使用反射地标和其它特征估计定位装置的姿态的系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于确定定位装置在时间t

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用反射地标和其它特征估计定位装置的姿态的系统和方法


[0001]本专利技术涉及用于确定定位装置在时间t
k
的状态x
k
的方法，并且涉及计算机程序产品和组件。

技术介绍

[0002]机器人(例如，无人机)的室内导航例如在自动仓储领域中是重要问题。这种机器人是定位代理。为了便于室内导航，机器人(例如，无人机)需要知道其相对于其环境的当前位置。与可以使用GNSS(全球导航卫星系统)从而提供高定位精度的室外环境相反，由于信号衰减和多路径效应，室内环境中的GNSS通常不可靠。用于室内和室外空间的现有RF定位技术也面临信号衰减和多路径效应问题，从而限制在复杂环境中(例如，在存在大量金属的情况下)的可用性。
[0003]在现有技术中，用于室内定位的光学定位系统是已知的。这种光学定位系统从由相机捕获的图像提取信息。然后，在将二维相机图像中的特征的坐标与对应于所述特征的三维光线相关联之后，可以通过使用三角测量技术计算要确定其姿势的对象的位置。通常以第一原理相机模型(诸如针孔或鱼眼相机模型)和校准失真模型(通常捕获透镜特性、安装公差和与第一原理模型的其它偏差)的组合来捕获图像坐标和三维光线之间的关系。
[0004]在现有技术中已知的用于确定定位装置的位置的光学定位系统中，相机可以刚性安装在定位装置外部，从而观察定位装置的运动(“由外向内跟踪”)，或者，相机可以被安装在定位装置自身上，从而观察环境的明显运动(“由内向外跟踪”)。由外向内跟踪定位系统通常相对于相机的已知位置来确定定位装置的位置，而像SLAM(同时定位与地图构建)这样的由内向外跟踪系统通常生成定位装置在其中运动的环境的地图。在环境的至少多个部分的位置相对于外部坐标系已知的情况下，或者，如果相机的初始姿态相对于外部坐标系是已知的，以可以与外部坐标系相关的坐标系来表达地图。在这两种情况下，当地图从相机的初始视场或从具有已知位置的环境部分来展开时，一些误差将被积累。例如，为了在预定义地图中显示定位装置的位置，为了将其与另一个这种定位装置的位置相关联，或者在位置用于将定位装置引导到外部坐标系中的已知位置情况下，传播误差的可能性对于位置信息必须参考外部信息的应用而言是问题。
[0005]由外向内光学定位系统通常很难适应更大的定位系统，原因是在每个点上，为了对定位装置的3D位置进行三角测量，定位装置须由几个相机看到。特别是对于只有很少的定位装置被跟踪的大空间，这在经济上是不可行的。
[0006]例如安装在作为定位装置的示例的无人机上的相机的位置和定向可以用于确定定位装置的状态，并且，可以随时间跟踪状态。然而，用于确定定位装置的状态的现有方法没有提供足够的精确度，从而使得它们不足以在许多应用中使用。
[0007]本专利技术的目的是，减轻与在现有技术中已知的用于确定定位装置的状态x
k
的方法相关联的缺点中的至少一些。

