CN109041207B - 基于bim技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统，包括：UWB信号发送模块；多个UWB信号接收基站；数据处理模块，其根据TDOA算法确定UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置；数据存储模块；多个摄像头，其均匀布置于施工隧道内；视频监控模块，其接收每一摄像头拍摄的视频信息；BIM模块，其预设施工隧道内部电子地图等，所述BIM将存储UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息转换为施工隧道内部电子地图上的位置坐标；虚拟现实或增强现实显示设备。本发明定位精度高、响应速度快，能够为虚拟现实和增强现实显示内容提供位置计算数据。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息领域。更具体地说，本发明涉及一种基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统。
背景技术
目前，隧道内施工的人员与物资定位一般采用RFID技术，这种方法是在隧道口处或其他一些关键通道口使用射频卡(RFID)读取的方法对隧道内的人员或者物资进行跟踪，这种方法存在有效工作时间短、定位精度低等弊端，无法满足隧道内高精度、高效率的精确定位要求，同时，低精度定位不适宜用来为虚拟现实和增强现实显示内容提供位置信息，这样就无法将BIM以及虚拟现实和增强现实技术很好运用到隧道施工工程中，既不利于施工方多部门协调工作又无法提高工作效率。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种定位精度高、响应速度快的基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统，包括：
UWB信号发送模块，其可固定于人员或物资上，用于向四周发送UWB信号；
多个UWB信号接收基站，其均匀布置于施工隧道内，每一UWB信号接收基站用于接收UWB信号发送模块发出的UWB信号；
数据处理模块，其分别与每一UWB信号接收基站通信连接，并根据TDOA算法确定UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置；
数据存储模块，其与所述数据处理模块通信连接，用于存储UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息；
多个摄像头，其均匀布置于施工隧道内；
视频监控模块，其分别与每一摄像头通信连接，以接收每一摄像头拍摄的视频信息；
BIM模块，其预设施工隧道内部电子地图、每一UWB信号接收基站的位置坐标以及每一摄像头位置坐标，所述BIM模块与所述数据存储模块通信连接以获取UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息，并将存储UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息转换为施工隧道内部电子地图上的位置坐标；
虚拟现实或增强现实显示设备，其与BIM模块及视频监控模块分别通信连接，所述虚拟现实或增强现实显示设备从BIM模块获取到UWB信号发送模块处于施工隧道内部电子地图上的位置坐标后，所述虚拟现实或增强现实显示设备再从视频监控模块调取UWB信号发送模块周围摄像头拍摄的视频信息。
优选的是，数据处理模块采用的TDOA算法为Chan算法、泰勒序列展开法、Fang算法中的一种。
优选的是，BIM模块内预设的施工隧道内部电子地图为通过GIS管理平台建立的三维实景模型电子地图。
优选的是，虚拟现实或增强现实显示设备对施工隧道内部的三维实景模型电子地图进行BIM轻量化处理。
优选的是，所述UWB信号接收基站的工作频段为3-10GHZ。
优选的是，数据处理模块采用的TDOA算法的过程如下：将接收到同一UWB信号的N个UWB信号接收基站按UWB信号接收时间从前至后的顺序进行分组，每三个UWB信号接收基站为一组，最后所剩UWB信号接收基站的数量不足一组时，按缺额取前一组UWB信号接收基站补足一组，在每组范围内采用Fang算法确定UWB信号发送模块相对每组中每一UWB信号接收基站的距离，再将接收到同一UWB信号的N个UWB信号接收基站建立统一坐标系，将每组确定的UWB信号发送模块位置均转换到统一坐标系中得M个UWB信号发送模块位置坐标，通过DBSCAN算法获取UWB信号发送模块出现位置最集中的T个UWB信号发送模块位置坐标并算出T个UWB信号发送模块位置坐标的均值即为最终确定的UWB信号发送模块位置坐标。
