CN111965630A - 一种空间定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间定位系统，所述系统包括观察单元和一个或一组立体灯塔单元，其中每个立体灯塔单元包含分布在一个基准平面上的呈平行四边形分布的四个坐标参照点和一个悬空于所述基准平面上的方向参照点；所述观察单元包括一个摄像头以及信号处理部件；信号处理部件根据所述立体灯塔单元的所述坐标参照点和方向参照点在所述摄像头中的成像坐标计算得出观察单元相对于所述立体灯塔单元的三维坐标和姿态角度。本发明的优点如下：利用单摄像头和简单的立体灯塔实现空间定位，成本低；可以同时实现空间坐标和姿态角度的计算，且精度较高；可以自然实现多个移动终端的区分跟踪；能够实现快速运动物体的姿态计算。

Description

一种空间定位系统
技术领域：
本发明涉及一种空间定位系统，特别是一种利用简化的视觉处理和空间几何关系进行空间坐标和姿态计算的空间定位系统。
背景技术：
在物联网和虚拟现实(VR)应用中，常常需要用到空间定位，即实时计算出有关实体的空间坐标和姿态角度。例如机器人在房间中的位置和前进方向，以及VR手柄、头盔的位置和指向。目前较为成熟的技术有：基于射频信号处理的定位、双目摄像头定位、基于激光扫描的定位等。其中，基于射频信号处理的的定位技术，其定位精度较低，且可能不稳定；双目摄像头定位系统，由于要进行双路图像处理，系统较复杂，成本较高，且存在较大盲区；此外，以上基于射频信号处理的的定位技术和双目摄像头定位技术都无法进行姿态计算。基于激光扫描的技术，较典型的有“HTC VIVE”VR设备，其采用机械方式驱动扇面激光束进行扫描，通过多个激光束的扫描，可以计算出光敏接收点的空间坐标，根据多个光敏接收点的坐标也可以得出设备的姿态角；但是这类产品需要多个激光束快速扫描，扫描同步难度较高，产品成本较高，姿态计算精度较低。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种低成本、易实现，且定位精度高、能够实现精确姿态检测的空间定位系统。
本发明的技术方案如下：
本发明的思路是：引入一种立体的灯塔单元，每个立体灯塔单元包含分布在一个基准平面上的四个呈平行四边形分布的坐标参照点和一个悬空于所述基准平面间的方向参照点；同时引入一个观察单元，它包含一个摄像头和一个信号处理部件，摄像头捕捉所述立体灯塔单元的图像，信号处理部件分析取得所述立体灯塔的坐标参照点和方向参照点在所述观察单元的摄像头中的成像坐标，计算得出观察单元相对于立体灯塔的三维坐标和姿态角度。所述参照点是指具有明显特征、易于被机器识别和精确定位的特征点，如球状物体或几何交点及端点。
出于运算的简化和优化的目的，所述基准平面上的四个坐标参照点呈矩形分布。所述方向参照点位于形成矩形的基准平面的中心点的垂直上方。
本技术方案的算法原理是：将立体灯塔单元的基准平面称为XY平面，而摄像头成像平面称为UV平面，则XY平面的点与UV平面上的点有一一映射关系。假设成像系统是线性的，则应用经典几何学知识，可以根据四个坐标参照点在XY平面上的坐标和它们在UV平面上的对应点(成像点)的坐标，得到一个映射关系，根据这个映射关系，可以计算出任意XY平面上的点在UV平面上的坐标；同理，也可以计算出任意UV平面上的点对应的XY平面上的坐标。由此可以根据所述方向参照点在UV平面上的坐标，计算出其在XY平面上的坐标，即立体灯塔的方向参照点在其基准平面上的投影位置。而观察单元(的摄像头的镜头)必然在方向参照点与其投影位置的连线上。同时，根据成像原理，也完全可以根据所述四个坐标参照点的成像坐标，以及摄像头的镜头焦距，计算出方向参照点在基准平面上的垂直投影点与摄像头镜头之间的距离参数。进一步，根据上述两个结果，完全可以计算出观察单元相对于立体灯塔的空间坐标。根据类似的几何方法，也可以计算出观察单元(摄像头)相对于立体灯塔的姿态角度。
