CN114136306A - 一种可拓展的基于uwb和摄像头的相对定位的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位的设备，所述设备包括：安装在本体上的UWB模块、CAMERA模块、发光模块以及计算单元，其中所述UWB模块用于测量与至少另一个相邻设备的UWB模块之间的绝对距离测量信息；所述CAMERA模块用于测量所述至少另一个设备的绝对角度测量信息；并且所述计算单元实时采集所述UWB模块获得的绝对距离测量信息以及所述CAMERA模块获得的绝对角度测量信息，并且配置成根据所述绝对距离测量信息以及绝对距离测量信息获得所述至少另一个相邻设备的距离和方位信息。本发明还公开了一种利用上述设备进行相对定位的方法。

Description

一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种相对定位的设备，更具体地说，是一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位的设备，以及相对定位该设备的方法。
背景技术
相对定位在多机器人系统以及多智能体系统中非常重要，比如多个无人车之间感知相邻无人车在自身坐标系的位置，同样可以用于多个机器人、手持设备、无人机、VR/AR设备等系统中。获取相对位置信息对于导航、避障、规划都具有很重要的帮助，比如自主跟随、集群协作、虚拟现实等。
当前获得相对方位的方案可以分为两种，从全局到相对的方法以及直接相对观测的方法。全局到局部的方法需要相关设备首先具有全局的坐标，即具有统一坐标系下的位姿，然后通过对比全局坐标得到相对方位，比如GPS、基于多基站的方法以及多机器人协作SLAM等。全局GPS、WIFI信号指纹、以及多基站(如UWB，RFID，Bluetooth)等方案通常需要较多的准备工作，预先建立基站或采集数据，使用范围严格受限于预定区域，控制中心通过全局基站计算出个体的位置然后得到个体之间的相对方位。机器人领域使用的SLAM也可以实现从全局到相对的相对方位观测。SLAM实时定位与建图方案通过同时估计环境中的特征以及自身的运动信息，实现精确的自身状态估计以及环境地图，多个机器人之间可以通过共享地图以及机器人间的闭环检测，获得统一的地图以及每个机器人的位置，由此计算出相对方位。此类方案都依赖于一个控制中心、预建的设施或者个体需要较大的计算量，均没有对相对方位的直接测量，不适合大规模机器人系统的快速部署应用。
相对方位信息包括距离信息和相对夹角信息。距离的直接测量通常有依赖激光的反射波、依赖超声波的反射波、以及无线电波的发送和接收。激光测距需要发射指向性非常强的激光并接收反射光实现距离的测量，超声波测距方法类似。这种方法对指向性的高要求使得难以在移动机器人领域应用。无线电波通过发射和接受电磁波进行距离测量，通常采用来回收发配合TOF实现对距离的测量，UWB通过发送与接收超短的宽频脉冲波，采用TOF方法实现了节点之间的距离测量，然而仍然无法直接实现对相对角度的观测。
最新的Bluetooth 5.1技术通过定制特殊的阵列天线可以实现对信号到达角的观测，然而能实现的精度有限，且缺少对距离的观测。
在多机器人应用或相关的定位应用中，不存在可以对机器人之间相对方位实现直接观测的方法。SLAM方法要求较高的计算资源且成本昂贵，基于多基站等基础设施的方案需要额外的设备部署工作，不适合移动机器人的应用。当用于相对位姿估计时，以上两种方法均通过得到全局坐标后解算出相对位置，导致无用算力消耗以及时间延迟较大，且系统无法扩展。
UWB单点测距可以获得厘米级别的精度，但是无法轻易获得相对方位信息。蓝牙5.1新技术可以获得信号到达角，但是精度有限且需要特制天线。激光测距可以得到高精度的距离测量，但是要求指向性很强的光束，也不适合移动机器人上的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可拓展的相对定位技术，能够使设备更为快速方便的相对定位且定位精度高。
为了达成上述目的，本发明提供一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位的设备，其特征在于，所述设备包括：安装在本体上的UWB模块、CAMERA模块、发光模块以及计算单元，其中所述UWB模块用于测量与至少另一个相邻设备的UWB模块之间的绝对距离测量信息；所述CAMERA模块用于测量所述至少另一个设备的绝对角度测量信息；并且所述计算单元实时采集所述UWB模块获得的绝对距离测量信息以及所述CAMERA模块获得的绝对角度测量信息，并且配置成根据所述绝对距离测量信息以及绝对距离测量信息获得所述至少另一个相邻设备的距离和方位信息。
进一步地，所述发光模块为LED模块。
进一步地，所述计算单元配置成实时控制所述发光模块发射编码了所述设备的ID信息的编码光。
进一步地，所述设备的CAMERA模块配置成能捕捉所述至少另一个相邻设备的发光模块的编码光，通过编码对比识别出所述至少另一个相邻设备的ID信息，获得所述至少另一个相邻设备在所述设备的像素平面上的像素坐标位置，并且根据相机模型得出所述至少另一个相邻设备在所述设备的相机坐标系中的方向信息。
