CN108196225B - 一种融合编码信息的三维空间定位方法及系统 - Google Patents

一种融合编码信息的三维空间定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种融合编码信息的三维空间定位方法及系统。在定位激光旋转扫射的过程中，由发射端在所发射的激光中附加编码信息；接收端对激光进行解码，获得编码信息，利用编码信息完成三维空间定位过程。本发明可以直接利用定位激光中携带的编码信息，实现时间同步或者工作状态预警。在这个过程中，由于时间信息或者工作状态预警信息已经在定位激光的解码过程中获得，不再需要传统激光定位技术中必不可少的同步装置，从而使三维空间定位系统得到有效精简，实施成本明显降低。

Description

一种融合编码信息的三维空间定位方法及系统
技术领域
本发明涉及一种融合编码信息的三维空间定位方法，同时也涉及相应的三维空间定位系统，属于无线定位技术领域。
背景技术
随着智能家居、工业机器人、计算机辅助医疗以及VR/AR(虚拟现实/增强现实)的蓬勃兴起，越来越多的应用场景需要高精度、低成本的三维空间定位技术。目前，实现三维空间精确定位有多种技术实现方案，例如SLAM(即时定位与地图构建)、激光定位、激光+超声定位等。
在VR/AR领域中，HTC、Oculus和索尼等业内巨头都提供了基于激光、单目视觉和双目视觉的三维空间定位方案。在目前的技术方案中，虽然已经实现了较高的定位精度，但是成本一直居高不下。如何在保持现有定位精度不降低甚至还要进一步增加的情况下，提供更低成本的三维空间定位方案，仍然是目前业内巨头们正在努力工作的方向。
目前，三维空间定位广泛使用激光定位技术实现。激光定位技术具有成本较低、定位精度较高、可分布式处理等优势，而且几乎没有延迟，不怕遮挡。但是，现有的激光定位技术都需要在激光发射端和激光接收端设置同步装置。该同步装置通过激光信号、射频信号或者LED阵列光进行时间同步。例如，在公开号为CN106093863A的中国专利申请中，公开了一种采用激光扫描的目标定位方法及激光接收装置。其中，在激光旋转扫描装置中设置了同步装置，用于发射同步信号；激光接收装置接收同步装置发射的同步信号，进行时间同步。由此可以看出，此类激光定位技术在实施时，用于同步激光发射端与激光接收端时间的同步装置是必不可少的。这在无形中增加了激光定位技术的实施成本。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种融合编码信息的三维空间定位方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种融合编码信息的三维空间定位系统。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种融合编码信息的三维空间定位方法，包括如下步骤：
在激光旋转扫射的过程中，由发射端在所发射的激光中附加编码信息；
接收端对所述激光进行解码，获得所述编码信息，利用所述编码信息完成三维空间定位过程。
其中较优地，所述编码信息为时间信息、发射端的电量信息、发射端的电机稳定性信息中的任意一种。
其中较优地，所述编码信息为时间信息时，所述接收端通过解码获得所述激光中附加的时间信息，实现所述发射端与所述接收端的时间同步。
其中较优地，所述时间信息的编码长度由所需的定位精度和定位范围确定。
其中较优地，所述编码信息为发射端的电量信息时，当所述接收端接收到电量信息确认电量为正常值时，进行三维空间定位计算；当所述接收端确认电量为不正常值时，发出定位计算错误的预警。
其中较优地，所述编码信息为电机稳定性信息时，当所述接收端接收到电机的稳定性信息确认数据为正常值时，进行三维空间定位计算；当所述接收端确认数据为不正常值时，发出定位计算错误的预警。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种融合编码信息的三维空间定位系统，包括一个测距信号发射器以及两个旋转激光平面发射器，其中：