本发明至少包括以下有益效果：能够满足10cm高精度定位快速响应，能够为虚拟现实和增强现实显示内容提供位置计算数据；依托BIM技术实现在三维模型中实时显示UWB信号发送模块位置坐标；能够与视频监控模块联动，实现多摄像头接力跟踪携带UWB信号发送模块的人员或物质。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统，包括：
UWB信号发送模块，其可固定于人员或物资上，用于向四周发送UWB信号；
多个UWB信号接收基站，其均匀布置于施工隧道内，每一UWB信号接收基站用于接收UWB信号发送模块发出的UWB信号；
数据处理模块，其分别与每一UWB信号接收基站通信连接，并根据TDOA算法确定UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置，该N个UWB信号接收基站为接收到UWB信号的UWB信号接收基站，还有一部分UWB信号接收基站因为UWB信号的衰减而未收到UWB信号，TDOA算法包含多种，如Chan算法、泰勒序列展开法或Fang算法，这些算法都最终都需要将这N个接收到UWB信号的UWB信号接收基站的位置建立于同一坐标系内，故数据处理模块最终获得的UWB信号发送模块相对于这N个UWB信号接收基站的位置实际为UWB信号发送模块在包含N个接收到UWB信号的UWB信号接收基站位置的坐标系中的位置坐标；
数据存储模块，其与所述数据处理模块通信连接，用于存储UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息；
多个摄像头，其均匀布置于施工隧道内；
视频监控模块，其分别与每一摄像头通信连接，以接收每一摄像头拍摄的视频信息；
BIM模块，其预设施工隧道内部电子地图、每一UWB信号接收基站的位置坐标以及每一摄像头位置坐标，所述BIM模块与所述数据存储模块通信连接以获取UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息，并将存储UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息转换为施工隧道内部电子地图上的位置坐标；
虚拟现实或增强现实显示设备，其与BIM模块及视频监控模块分别通信连接，所述虚拟现实或增强现实显示设备从BIM模块获取到UWB信号发送模块处于施工隧道内部电子地图上的位置坐标后，所述虚拟现实或增强现实显示设备再从视频监控模块调取UWB信号发送模块周围摄像头拍摄的视频信息。
上述实施例在使用过程中，UWB信号发送模块向四周发送UWB信号，N个UWB信号接收基站接收到UWB信号，并记录下UWB信号接收时间，数据处理模块从这N个接收到UWB信号的UWB信号接收基站获取其中每一UWB信号接收基站记录下的UWB信号接收时间，根据TDOA算法确定UWB信号发送模块相对于这N个UWB信号接收基站的位置，数据存储模块再将UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息进行存储，由于BIM模块中预设施工隧道内部电子地图、每一UWB信号接收基站的位置坐标以及每一摄像头位置坐标，故BIM模块从数据存储模块获取到UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息后，需要通过坐标系转换将UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息转换成UWB信号发送模块在施工隧道内部电子地图上的位置坐标，而虚拟现实或增强现实显示设备从BIM模块获取到UWB信号发送模块处于施工隧道内部电子地图上的位置坐标后，再从视频监控模块调取UWB信号发送模块周围摄像头拍摄的视频信息，就可实现在施工隧道内部电子地图中实时显示UWB信号发送模块位置坐标，同时通过与视频监控模块联动，实现多摄像头接力跟踪携带UWB信号发送模块的人员或物质。由于UWB信号响应速度快，TDOA算法精确度高，能够满足10cm高精度快速定位要求，故能够为虚拟现实和增强现实显示内容提供位置计算数据。
在另一实施例中，数据处理模块采用的TDOA算法为Chan算法、泰勒序列展开法、Fang算法中的一种，该三种算法在满足适用条件的情况下定位精度都较高，故需要根据施工隧道内的具体地形环境选取一种合适的算法。
在另一实施例中，BIM模块内预设的施工隧道内部电子地图为通过GIS管理平台建立的三维实景模型电子地图，这样观察起来更加直观立体，同时使用建立的GIS管理平台三维实景模型电子地图也方便施工方各部门之间相互调取查看各自的施工进度，协同工作提高施工效率。
在另一实施例中，虚拟现实或增强现实显示设备对施工隧道内部的三维实景模型电子地图进行BIM轻量化处理，由于三维实景模型电子地图数据量庞大，使用起来计算机运行速度缓慢，经过BIM轻量化处理后能在虚拟现实或增强现实显示设备快速显示，节约时间，提高了施工效率。
