CN108709558B - 一种大尺寸厂房高精度定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大尺寸厂房高精度定位的方法，可有效解决大尺寸厂房高效、便捷、准确的高精度定位问题，方法是，在厂房的顶部布设圆形LED灯，在厂房的顶部按照间隔不大于5m一个靶标点和格网密度布置有数字编码信息的靶标点；每张相片至少拍摄到4个圆形LED灯靶标点，相邻相片重叠度为85%；对所拍摄的相片用计算机进行图像处理匹配，得到靶标点的三维坐标；对定位设备进行标定，计算出定位设备上相机与定位点的位置关系，由定位设备上的工业相机拍摄LED灯靶标点，计算出相机的位置与姿态，同时计算出定位设备终端的定位点，完成定位。本发明独立定位，不受外界干扰，定位精度高，传播不受距离限制、功耗小，覆盖范围大，不受环境光影响，场景要求低。

Description

一种大尺寸厂房高精度定位的方法

技术领域

本发明涉及建筑定位，特别是一种大尺寸厂房高精度定位的方法。

背景技术

自从以GPS为代表的定位技术出现以来，其高效、方便、快捷与准确使人们的生活出现了巨大的变化，带动了一批应用和服务的快速发展，但传统定位技术由于技术上的局限性，在室内环境的定位效果不尽理想或无法定位。因此，目前室内环境急需一种高效、便捷、准确的定位技术来填补空白，当前的定位技术主要依托临近信息、场景分析和几何定位三种方法展开。就应用范围来讲，定位技术的影响延伸到了包括军事、科技、生产车间以及人们普通生活在内的各个领域、而室内定位技术作为定位技术在室内环境的延续，弥补了传统定位技术的不足，有着良好的应用前景。

当前室内定位的几种方法及特点：

1、红外线(Infrared)定位技术。红外线定位通过室内的光学传感器接收到的红外线发射器发射出的特定红外线(Infrared Ray)后进行定位。在10m范围内定位精度可达到20—30cm，5m范围可达到厘米级精度。但红外线穿透性能较弱，障碍物的遮挡对信号衰减影响显著，已经很难适应复杂的室内环境无法穿透障碍物，一般应用在直线可视距离内传播，有效距离短，受室内布局和灯光影响较大，定位成本较高，实际应用方面存在一定的局限性。

2、超声波定位技术。超声波定位是采用反射式测量方法，根据发射超声波到参考节点响应回波的时间差计算与参考节点之间的距离，通过三角定位方法计算出待测目标的位置。当前已商业化应用于大型医院用于跟踪病人和医疗设备，精度达到房间级。超声波定位能在非可视距离下传播，定位精度较高且误差较小，但超声波信号传播衰减严重，定位范围很有限，设备成本高，适用于特定环境下的室内定位应用。

3、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)定位技术。射频识别定位技术利用射频信号进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。RFID室内定位系统一般由射频读写器、中间件、电子标签、以及计算机数据库组成，采用基于到达信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)的定位方式。典型的RFID系统有LANDMARC和SpotON。定位精度在1m左右。RFID技术传输范围大，成本很低，穿透能力与频段紧密相关，但作用距离短，最长只有几十米，射频信号不具备通信能力，只使用射频识别技术是不能进行室内定位的，必须与其他辅助技术相结合才能完成。

4、无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)定位技术。WLAN定位技术多采用RSSI和指纹匹配的方式对目标进行定位解算。定位精度大概在2m左右。该定位方式主要采取基于WIFI网络，经典的系统有RADAR和Horus等，无线局域网定位系统通信能力良好，基于WIFI的通信方式可方便集成到手机、平板等日常电子设备中，支持基于位置服务(Location Based Service,LBS)应用能力强，但信号易受其他射频信号干扰。

5、蓝牙(Bluetooth)定位技术。根据测量终端设备信号强度通过指纹定位算法进行定位。定位精度大概在2-3m，蓝牙定位技术安全性高、成本低、功耗低、设备体积小，目前大部分手机终端都自带蓝牙模块，容易大范围的普及和部署实施；但由于最初蓝牙的产生是服务于手机与耳机的连接，因而蓝牙信号的传播距离短且稳定性较弱，容易受到外部噪声干扰，使得该定位技术多用于小范围场景定位。

