CN105307114A - 一种基于移动设备的定位装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动设备的定位装置及其定位方法，包括移动设备、若干个固定视频捕捉设备、中心控制服务器、至少两个微动开关和与微动开关一一对应且设置在微动开关附近的摄像头，微动开关和摄像头均设置在移动设备外表面上，若干个固定视频捕捉设备通过局域网与中心控制服务器相连接，中心控制服务器通过无线网与移动设备相连接且中心控制服务器通过无线网与移动设备上的微动开关和摄像头相连接。基于移动设备的定位装置及其定位方法能对移动设备进行快速精确定位，定位效率大大提高。

Description

一种基于移动设备的定位装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及图像定位技术领域，尤其是指一种基于移动设备的定位装置及其定位方法。

背景技术

目前，移动设备的定位方法分为相对定位方法和绝对定位方法。相对定位方法是指依靠里程计和惯性系统实现自主定位。绝对定位方法主要靠声呐、激光、视觉传感器等，给出移动机器人在全局参考坐标系中的绝对位置，但是，仅仅靠其自身传感器感知能力来实现移动机器人的全局定位需要花费较大时间和计算代价。中国专利公开号CN202889634U，公开日2013年4月17日，名称为“移动设备定位装置”的实用新型专利中公开了一种移动设备定位装置，包括移动设备、嵌入式基站、外网服务器以及数据库，其中，该移动设备包括移动设备控制模块以及与该移动设备控制模块相连接的移动设备蓝牙模块，所述移动设备控制模块用于控制所述移动设备蓝牙模块，并用于与所述外网服务器相通讯，所述移动设备蓝牙模块用于发送所述移动设备的移动设备信息；该嵌入式基站包括嵌入式蓝牙模组、数据处理单元以及网络接口单元；所述外网服务器包括服务器监控单元和服务器处理单元，并与所述数据库相连接。不足之处在于，该实用新型仍要靠移动设备本身进行定位，使用上仍有局限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中移动设备的定位需要靠移动设备本身进行定位，定位的时间较长、计算方法较为繁琐的缺陷，提供一种基于移动设备的定位装置及其定位方法，通过该定位装置及其定位方法可以辅助移动设备进行定位，定位时间较短、计算方法简单。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：

一种基于移动设备的定位装置，包括移动设备、若干个固定视频捕捉设备、中心控制服务器、至少两个微动开关和与微动开关一一对应且设置在微动开关附近的摄像头，微动开关和摄像头均设置在移动设备外表面上，若干个固定视频捕捉设备通过局域网与中心控制服务器相连接，中心控制服务器通过无线网与移动设备相连接且中心控制服务器通过无线网与移动设备上的微动开关和摄像头相连接。若干个固定视频捕捉设备设置在场景的角落捕捉场景内的移动设备的位置，多个固定设备共同定位能使定位更加精确。

由于移动设备的工作环境复杂，而固定视频捕捉设备数量有限，有时候固定视频捕捉设备不能检测到移动设备或者检测误差较大，此时移动设备如果触碰到周围环境物体则使微动开关闭合，同时与此微动开关匹配的摄像头开启用于检测移动设备周围的环境，便于移动设备精确的定位以及快速脱离复杂的环境。

作为一种优选方案，定位装置还包括以太网HUB，以太网HUB通过网线与若干个固定视频捕捉设备相连接，以太网HUB设有无线网接入端口，无线网接入端口通过无线网与移动设备以及移动设备上的微动开关和摄像头相连接，以太网HUB还通过网线与中心控制服务器相连接。

固定视频捕捉设备通过网线与以太网HUB连接成本较低，而移动设备由于移动限制必须通过无线与以太网HUB连接。

作为一种优选方案，微动开关和摄像头的数量均为3个，3个微动开关处于同一个平面且3个微动开关两两之间距离相等。

一种基于移动设备的定位装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤1，移动设备开始工作，中心控制服务器收到移动设备工作信号，然后中心控制服务器控制固定视频捕捉设备进行工作；