在所述旋转激光平面发射器发射的激光旋转扫射的过程中，在所发射的激光中附加编码信息；
待定位设备对所述激光进行解码，获得所述编码信息，利用所述编码信息完成三维空间定位过程。
其中较优地，所述旋转激光平面发射器包括激光发射器、电机、反射镜以及发射栅，在所述激光发射器中设置编码器，用于在所发射的激光中附加所述时间信息；
所述待定位设备包括光电管，在所述光电管中设置解码器，用于对附加所述时间信息的激光进行解码，实现所述旋转激光平面发射器与所述待定位设备的时间同步。
其中较优地，所述编码器和所述解码器采用软件或者固件方式实现。
与现有技术相比较，本发明所提供的三维空间定位方法及系统可以直接利用定位激光中携带的编码信息，实现时间同步或者工作状态预警。在这个过程中，由于时间信息或者工作状态预警信息已经在定位激光的解码过程中获得，不再需要传统激光定位技术中必不可少的同步装置，从而使三维空间定位系统得到有效精简，实施成本明显降低。
附图说明
图1为现有技术中，一个典型的激光定位系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中，编码脉冲及解码脉冲的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案展开详细具体的说明。
本发明的基本技术思想在于在激光定位技术中使用的定位激光中携带编码信息。在本发明实施例中，该编码信息优选为时间信息，当然也可以根据实际需要换成其它信息，例如发射端的电量信息、发射端的电机稳定性信息等。携带有编码信息的激光在本发明中简称为编码激光。这种编码激光在三维空间定位的过程中可以发挥一些特殊作用。例如当编码信息为时间信息时，由于用于定位的激光中携带了时间信息，因此在根据激光信号进行三维空间定位的过程中，可以直接利用激光中携带的编码信息获得相应的时间信息，从而实现整个三维空间定位系统的时间同步。在这个过程中，由于时间信息已经在定位激光的解码过程中获得，因此不再需要传统激光定位技术中必不可少的同步装置，从而使三维空间定位系统得到有效精简，实施成本明显降低。
图1为一个典型的激光定位系统的结构示意图。在该激光定位系统中，包括一个测距信号发射器以及两个旋转激光平面发射器。每个旋转激光平面发射器包括一个激光发射器、一个电机、一个反射镜以及一个发射栅。其中，测距信号发射器可以为超声波发射器、红外光发射器或者激光发射器中的任意一种。
如图1所示，其中一个旋转激光平面发射器包括激光发射器12a、电机13a、反射镜14a以及发射栅15a；另一个旋转激光平面发射器包括激光发射器12b、电机13b、反射镜(图中未示)以及发射栅15b。两个旋转激光平面发射器的电机(如电机13a、电机13b)的转轴相互垂直，测距信号发射器10位于两个电机的转轴所确定平面的垂直线上(实践中也可以在其它位置，例如以垂直线的交点为球心的预定范围内等)。图1中的虚线代表激光束。
下面以包括激光发射器12a、电机13a、反射镜14a以及发射栅15a的旋转激光平面发射器为例，反射镜14a设置在电机13a的转轴位置，反射镜14a为一个直角等腰三角形，发射栅15a设置在反射镜14a斜面对应的位置，电机13a上的反射镜14a接收激光发射器12a发出的激光后，通过镜面反射，将如图1中所示的垂直激光，转换为水平激光，并将水平激光反射至发射栅15a，发射栅15a为光栅，发射栅15a将该水平激光转换为激光平面，即，水平激光通过发射栅15a后，形成激光平面；电机13a带动反射镜14a和发射栅15a旋转，由于在旋转过程中，发射栅15a仍可以将水平激光转换为激光平面，从而形成以电机的转轴为旋转轴的旋转激光平面信号。