为了区分各参照点和区分不同的立体灯塔，可以在所述基准面上增加一个标识点。
为了简化图像处理、提高精度、降低误识别，所述的特征点(所述坐标参照点和方向参照点以及标识点)可以是单色小球，也可以是红外发光小球，也可以是可见光发光小球，即照明灯泡。
为了增加所述观察单元的角度覆盖范围，摄像头连接有云台机构，用于动态跟踪所述立体灯塔。
为了补偿瞬间图像丢失或机械误差造成的坐标、姿态角度的丢失和误差，在所述观察单元内还设置有惯性传感器。
一种空间定位系统的定位方法，即所述摄像头的三维坐标和姿态角度的计算方法包括：
(1)根据基准平面上的坐标参照点和方向参照点的位置关系特征，得到各个物点与像点之间的对应关系，即坐标参照点和方向参照点在摄像头成像平面上的各自成像点的对应关系；
(2)根据坐标参照点的坐标和其成像坐标的映射关系，取得基准平面和摄像头成像平面上任意点坐标的映射关系；
(3)参照映射关系，根据方向参照点在摄像头成像平面上的成像坐标，计算出方向参照点在基准平面上的投影点的坐标位置；
(4)计算所述投影点与方向参照点的连线，即摄像头所在的空间直线的参数；
(5)根据四个坐标参照点的坐标和成像坐标以及摄像头焦距参数，计算方向参照点在基准平面上的垂直投影点与摄像头镜头的距离参数；
(6)根据上述步骤(4)和步骤(5)的结果，计算所述摄像头相对于立体灯塔单元的中心点的空间坐标和姿态角度。
关于上述步骤(2)，下面做出解释说明。
本发明方法的算法实现的最关键部分是两平面上点的映射关系的获得。下面对计算的基本原理和可行性做一个说明。不失一般性，假设四个坐标参照点A、B、C、D在XY平面呈平行四边形分布，如图1所示，其在UV平面线性成像的点为a、b、c、d，如图2所示。则根据线性关系，平行四边形ABDC的对角线交点O在UV平面上的对应点必然为四边形abdc的对角线交点o，由此得出O点在UV平面的映射点。进一步，取M为线段AB的中点，m为其UV平面中对应的点，则由于ABDC为平行四边形，直线MO必然平行于两边AC和BD，根据射影几何学(Projective Geometry)，在UV平面中，MO的对应直线mo必然与直线ac、bd相交于一点t，由此可以在UV平面中计算直线to与ab的交点得到点m的坐标。同样假设N为线段AC的中点，则可以计算的到其在UV平面中对应的点n，这样，平行四边形AMON的中心点，即对角线交点O1必然映射于四边形amon的对角线交点o1，由此可以得到O1点的映射点。同样也可以得到另三个象限的中心点的映射点。同理递推下去，可以得到任意点的无限接近点的映射点。
而在实际系统中，特别是当平行四边形ABDC为矩形时，完全可以设计出简洁高效的算法。
本发明的空间定位系统具有低成本、易实现，且定位精度高、能够实现精确姿态检测的优点，其具体的有益效果如下：
(1)利用单摄像头和简单的立体灯塔实现空间定位，成本低；
(2)可以同时实现空间坐标和姿态角度的计算，且精度较高；
(3)可以自然实现多个移动终端的区分跟踪；
(4)能够实现快速运动物体的姿态计算。
附图说明
图1是坐标参照点A、B、C、D在XY平面呈平行四边形分布示意图；
其中，A～D：四个坐标参照点；O是四边形ABDC对角线交点；M是线段AB的中点；N是线段AC的中点；O1是四边形AMON对角线交点；
图2是图1中的坐标参照点A、B、C、D在UV平面线性成像的点为a、b、c、d时示意图；
