CN106716053A - 移动体的三维姿势及位置识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动体的三维姿势及位置识别装置。移动体的三维姿势及位置识别装置包括：多个偏振模块，分别附着在立体图形的多个面上；多个照度模块，分别对应于所述偏振模块，用于生成并输出从偏振光源发射且透过对应偏振模块后被接收的偏振光的照度值信息；以及解析部，其利用从与附着在至少三个考虑对象面上的偏振模块相应的照度模块接收的照度值信息，生成所述移动体的姿势信息和位置信息。

Description

移动体的三维姿势及位置识别装置

技术领域

本发明涉及一种移动体的三维姿势及位置识别装置。

背景技术

基于位置的服务(LBS,Location Based Service)通过定位技术掌握用户的位置，并基于所掌握的结果提供各种信息或服务，最近随着具备GPS、地磁传感器、照相机、RFID等功能的智能手机的问世，基于位置的服务相关研究正在积极进行。

目前在研究的基于位置的服务主要涉及利用GPS和移动通信网络的定位技术、基于无线局域网信号模式匹配(Pattern Matching)算法的定位技术等室外定位系统(outdoor localization system)。

然而，这种室外定位系统并不适用于要求高定位精度(accuracy of locationestimation)的室内环境。其原因在于，室外定位系统即便在室外确保适当的性能，但是在室内由于墙壁等室内结构物引起的信号干扰等影响，难以进行精确的室内定位。

为了解决这种问题，韩国公开专利第2014-0055109号(移动节点位置识别装置以及方法)公开了一种识别移动节点位置的技术，其利用从一个以上的基准节点传输至移动节点的接收信号的强度的相关信息。

此外，韩国公开专利第2014-0066570号(导航系统以及方法)公开了一种技术，其在室内预定地点附着包含识别信息的条形码，识别了条形码就能识别用户位于室内地图上的哪个位置，并予以提示。

如此，正开发着为了基于位置的服务、访问者位置追踪等目的而精确地识别位于建筑物内的用户位置的各种技术。

然而，这些位置识别技术的局限性在于，只能掌握用户位于室内空间上的哪个位置，却无法确认在其位置在倾斜某一角度的状态下注视着哪个方向，因此无法在展览厅、动物园等处提供考虑用户的位置和注视方向的基于位置的服务。

发明内容

所要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种移动体的三维姿势及位置识别装置，其能够利用偏振光(polarized light)特性精确地掌握三维空间中的移动体的姿势(例如，基于面对方向和倾斜角度的注视方向)和位置，从而能够根据所掌握的移动体的姿势提供基于位置的服务等各种附加服务。

通过以下说明，将会易于理解除此之外的本发明的其它目的。

解决技术问题的方案

根据本发明的一方面，提供一种移动体的三维姿势及位置识别装置，其特征在于，包括：多个偏振模块，分别附着在立体图形的多个面上；多个照度模块，分别对应于所述偏振模块，用于生成并输出从偏振光源发射且透过对应偏振模块后被接收的偏振光的照度值信息；以及解析部，其利用从与附着在至少三个考虑对象面上的偏振模块相应的照度模块接收的照度值信息，生成所述移动体的姿势信息和位置信息，其中，在所述立体图形的多个面中选择的三个考虑对象面满足如下条件：位于从所述偏振光源发射的光照射的位置；以及无法通过合成两个考虑对象面的平面向量得到其余一个考虑对象面的平面向量。

所述多个偏振模块可以分别具备透光轴互为不同的多个偏振部。

为了生成所述移动体的姿势信息，所述解析部可以执行如下步骤：使所获得的偏振面在三维空间中旋转倾斜角度Tp，以使其与预先存储的基准偏振面重合，所述所获得的偏振面由从所述偏振光源发射的偏振光形成在所述立体图形上；利用以下使用了所述三个考虑对象面中的两个考虑对象面的照度值信息的数学式，生成所述移动体的姿势信息，