进一步地，所述方向信息包括偏航角和俯仰角。
进一步地，所述发光模块安装在所述CAMERA模块的FOV范围内，所述CAMERA模块的FOV为180°以上。
进一步地，所述CAMERA模块在所述本体的前后侧面分别配置两个FOV大于180°的摄像头。
本发明还提供一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位多个上述设备的方法，其特征在于：其中一个设备的UWB模块测量与至少另一个相邻设备的UWB之间的绝对距离测量信息，所述设备的CAMERA模块测量所述至少另一个设备的绝对角度测量信息，并且所述设备的所述计算单元实时采集所述UWB模块获得的绝对距离测量信息以及所述CAMERA模块获得的绝对角度测量信息，并且根据所述绝对距离测量信息以及绝对距离测量信息获得所述至少另一个相邻设备的距离和方位信息。
进一步地，所述计算单元实时控制所述发光模块发射编码了所述设备的ID信息的编码光。
进一步地，所述设备的CAMERA模块捕捉所述至少另一个相邻设备的发光模块的编码光，通过编码对比识别出所述至少另一个相邻设备的ID信息，获得所述至少另一个相邻设备在所述设备的像素平面上的像素坐标位置，并且根据相机模型得出所述至少另一个相邻设备在所述设备的相机坐标系中的方向信息。
进一步地，当一个设备周围出现有多个模块时，由于每个LED模块的发光编码是唯一的，所以该设备可以有效的从图片序列中定位出视野中的不同模块。
有益效果
本发明利用单个设备的UWB模块测量绝对距离测量信息以及基于摄像头的绝对角度测量信息，实现了一种可拓展的相对测量方法，通过做成相对测量模块或者集成在其它系统中，可以实现多机器人系统及多机系统的协同定位。
在社会应用上，本发明可以用于室内定位以及室外定位多种场景，每个模块都可以准确确定相邻设备的空间位置，因而可以用于工厂、医院、养老院、监狱等场景中的电子标签定位，可以快速部署在运动场、展台等无法不宜另外安装外置设施的场景，还可以集成在VR/AR设备中，使得多个使用者可以在虚拟环境中获得对应现实相对方位的信息，具有很大的经济价值。同时，本发明可以充分的用于多机器人系统定位中，系统不依赖于GPS，可以提供可靠的相对方位测量，提高系统的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明中具有四个模块连接框图；
图2为本发明中两个设备在工作过程中的交互方式示意图；
图3为本发明实施例一中两个设备的相对位置示意图；
图4为本发明中实施例一中A模块的摄像头平面示意图；
图5为本发明实施例二中配置两个FOV大于180°的摄像头的结构示意图；
图6为本发明实施例二中可以实现360°球型视野，实现全向邻居模块的定位效果示意图；
图7为本发明实施例三中采用内置板载天线的UWB模块的装置的结构示意图；
图8为本发明实施例四中的效果示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
本发明的一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位方法，包括具有UWB(UltraWide Band，超宽带)模块2、CAMERA(摄像头)模块3、发光(例如LED)模块4以及计算单元1的设备(如图1所示)。每个具有该四个模块的设备通过UWB模块2的绝对距离测量信息以及基于CAMERA模块3的绝对角度测量信息可以获得在UWB模块2通讯范围，或在CAMERA模块3及LED模块4的感知范围内的相邻模块的距离和方位信息。
工作过程中，计算单元1时刻采集UWB模块2以及CAMERA模块3的数据，并且时刻控制自身的LED模块4发射编码了自己ID信息的结构光。
如图2所示，表达了两个设备在工作过程中的交互方式，A设备的UWB模块与B设备的UWB模块之间通过不断地距离测量，得到厘米级精度的距离信息，设备A与设备B均知道其间的距离信息。同时，设备之间的CAMERA模块会捕捉到相邻模块的LED模块光亮状态，通过编码对比可以识别出相邻模块，然后根据LED模块信息在像素平面的像素位置以及相机模型得出相邻模块在自身相机坐标系中的方向信息。比如A设备的CAMERA模块可以捕捉到B设备LED模块的编码光，然后通过对图片的处理分析，可以在图片上找到B设备的位置，然后通过相机模型解算出B设备在A设备相机模块的相对方向。融合UWB模块得到的相对距离，可以得到设备之间相对方位，即设备A可以准确的知道设备B在其坐标系的位置，同理设备B也可知道设备A在其坐标系中的位置。
当一个设备周围出现有多个模块时，由于每个LED模块的发光编码是唯一的，所以该设备可以有效地从图片序列中定位出视野中的不同模块，因而实现同时识别多个相邻设备的功能，然后融合UWB模块的距离信息，可以高效的得到所有相邻设备的相对方位，实现可拓展的相对方位测量方案。
实施例一