其中，a～d：坐标参照点的成像点；o是四边形abdc对角线交点；m是M在UV平面上对应的点；t是直线ac和直线bd延伸交叉点；n是N在UV平面上对应的点；o1是四边形amon的对角线交点；
图3为本发明实施例1的一种空间定位系统的立体灯塔。
其中，A～D：四个坐标参照点；P：方向参照点；S：从观察单元方向看的方向参照点在基准平面的投影点；I：标识点；L：观察单元摄像头所在的直线；
图4为本发明实施例1的一种空间定位系统的立体灯塔的各特征点在观察单元的摄像头中的一个成像图。
其中，a～d：坐标参照点的成像点；p：方向参照点的成像点；i：标识点的成像点。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：本发明的一个实施例是一种用于游戏的6DOF手柄的空间定位系统。
图3为实施例1的一种空间定位系统的立体灯塔，它固定放置在使用者前方，特别是一个大尺寸的显示器上方，其中A、B、C、D为坐标参照点，他们是直径10mm的散光球体，内置红外LED，处于同一个平面(基准面XY)，且处于一个边长为50cm的正方形(一种特殊的矩形)的四角；方向参照点P为同样的球体，它在所述正方形的中心点的垂直上方，距离基准面20cm。在本实施例中，标识点I为同样的球体，处于A和B的连线上(标识点I在基准面XY上，易于区分并且不影响其它特征点的分辨即可)。观察单元为手柄，摄像头设置于手柄前端。摄像头光路内设置有相应于红外LED波长的带通滤光片，采用无畸变的镜头。摄像头的传感器采用全局快门的图像传感器MT9V034，它可以避免手柄转动时的成像拖影效应。摄像头连接一个信号处理电路板，电路板的核心器件是一个ARM Cortex-M4内核的MCU。摄像头的视场角约60度。定位数据通过无线方式发送到主机。
当使用者手握手柄在立体灯塔前方适当的距离和角度的范围内活动时，摄像头能够始终覆盖立体灯塔，并且方向参照点P始终处于A、B、C、D四点构成的四边形内部，不会形成重叠。在某时刻立体灯塔的各发光球体在摄像头传感器上成像如图4所示。其中，a、b、c、d分别为坐标参照点A、B、C、D的成像点，p为方向参照点P的成像点，i为标识点I的成像点。
手柄的空间坐标的计算包括以下几个步骤：
(1)根据各点之间的位置关系特征(例如i点必然在a-b连线上，p接近中心)得到各个物点与像点之间的对应关系；
(2)根据A-a,B-b,C-c,D-c的坐标映射关系，取得XY平面和UV平面上任意点坐标的映射关系；
(3)根据映射关系，由p在UV平面上的坐标，计算出p点在XY平面上的对应点S(P的投影点)的坐标；
(4)计算S与P的连线，即摄像头所在的空间直线L的参数；
(5)根据A、B、C、D和a、b、c、d的坐标，以及摄像头焦距参数，计算取得方向参照点P在基准平面上的垂直投影点与摄像头镜头的距离参数；
(6)根据上述步骤(4)和步骤(5)的结果，计算手柄摄像头镜头中心点相对于立体灯塔中心点(本实施例中即为方向参照点P在基准平面上的垂直投影点)的空间坐标。在上述结果的基础上，可以更容易地计算出手柄的姿态角度。
实验证明，本实施例在普通室内环境下，坐标定位精度达到毫米级水平，姿态角度误差在1度以内，远远优于现有产品。并且，理论上，加大立体灯塔的尺度还可以进一步有效提高精度。需要说明的是，增加P点与基准面之间的距离，可以等比例地提高直线L的计算精度，也就可以相应提高侧向坐标的计算精度，但为了避免P点与其它点的重叠，观察单元的侧向活动范围需要减小。
为了增大使用角度范围，作为一种改进，可以引入多个上述立体灯塔，放置于不同方位，并且每个灯塔预先定标，每个灯塔的标识点处于A-B之间的分割位置不同，以区分不同灯塔。这样，只要观察单元能够捕捉到任意立体灯塔，都可以得到其观察单元的空间坐标和姿态角度，这样就可以增加手柄的有效范围。