步骤2，固定视频捕捉设备通过投影法彩色目标快速检测对移动设备进行快速标定；

具体步骤为：固定视频捕捉设备识别出移动设备后，通过二值图像进行相应的特征匹配确定移动设备的中心点坐标。定义一幅二值图像由M×N个像素组成，其中N是行数，M是列数。每个像素都对应确定的图像坐标(i，j)，以及灰度值f(i，j)，移动设备灰度为1，背景灰度为0。投影法得出移动设备高度以及移动设备宽度分别为：

$\left\{\begin{array}{c}H=max\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}f(i,j)\right\}\\ W=max\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}f(i,j)\right\}\end{array}\right.---\left(1\right)$

移动设备的中心点在水平方向和垂直方向的坐标值为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}f(i,j)/K\\ y=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}f(i,j)/H\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，K，H分别是水平投影和垂直投影钟非零元素的个数，K≤M，H≤M。

步骤3，装置通过Tsai氏标定法和多项式拟合的全局定位算法对固定视频捕捉设备进行标定；

采用Tsai共面法，获取固定视频捕捉设备内外参数，得到图像坐标到全局坐标的转换。考虑到畸变补偿的复杂性，本文采用多项式拟合方法对标定后的固定视频捕捉设备定位数据进行再次处理，忽略固定视频捕捉设备畸变参数。

设(X，Y)为空间平面中的点(移动设备运动过程中移动设备圆柱标签与地面平行的平面)，通过固定视频捕捉设备标定后得到的对应点的平面坐标测量值为(x，y)，与真实值(X,Y)之间的多项式关系为：

$\left\{\begin{array}{c}X=a_1{x}^k+a_2{y}^k+a_3{x}^{k-1}y+...+a_{S-2}x+a_{S-1}y+a_s\\ Y=b_1{x}^k+b_2{y}^k+b_3{x}^{k-1}y+...+b_{S-2}x+b_{S-1}y+b_s\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：k为多项式的次数，a₁，a₂，…，a_s；b₁，b₂，…，b_s为多项式的待定系数。

由式(3)得到：

$\left\{\begin{array}{c}X=\[x^k,y^k,...x,y,1\]\×{\[a_1,a_2,...a_{s-2,}{a}_{s-1,}{a}_s\]}^T\\ Y=\[x^k,y^k,...x,y,1\]\×{\[b_1,b_2,...b_{s-2,}{b}_{s-1,}{b}_s\]}^T\end{array}\right.---\left(4\right)$

在固定视频捕捉设备拍摄区域均匀采样n个点，真实的世界坐标依次为(X_i，Y_i)，对应测量得到的世界坐标为(x_i，y_i)，i＝1，2，…，n。设

$X=\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ .\\ .\\ .\\ X_n\end{array}\right],Y=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ .\\ .\\ .\\ Y_n\end{array}\right]$

$xy=\left[\begin{array}{cccccc}{x}_1^k& y_1^k& ...& x_1& y_1& 1\\ x_1^k& y_2^k& ...& x_2& y_2& 1\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ x_n^k& y_n^k& ...& x_n& y_n& 1\end{array}\right]$

$a=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ .\\ .\\ .\\ a_s\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ .\\ .\\ .\\ b_n\end{array}\right]$

由式(4)得到以下方程：

X＝xy×a，Y＝xy×b(5)

根据式(5)，采用最小二乘法得到a，b向量的值，从而得到校正后的定位坐标。

步骤4，装置采用多视觉节点对移动设备进行协同定位。

以固定视频捕捉设备图像中心为中心位置将图像划分为3个区域：最佳区域、可信区域以及偏离区域，检测到在最佳区域和可信区域的移动设备后，固定视频捕捉设备发送视觉定位信息至中心控制服务器，中心控制服务器接收到定位信息后，将定位信息融合；检测到在偏离区域的移动设备后，固定视频捕捉设备发送偏离区域定位信息，中心控制服务器提取偏离视野定位信息后，将定位信息融合。有与单个固定视频捕捉设备视野有限，当移动设备原理固定视频捕捉设备图像中心是，固定视频捕捉设备标定算法会产生较大的误差，所以处于偏离区域的移动设备的定位信息仅供参考，当有多个固定视频捕捉设备时，移动设备处于偏离区域的固定视频捕捉设备的定位信息将不予采纳。