6、紫蜂协议(ZigBee)定位技术。是一种介于蓝牙技术和无线标识技术之间的低速率、低功耗、短距离的无线通信技术。通过在传感器网络中布置参考节点，移动节点构成系统，参考节点为静态节点，它们发送位置信息和RSSI值给移动待测节点，该节点将数据写入定位模块，分析计算得到自身位置。定位精度大概在2m左右。该技术具有非视距、低成本、体积小、易开发，硬件设备造价低廉，网络扩展性和可靠性高，设备功耗低且具有自组织性能，可用于恶劣环境下的定位网络布设；但其信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度和环境，因此算法复杂，定位软件成本较高。

7、超宽带(ultra wideband,UWB)定位技术。通过发送纳秒级或纳秒级以下的超窄脉冲来传输数据，可以获得GHz级的数据带宽，实现室内定位。一般由标签、阅读器、基站天线、同步分配器和定位软件组成。50m范围测距精度可达15cm，100m范围精度可达30cm，网状多天线三维定位精度可达到10cm，遇障碍物(如墙)精度明显下降。有着极大的带宽，其时间分辨率高、抗多径效应能力强，被认为是高速率短距离无线通信中具有很强竞争力的候选方案之一。UWB信号作为冲激脉冲信号，其时间分辨率精度能理论上达到厘米级甚至毫米级定位精度。但在实际应用和测试实验中，受外界因素的干扰和设备本身工艺的原因，当前UWB室内定位系统定位精度大致在分米级。

8、伪卫星定位技术。当前的伪卫星定位主要是伪卫星增强的应用，当GNSS导航卫星信号遮挡严重不能在该区域进行定位时，在地面建立固定的导航信号网络，发射小范围的导航卫星信号，实现地面静态或动态设备的定位。当前国外与GPS系统增强的伪卫星定位模式水平评估精度定为3m，国内在环境较好时与北斗系统增强的伪卫星定位模式实验水平精度和垂直精度可达1m左右。伪卫星安装位置固定，不必计算伪卫星星历；如果在室内应用，距离比导航卫星近很多，不考虑大气传播误差；重点有三个误差源：伪卫星组网形、时间同步和多路径效应；此外伪卫星增强系统时间与卫星系统时间同步问题需与相关或军方部门协调解决，会有一些麻烦。关键问题：对时间同步要求极高，设备昂贵；多路径效应影响严重，进行高精度定位难度较大。

9、视觉定位技术。利用周围若干个具有位置信息的参考点通过相机的拍摄，计算出相机位置的方法，达到定位目的，为了提高精度，通常还在流动定位设备中安装惯性传感器。定位精度可达厘米级。独立定位，不受外界干扰，定位精度高，可以不需要无线电传输，传播距离短、不能穿越障碍物、功耗小，参考点标签坐标生成价格便宜、易安装、保密性强，但参考点距离有一定限制(不能太近或太远)，这就要求参考点要有足够的密度并易识别。

由上述可知，上述定位技术都在不同程度存在这样或那样的问题，满足不了大尺寸厂房高精度定位的实际需要，因此，其改进和创新势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种大尺寸厂房高精度定位的方法，可有效解决大尺寸厂房高效、便捷、准确的高精度定位问题。