作为一种改进，在手柄中引入电机驱动的云台结构，摄像头安装到云台机构上，由处理电路根据立体灯塔的位置驱动云台电机，动态跟踪所述立体灯塔。这样同样可以在摄像头视场角较小的情况下也能大范围转动手柄而不会丢失立体灯塔，从而非常有利于提高定位精度，也大大增加手柄的有效范围。在此情况下，姿态角的计算应当加入云台转动角的因素。
作为进一步改进，可以在观察单元中引入惯性传感器并连接信号处理部件，通过适当算法融合处理，可以补偿由于瞬时误差或灯塔丢失造成的数据偏差或丢失。
实施例2：本发明的第二个实施例是一种室内机器人定位装置。本实施例中，立体灯塔的各特征点(坐标参照点、方向参照点、标识点)由照明用的灯泡替代，安装于房间顶部，机器人上方设置有观察单元，这样立体灯塔除了用于机器人定位，也能兼作照明，具有更强的实用性。
以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间定位系统，其特征在于，所述系统包括观察单元和一个或一组立体灯塔单元，其中每个立体灯塔单元包含分布在一个基准平面上的呈平行四边形分布的四个坐标参照点和一个悬空于所述基准平面上的方向参照点；所述观察单元包括一个摄像头以及信号处理部件；信号处理部件根据所述立体灯塔单元的所述坐标参照点和方向参照点在所述摄像头中的成像坐标，最终计算得出观察单元相对于所述立体灯塔单元的三维坐标和姿态角度。
2.根据权利要求1所述的一种空间定位系统，其特征在于，所述基准平面上的四个坐标参照点呈矩形分布。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间定位系统，其特征在于，所述方向参照点位于基准平面的中心点的垂直上方。
4.根据权利要求1或2所述的一种空间定位系统，其特征在于，在所述基准面上还有一个标识点，用于区分不同的参照点和区分不同的立体灯塔单元。
5.根据权利要求4所述的一种空间定位系统，其特征在于，所述坐标参照点和方向参照点以及标识点是单色小球、红外发光小球或可见光灯泡中的任意一种。
6.根据权利要求1或2所述的一种空间定位系统，其特征在于，所述摄像头连接有云台机构，用于动态跟踪所述立体灯塔单元。
7.根据权利要求1或2所述的一种空间定位系统，其特征在于，在所述观察单元内还设置有惯性传感器连到信号处理部件，用于补偿瞬间图像丢失或机械误差造成的坐标或姿态角度的丢失和误差。
8.一种空间定位系统的定位方法，其特征在于，即所述摄像头的三维坐标和姿态角度的计算方法包括：
(1)根据基准平面上的坐标参照点和方向参照点的位置关系特征，得到各个物点与像点之间的对应关系，即坐标参照点和方向参照点在摄像头成像平面上的各自成像点的对应关系；
(2)根据坐标参照点的坐标和其成像坐标的映射关系，取得基准平面和摄像头成像平面上任意点坐标的映射关系；
(3)参照映射关系，根据方向参照点在摄像头成像平面上的成像坐标，计算出方向参照点在基准平面上的投影点的坐标位置；
(4)计算所述投影点与方向参照点的连线，即摄像头所在的空间直线的参数；
(5)根据四个坐标参照点的坐标和成像坐标以及摄像头焦距参数，计算出方向参照点在基准平面的垂直投影点与摄像头镜头的距离参数；
(6)根据上述步骤(4)和步骤(5)的结果，计算所述摄像头相对于立体灯塔单元的空间坐标和姿态角度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据这个映射关系，可计算出任意基准平面上的点在摄像头成像平面上的坐标；同理也可计算出任意摄像头成像平面上的点对应的基准平面上的坐标。
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