技术实现思路

[0008]根据本专利技术的第一方面，提供一种用于确定定位装置的状态x
k
的方法，该方法涉及权利要求1记载的步骤。在从属专利权利要求中描述了本专利技术的方法的其它可选特征和实施例。
[0009]本专利技术涉及一种用于确定定位装置在时间t
k
的状态x
k
的方法，该状态x
k
是状态随机变量x
k
的实现(realization)。方法包括以下步骤：a)接收室内环境中的感兴趣场景的第一图像，其中，室内环境包括在世界坐标系中具有已知位置的N个预先布置的地标，N是自然数；b)接收室内环境中的感兴趣场景的第二图像；c)接收定位装置在时间t
k
的状态估计d)接收感兴趣场景中的n个当前映射的同时定位与地图构建(SLAM)地标的位置，其中，地图状态s
k
至少包括(i)定位装置的状态x
k
、(ii)n个当前映射的SLAM地标的位置和(iii)n个预先布置的地标的位置；e)确定第一图像中的M个特征的位置(M是小于或等于N的自然数)，并且，确定从M个特征到N个预先布置的地标的集合的单射(injective mapping)估计；f)确定第二图像中的L个SLAM特征的位置，并且确定L个SLAM特征中的m个SLAM特征，其中，所述m个SLAM特征与n个当前映射的SLAM地标相关，并且，确定从m个SLAM特征到n个当前映射的SLAM地标的集合的SLAM单射估计；g)使用确定的单射估计和确定的SLAM单射估计以建立作为状态空间模型的一部分的联合观察模型，其中，联合观察模型被配置为将地图状态随机变量S
k
映射到联合观察随机变量Z
k
上，其中，地图状态s
k
是地图状态随机变量S
k
的实现，且在时间t
k
处观察z
k
是联合观察随机变量Z
k
的实现，并且，其中，观察包括第一图像中的M个特征中的至少一个的位置和第二图像中的m个SLAM特征中的至少一个的位置；以及h)使用(i)状态估计(ii)联合观察模型和(iii)观察z
k
以确定定位装置在时间t
k
的状态x
k
，并且更新n个当前映射的SLAM地标的位置。
[0010]同时定位与地图构建(SLAM)包括三种基本操作。这三种基本操作的适当组合可以提供如下所述的SLAM解决方案。
[0011]SLAM的第一基本操作是对定位装置通过室内环境中的运动进行建模。通过室内环境的这种运动的数学模型可以被称为运动模型。代替这种运动模型或除了这种运动模型以外，也可以使用惯性测量单元。由于定位装置通过室内环境的运动是有噪声的并且容易产生误差，因此运动模型可以考虑由于噪声和误差引起的这种不确定性。定位装置通过室内环境的每次运动因此可能增加定位装置在室内环境中的位置的不确定性。运动模型可以体现为将定位装置的当前状态、控制信号和扰动作为输入并提供定位装置的新状态作为输出的函数。定位装置的新状态可以例如是定位装置正在运动到的新位置的估计。
[0012]SLAM的第二基本操作包括从室内环境中的感兴趣场景的图像确定室内环境中的SLAM地标的位置。例如体现为边缘检测器、角检测器或SIFT特征检测器的SLAM特征检测器可以被应用于室内环境的图像：以这种方式，在室内环境的图像中检测SLAM特征。这种SLAM特征检测SLAM地标到室内环境的图像中的投影。为了从室内环境的图像确定SLAM地标的位置，可能需要反向观察模型。这种反向观察模型可以用于稍后解释的初始化目的，该初始化指的是检测在SLAM算法的先前迭代中未检测到的新SLAM地标的情况。反向观察模型可以体现为将定位装置的当前状态和测量的SLAM特征(的位置)作为输入并且提供对应于测量的SLAM特征的SLAM地标的位置的估计作为输出的函数。由于室内环境中具有3D位置的SLAM地
标的2D图像通常不为确定SLAM地标的3D位置提供足够本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定定位装置在时间t
k
的状态x
k
(9)的方法，状态x
k
是状态随机变量X
k
的实现，所述方法包括：a)接收室内环境(15)中的感兴趣场景(15)的第一图像(1)，其中，室内环境(15)包括在世界坐标系(12)中具有已知位置的N个预先布置的地标(16)，N是自然数；b)接收室内环境(15)中的感兴趣场景(15)的第二图像(2)；c)接收定位装置在时间t
k
的状态估计(3)；d)接收所述感兴趣场景(15)中的n个当前映射的同时定位与地图构建SLAM地标(4)的位置，其中，地图状态s
k
至少包括(i)定位装置的状态x
k
、(ii)所述n个当前映射的SLAM地标(4)的位置和(iii)n个预先布置的地标(16)的位置；e)确定(5)第一图像(1)中的M个特征的位置，M是小于或等于N的自然数，并且，确定(5)从所述M个特征到所述N个预先布置的地标(16)的集合的单射估计；f)确定(6)第二图像(2)中的L个SLAM特征的位置，并且确定L个SLAM特征中的m个SLAM特征，其中，所述m个SLAM特征与所述n个当前映射的SLAM地标(4)相关，并且，确定(6)从所述m个SLAM特征到所述n个当前映射的SLAM地标(4)的集合的SLAM单射估计；g)使用确定的单射估计和确定的SLAM单射估计以建立(7)作为状态空间模型的一部分的联合观察模型，其中，联合观察模型被配置为将地图状态随机变量S
k
映射到联合观察随机变量Z
k
上，其中，地图状态s
k
是地图状态随机变量S
k
的实现，且在时间t
k
处观察z
k
是联合观察随机变量Z
k
的实现，并且，其中，所述观察包括第一图像(1)中的所述M个特征中的至少一个的位置和第二图像(2)中的所述m个SLAM特征中的至少一个的位置；以及h)使用(8)(i)状态估计(3)、(ii)联合观察模型和(iii)观察z
k
以确定定位装置在时间t
k
的状态x
k
(9)，并且更新所述n个当前映射的SLAM地标的位置。2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一图像(1)和第二图像(2)是在时间t
k
处捕获的。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，联合观察模型包括第一观察模型，第一观察模型描述了将所述N个预先布置的地标(16)中的至少一个映射到所述M个特征中的所述至少一个的位置上，所述N个预先布置的地标(16)中的所述至少一个经由单射估计对应于所述M个特征中的所述至少一个；并且，其中，联合观察模型包括SLAM观察模型，SLAM观察模型描述了将所述n个当前映射的SLAM地标(4)中的至少一个映射到所述m个SLAM特征中的所述至少一个的位置上，所述n个当前映射的SLAM地标(4)中的所述至少一个经由SLAM单射估计对应于所述m个SLAM特征中的所述至少一个。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，单射估计，随后称为IME，将所述M个特征与M个预先分配的地标相链接，并且，其中，SLAM单射估计，随后称为SLAM
‑
IME，将所述m个SLAM特征与m个SLAM地标相链接，其中，对于所述M个特征中的特征i，对应的地标是地标IME(i)，并且，其中，对于所述m个SLAM特征中的特征j，对应的SLAM地标是SLAM地标SLAM
‑
IME(j)，并且，其中，对于特征地标对(i,IME(i))和对于SLAM特征/SLAM地标对(j,S7LAM
‑
IME(j))，联合观察模型链接观察随机变量Z
k,i
和Z
k,j
，其中，对于状态随机变量X
k
以及地标位置POS(IME(i))和SLAM地标POS(SLAM
‑
IME(j),k)，联合观察随机变量Z
k
包括观察随机变量Z
k,i
和Z
k,j
：Z
k,i
＝h1(X
k
,POS(IME(i))),i＝1,
…
,M，并且Z
k,j
＝h

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：维里蒂股份公司，
类型：发明
国别省市：