本发明解决的技术方案是，一种大尺寸厂房高精度定位的方法，包括以下步骤：

一、在大尺寸厂房的顶部，布设靶标点，并经测量获得靶标点的三维坐标数据，方法是：

1)、在厂房的顶部布设圆形LED灯，保证远距离拍摄时的亮度，在厂房的顶部按照间隔不大于5m一个靶标点和格网密度布置有数字编码信息的靶标点；

2)、在相机进行拍摄时，每张相片至少拍摄到4个圆形LED灯靶标点，利用这些靶标点实现不同相片间的拼接，相邻相片重叠度为85％；

3)、对所拍摄的相片用计算机进行图像处理匹配，利用光束法平差计算，得到靶标点的三维坐标；

二、对定位设备进行标定，计算出定位设备上相机与定位点的位置关系，方法是：

定位设备是由一台工业相机和定位接触点构成，对定位设备进行标定，定位设备的相机和定位接触点的相互位置关系是固定的，且满足当设备绕着定位接触点旋转时，旋转的形状是一个球形，将定位设备沿着正视和侧视角度，旋转8个角度，在每一个角度，计算出相机的位置，使用最小二乘拟合球的方法，计算出球点坐标，即是定位接触点的三维坐标，由计算机及其软件计算出定位接触点与相机的位置关系；

三、由定位设备上的工业相机拍摄LED灯靶标点，计算出相机的位置与姿态，同时计算出定位设备终端的定位点，完成定位。

由上述可以看出，本发明在厂房顶部布设靶标点，利用提前校准好三维位置信息的靶标点，通过摄影测量专用的定位相机进行拍摄，计算出定位相机的位置和角度，达到独立定位，不受外界干扰。定位精度可达毫米级，定位精度高。不需要无线电传输，传播不受距离限制、功耗小，覆盖范围大，靶标点布设简单、安全性强，并且不受环境光影响，对场景要求低，是大尺寸厂房定位方法上的创新，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明厂房顶部LED灯组成的三维点形状图。

具体实施方式

以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1给出，本发明一种大尺寸厂房高精度定位的方法，是在厂房顶部布设靶标点，并获取靶标点三维数据，用定位相机对靶标点进行拍摄，利用相机拍摄点，由计算机及其软件计算得到相机位置和角度，从而得到定位数据(信息)，实现大尺寸厂房高精度定位，具体包括以下步骤：

一、在大尺寸厂房的顶部布设靶标点，并获取靶标点的三维坐标数据，方法是：

1)、在30m×30m×30m的厂房的顶部布设50个圆形LED灯，作为靶标点，相邻靶标点之间的距离≤5m，并同时在厂房的顶部布设16个编码靶标，所述的编码靶标是自身带有数字编码信息的靶标点的LED灯，使每张相片至少拍摄到4个圆形LED灯靶标点，利用这些靶标点可以实现不同相片间的拼接；

2)、用摄影测量工业相机(如郑州辰维科技的CIM2相机)对布设的LED灯靶标点进行拍摄测量，拍摄时按照相邻相片85％重叠度设计进行拍摄，由于一张相片不可能将所有标志点拍摄下来，故要确保相邻相片间要有4个以上的相同靶标点；

3)、对所拍摄的相片由计算机及其软件进行图像处理，包括靶标点中心提取与定位，编码标志识别、相机定向(确定相片的近似外方位元素的过程)、同名像点自动匹配(匹配就是寻求物方点在不同相片上的相应像点，自动匹配过程就是在计算过程中不需要人工干预，通过计算机及其软件实现自动在不同相片上寻找同名像点的过程和光束法平差计算，得到靶标点的三维坐标，即得到厂房顶部布设的LED灯的数据三维点；

所述的光束法平差：光束法平差是以每条空间光线为一单元，利用三点共线条件列出误差方程式，所谓三点共线条件，即是指在摄影时，测量点、相应像点和相机中心点在同一条直线之上；

由共线条件出发，对每个像点可以列出下列关系公式：

其中：x,y是像点坐标，f是摄影焦距，a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3是旋转矩阵的9个参数，Xs,Ys,Zs是摄站点的物方空间坐标，X,Y,Z是物方点的物方空间坐标；