在上述实施例中，两个相互正交的旋转激光平面发射器分别发射激光，两束旋转激光分别绕两个相互垂直的中心转轴以固定速度(例如60转/秒)匀速旋转，因此其旋转角度与时间成正比。在激光旋转扫射的过程中，将发射端的编码信息(包括但不限于时间信息、发射端的电量信息、发射端的电机稳定性信息)编码到激光中，接收端(即待定位设备，例如头戴式显示设备、手柄或者头显定位器，上面通常具有用于接收激光信号的光电管和用于接收超声信号的超声波接收器)在定位过程中可以同时获得相应的编码信息。针对编码信息的不同类型，分别进行如下处理：
当编码信息为发射端的电量信息时，具体地说，可以在一定的时间周期内，例如旋转激光平面发射器旋转一周的起始位置发送发射端的电量信息给接收端，当接收端接收到电量信息确认其电量为正常值时，进行正常的定位计算，当确认其电量为不正常值时，例如小于20％的额定电量，则发出预警，警示发射端可能因为电量不足，激光强度不够而造成定位计算错误。
当编码信息为发射端的电机稳定性信息时，具体地说，可以在一定的时间周期内，例如旋转激光平面发射器旋转一周的起始位置发送发射端的电机稳定性信息给接收端，当接收端接收到电机的稳定性信息确认其数据为正常值时，进行正常的定位计算，当确认其数据为不正常值时，例如数据波动超过阈值，则发出预警，警示发射端可能因为电机的稳定性信息不达标，而造成定位计算错误。
当编码信息为时间信息时，具体地说，假设两个旋转激光平面发射器的电机匀速旋转，因此激光转动到不同的角度对应的时间是固定的。例如：某束激光自0°开始旋转，此时设为t0，当激光旋转到10°的时刻为t1，当激光旋转到20°的时刻为t2，当激光旋转到30°的时刻为t3。这样，将其对应的时间信息编码到激光中，在预定的旋转角度(10°、20°、30°……)发射到接收端；接收端在对应的旋转角度接收到编码激光后，将接收到的编码信息进行解码，得到对应某个旋转角度的时间信息(在其它实施例中，也可以通过时间信息得到旋转角度)，进而根据解码后的时间信息对接收端的自身时间进行校准。这样，接收端解码得到的时间信息与接收端所处的旋转角度是唯一对应的，可以用来实现三维空间定位过程中的时间同步。另一方面，接收端可以根据接收到的超声信号的时间差计算出距离信息。根据两个空间相交角度和一个距离信息可以唯一确定出三维空间中的一点坐标。下面,通过一个具体计算例予以详细的说明。
在图1所示的激光定位系统示例中，两个旋转激光平面发射器相互正交，相应的测距信号发射器为超声波发生器。假设要求在距离旋转激光平面发射器5米的位置定位精度达到2mm，则2mm对应的角度约为0.0229°，定位范围为120°，则需将该120°分为约5235份，即定位范围内的角度0°到120°需要使用13位的二进制数表示。
本发明实施例通过如下步骤实现三维空间定位，具体说明如下：
步骤1：当接收端检测到发射端绕着第一旋转轴旋转发送的第一旋转激光平面信号以及绕着第二旋转轴旋转发送的第二旋转激光平面信号时，根据发射端发送第一旋转激光平面信号的第一参考信号、发送第二旋转激光平面信号的第二参考时刻、接收端检测到第一旋转激光平面信号的第一时刻、检测到第二旋转激光平面信号的第二时刻，确定第一旋转角度以及第二旋转角度；
其中，第一旋转角度为第一时刻第一旋转激光平面信号相对于第一旋转轴和第二旋转轴所确定平面的角度，第二旋转角度为第二时刻第二旋转激光平面信号相对于第一旋转轴和第二旋转轴所确定平面的角度。
其中，第一参考时刻为发射端发送第一旋转激光平面信号的时刻，在第一参考时刻，第一旋转激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第一参考角度；第二参考时刻为发射端发送第二旋转激光平面信号的时刻，在第二参考时刻，第二旋转激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第二参考角度。