在另一实施例中，所述UWB信号接收基站的工作频段为3-10GHZ，这样不会对其他通信频段产生干扰。
在另一实施例中，数据处理模块采用的TDOA算法的过程如下：将接收到同一UWB信号的N个UWB信号接收基站按UWB信号接收时间从前至后的顺序进行分组，每三个UWB信号接收基站为一组，最后所剩UWB信号接收基站的数量不足一组时，按缺额取前一组UWB信号接收基站补足一组，在每组范围内采用Fang算法确定UWB信号发送模块相对每组中每一UWB信号接收基站的距离，再将接收到同一UWB信号的N个UWB信号接收基站建立统一坐标系，将每组确定的UWB信号发送模块位置均转换到统一坐标系中得M个UWB信号发送模块位置坐标，通过DBSCAN算法获取UWB信号发送模块出现位置最集中的T个UWB信号发送模块位置坐标并算出T个UWB信号发送模块位置坐标的均值即为最终确定的UWB信号发送模块位置坐标。
由于现有的Fang算法只需利用三个UWB信号接收基站的相关信息，而UWB信号发送模块通常会与一个区域内的多个UWB信号接收基站进行通信，因此Fang算法无法充分利用到其他UWB信号接收基站的相关信息，定位精度受到影响。上述实施例通过将收到同一UWB信号的N个UWB信号接收基站进行分组，并通过Fang算法使每组确定出一个UWB信号发送模块相对位置，充分利用了到所有UWB信号接收基站的相关信息，再结合聚类算法中的DBSCAN算法，排除出现几率较小的UWB信号发送模块相对位置，进一步提高了UWB信号发送模块的位置精确度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (4)
1.一种基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统，其特征在于，包括：
UWB信号发送模块，其可固定于人员或物资上，用于向四周发送UWB信号；
多个UWB信号接收基站，其均匀布置于施工隧道内，每一UWB信号接收基站用于接收UWB信号发送模块发出的UWB信号；
数据处理模块，其分别与每一UWB信号接收基站通信连接，并根据TDOA算法确定UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置；
数据存储模块，其与所述数据处理模块通信连接，用于存储UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息；
多个摄像头，其均匀布置于施工隧道内；
视频监控模块，其分别与每一摄像头通信连接，以接收每一摄像头拍摄的视频信息；
BIM模块，其预设施工隧道内部电子地图、每一UWB信号接收基站的位置坐标以及每一摄像头位置坐标，所述BIM模块与所述数据存储模块通信连接以获取UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息，并将存储UWB信号发送模块相对于N个UWB信号接收基站的位置信息转换为施工隧道内部电子地图上的位置坐标；
虚拟现实或增强现实显示设备，其与BIM模块及视频监控模块分别通信连接，所述虚拟现实或增强现实显示设备从BIM模块获取到UWB信号发送模块处于施工隧道内部电子地图上的位置坐标后，所述虚拟现实或增强现实显示设备再从视频监控模块调取UWB信号发送模块周围摄像头拍摄的视频信息；
其中，数据处理模块采用的TDOA算法的过程如下：将接收到同一UWB信号的N个UWB信号接收基站按UWB信号接收时间从前至后的顺序进行分组，每三个UWB信号接收基站为一组，最后所剩UWB信号接收基站的数量不足一组时，按缺额取前一组UWB信号接收基站补足一组，在每组范围内采用Fang算法确定UWB信号发送模块相对每组中每一UWB信号接收基站的距离，再将接收到同一UWB信号的N个UWB信号接收基站建立统一坐标系，将每组确定的UWB信号发送模块位置均转换到统一坐标系中得M个UWB信号发送模块位置坐标，通过DBSCAN算法获取UWB信号发送模块出现位置最集中的T个UWB信号发送模块位置坐标并算出T个UWB信号发送模块位置坐标的均值即为最终确定的UWB信号发送模块位置坐标。
2.如权利要求1所述的基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统，其特征在于，BIM模块内预设的施工隧道内部电子地图为通过GIS管理平台建立的三维实景模型电子地图。
3.如权利要求2所述的基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统，其特征在于，虚拟现实或增强现实显示设备对施工隧道内部的三维实景模型电子地图进行BIM轻量化处理。
4.如权利要求1所述的基于BIM技术可用于虚拟现实和增强现实的精确定位系统，其特征在于，所述UWB信号接收基站的工作频段为3-10GHZ。
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