对上式进行线性化，得光束法平差的误差方程式：

其中：

x,y是像点坐标，

表示用近似参数计算的像点坐标v_x,v_y是像点坐标的改正数，

是像点坐标x分别对摄站点的物方空间坐标，旋转角和物方点的物方空间坐标进行求偏导；

是像点坐标y分别对摄站点的物方空间坐标，旋转角和物方点的物方空间坐标进行求偏导；ΔX_s,ΔY_s,ΔZ_s是摄站点的物方空间坐标的改正数，Δω,

Δκ是旋转角的改正数，ΔX,ΔY,ΔZ是物方点的物方空间坐标改正数；

二、对定位设备进行标定，计算出定位设备上相机与定位点的位置关系，方法是：

1)、定位设备是由定位接触点及放置在定位接触点上的工业相机构成，定位设备尺寸为300mm×100mm×50mm，定位的是工业相机，要将两个位置的转换关系进行提前标定；

所述的定位设备的标定，定位设备的相机和定位接触点的相互位置关系是固定的，并且满足当设备绕着定位接触点旋转时，旋转的形状是一个球形，定位设备的标定，就是基于定位接触点，将定位设备沿着正视和侧视角度，旋转8个角度，在每一个角度，计算出相机的位置，使用最小二乘拟合球的方法，计算出球点坐标既是定位接触点的三维坐标，最终计算出定位接触点与相机的位置关系；

最小二乘拟合球：最小二乘拟合球是使用最小二乘的算法，利用球面点的三维坐标，将球心和球半径计算出来；

由球公式出发，对每个球面点可以列出下列关系公式：

E_i(x0,y0,z0,r)＝(x_i-x0)²+(y_i-y0)²+(z_i-z0)²-r² 式(3)

其中：

Ei是每一点拟合后估计的值与实际值的差值，xi,yi,zi是球面点的三维坐标，下标i是每个点的序号，x0,y0,z0是球心的三维坐标，r是球的半径；

对上式进行组建误差方程式，进行求解即可得到球心坐标和球半径；

2)、定位设备的标定：定位设备的相机和定位接触点的相互位置关系是固定的，并且满足当设备绕着定位接触点旋转时，旋转的形状是一个球形，定位设备的标定，就是基于定位接触点，将定位设备沿着正视和侧视角度，旋转8个角度，在每一个角度，计算出相机的位置，使用最小二乘拟合球的方法，由计算机计算出球点坐标，即定位接触点的三维坐标，再计算出定位接触点与相机的位置关系；

最小二乘拟合球：最小二乘拟合球是使用最小二乘的算法，利用球面点的三维坐标，将球心和球半径计算出来，由球公式出发，对每个球面点可以列出下列关系公式：

E_i(x0,y0,z0,r)＝(x_i-x0)²+(y_i-y0)²+(z_i-z0)²-r² 式(5)

其中：Ei是每一点拟合后估计的值与实际值的差值，xi,yi,zi是球面点的三维坐标，下标i是每个点的序号，x0,y0,z0是球心的三维坐标，r是球的半径；

对上式进行构建拟合球的误差方程式，进行求解即可得球心坐标和球半径；

拟合球的误差方程式：

A＝2*x0

B＝2*y0

C＝2*z0

D＝x0²+y0²+z0²-r²

其中：V是关于球心坐标和球半径的函数，表示误差的平方和，求出满足这个函数最小的值，即可求出球心坐标和球半径，xi,yi,zi是球面点的三维坐标，下标i是每个点的序号，N表示点的数量，x0,y0,z0是球心的三维坐标，r是球的半径；

三、由定位设备上的工业相机拍摄LED灯靶标点，由计算机及其软件计算出相机的位置与姿态，同时计算出定位设备终端的定位点，具体是：

利用相机拍摄到厂房顶部的50个LED灯靶标点，进行空间后方交会，从而计算得到相机的位置和姿态；空间后方交会的原理是：已知三维坐标的摄影标志，用相机拍摄这些摄影标志；在得到的图像中，提取出摄影标志二维像点坐标，再通过共线条件方程，将相机的位置和姿态求解出来的过程，从而实现对大尺寸厂房的高精度定位；