在上述步骤1的实施过程中，需要通过同步发射端和接收端的基准时刻，确保发射端和接收端的时钟同步，以确保后续进行的计算基于相同的基准，从而提高三维坐标计算的准确性。为此，假设电机转速为60转/秒，则电机带动激光转过0.0229°的时间约为1.061us，所以发射端需要使用这1.062us的时间将13位的二进制时间信息进行编码并传送到接收端。
在本发明的一个实施例中，假设用于定位的激光为红外光，因此可以采用类似NEC的编码协议对时间信息进行编码。在此需要说明的是，在本发明中可以采用多种方式实现编码激光，并不限于上述实施例中所说的NEC协议，例如还可以采用RC5、RC6等其它的编码协议。如图2所示，其中的高脉冲代表编码‘1’，非高脉冲代表编码‘0’。图2中的第一行脉冲信号为编码脉冲，第二行脉冲信号为接收端的解码脉冲。第一行的第一个脉冲为一个编码信息的帧头，当接收端检测到这个帧头后开启解码，在第二行脉冲信号的每个上升沿检测接收到的脉冲信号的电平，则下面这个编码脉冲表示的二进制数为‘1101101000111’。需要说明的是，以上实施例中所使用的数据参数为特定要求下的设置，这些参数可以根据实际要求进行相应的修改。
在一些变形例中，本步骤可以进一步包括：
根据发射端发送第一旋转激光平面信号的第一参考时刻以及接收端检测到第一旋转激光平面信号的第一时刻，确定第一时刻与第一参考时刻之间的关系，根据第一时刻与第一参考时刻之间的关系以及第一参考时刻对应的第一参考角度，确定第一旋转角度；
根据发射端发送第二旋转激光平面信号的第二参考时刻以及接收端检测到第二旋转激光平面信号的第二时刻，确定第二时刻与第二参考时刻之间的关系，根据第二时刻与第二参考时刻之间的关系以及第二参考时刻对应的第二参考角度，确定第二旋转角度。
其中，第一参考角度可以等于第二参考角度。本发明对此并不限定。
需要说明的是，第一旋转轴与第二旋转轴所确定的平面包括以下情况：当第一旋转轴与第二旋转轴能够在一个平面内相交时，第一旋转轴与第二旋转轴所确定的平面即为第一旋转轴与第二旋转轴唯一确定的平面；当第一旋转轴与第二旋转轴不能在一个平面内相交时，第一旋转轴与第二旋转轴所确定的平面指第一旋转轴与第二旋转轴确定的一对平行平面。
其中，在第一旋转轴与第二旋转轴所确定的唯一平面或一对平行平面中，第一旋转轴与第二旋转轴之间的夹角为预设角度。在图1所示的实施例中，第一旋转轴与第二旋转轴相互垂直。但需要强调的是，实施本发明中的三维空间定位并不要求上述预设角度为90°，事实上该预设角度可以由使用者根据需要预先任意设置。
步骤2：根据发射端发送测距信号的第三参考时刻以及接收端检测到测距信号的第三时刻，确定接收端与发射端之间的距离。
其中，步骤2可以进一步包括：根据发射端发送测距信号的第三参考时刻以及接收端检测到测距信号的第三时刻，确定测距信号从发射端到接收端的传输时长，根据传输时长以及测距信号在空气中的传输速度，确定接收端与发射端之间的距离。
在图1所示的实施例中，测距信号为超声波。然而，本发明对此并不进行限定。在其他变形例中，测距信号也可以为红外光或者激光。
步骤3：根据第一旋转角度、第二旋转角度以及发射端与接收端之间的距离，确定接收端在三维空间坐标系中的三维坐标。
其中，当三维空间坐标系为笛卡尔坐标系，以第一旋转轴为X轴，以第二旋转轴为Y轴时，可以根据下式求解得到接收端在该三维空间坐标系中的三维坐标：
X0 2+Y0 2+Z0 2＝L2
Y0×tanα＝X0×tanβ＝Z0
其中，(X0，Y0，Z0)表示接收端在三维空间坐标系中的三维坐标，L为接收端与发射端之间的距离，α为第一旋转角度，β为第二旋转角度。
关于上述三维空间定位方法的进一步说明，可以参阅本申请人的在先专利申请CN201610917518.0，在此就不赘述了。
