CN114424023A - 用于使用图像捕获设备来定位交通工具的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种定位交通工具(N)的方法，该交通工具设置有连接到非光学定位设备(3、4)和用于拍摄外部图像的光学设备(5)两者的电子处理器单元(2)，该电子处理器单元(2)包括地标数据库，该地标数据库至少包括每个地标的地理位置和描述每个地标的描述元素，该方法包括以下步骤：·借助于非光学定位设备(3、4)估计交通工具(N)的第一地理位置(P1e)；·从数据库中，预先选择地理位置位于交通工具(N)的第一地理位置周围预定半径内的地标；·选择使几何误差最小化的三元组；·控制用于拍摄外部图像的光学设备(5)以拍摄所选地标的图像；·选择地标在其中确实可见的图像，标识图像中的地标，并从图像中测量每个可见地标的相对或绝对方位；以及·根据测得的相对或绝对方位来确定交通工具(N)的第二地理位置(POraw或POc)，可任选地同时考虑在拍摄三元组的地标图像时交通工具(N)的移动。

Description

用于使用图像捕获设备来定位交通工具的方法和系统

发明背景

本发明涉及野外导航，并且尤其是海上导航。

传统地，海岸附近的导航依赖于对已知且据此可通过三角测量来计算船只位置的位置的地标(即定位为在海上和/或海岸上可见的可标识对象)进行方位测量。这种导航技术由操作员执行，并且相对耗时。此外，这种导航技术的不准确度随着船只速度的增加而增加。

如通过作为示例的gps、glonass、伽利略和北斗系统中所提供的卫星定位(通常被称为术语“全球导航卫星系统”(GNSS))的发明已经将导航彻底改变为卫星定位已迅速成为最广泛的导航方法的程度。具体而言，这些定位系统被设计成以高效且准确的方式来自动确定设置有卫星信号接收器的交通工具在靠近海岸和公海两者的位置。

然而，在卫星信号接收器出现故障的情况下或卫星信号不可用的情况下(例如，由于干扰或卫星故障)，导航系统的准确度会降低。

还存在包括惯性导航系统的导航设备，该导航系统检测交通工具的移动，并能够确定交通工具所遵循的路径。因此，知道交通工具的起点，就可能确定交通工具的当前位置以及交通工具自其起点以来所遵循的路径。然而，虽然大多数导航系统在短期内是准确的，但它们需要定期重置。

发明目的

本发明的特定目的是提供独立、自动且易于使用的装置，并且其适于校正和/或重置基准导航设备，例如诸如卫星导航或惯性导航。

发明内容

为此，根据本发明，提供了一种定位交通工具的方法，该交通工具设置有连接到非光学定位设备和用于拍摄外部图像的光学设备两者的电子处理器单元，该电子处理器单元包括地标数据库，该地标数据库至少包括每个地标的地理位置和描述每个地标的描述元素(诸如图像或提及其一个或多个特性)。该方法包括以下步骤：

·借助于非光学定位设备估计交通工具的第一地理位置；

·从数据库中，预先选择地理位置位于交通工具的第一地理位置周围预定半径内的地标；

·选择至少一个地标三元组；

·控制用于拍摄外部图像的光学设备，以拍摄所述至少一个所选地标三元组的地标的图像；

·选择地标在其中确实可见的图像，标识图像中的地标，并从图像中测量每个可见地标相对于基准方向的角度(测得的角度是绝对或相对方位)；以及

·根据针对所选地标三元组测量的角度来确定交通工具的第二地理位置，地标三元组已经被选择成在确定第二地理位置时使几何误差最小化。

因此，通过尽可能使人为干预最小化，预先选择地标使得相对快速地获取第二地理位置成为可能。此外，作为选择最佳的地标三元组的结果，第二地理位置是相对准确的。第二地理位置可被用于验证(诸)非光学定位设备所获取的定位准确度。