共线条件方程：

其中

x,y是像点坐标，

f是摄影焦距，

a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3是旋转矩阵的9个参数，

Xs,Ys,Zs是摄站点的物方空间坐标，

X,Y,Z是物方点的物方空间坐标。

本发明经实地实验和应用，效果非常好，如采用本发明方法对某大飞机制造厂房，厂房尺寸为30m×30m×30m，在厂房内通过高精度定位，来实现装配过程指导：

首先按照发明步骤一在厂房的顶部，按照布设原则，布设50个LED灯的靶标点和16个编码点。利用郑州辰维科技的摄影测量工业相机CIM2，将这些点的三维坐标测量出来；

按照发明步骤二，将定位设备的相机与定位接触点的位置关系标定出来；

根据发明步骤三，在将定位设备上的定位接触点对准被定位目标时，控制相机拍摄厂房顶部的LED灯，计算出定位点的三维坐标；

将定位点坐标与设计值进行比对，计算出偏差，纠正定位点的位置，实现厂房内的工件精准装配，大尺寸厂房内的定位精度可以达到1mm，定位时间为实时定位，快速准确，大大提高了大尺寸厂房内的操作效率和定位精度，帮助大尺寸厂房内，实现毫米级的精准装配，提高服务效率，并经类似的多处大尺寸厂房采用本发明方法进行精确定位，均取得了相同或相近似的结果，这里不再一一列举，实际证明，本发明方法易操作，工作效率高，精确度可达到1mm，实现大尺寸厂房内毫米级的精准定位，与现有技术相比，具有以出突出的优点：

1、定位范围大；

常见室内定位技术的范围都很小。对于大尺寸的厂房定位，都有局限性。本方法可以定位目前所有大尺寸厂房。不受范围限制。

2、抗干扰能力强；

由于厂房内一般金属较多，信号衰减较一般场地更严重，本方法不存在信号衰减问题，且几乎不受外界电磁干扰，抗干扰能力强。

3、精度高；

当前可用于工业级的室内定位方法主要是红外线定位、UWB定位以及视觉定位方法，其中红外定位和UWB定位可靠精度均大于10cm，现行技术方法相比较，视觉定位精度达到5cm左右，而工业摄影测量定位的精度可以提高到1mm左右。

4、可靠性高；

由于厂房内环境复杂，室内定位方法极易受到影响，而本方法可靠性高，不受外界环境的影响。

5、能耗和成本低；

当前，大部分定位技术均需要在环境中安装辅助节点用于测距、返回位置信息等，要提高精度和稳定性，就必须安装大量的辅助节点，这就大幅增加了成本和能耗，相比较而言，摄影测量靶标点建设简单，费用低。

6、安全隐私问题；

目前的室内定位技术中伪卫星定位属于被动式独立定位(即被动接收信号，可以独立完成定位)，视觉定位是主动式独立定位，这两种定位方式不发射无线电信号，其它定位方式均是通过主动发射定位无线电信号或与基站建立无线通讯联系进行定位的，这样就易被其它部门或组织利用，留下难以预测的隐患。而本方法中，不涉及到信号，只是利用工业相机拍摄靶标点，数据都在系统内部，不存在安全隐私泄露的问题，经济和社会效益巨大。

Claims (1)

1.一种大尺寸厂房高精度定位的方法，其特征在于，在厂房顶部布设靶标点，并获取靶标点三维数据，用定位相机对靶标点进行拍摄，利用相机拍摄点，由计算机及其软件计算得到相机位置和角度，从而得到定位数据，实现大尺寸厂房高精度定位，具体包括以下步骤：

一、在大尺寸厂房的顶部布设靶标点，并获取靶标点的三维坐标数据，方法是：

1)、在30m×30m×30m的厂房的顶部布设50个圆形LED灯，作为靶标点，相邻靶标点之间的距离≤5m，并同时在厂房的顶部布设16个编码靶标，所述的编码靶标是自身带有数字编码信息的靶标点的LED灯，使每张相片至少拍摄到4个圆形LED灯靶标点，利用这些靶标点可以实现不同相片间的拼接；

2)、用摄影测量工业相机对布设的LED灯靶标点进行拍摄测量，拍摄时按照相邻相片85％重叠度设计进行拍摄，由于一张相片不可能将所有靶标点拍摄下来，故要确保相邻相片间要有4个以上的相同靶标点；