其中，是进入的偏振光的方向向量，s₁是对第一考虑对象面进行测定的照度值，(A₁,B₁,C₁)是以所述倾斜角度Tp进行旋转之后的第一考虑对象面的平面向量，s₂是对第二考虑对象面进行测定的照度值，(A₂,B₂,C₂)是以所述倾斜角度Tp进行旋转之后的第二考虑对象面的平面向量，所述θ是表示所述移动体的姿势信息的旋转角。

为了生成所述移动体的位置信息，所述解析部可以执行如下步骤：使所获得的偏振面在三维空间中旋转倾斜角度Tp，以使其与预先存储的基准偏振面重合，所述所获得的偏振面由从所述偏振光源发射的偏振光而形成在所述立体图形上；利用以下使用所述三个考虑对象面的照度值信息的数学式，生成所述移动体的位置信息，

其中，所述i分别与三个考虑对象面相对应而被指定为1、2或者3，所述k是预定的常数，(A_i,B_i,C_i)是所述三个考虑对象面各自的平面向量，(x,y,z)是将所述偏振光源的位置坐标指定为(0,0,0)时的所述移动体的位置信息，s_i是所述三个考虑对象面各自的照度值。

所述立体图形可以是附着在所述移动体上的有形的立体图形，或者是对附着有所述偏振模块的各个考虑对象面进行虚拟延伸而形成的虚拟的立体图形。

通过以下的附图、权利要求书以及具体实施方式，其它方面、特征、优点将会变得明确。

有益效果

根据本发明的实施例，能够利用偏振光(polarized light)特性精确地掌握三维空间中的移动体的姿势(例如，基于面对方向和倾斜角度的注视方向)和位置，能够根据所掌握的移动体的姿势提供基于位置的服务等各种附加服务。

附图说明

图1是概略示出本发明一实施例涉及的移动体信息识别装置的结构的方框结构图。

图2至图5是用于说明本发明一实施例涉及的移动体信息识别装置对三维空间中的姿势及位置进行识别的技术的图。

具体实施方式

本发明可以施加各种变更，可以具有各种实施例，下面通过附图例示出特定实施例，并在此进行详细说明。但是应理解为，这些并非旨在将本发明限定于特定的实施方式，而是包含本发明的思想以及技术范围内的所有变更、等同物乃至替代物。

当提及某一构成要素与另一构成要素“连接”或者“接合”时，应理解为，可以与那另一构成要素直接连接或者直接接合，但也可以在中间存在其它构成要素。相反地，当提及某一构成要素与另一构成要素“直接连接”或者“直接接合”时，应理解为，中间不存在其它构成要素。

在本说明书中所使用的术语只是用来说明特定的实施例，并非旨在限定本发明。除非文章中明确指出其它情况，否则单数的表述包括复数的表述。应理解为，在本说明书中“包括”或者“具有”等术语表示存在说明书中所记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、构件或者其组合，并不排除存在或增加一个以上的其它特征、数字、步骤、动作、构成要素、构件或者其组合的可能性。

第一、第二等术语可以用来说明各种构成要素，但所述构成要素不应被所述术语限定。所述术语只是用来区分一个构成要素与其它构成要素。

此外，说明书中记载的“……部”、“……单元”、“……模块”等术语表示处理至少一种功能或动作的单位，这些可以通过硬件、软件或软硬件结合来实现。

此外，参照各附图进行说明的实施例的构成要素并非仅限在相应实施例中适用，在保持本发明技术思想的范围内可以包含在其它实施例中，此外即使省略额外的说明，也当然可以由整合多个实施例的一个实施例来重新实现。

此外，在参照附图进行说明时，与图号无关，对于相同的构成要素赋予相同或相关的附图标记，并省略对此的重复说明。在对本发明进行说明时，如果认为对于相关公知技术的具体说明有可能不必要地混淆本发明的主旨，则省略其详细说明。

图1是概略示出本发明一实施例涉及的移动体信息识别装置的结构的方框结构图。图2至图5是用于说明本发明一实施例涉及的移动体信息识别装置对三维空间中的姿势及位置进行识别的技术的图。