作为一种优选方案，当固定视频捕捉设备不能捕捉移动设备或固定视频捕捉设备捕捉移动设备误差较大时，中心控制服务器控制激活微动开关和摄像头，当微动开关受到外力触碰闭合时，与此微动开关匹配的摄像头开启进行摄像工作。

本发明的有益效果是，基于移动设备的定位装置及其定位方法能对移动设备进行快速精确定位，定位效率大大提高。且本发明结构简单、实用性强。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接图。

其中：1、移动设备，2、固定视频捕捉设备，3、中心控制服务器，4、以太网HUB，5、无线网接入端口，6、微动开关，7、摄像头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

实施例1：一种基于移动设备的定位装置，其电路原理连接图如图1所示，包括移动设备1、四个固定视频捕捉设备2、中心控制服务器3、3个微动开关6、与微动开关一一对应且设置在微动开关附近的摄像头7和以太网HUB4，微动开关和摄像头均设置在移动设备外表面上，3个微动开关处于同一个平面且3个微动开关两两之间距离相等。以太网HUB通过网线与四个固定视频捕捉设备相连接，以太网HUB设有无线网接入端口5，无线网接入端口通过无线网与移动设备以及移动设备上的微动开关和摄像头相连接，以太网HUB还通过网线与中心控制服务器相连接。

一种基于移动设备的定位装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤1，移动设备开始工作，中心控制服务器收到移动设备工作信号，然后中心控制服务器控制固定视频捕捉设备进行工作；

步骤2，固定视频捕捉设备通过投影法彩色目标快速检测对移动设备进行快速标定；

具体步骤为：固定视频捕捉设备识别出移动设备后，通过二值图像进行相应的特征匹配确定移动设备的中心点坐标。定义一幅二值图像由M×N个像素组成，其中N是行数，M是列数。每个像素都对应确定的图像坐标(i，j)，以及灰度值f(i，j)，移动设备灰度为1，背景灰度为0。投影法得出移动设备高度以及移动设备宽度分别为：

$\left\{\begin{array}{c}H=max\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}f(i,j)\right\}\\ W=max\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}f(i,j)\right\}\end{array}\right.---\left(1\right)$

移动设备的中心点在水平方向和垂直方向的坐标值为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}f(i,j)/K\\ y=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}f(i,j)/H\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，K，H分别是水平投影和垂直投影钟非零元素的个数，K≤M，H≤M。

步骤3，装置通过Tsai氏标定法和多项式拟合的全局定位算法对固定视频捕捉设备进行标定；

采用Tsai共面法，获取固定视频捕捉设备内外参数，得到图像坐标到全局坐标的转换。考虑到畸变补偿的复杂性，本文采用多项式拟合方法对标定后的固定视频捕捉设备定位数据进行再次处理，忽略固定视频捕捉设备畸变参数。

设(X，Y)为空间平面中的点(移动设备运动过程中移动设备圆柱标签与地面平行的平面)，通过固定视频捕捉设备标定后得到的对应点的平面坐标测量值为(x，y)，与真实值(X,Y)之间的多项式关系为：

$\left\{\begin{array}{c}X=a_1{x}^k+a_2{y}^k+a_3{x}^{k-1}y+...+a_{S-2}x+a_{S-1}y+a_s\\ Y=b_1{x}^k+b_2{y}^k+b_3{x}^{k-1}y+...+b_{S-2}x+b_{S-1}y+b_s\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：k为多项式的次数，a₁，a₂，…，a_s；b₁，b₂，…，b_s为多项式的待定系数。