在上述融合编码信息的三维空间定位方法的基础上，本发明进一步提供了一种融合编码信息的三维空间定位系统。该系统包括一个测距信号发射器以及两个旋转激光平面发射器，其中每个旋转激光平面发射器可以包括一个激光发射器、一个电机、一个反射镜以及一个发射栅。在每个旋转激光平面发射器内，反射镜和发射栅设置在电机上，反射镜位于激光发射器的激光束发射路径上，发射栅位于反射镜反射的激光束路径上，将激光束转换为旋转激光平面。测距信号发射器可以为超声波发射器、红外光发射器或者激光发射器中的任意一种。上述测距信号发射器以及两个旋转激光平面发射器的具体连接方式及工作原理可以参阅图1所示的实施例，在此就不赘述了。
在上述三维空间定位系统中，可以在激光发射器上设置编码器，以便在所发射的激光中附加编码信息。这里的编码信息优选为时间信息，但也可以根据实际需要包括其它信息，例如发射端的电量信息、发射端的电机稳定性信息等。待定位设备上面通常具有用于接收激光信号的光电管和用于接收超声信号的超声波接收器，其中的光电管中设置解码器，用于对编码激光中附加的编码信息进行解码。需要说明的是，上述编码器和解码器均可以采用软件或者固件方式实现，并由通用的CPU(中央处理器)执行相应的编/解码运算任务。这样可以进一步降低整个三维空间定位系统的实施成本。
与现有技术相比较，本发明所提供的三维空间定位方法及系统可以直接利用定位激光中携带的编码信息，实现时间同步或者工作状态预警。在这个过程中，由于时间信息或者工作状态预警信息已经在定位激光的解码过程中获得，不再需要传统激光定位技术中必不可少的同步装置，从而使三维空间定位系统得到有效精简，实施成本明显降低。
以上对本发明所提供的融合编码信息的三维空间定位方法及系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种融合编码信息的三维空间定位方法，其特征在于：
在激光旋转扫射的过程中，由发射端在所发射的激光中附加编码信息；所述编码信息为时间信息、发射端的电量信息、发射端的电机稳定性信息中的任意一种；
接收端对所述激光进行解码，获得所述编码信息，利用所述编码信息完成三维空间定位过程；其中，所述编码信息为时间信息时，对应某个旋转角度，用来实现三维空间定位过程中的时间同步。
2.如权利要求1所述的三维空间定位方法，其特征在于：
所述时间信息的编码长度由所需的定位精度和定位范围确定。
3.如权利要求1所述的三维空间定位方法，其特征在于：
所述编码信息为发射端的电量信息时，当所述接收端接收到电量信息确认电量为正常值时，进行三维空间定位计算；当所述接收端确认电量为不正常值时，发出定位计算错误的预警。
4.如权利要求1所述的三维空间定位方法，其特征在于：
所述编码信息为电机稳定性信息时，当所述接收端接收到电机的稳定性信息确认数据为正常值时，进行三维空间定位计算；当所述接收端确认数据为不正常值时，发出定位计算错误的预警。
5.一种融合编码信息的三维空间定位系统，包括一个测距信号发射器以及两个旋转激光平面发射器，其特征在于：在所述旋转激光平面发射器发射的激光旋转扫射的过程中，在所发射的激光中附加编码信息；所述编码信息为时间信息、发射端的电量信息、发射端的电机稳定性信息中的任意一种；
待定位设备对所述激光进行解码，获得所述编码信息，利用所述编码信息完成三维空间定位过程；其中，所述编码信息为时间信息时，对应某个旋转角度，用来实现三维空间定位过程中的时间同步。
6.如权利要求5所述的三维空间定位系统，其特征在于：
所述时间信息的编码长度由所需的定位精度和定位范围确定。
7.如权利要求5所述的三维空间定位系统，其特征在于：
所述旋转激光平面发射器包括激光发射器、电机、反射镜以及发射栅，在所述激光发射器中设置编码器，用于在所发射的激光中附加所述时间信息；
所述待定位设备包括光电管，在所述光电管中设置解码器，用于对附加所述时间信息的激光进行解码，实现所述旋转激光平面发射器与所述待定位设备的时间同步。
8.如权利要求7所述的三维空间定位系统，其特征在于：
所述编码器和所述解码器采用软件或者固件方式实现。
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