参照图1，设置在移动体一侧的移动体信息识别装置可以包括识别单元100，所述识别单元100接收从偏振光源140照射的光，从而解析移动体信息，即移动体的姿势信息(例如，由XYZ轴构成的空间坐标系的三维空间中的旋转角信息)和三维空间中的位置信息。

例如，当移动体包含利用自身动力进行空间移动的功能时，虽然未图示，但是移动体当然可以进一步包括轮子、电机等构成要素。并且，移动体也可以形成为穿戴于人身上以便与人的移动同步移动的帽子、徽章等形式，此外，移动体的形式可以多种多样。

偏振光源140是照射偏振光(polarized light)的单元，可以包括偏振部和光源。

例如，偏振光源140可以由附着有偏振膜的光源体、偏光灯、设置有偏振滤光片的光源体等实现，可以将偏振光源140所具备的偏振部(即，为了进行偏振处理而具备的偏振膜等构件)称作“光源偏振部”，以便与后述的第一至第三偏振模块110a、110b、110c进行区分。此外，光源可以是配置在室内空间上侧的灯具。

此时，可以将光源偏振部设置成，形成符合预定方位(例如，作为正北方向的相位角0度方向)的透光轴，与此相关的信息还可以在移动体信息识别装置所具备的存储部(未图示)中进行存储以及管理。

识别单元100可以包括第一偏振模块110a、第二偏振模块110b、第三偏振模块110c、第一照度模块120a、第二照度模块120b、第三照度模块120c以及解析部130。虽然未图示，但识别单元100可以进一步包括存储部，用于存储移动体的姿势及位置信息的解析过程中所需的数据。

识别单元100可以形成或附着在移动体的一侧，以便识别移动体信息，即姿势信息和位置信息。只是，当将识别单元100设置在移动体的一侧时，自然是配置在能够接收来自偏振光源140的光的位置。

作为参考，应将本说明书中的术语“姿势”解释为，例如包括由XYZ轴构成的空间坐标系的三维空间中相应于旋转角信息的旋转状态的术语，识别单元100解析移动体沿着哪个方向旋转何种程度并且相对于垂直方向倾斜何种程度，从而能够识别出移动体正采取何种姿势。

图1例示了生成移动体姿势的相关信息的解析部130包含在识别单元100中的情形，但是解析部130也可以包含在通过通信网络连接于识别单元100的独立的装置中，在这种情况下，识别单元100会包括传输部，用于将通过第一至第三照度模块120a、120b、120c测定的照度值信息传输至包含有解析部130的装置。只是，与解析部130的位置无关，为了便于说明，本说明书中将包含第一至第三偏振模块110a、110b、110c以及第一至第三照度模块120a、120b、120c以及解析部130的结构称作识别单元100。

在本说明书中，当无需进行相互区分时，可以将第一至第三偏振模块110a、110b、110c统称为偏振模块110，且将第一至第三照度模块120a、120b、120c统称为照度模块120。

如图2所示，第一至第三偏振模块110a、110b、110c分别位于形成在三维空间中的立体图形的三个面上。各偏振模块110所在的立体图形可以是具有有形形状的立体图形，也可以是当延伸各偏振模块110所在的面时延伸面相互连接而形成的虚拟的立体图形。

只是，具有分别附着各偏振模块110的面(以下可称“考虑对象面”)的立体图形需要满足如下条件：第一，其位置以及角度需要使至少三个考虑对象面能够接收从偏振光源140照射的光；第二，分别附着用于提供解析部130的解析所需的照度值信息的偏振模块的三个考虑对象面的平面向量(area vector)需要具有独立性，即无法通过合成两个考虑对象面的平面向量得到其余一个考虑对象面的平面向量。

例如，如图2的(a)所例示，立体图形可以是以立方体上彼此不相邻的三个顶点为中心剪切的直角四面体，并且如图2的(b)所例示，可以在除底面之外的其余三个面(即考虑对象面F1、F2、F3)上分别附着一个偏振模块。

