专利技术公开一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法，步骤为：搭建系统构架，包括UWB定位模块和数据处理模块；在运动物体上安装UWB定位标签，设置UWB定位基站；选取物体在赛道划痕深的点位和能够精准定位的点位，去掉不合适的点位，其余作为特征点；UWB定位模块将高速运动物体的连续采样数据发送至数据处理模块进行计算，得到运动物体的二维连续轨迹坐标；通过多组对应特征点得到多组平移旋转方程；利用多组平移旋转方程以及插值拟合最终实现基于高频率二维数据采集的高速运动物体三维连续轨迹的生成。本发明专利技术实现了在复杂场景下对高速运动物体的高精度连续轨迹数据采集，提升数据处理或轨迹预测时数据的精度和连续性。和连续性。和连续性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法


[0001]本专利技术涉及一种运动物体三维轨迹生成技术，具体为一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法。

技术介绍

[0002]对于在室内、室外雪车雪橇等复杂固定赛道上高速运动的物体，教练员和选手需要及时获取赛车的运行参数，包括准确位置、速度、角度等信息，用以更好地进行训练和适应赛道。在此速度、运动方向、加速度不断变化的复杂场景下，需要极高的定位频率才能达到高精度的厘米级连续轨迹定位。
[0003]为了对高速运动的物体进行准确、全面的连续轨迹定位，目前考虑以下几种技术：1.RFID射频识别技术、条形码技术、检测孔技术，识别速度慢，响应时间长；2.UWB（Ultra Wide Band，简称超宽带）定位技术，速度较快，但是其测量精度与频率呈负相关，不适合于高速移动场景；3.单个激光测距，速度很快，但是只能获取反射点的距离，无法获取坐标信息；4.高速摄像机，可以获取定位信息，但是造价高、功耗大、数据处理复杂，对于黑夜环境、冰面环境、光线复杂环境，高速摄像机反馈的结果会受到很大干扰；此外，虽然高速摄像机可以通过旋转的方式获取物体的三维坐标信息，但是旋转过程中图像模糊，旋转速度很慢，无法精确测量高速运动的物体；对于定位场景，对视场角要求苛刻，现有高速摄像机无法满足；5. RTK定位技术，通过GNSS基站和流动站的同步观测，利用载波相位观测值实现高精度定位；其测量精度高，分辩率可以到达2cm，但测量输出频率低；6. 里程计技术，利用运动传感器、摄像头等数据推算运动路径实现定位，但成本高、实时性极差，技术商用化低。其测量精度低，误差极大，且测量输出频率低。
[0004]超宽带(Ultra Wide Band，简称UWB)技术是一种无线载波通信技术，通过发送纳秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据，进而测算设备间的距离，测距精度极高，可以达到厘米级。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有收发时间短、抗多径效果好、系统安全性高、整体功耗低等优点。因此，UWB技术能够应用于室内、室外静止或移动的人和物的快速高精度定位跟踪与导航。
[0005]但UWB技术也有相应的缺陷，首先UWB技术的测量精度和频率呈负相关，在保证厘米级高测量精度的条件下，目前采用的UWB定位系统的采样频率最高仅可达到200Hz，导致物体在轨道上高速运动时采集到的数据只是一组离散采样集合，不能得到完整的轨迹数据；其次，UWB三维定位技术对于硬件成本、硬件安装位置、以及测距算法都有着比较高的要求，难度较大。
[0006]
技术实现思路