由式(3)得到：

$\left\{\begin{array}{c}X=\[x^k,y^k,...x,y,1\]\×{\[a_1,a_2,...a_{s-2,}{a}_{s-1,}{a}_s\]}^T\\ Y=\[x^k,y^k,...x,y,1\]\×{\[b_1,b_2,...b_{s-2,}{b}_{s-1,}{b}_s\]}^T\end{array}\right.---\left(4\right)$

在固定视频捕捉设备拍摄区域均匀采样n个点，真实的世界坐标依次为(X_i，Y_i)，对应测量得到的世界坐标为(x_i，y_i)，i＝1，2，…，n。设

$X=\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ .\\ .\\ .\\ X_n\end{array}\right],Y=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ .\\ .\\ .\\ Y_n\end{array}\right]$

$xy=\left[\begin{array}{cccccc}{x}_1^k& y_1^k& ...& x_1& y_1& 1\\ x_1^k& y_2^k& ...& x_2& y_2& 1\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ x_n^k& y_n^k& ...& x_n& y_n& 1\end{array}\right]$

$a=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ .\\ .\\ .\\ a_s\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ .\\ .\\ .\\ b_n\end{array}\right]$

由式(4)得到以下方程：

X＝xy×a，Y＝xy×b(5)

根据式(5)，采用最小二乘法得到a，b向量的值，从而得到校正后的定位坐标。

步骤4，装置采用多视觉节点对移动设备进行协同定位。

以固定视频捕捉设备图像中心为中心位置将图像划分为3个区域：最佳区域、可信区域以及偏离区域，检测到在最佳区域和可信区域的移动设备后，固定视频捕捉设备发送视觉定位信息至中心控制服务器，中心控制服务器接收到定位信息后，将定位信息融合；检测到在偏离区域的移动设备后，固定视频捕捉设备发送偏离区域定位信息，中心控制服务器提取偏离视野定位信息后，将定位信息融合。有与单个固定视频捕捉设备视野有限，当移动设备原理固定视频捕捉设备图像中心是，固定视频捕捉设备标定算法会产生较大的误差，所以处于偏离区域的移动设备的定位信息仅供参考，当有多个固定视频捕捉设备时，移动设备处于偏离区域的固定视频捕捉设备的定位信息将不予采纳。

Claims (5)

1.一种基于移动设备的定位装置，其特征是，包括移动设备、若干个固定视频捕捉设备、中心控制服务器、至少两个微动开关和与微动开关一一对应且设置在微动开关附近的摄像头，微动开关和摄像头均设置在移动设备外表面上，若干个固定视频捕捉设备通过局域网与中心控制服务器相连接，中心控制服务器通过无线网与移动设备相连接且中心控制服务器通过无线网与移动设备上的微动开关和摄像头相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动设备的定位装置，其特征是，还包括以太网HUB，以太网HUB通过网线与若干个固定视频捕捉设备相连接，以太网HUB设有无线网接入端口，无线网接入端口通过无线网与移动设备以及移动设备上的微动开关和摄像头相连接，以太网HUB还通过网线与中心控制服务器相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于移动设备的定位装置，其特征是，所述的微动开关和摄像头的数量均为3个，3个微动开关处于同一个平面且3个微动开关两两之间距离相等。

4.一种基于移动设备的定位装置的定位方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，移动设备开始工作，中心控制服务器收到移动设备工作信号，然后中心控制服务器控制固定视频捕捉设备进行工作；

步骤2，固定视频捕捉设备通过投影法彩色目标快速检测对移动设备进行快速标定；

步骤3，装置通过Tsai氏标定法和多项式拟合的全局定位算法对固定视频捕捉设备进行标定；

步骤4，装置采用多视觉节点对移动设备进行协同定位。

5.根据权利要求3所述的一种基于移动设备的定位装置的定位方法，其特征是，当固定视频捕捉设备不能捕捉移动设备或固定视频捕捉设备捕捉移动设备误差较大时，中心控制服务器控制激活微动开关和摄像头，当微动开关受到外力触碰闭合时，与此微动开关匹配的摄像头开启进行摄像工作。