当然，即便附着偏振模块110的三个考虑对象面是物理上并不相邻的形状，但只要满足上述的立体图形的形成条件，立体图形就可以是虚拟的立体图形或者/以及具有其它形状的多面体结构。

此外，当然，分别附着偏振模块110的面可以是三个以上，并且将满足上述的立体图形形成条件的面中的三个面选定为考虑对象面，利用从与附着在所选定的三个面上的偏振模块110相应的照度模块120输入的照度值信息解析移动体信息。

如图2的(c)和(d)分别例示，附着在各个面上的偏振模块110可以包括多个偏振部，并且可以将各个偏振部的透光轴设置成0度、45度、90度、135度等不同的数值。此外对应于各偏振部的照度计包含在照度模块120中，以便生成基于透过各偏振部的光的照度值信息。

图2的(c)和(d)例示了偏振模块110所包含的多个偏振部的配置形式为1×4、2×2，但是偏振模块110所包含的偏振部的数量及其配置形式当然不限于此。

下面，参照图3说明利用透过照度模块120并被接收的光的移动体的姿势候选群选定过程。

图3的(a)示出了从偏振光源140照射的光的概念形状，即偏振面Fp。即，从光源照射的光沿着光源偏振部的透光轴偏振而发射。图3的(a)的表示光发射的方向向量，表示透过光源偏振部而偏振的光的振动方向，Fp表示包含和的平面即偏振面。

如图3的(b)所示，通过偏振光源140的光照射，虚拟的偏振面Fp形成在立体图形上。将通过偏振光源140的实质性光照射而形成的虚拟的偏振面称作所获得的偏振面Fp。

例如，当移动体位于偏振光源140的垂直下侧时，虚拟偏振面可以形成为垂直的形状，但是当移动体位于偏振光源的垂直下侧以外的位置时，虚拟偏振面可以形成为倾斜的形状，如图2的(b)所示。为了与所获得的偏振面进行对比，将当移动体位于偏振光源140的垂直下侧时形成的虚拟的偏振面称作基准偏振面Fp'。基准偏振面Fp'的相关信息可以在识别单元100所具备的存储部中预先存储并进行管理。

所获得的偏振面Fp与偏振模块110所在的立体图形上的任一面(假设是第一面即F1)相接而形成虚拟的线段，将该线段表示为交线向量其中，可以利用透过偏振模块110的光被照度模块120接收而生成的照度值信息，由解析部130识别虚拟的线段。

此时，如果考虑立体图形上偏振模块110分别所处的三个面，则所获得的偏振面与各个面相接的线即交线向量有至少两个或者最多三个，求其中两个交线向量的外积(outerproduct)，即可算出垂直于所获得的偏振面Fp的向量即所获得的法线向量这是因为，各个面相接的线即两个或三个交线向量存在于一个所获得的偏振面Fp上。当然，如果考虑的立体图形是直角四面体以外的形状，交线向量的获取数量就会有所不同。

此外，在存储部预先存储并管理基准偏振面Fp'的相关信息以及垂直于基准偏振面Fp的向量即基准法线向量因此解析部130能够算出通过上述过程算出的所获得的法线向量与基准法线向量之间的三维空间中的倾斜角度Tp，当使所获得的偏振面在三维空间中旋转倾斜角度Tp时，基准偏振面与所获得的偏振面彼此重合。

完成基准偏振面与所获得的偏振面的重合作业(即，以移动体位于偏振光源140的垂直下侧的情况为前提，完成用于解析移动体姿势的先行作业)后，可以选定用于生成移动体的姿势信息的姿势候选群。

这是因为，在将基准偏振面(其通过三维旋转与所获得的偏振面重合)识别为如图4所示的剪切立体图形的虚拟的切割面的状态下，以垂直于基准偏振面的基准法线向量为中心旋转移动体(即，由附着在移动体上的偏振模块110所确定的立体图形)时，会发生考虑对象即三个面上的交线向量的倾斜角度保持不变，但是移动体的姿势变化的现象，因此将三个面上的交线向量的倾斜角度保持不变的状态下移动体可具有的姿势信息特别指定为姿势候选群。