[0007]针对现有UWB技术的测量精度和频率不能得到完整的轨迹数据以及测距算法要求高、难度大等不足，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法，能够实现对高速运动物体的高精度连续轨迹数据采集，有利于提升数据处理或轨迹预测时数据的精度和连续性。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法，包括以下步骤：1）搭建系统构架，包括UWB定位模块以及数据处理模块，其中UWB定位模块包括定位标签以及UWB定位基站；UWB定位标签与UWB定位基站通过UWB技术进行通信，UWB定位模块与数据处理模块利用网线进行数据传输；2）在运动物体上安装UWB定位标签，并且选择重点地段设置UWB定位基站，通过三维坐标测量仪器得到赛道全程轨迹数据，建立赛道的三维SLAM模型；3）让物体在赛道上进行多次滑行运动，选取赛道划痕深的点位和能够精准定位的点位，经过过滤筛选后去掉不合适的点位，其余的作为最终选取的特征点；4）UWB定位模块将高速运动物体的连续采样数据发送至数据处理模块，数据处理模块推断待定位对象相对于各UWB定位基站的相对位置，得到高速运动物体的二维连续轨迹坐标；5）找到对应的多组特征点，通过旋转平移方程将二维轨迹映射到SLAM三维空间中的xoy平面上，得到多组平移旋转方程；6）将多组平移旋转方程通过多元线性回归得到一个三维坐标系中xoy平面下整体轨迹映射的方程，利用赛道的三维slam模型中的坐标数据，对xoy平面下的二维轨迹方程进行插值拟合，补全运动物体的高度信息，最终实现基于高频率二维数据采集的高速运动物体三维连续轨迹的生成。
[0009]步骤2）中重点地段是指起点、终点、弯道汇合点、栏杆点以及复杂地段。
[0010]步骤3）中特征点的选取过程如下；301）选取多个可以精准定位到的点位，包括轨道的起点、终点、弯道汇合点、栏杆点，以保证特征点定位的准确性，并且运动物体一定会经过这些特征点；302）在准备阶段，经过多次滑行运动后，沿赛道记录划痕深度信息，将深度超过规定阈值的点位记录下来，选取其作为特征点；303）同时在准备阶段，经过多次滑行运动后，通过UWB三维定位技术，将多次滑行运动轨迹的三维数据进行对比，找到多次重合的点位，选取其作为特征点；304）将通过以上三种方案选取的特征点集合在一起，经过过滤筛除掉不合适的点位，其余的作为最终选取的特征点集合。
[0011]步骤４）中的数据处理模块采用TDOA定位算法，基于UWB定位基站与移动UWB定位标签之间的距离之差通过求解非线性双曲方程组来推断待定位对象相对于各UWB定位基站的相对位置。
[0012]推断待定位对象相对于各UWB定位基站的相对位置，具体为：401）设置i个定位基站，定位基站i的坐标为（xi，yi），各定位基站i在安装部署时位置固定且坐标已知；
402）所求定位标签的坐标为Ro（x0，y0）；403）利用i个圆形方程能够计算出唯一的交点，通过计算公式得到标签的实时位置坐标。
[0013]推断待定位对象相对于各UWB定位基站的相对位置，通过以下公式计算得到：其中，a、b、c属于i ，i为大于等于3的整数。
[0014]步骤5）具体为：501)通过UWB定位技术得到高采样频率下轨道上高速运动物体的轨迹连续采样数据，挑选多个特征点的二维坐标，与已知的三维slam模型中三维坐标系的特征点一一对应；502）将多组二维轨迹映射到SLAM三维坐标系中的xoy平面，通过已知旋转平移后的坐标系X'O'Y'中的一点P'(x',y')，计算可得点P'(x',y')在SLAM三维坐标系平面中的坐标值，进一步得到多组特征点的旋转平移方程；503）找到对应的多组特征点，通过旋转平移方程将二维轨迹映射到SLAM三维空间中的xoy平面上，得到多组平移旋转方程；504）基于多组特征点的旋转平移方程，利用多元线性回归模型求解CAD二维到三维slam模型xoy坐标系的整体旋转方程。
[0015]本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术提出一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法，基于UWB技术测距精度极高、采样频率极高的特点，能够实现对高速运动物体的高精度连续轨迹数据采集，有利于提升数据处理或轨迹预测时数据的精度和连续性；2. 本专利技术基于测量到的高采样频率下的二维连续数据通过特征点的映射旋转方程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法，其特征在于包括以下步骤：1）搭建系统构架，包括UWB定位模块以及数据处理模块，其中UWB定位模块包括定位标签以及UWB定位基站；UWB定位标签与UWB定位基站通过UWB技术进行通信，UWB定位模块与数据处理模块利用网线进行数据传输；2）在运动物体上安装UWB定位标签，并且选择重点地段设置UWB定位基站，通过三维坐标测量仪器得到赛道全程轨迹数据，建立赛道的三维SLAM模型；3）让物体在赛道上进行多次滑行运动，选取赛道划痕深的点位和能够精准定位的点位，经过过滤筛选后去掉不合适的点位，其余的作为最终选取的特征点；4）UWB定位模块将高速运动物体的连续采样数据发送至数据处理模块，数据处理模块推断待定位对象相对于各UWB定位基站的相对位置，得到高速运动物体的二维连续轨迹坐标；5）找到对应的多组特征点，通过旋转平移方程将二维轨迹映射到SLAM三维空间中的xoy平面上，得到多组平移旋转方程；6）将多组平移旋转方程通过多元线性回归得到一个三维坐标系中xoy平面下整体轨迹映射的方程，利用赛道的三维slam模型中的坐标数据，对xoy平面下的二维轨迹方程进行插值拟合，补全运动物体的高度信息，最终实现基于高频率二维数据采集的高速运动物体三维连续轨迹的生成。2.按权利要求1所述的基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法，其特征在于：步骤2）中重点地段是指起点、终点、弯道汇合点、栏杆点以及复杂地段。3.按权利要求1所述的基于高频率二维数据高速运动物体三维轨迹生成方法，其特征在于：步骤3）中特征点的选取过程如下；301）选取多个可以精准定位到的点位，包括轨道的起点、终点、弯道汇合点、栏杆点，以保证特征点定位的准确性，并且运动物体一定会经过这些特征点；302）在准备阶段，经过多次滑行运动后，沿赛道记录划痕深度信息，将深度超过规定阈值的点位记录下来，选取其作为特征点；303）同时在准备阶段，经过多次滑行运动后，通过UWB三维定位技术，将多次滑行运动轨迹的三维数据进行对比...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓庆绪，王奕欢，高世昌，郝斌，高旭，冯智伟，胡韬，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：