如图3所示，具有两个设备，A设备5和B设备6。每个设备都包括本体，上述UWB模块2、CAMERA模块3、发光模块4和计算单元1安装在本体上。UWB模块2为在本体上侧伸出的UWB天线，CAMERA模块3为安装在本体一侧的摄像头，发光模块4为安装在CAMERA模块3的FOV范围内的LED模块。
下面以A设备5为对象来分析B设备6在A坐标系中的方位。A设备5与B设备6的UWB测距模块可以测得O_A到O_B的距离d。A设备5的摄像头平面如图4所示，B设备6处于A的视角之内，在A摄像头平面的坐标为(u,v)，通过像素坐标(u,v)以及相机模型可以得到B设备6在A设备5坐标系O_A-x-y的偏航角以及俯仰角,既得到了B设备6的方向，融合UWB的距离测量得到B设备在A设备坐标系中地方位。同理，B设备6也可以通过在摄像头平面中A设备5的像素位置得到A设备5在其坐标系的方位。
实施例二
如图5所示，CAMERA模块3通过在本体的前后侧面分别配置两个FOV(视场角)大于或等于180°的摄像头，可以实现360°球型视野，实现全向邻居模块的定位(如图6所示)。
实施例三
如图7所示，通过采用内置板载天线的UWB模块，可以实现紧凑型的相对定位设备，同时降低成本。
实施例四
如图8所示，展示了多个模块相对定位的使用场景，适合于在场景中仅用一个顶端配置的模块定位环境中其它模块，比如工厂场景中定位安全帽应用。同时每个模块是相同的，可用于多机器人之间的相对定位算法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡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保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位的设备(A)，其特征在于，所述设备包括：安装在本体上的UWB模块(2)、CAMERA模块(3)、发光模块(4)以及计算单元(1)，其中
所述UWB模块(2)用于测量与至少另一个相邻设备(B)的UWB模块之间的绝对距离测量信息；
所述CAMERA模块(3)用于测量所述至少另一个设备(B)的绝对角度测量信息；并且
所述计算单元(1)实时采集所述UWB模块(2)获得的绝对距离测量信息以及所述CAMERA模块(3)获得的绝对角度测量信息，并且配置成根据所述绝对距离测量信息以及绝对距离测量信息获得所述至少另一个相邻设备(B)的距离和方位信息。
2.根据权利要求1所述的设备(A)，其特征在于，所述发光模块(4)为LED模块。
3.根据权利要求1或2所述的设备(A)，其特征在于，所述计算单元(1)配置成实时控制所述发光模块(4)发射编码了所述设备的ID信息的编码光。
4.根据权利要求3所述的设备(A)，其特征在于：所述设备(A)的CAMERA模块(3)配置成能捕捉所述至少另一个相邻设备(B)的发光模块(4)的编码光，通过编码对比识别出所述至少另一个相邻设备(B)的ID信息，获得所述至少另一个相邻设备(B)在所述设备(A)的像素平面上的像素坐标位置，并且根据相机模型得出所述至少另一个相邻设备(B)在所述设备(A)的相机坐标系中的方向信息。
5.根据权利要求4所述的设备(A)，其特征在于，所述方向信息包括偏航角和俯仰角。
6.根据权利要求1或2所述的设备(A)，其特征在于，所述发光模块(4)安装在所述CAMERA模块(3)的FOV范围内，所述CAMERA模块(3)的FOV为180°以上。
7.根据权利要求6所述的设备(A)，其特征在于，所述CAMERA模块(3)在所述本体的前后侧面分别配置两个FOV大于180°的摄像头。
8.一种可拓展的基于UWB和摄像头的相对定位多个设备的方法，各个所述设备为权利要求1-7中任一项所述的设备，其特征在于：
其中一个设备(A)的UWB模块(2)测量与至少另一个相邻设备(B)的UWB模块(2)之间的绝对距离测量信息，
所述设备(A)的CAMERA模块(3)测量所述至少另一个设备(B)的绝对角度测量信息，并且
所述设备(A)所述计算单元(1)实时采集所述UWB模块(2)获得的绝对距离测量信息以及所述CAMERA模块(3)获得的绝对角度测量信息，并且根据所述绝对距离测量信息以及绝对距离测量信息获得所述至少另一个相邻设备(B)的距离和方位信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算单元(1)实时控制所述发光模块(4)发射编码了所述设备的ID信息的编码光。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述设备(A)的CAMERA模块(3)捕捉所述至少另一个相邻设备(B)的发光模块(4)的编码光，通过编码对比识别出所述至少另一个相邻设备(B)的ID信息，获得所述至少另一个相邻设备(B)在所述设备(A)的像素平面上的像素坐标位置，并且根据相机模型得出所述至少另一个相邻设备(B)在所述设备(A)的相机坐标系中的方向信息。
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