3)、对所拍摄的相片由计算机及其软件进行图像处理，包括靶标点中心提取与定位，编码标志识别、相机定向、同名像点自动匹配，匹配就是寻求物方点在不同相片上的相应像点，自动匹配过程就是在计算过程中不需要人工干预，通过计算机及其软件实现自动在不同相片上寻找同名像点的过程和光束法平差计算，得到靶标点的三维坐标，即得到厂房顶部布设的LED灯的数据三维点；

所述的光束法平差：光束法平差是以每条空间光线为一单元，利用三点共线条件列出误差方程式，所谓三点共线条件，即是指在摄影时，测量点、相应像点和相机中心点在同一条直线之上；

由共线条件出发，对每个像点可以列出下列关系公式：

其中：x,y是像点坐标，f是摄影焦距，a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3是旋转矩阵的9个参数，Xs,Ys,Zs是摄站点的物方空间坐标，X,Y,Z是物方点的物方空间坐标；

对上式进行线性化，得光束法平差的误差方程式：

其中：

x,y是像点坐标，

表示用近似参数计算的像点坐标v_x,v_y是像点坐标的改正数，

是像点坐标x分别对摄站点的物方空间坐标，旋转角和物方点的物方空间坐标进行求偏导；

是像点坐标y分别对摄站点的物方空间坐标，旋转角和物方点的物方空间坐标进行求偏导；

ΔX_s,ΔY_s,ΔZ_s是摄站点的物方空间坐标的改正数，Δω,

Δκ是旋转角的改正数，ΔX,ΔY,ΔZ是物方点的物方空间坐标改正数；

二、对定位设备进行标定，计算出定位设备上相机与定位接触点的位置关系，方法是：

1)、定位设备是由定位接触点及放置在定位接触点上的工业相机构成，定位设备尺寸为300mm×100mm×50mm，定位的是工业相机，要将两个位置的转换关系进行提前标定；

所述的定位设备的标定，定位设备的相机和定位接触点的相互位置关系是固定的，并且满足当设备绕着定位接触点旋转时，旋转的形状是一个球形，定位设备的标定，就是基于定位接触点，将定位设备沿着正视和侧视角度，旋转8个角度，在每一个角度，计算出相机的位置，使用最小二乘拟合球的方法，计算出球点坐标即是定位接触点的三维坐标，最终计算出定位接触点与相机的位置关系；

最小二乘拟合球：最小二乘拟合球是使用最小二乘的算法，利用球面点的三维坐标，将球心和球半径计算出来；

由球公式出发，对每个球面点可以列出下列关系公式：

E_i(x0,y0,z0,r)＝(x_i-x0)²+(y_i-y0)²+(z_i-z0)²-r² 式(3)

其中：

Ei是每一点拟合后估计的值与实际值的差值，xi,yi,zi是球面点的三维坐标，下标i是每个点的序号，x0,y0,z0是球心的三维坐标，r是球的半径；

对上式进行组建误差方程式，进行求解即可得到球心坐标和球半径；

2)、定位设备的标定：定位设备的相机和定位接触点的相互位置关系是固定的，并且满足当设备绕着定位接触点旋转时，旋转的形状是一个球形，定位设备的标定，就是基于定位接触点，将定位设备沿着正视和侧视角度，旋转8个角度，在每一个角度，计算出相机的位置，使用最小二乘拟合球的方法，由计算机计算出球点坐标，即定位接触点的三维坐标，再计算出定位接触点与相机的位置关系；

三、由定位设备上的工业相机拍摄LED灯靶标点，由计算机及其软件计算出相机的位置与姿态，同时计算出定位设备终端的定位点，具体是：

利用相机拍摄到厂房顶部的50个LED灯靶标点，进行空间后方交会，从而计算得到相机的位置和姿态；空间后方交会的原理是：已知三维坐标的摄影标志，用相机拍摄这些摄影标志；在得到的图像中，提取出摄影标志二维像点坐标，再通过共线条件方程将相机的位置和姿态求解出来的过程，从而实现对大尺寸厂房的高精度定位。

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