在优选方案中，交通工具的第二地理位置是根据测得角度同时将在拍摄所选三元组的地标的图像时交通工具的移动纳入考虑来确定的。

第二地理位置则更加准确。

然后，有利地，测量交通工具在拍摄与所选地标三元组相关的图像之间的移动，并且电子处理器单元确定在拍摄每个图像和拍摄所选地标三元组的最后一个图像之间的移动的移动向量，获取与测得的角度相对应的地标的方向，并沿所讨论的移动向量偏移它们，并在以此方式偏移时计算地标的方向之间的交点处的经校正的第二地理位置。

根据特定特性，该方法包括，对于每个所选地标三元组，确定交通工具与每个预选地标之间的距离，以及在拍摄每个地标的图像时控制用于拍摄外部图像的光学设备以根据所述地标距交通工具的距离来调整其图像拍摄场的步骤。

优选地，选择用于确定第二地理位置的地标三元组包括以下步骤：

·对于每个地标三元组，确定三个圆，所有圆都通过根据针对每个地标三元组中的三个地标测量的角度来估计的位置，并且每个圆都通过相应的一对地标；

·确定由每个地标三元组的圆的圆心定义的三角形的面积；以及

·基于三角形的面积来计算每个三元组的质量得分，所选择的三元组是具有最佳质量得分的三元组。

优选地，该方法包括将借助于非光学定位设备获取的最新近地理位置与借助于非光学定位设备获取的诸地理位置进行比较的步骤。

本发明还提供了一种布置成执行该方法的交通工具导航系统。

在阅读了以下对本发明的特定且非限制性实现的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。

附图的简要说明

参考附图，在附图中：

[图1]图1是示出本发明是如何实现的示意图；

[图2]图2是本发明的导航系统的框图；

[图3]图3是示出如何在不考虑交通工具移动的情况下计算第二地理位置的示意图；

[图4]图4是示出如何在考虑交通工具移动的同时计算第二地理位置的示意图。

本发明的具体描述

参照这些附图，本发明在下面描述了其应用于具有给出总体参考1的导航系统的船只N的导航，该导航系统包括电子处理器单元2，该电子处理单元连接到卫星定位设备3、连接到惯性定位设备4、以及连接到用于拍摄外部图像并给出总体参考5的光学系统。

卫星定位设备3本身就是已知的，包括卫星信号接收器和电子处理器电路，电子处理器电路用于基于卫星接收器从构成卫星导航系统(GNSS)(例如，诸如GPS、伽利略、glonass、北斗等系统)的一部分的卫星星座中的至少四颗卫星接收到的信号，来计算卫星接收器的地理位置。

惯性定位设备4(其本身也是已知的)包括惯性导航系统，该惯性导航系统具有位于测量参考系的轴上的加速度计和布置成检测测量参考系相对于基准参考系的旋转的陀螺仪。惯性导航系统提供船只在基准参考系中的移动向量的分量。

用于拍摄外部图像的光学设备5包括桅杆6，其上安装有至少一个光学传感器7，诸如在可见光域和/或红外域中操作的相机。桅杆6与用于将光学传感器7沿着给定的方位指向的电机驱动的瞄准构件8相关联。光学传感器7和瞄准构件8连接到电子处理器单元9，电子处理器单元9被编程以：

控制瞄准设备8以将光学传感器7指向图像拍摄方向；

·控制光学传感器7以调整其图像拍摄参数(诸如其光场)以便拍摄一个或多个图像；

·取决于光学传感器7的所瞄准的方向来获取方位角方位；以及

处理图像并加时间戳以用于转发给电子处理器单元2。

电子处理器单元2包括包含导航计算机程序和地标数据库的存储器，该地标数据库包括每个地标的地理位置及其至少一个图像。以常规方式布置计算机程序，以计算与船只N在地理参考系中遵循的路径相对应的参考导航。在该示例中，基准导航是基于来自卫星定位设备3和惯性导航系统4两者的信号计算的混合导航，并且向预定速率的船只N提供第一所估计的地理位置。举例来说，计算机程序为此目的利用了一组卡尔曼滤波器。计算机程序还包括布置成执行本发明的方法的指令。下面描述的方法是假设船只N在靠近海岸的海上并且在存在地标(包括图1中标识为M1、M2、M3和M4的至少四个地标)的区域中航行，这些地标在电子处理器单元2的数据库中被引用。