因此，需要以姿势候选群为对象，进一步判断移动体旋转多少角度，才能够确定移动体的姿势信息。

下面，简略说明解析部130以姿势候选群为对象确定移动体的姿势信息的过程。

首先，解析部130可以利用从照度模块120提供的照度值信息识别到达考虑对象面的光的量(照度值)，并且可以算出各考虑对象面之间的照度值之比。

因此，解析部130可以利用以基准法线向量为中心轴旋转旋转角θ的转换式即以下数学式1来获取移动体的姿势信息。

【数学式1】

在数学式1中，是进入的光的方向向量，s₁是第一考虑对象面的照度值，(A₁,B₁,C₁)表示以倾斜角度Tp进行旋转之后的第一考虑对象面的平面向量，s₂是第二考虑对象面的照度值，(A₂,B₂,C₂)表示以倾斜角度Tp进行旋转之后的第二考虑对象面的平面向量。例如，可以通过对包含在照度模块120中的各照度计的输出值求算术和、加权和、乘积等预定方式，由解析部130算出考虑对象面的照度值。

其中，s₁、s₂、(A₁,B₁,C₁)以及(A₂,B₂,C₂)是已知数，而只有旋转角θ是未知数，因此解析部130可利用数学式1算出旋转角θ，并且可以将算出的旋转角θ存储在存储部中，以作为旋转体的姿势信息。

此外，解析部130可以利用从照度模块120提供的照度值信息算出位置信息。下面参照图5简略说明位置信息算出过程。

当在上述的姿势信息解析过程中选择三个考虑对象面之后，如之前所述，可以将各考虑对象面的平面向量(A_i,B_i,C_i)表示为如以下数学式2所示的各平面的方程式。

【数学式2】

A_ix+B_iy+C_iz＝0

其中，i是用来特别指定各考虑对象面的因数，当考虑对象面为三个时，i可以是1、2或者3。

假设偏振光源140的位置为(0,0,0)，移动体的位置为(x,y,z)，则可以利用以下数学式3至6来确定移动体的位置。

此时，到达识别单元100的光的量和光源的位置关系由如以下三个要素构成：第一，偏振光源140与移动体之间的距离(即，f(d)，参照以下数学式3)；第二，各个考虑对象面相对于偏振光源140倾斜的角度(即，g(α)，参照以下数学式4)；第三，要求从偏振光源140以球状均匀地发射光(参照以下数学式5)。

【数学式3】

其中，k是预定的常数。

【数学式4】

【数学式5】

其中，数学式5用于设定如下前提：偏振光源140一直在天花板上，并且以半球状均匀地发射光。

可以通过上面的数学式3至5的乘法运算来运算偏振模块110的照度值s。

【数学式6】

对各考虑对象面导出通过数学式6表示的数学式。其中，s、k、(A_i,B_i,C_i)是已知数，而用于确定移动体位置的x、y、z是未知数。

然而，解析部130可以对利用通过数学式6表示的对于各考虑对象面的三个数学式的联立方程式进行运算，从而运算出三个未知数x、y、z，结果能够算出移动体的位置信息并存储在存储部中。

如之前所述，本实施例涉及的识别单元100的特征在于，能够接收从偏振光源140发射的光，从而运算出移动体信息，即移动体的姿势信息和位置信息。

当然，也可以通过内置或设置在数字处理装置上的程序等，以按照时间序列的自动化步骤形式执行上述的移动体信息识别方法。本领域的电脑程序员能够容易地推导出构成所述程序的代码以及代码段。此外，所述程序存储在数字处理装置可读的信息存储介质(computer readable media)中，通过数字处理装置进行读取并执行，从而实现所述方法。所述信息存储介质包括磁记录介质、光记录介质以及载波介质。

