一种基于无线电测距和人造光源角测量的融合定位系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于无线电测距和人造光源角测量的融合定位系统。在无线电测距模块中，通过无线电测距装置测得导航用户与人造光源之间的距离，然后构建距离

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线电测距和人造光源角测量的融合定位系统


[0001]本专利技术提出一种基于无线电测距和人造光源角测量的融合定位系统，它涉及一种新型融合定位方法的系统组成，属于导航定位定姿


技术介绍

[0002]室内导航与定位系统是指在各种室内空间中采用不同技术来实现人员室内导航以及对人员、物体的定位与跟踪。随着物联网技术的发展，人员、物体在经济行为、个人活动、军事等应用领域的定位需求越来越多。室外比较成熟的定位系统有全球卫星定位系统GNSS；但是在室内空间越来越庞大的今天，各个工厂车间、大型购物商城、办公楼、地铁站的不断建设，基于室内的导航与定位对人员、物体的安全与监测是必不可少的，人们在室内环境中的位置服务需求已经日趋显著。然而在室内环境，GNSS的信号往往会比较差，无法承担精确的定位功能。因此，亟需研制不依赖GNSS的室内导航定位系统。
[0003]目前室内定位技术有：红外定位、超声波定位、惯性导航定位、视觉定位、基于射频信号定位。其中红外定位系统由于红外线穿透力差，不能穿透固体墙壁，它们只能提供房间级的位置传感功能，且传播只有几米的有效范围，容易受到光照或者荧光灯的影响而产生盲区，定位效果不理想；超声波定位系统虽然定位精度较高，但是对硬件布设方面技术要求较高，而且成本很高；惯性导航定位的定位结果会随时间而发散，因此依靠自身无法进行长时间定位；视觉定位系统相对而言信号探测范围宽、获取信息完整，但是对处理器要求更高；基于射频信号定位系统虽然都具有功耗低、运用广泛等优点，但同时稳定性较差、受环境干扰大。由此可见单一的室内定位系统优缺点分明，无法同时满足室内导航硬件要求低、稳定性强、定位精度高的要求，所以需要对不同传感器进行位置信息融合，即融合定位。融合定位技术把多种技术的优势结合以达到更高精度从而提高定位的鲁棒性。目前融合定位的研究方案有多种，例如WIFI测量结合PDR定位系统、蓝牙测量结合加速度计和气压计融合定位系统、地磁场定位和惯性传感器融合定位系统，但是总的来说，融合定位系统目前还不完善，有很大的发展空间。
[0004]综上，基于无线电测距以及人造光源角测量的定位系统具有巨大的研究与应用价值，本专利技术提出了一种基于无线电测距以及人造光源角测量的融合定位系统。

技术实现思路

[0005](一)专利技术目的
[0006]本专利技术为解决GNSS拒止环境下的定位问题，提出了一种基于无线电测距以及人造光源角测量的融合定位系统。本专利技术具有完全自主性、可以实现无GNSS的全天时位姿确定，适用于室内环境定位、地下空间定位等的应用场景。
[0007](二)技术方案
[0008]本专利技术的定位系统由三个模块组成，分别是无线电测距模块、角测量测向模块和导航解算模块。
[0009]无线电测距模块
[0010]首先将测量出的电磁波信号从导航用户节点到已知位置的携带无线电接收装置的人造光源的传播时间与已知的传播速度c相乘，得出导航用户与人造光源之间的估计距离|r|，则距离|r|可表述为式(1)：
[0011]|r|＝c(t
n
‑
t
m
)
ꢀꢀ
(1)
[0012]式中：t
n
为到达时间，t
m
为发射时间。
[0013]然后通过距离和位置矢量的关系，构建在在导航坐标系下位置矢量与光源到导航用户距离的联系方程：
[0014][0015]式中：[X
n
,Y
n
,Z
n
]T
为光源在导航坐标系下的位置，为已知量。
[0016][x
n
,y
n
,z
n
]T
为导航用户在导航坐标系下的位置。
[0017]角测量测向模块
[0018]首先定义以下3个坐标系：
[0019]相机坐标系：原点o
c
建立在镜头的光学中心，x
c
‑
o
c
‑
y
c
平面与成像平面平行，图像传感器一般采用矩形结构，x
c
轴和y
c
轴分别与图像传感器的行平行向右和列平行向下，z
c
轴沿光轴指向前方。
[0020]图像坐标系：二维坐标系，原点o
’
位于成像平面的中心，也被称为图像主点，是透镜光轴与成像平面的交点，x
’
轴与x轴平行，y
’
轴和y轴平行。
[0021]像素坐标系定义成：原点i位于图像左上角，u轴与x轴平行，v轴和y轴平行，单位用像素表示，u，v分别表示像素点的行号和列号。
[0022]根据相机成像模型，投影点S
’
像素坐标[u,v]T
与光源S的相机坐标系下的三维坐标[X
c
,Y
c
,Z
c
]T
满足下述条件：
[0023][0024]式中，图像坐标系与像素坐标系之间的坐标尺度缩放因子为α和β，这两个参数由传感器尺寸与像元分辨率决定，镜头焦距为f，定义式中f
x
＝αf,f
y
＝βf为等效焦距。
[0025]式(3)写成矩阵形式为：
[0026][0027]式中：矩阵K为相机的内参数矩阵。相机的内参数矩阵是相机的固有参数，对于定焦相机来说是出厂后不变的，可以通过相机标定来确定相机的内参，即内参数矩阵K为已知量。
[0028]则光源S在相机坐标系下的坐标可由观测量[u,v]T
表示：
[0029][0030]在式(5)中，使用的是光源S在相机坐标系下的坐标，但是实际运动中由于相机在运动，所以光源S的相机坐标应该是它在导航坐标系下的位置根据相机的当前位姿变换到相机坐标系下的结果。
[0031]相机的位姿由其的旋转矩阵和平移向量T
c
来描述，根据欧式刚体变换公式，得出光源S在导航坐标系和相机坐标系两者间的变换关系：
[0032][0033]式中：表示相机本体坐标系相对于导航坐标系的姿态变换矩阵，T
c
表示导航坐标系原点o在相机坐标系下的坐标。
[0034]将式(6)改写成齐次坐标下的线性形式为：
[0035][0036]式中：E表示相机的外参数矩阵。
[0037]将式(7)带入式(5)中可得角测量方程式(8)，它描述了光源S的世界坐标到像素坐标的投影关系：
[0038][0039]由于导航用户本体系与相机坐标系并不重合，将式(8)改写为：
[0040][0041]式中：是相机的安装矩阵，Δr
b
是相机光心在导航用户本体系下的坐标，Z
c
是相机到光源的矢量在相机坐标系下的Z轴坐标，表示光源在导航坐标系的坐标。以上各量均可视为常量。
[0042]为导航用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无线电测距和人造光源角测量的综合导航系统，其特征在于：步骤一：构建距离
‑
位置矢量方程首先将测量出的电磁波信号从导航用户节点到已知位置的携带无线电接收装置的人造光源的传播时间与已知的传播速度相乘，得出导航用户与人造光源之间的距离，然后通过距离和位置矢量的关系，构建在导航坐标系下光源的位置矢量与光源到导航用户距离的联系方程。步骤二：构建角测量测向观测方程首先根据相机成像模型，由光源在像素坐标系下观测量求解光源在相机坐标系下的坐标。然后结合欧式刚体变换模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈培，陈思宇，种柯涵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：