本发明的方法始于借助于基准导航计算来估计船只N的第一地理位置P1e的步骤。基于该位置P1e，电子处理器单元2从其数据库中预选择地标(在该示例中是M1、M2、M3和M4)，这些地标的地理位置位于船只N的第一所估计地理位置周围的预定半径内。所讨论的半径对应于光学图像拍摄设备5的范围。

电子处理器单元2控制光学设备5以拍摄外部图像，以便将光学传感器7大致指向船只N周围的应该在其中找到所述地标的区域处，并拍摄地标的图像。了解每个地标的地理位置，并获得第一地理位置P1e，本示例中的程序有利地被布置为确定地标与船只N之间的估计距离，并控制用于拍摄外部图像的光学设备5以调整其视野，用于根据所述地标距船只N的距离来拍摄每个地标的图像。因此，拥有所讨论的地标的质量更好的图像是可能的，并且最重要的是提高所拍摄图像中每个地标的方位准确度是可能的。对每个图像加时间戳。在该示例中，图像的总数被限制为12个，以便限制要处理的数据量并且限制用于拍摄外部图像的光学设备5被使用的时长，以便它可以被用于其他功能，诸如监视附近的周围环境。在图1中示出的示例中，四个地标是可见的。

在该示例中，随后，将所拍摄的地标图像与从数据库中获取的用于标识每个地标的一个或多个描述元素(名称、标识符、图像等)一起呈现给操作员(显示在屏幕上)，以便操作员确保数据库中存在地标，并在示出的图像中标识地标。操作员选择确实可能在其中标识地标的图像，并指向图像中的地标(可以通过使用触摸屏或通过使用诸如计算机鼠标之类的指点设备进行该选择和指向)。假设基于四个可见地标M1、M2、M3和M4进行该预选择。

然后，该程序基于拍摄的图像(在拍摄图像时知道光学传感器7的瞄准方位，根据地标和图像中心之间的偏移推断地标的方位角方位是可能的)，来准确地获取(即测量)每个地标的方位角方位。

然后，该程序进行组合，以便确定所有可能的地标三元组，具体而言在本示例中：

·M1、M2、M3；

·M1、M2、M4；

·M1、M3、M4；

·M2、M3、M4。

应该观察到，如果其中一个地标在所拍摄的任何图像中都不可见，则包括该地标的所有三元组都被丢弃。

对于保存的每个地标三元组，该程序通过按以下进行来确定原始第二地理位置，如参考三元组M1、M2、M3所述。

如图3中所示，该程序确定船只N的原始第二地理位置POraw在地标M1的方位角方位AZ1、地标M2的方位角方位AZ2和地标M3的方位角方位AZ3之间的交点处，这三个方位角方位是通过对所拍摄的图像进行光学测量得到的。