以上参照本发明的实施例进行了说明，本领域的普通技术人员能够在不脱离权利要求书中所记载的本发明的思想及领域的范围内，对本发明进行各种修改以及变更。

Claims (5)

1.一种移动体的三维姿势及位置识别装置，其特征在于，包括：

多个偏振模块，分别附着在立体图形的多个面上；

多个照度模块，分别对应于所述偏振模块，用于生成并输出从偏振光源发射且透过对应偏振模块后被接收的偏振光的照度值信息；以及

解析部，其利用从与附着在至少三个考虑对象面上的偏振模块相对应的照度模块接收的照度值信息，生成所述移动体的姿势信息和位置信息，

其中，在所述立体图形的多个面中选择的三个考虑对象面满足如下条件：位于从所述偏振光源发射的光照射的位置；无法通过合成两个考虑对象面的平面向量得到其余一个考虑对象面的平面向量。

2.根据权利要求1所述的移动体的三维姿势及位置识别装置，其特征在于，

所述多个偏振模块分别具备透光轴互为不同的多个偏振部。

3.根据权利要求1所述的移动体的三维姿势及位置识别装置，其特征在于，

为了生成所述移动体的姿势信息，所述解析部执行如下步骤：

使所获得的偏振面在三维空间中旋转倾斜角度(Tp)，以使所述所获得的偏振面与预先存储的基准偏振面重合，其中，所述所获得的偏振面由从所述偏振光源发射的偏振光而形成在所述立体图形上；

利用以下使用所述三个考虑对象面中的两个考虑对象面的照度值信息的数学式，生成所述移动体的姿势信息，

$\frac{\left[\begin{array}{c}{A}_1\cos \mathrm{\θ}-B_1\sin \mathrm{\θ}\\ B_1\cos \mathrm{\θ}+A_1\sin \mathrm{\θ}\\ C_1\end{array}\right]\·\stackrel{\→}{l}}{\left[\begin{array}{c}{A}_2\cos \mathrm{\θ}-B_2\sin \mathrm{\θ}\\ B_2\cos \mathrm{\θ}+A_2\sin \mathrm{\θ}\\ C_2\end{array}\right]\·\stackrel{\→}{l}}=\frac{s_1}{s_2}$

其中，是进入的偏振光的方向向量，s₁是对第一考虑对象面进行测定的照度值，(A₁,B₁,C₁)是以所述倾斜角度(Tp)进行旋转之后的第一考虑对象面的平面向量，s₂是对第二考虑对象面进行测定的照度值，(A₂,B₂,C₂)是以所述倾斜角度(Tp)进行旋转之后的第二考虑对象面的平面向量，所述θ是表示所述移动体的姿势信息的旋转角。

4.根据权利要求1所述的移动体的三维姿势及位置识别装置，其特征在于，

为了生成所述移动体的位置信息，所述解析部执行如下步骤：

使所获得的偏振面在三维空间中旋转倾斜角度(Tp)，以使所述所获得的偏振面与预先存储的基准偏振面重合，其中，所述所获得的偏振面由从所述偏振光源发射的偏振光而形成在所述立体图形上；

利用以下使用所述三个考虑对象面的照度值信息的数学式，生成所述移动体的位置信息，

$s_i=\frac{kz}{\sqrt{A_i^2+B_i^2+C_i^2}{(x^2+y^2+z^2)}^2}(A_{i}x+B_{i}y+C_{i}z)$

其中，所述i分别与三个考虑对象面相对应而被指定为1、2或者3，所述k是预定的常数，(A_i,B_i,C_i)是所述三个考虑对象面各自的平面向量，(x,y,z)是将所述偏振光源的位置坐标指定为(0,0,0)时的所述移动体的位置信息，s_i是所述三个考虑对象面各自的照度值。

5.根据权利要求1所述的移动体的三维姿势及位置识别装置，其特征在于，

所述立体图形是附着在所述移动体上的有形的立体图形，或者是对附着有所述偏振模块的各个考虑对象面进行虚拟延伸而形成的虚拟的立体图形。