此后，该程序确定三个圆，所有圆都穿过原始第二地理位置POraw，并且每个圆都穿过相应的一对地标的地理位置，具体来说：

·圆心O1的圆C12，穿过原始第二地理位置POraw和地标M1和M2的地理位置；

·圆心O3的圆C13，穿过原始第二地理位置POraw和地标M1和M3的地理位置；以及

·圆心O2的圆C23，穿过原始第二地理位置POraw和地标M2和M3的地理位置。

圆心O1、O2和O3定义了面积s的三角形T，并且地标三元组M1、M2、M3的质量得分与1/s成比例。

针对所选地标的四个三元组中的每一个执行该计算，并且具有最佳质量得分的地标三元组(以及因此最小面积的三角形T)被保留：在该示例中，是三元组M1，M2，M3。

然后，该程序计算经校正的第二地理位置POc，POc将拍摄已保留的所述三元组的地标M1、M2和M3的图像时船只N的移动纳入考虑。

如图4中所示并且假设方位角方位AZ1在时间T1处获取，方位角方位AZ2在时间T2处获取，而方位角方位AZ3在时间T3处获取，该程序被布置成通过利用惯性导航系统在陀螺罗盘模式中在时间T2和T3计算得到的第一地理位置P2e和P3e来确定代表船只N在时刻T1和T3之间移动的向量U13和代表船只N在时刻T2和T3之间移动的向量U23。然后，该程序将方位角方位AZ1沿向量U13平行于自身偏移，并将方位角方位AZ2沿向量U23平行于自身偏移，就好像所有三个方位角方位AZ1、AZ2和AZ3都是同时获取的一样。然后，该程序计算经校正的第二地理位置POc在偏移方位角方位AZ1和AZ2与方位角方位AZ3的交点处。此时，该程序还可以确定通过经校正的第二地理位置并通过相应一对地标的地理位置的其他三个圆，可以计算由这些圆的圆心定义的三角形的面积，并可以对地标三元组给出质量得分。

该程序将第一地理位置P3e与经校正的第二地理位置POc进行比较，以便检测混合导航中的任何异常。将第一地理位置P3e和原始第二地理位置POraw相互比较也是可能的。

该程序还可规定在经校正的第二地理位置上重置基准导航，例如当其发现质量大于阈值时，该阈值对应于经校正的第二地理位置的足够准确度水平。

当然，本发明不限于所描述的实现，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。

具体而言，本发明的导航系统可以具有不同于所描述的结构。

该系统可包括一个或多个非光学定位设备，诸如惯性、卫星或其他定位设备。导航不必一定要混合。

用于拍摄外部图像的设备可包括可移动或静止的单个光学传感器，或其可包括例如布置在环形中的多个光学传感器。用于拍摄外部图像的光学设备可以专用于执行本发明的方法，或者它可以执行多个功能。

在拍摄地标图像时调整场或任何其他图像拍摄参数是可任选的。

光学设备可以采用绝对或相对方位。

该处理可以由任何类型的计算构件(诸如处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)……)来执行。

地标可以手动标识和/或借助于使用深度学习方法的神经网络来自动选择。

利用用于确定船只在T1、T2和T3之间的移动的混合导航是可能的。

单轮拍摄的图像数量可大于12张。

对可以选择的地标三元组的数量没有限制。因此，所有地标三元组可被用于计算相应数量的经校正的第二几何位置，为比较目的保留的经校正的第二几何位置是与最佳质量得分相关联的位置。

本发明的方法适用于在水上、空中或陆地上行驶的任何类型的交通工具。

以下操作是可任选的：测量交通工具N在拍摄与所选地标三元组相关的图像之间的移动，并且电子处理器单元确定在拍摄每个图像和拍摄所选地标三元组的最后一个图像之间的移动的移动向量U13和U23，获取与测得的角度相对应的地标的方向并沿所讨论的移动向量偏移它们，并在以此方式偏移时计算地标的方向之间的交点处的经校正的第二地理位置POc。具体而言，为确定交通工具N的第二地理位置POraw和Poc，不将交通工具N在拍摄三元组中的地标的图像时的移动纳入考虑是可能的。然而，当交通工具非常快和/或在进行光学测量之间的时间很长时，考虑此移动提高了位置的准确度。

独立于上述操作或除了上述操作之外，为包括以下步骤的地标三元组的选择做出规定是尤其有利的：

·对于每个地标三元组，确定三个圆C12、C13和C23，所有圆都通过根据针对每个地标三元组中的三个地标测量的角度所估计的位置，并且每个圆都通过相应的一对地标；

·确定由每个地标三元组的圆C12、C13和C23的圆心O1、O2和O3定义的三角形T的面积s；以及

·基于三角形T的面积s来计算每个三元组的质量得分，所选择的三元组是具有最佳质量得分的三元组。

除了进行该选择之外，尤其有利的是，对于每个所选地标三元组，确定交通工具N和每个预选地标之间的距离，并且当拍摄每个地标的图像时控制用于拍摄外部图像的光学设备5以根据所述地标距交通工具N的距离来适配其图像拍摄场。然而，这些操作可以与以不同方式选择的地标三元组相关联地进行。

Claims (11)

1.一种定位交通工具(N)的方法，所述交通工具设置有连接到非光学定位设备(3、4)和用于拍摄外部图像的光学设备(5)两者的电子处理器单元(2)，所述电子处理器单元(2)包括地标数据库(M1、M2、M3、M4)，所述地标数据库至少包括每个地标的地理位置和描述每个地标的描述元素，所述方法包括以下步骤：

·借助于所述非光学定位设备(3、4)估计所述交通工具(N)的第一地理位置(P1e)；

·从所述数据库中，预先选择地理位置位于所述交通工具(N)的第一地理位置周围预定半径内的地标；

·选择至少一个地标三元组；

·控制用于拍摄外部图像的所述光学设备(5)，以拍摄所述至少一个所选地标三元组的地标的图像；

·选择所述地标在其中确实可见的图像，标识所述图像中的地标，并从所述图像中测量相对于每个可见地标的基准方向的角度；以及

·根据所选地标三元组测量的角度确定所述交通工具的第二地理位置(POraw；POc)，所述地标三元组已经被选择成在确定所述第二地理位置时使几何误差最小化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交通工具(N)的所述第二地理位置(POraw；POc)是根据测得角度同时将在拍摄所述三元组的地标的图像时所述交通工具(N)的移动纳入考虑来确定的。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，测量所述交通工具(N)在拍摄与所选地标三元组相关的图像之间的移动，并且所述电子处理器单元确定在拍摄每个图像和拍摄所选地标三元组的最后一个图像之间的移动的移动向量(U13、U23)，获取与测得的角度相对应的地标的方向，并沿所讨论的移动向量偏移它们，并在以此方式偏移时计算地标的方向之间的交点处的经校正的第二地理位置(Poc)。

4.如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的方法，其特征在于，包括对于每个所选地标三元组，确定所述交通工具(N)与每个预选地标之间的距离，以及在拍摄每个地标的图像时控制用于拍摄外部图像的所述光学设备(5)以根据所述地标距所述交通工具(N)的距离调整其图像拍摄场的步骤。

5.如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，选择所述地标三元组包括以下步骤：

·对于每个地标三元组，确定三个圆(C12、C13、C23)，所有圆都通过根据针对每个地标三元组中的三个地标测量的角度估计的位置(POraw)，并且每个圆都通过相应的一对地标；

·确定由每个地标三元组的圆(C12、C13、C23)的圆心(O1、O2、O3)定义的三角形(T)的面积(s)；以及

·基于所述三角形(T)的面积(s)来计算每个三元组的质量得分，所选择的三元组是具有最佳质量得分的三元组。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述质量得分与所述三角形(T)的面积(s)的倒数成比例。

7.如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括将借助于所述非光学定位设备获取的最新近地理位置(P3e)与借助于所述非光学定位设备获取的诸地理位置(POraw、POc)进行比较的步骤。

8.一种包括电子处理器单元(2)的交通工具导航系统，所述电子处理器单元(2)连接到非光学定位设备(3、4)和用于拍摄外部图像的光学设备(5)，所述电子处理器单元(2)被编程为执行根据任一前述权利要求所述的方法，所述电子处理器单元(2)包括地标数据库，所述地标数据库至少包括每个地标的地理位置和描述每个地标的描述元素。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，用于拍摄外部图像的所述光学设备(5)包括连接到所述电子处理器单元(2)的电机驱动。

10.如权利要求8或权利要求9所述的系统，其特征在于，所述非光学定位设备(3)包括用于接收来自定位卫星的信号的接收器。

11.如权利要求8或权利要求9所述的系统，其特征在于，所述非光学定位设备(4)包括惯性导航系统。

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