一种全向运动平台上用户定位的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种全向运动平台上用户定位的装置和方法，针对在全向跑步机上集成定位系统所面临的测量机构对于安装位置和角度变化敏感、可拓展性差等问题，本发明专利技术通过使用在平台坐标系中三维空间坐标已知的特征标记点、摄像头、无源追踪物，实现了对用户在平台坐标系中的精确定位，且定位过程的抗干扰能力强，不会受到用户运动带来的震动，冲击造成的影响，即便摄像头平移或其安装角度发生了旋转，仍能够对用户进行准确的定位。通过佩戴载体及无源定位点构成的无源追踪物，不会受到电池容量的限制，且进行测量点位拓展成本低。使用摄像头能够在近距离完成对标记点及定位点捕捉，因此可以实现高度集成，实现全向跑步机的小型化，并足够精简。并足够精简。并足够精简。

【技术实现步骤摘要】
一种全向运动平台上用户定位的装置和方法


[0001]本专利技术属于空间定位领域，涉及一种全向运动平台上用户定位的装置和方法的技术。

技术介绍

[0002]虚拟现实技术通过计算机模拟人类各类感官信号，如视觉，听觉，触觉，运动等，提供以假乱真的虚拟感受。自然移动交互技术是虚拟现实技术中拓展用户在虚拟世界中探索空间的重要技术之一。基于虚拟现实(VR)技术产生的全向运动平台即是一种可以满足使用者全向行动的需求的设备，其使得使用者在有限空间里实现在虚拟现实中的无限行走，如奔跑、旋转、跳跃、下蹲、左右躲闪等动作。全向跑步机根据用户的位置/姿态/动作进行反馈，从而将用户送回原点。一个基础的需求是对用户的空间信息进行精确测量。
[0003]常用方案使用LightHouse定位技术，通过激光扫描实现毫米级的空间追踪精度，例如HTC VIVE TRACKER。这项定位方案需要2个激光定位基站，提供激光扫描源，用户需要佩带若干Vive Tracker，对身体某些点的空间信息进行实时测量。然而该方案存在的问题是激光定位基站在使用过程中的激光定位基站对安装位置和角度的变化敏感，安装位置上轻微的平移或角度上轻微的变化都会造成Vive Tracker定位结果的严重偏移；两基站的安装有最小间距要求，因此难以集成在小型化的平台上；Vive Tracker是个单独的电子系统，续航能力有限，需要经常进行充电；对用户多个点的测量需要多个Vive Tracker，拓展的成本高；
[0004]此外，在影视制作中目前常见的使用标记点对用户进行动作捕捉的光学系统，能够实现用户多个点的实时追踪，但该方案在使用过程中，同样要求所安装摄像头的位置和角度固定，任意一个摄像头安装位置或角度发生变化，都会造成较大的测量结果误差；
[0005]在全向跑步机上集成定位系统，能够使得设备更加精简，但定位系统往往会受到用户运动时的震动，冲击带来的干扰。因此需要一个应用于全向跑步机上的小型化定位方案，该方案的同时具有抗干扰性能强，不受测量机构位置和角度变化的影响，无续航问题，拓展成本低等若干优点。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术为了克服现有技术中存在的不足，尤其是测量机构对于安装位置和角度变化敏感，难以小型化集成，续航能力差，可拓展性差的问题，提供了一种抗干扰性能强，不受测量机构位置和角度变化的影响，无续航问题，拓展成本低，适用于小型化全向平台的用户定位的装置，同时还提供了通过该装置实现的用户定位方法。
[0007]技术方案：
[0008]为实现上述目的，本专利技术公开了一种全向运动平台上用户定位的装置，包括全向运动平台、防护支架、摄像头、特征标记点、无源追踪物、计算模块；
[0009]所述特征标记点固定安装在全向运动平台上，特征标记点在全向运动平台坐标系
中的三维空间坐标已知，所述特征标记点数量至少为3个；
[0010]所述摄像头用以拍摄图像，所述摄像头数量至少为2个；
[0011]所述无源追踪物包括无源定位点及佩带载体，无源定位点通过佩带载体安装在用户身体或四肢的待追踪部位，所述无源追踪物至少包含1个无源定位点；所述计算模块用以计算得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标。
[0012]进一步的，摄像头周围安装有补光板。
[0013]进一步的，部分摄像头间通过机械方式连接固定，使得这些摄像头的相对的位姿量保持不变；所述位姿量包括三维空间坐标和三维旋转量。
[0014]进一步的，所述特征标记点为发光灯、反光点、反光球、反光条、色块或二维码中的一种或几种；所述无源定位点为反光点、反光球、反光条、色块或二维码中的一种或几种。
[0015]进一步的，所述佩带载体为专用鞋，所述无源定位点安装在专用鞋表面。
[0016]根据权利要求1所述的全向运动平台上用户定位的装置，其特征在于：所述佩带载体为专用绑带，所述无源定位点安装在专用绑带表面。
[0017]进一步的，计算模块中，首先计算得到摄像头在全向运动平台坐标系中的位姿量，然后通过下列任一方法或其组合，计算得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标：
[0018]A.计算无源定位点在全向运动平台坐标系内所在的射线、通过对射线进行匹配，并计算射线交点坐标，得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标；
[0019]B.计算无源定位点在摄像头坐标系内的三维空间坐标，结合摄像头在全向运动平台坐标系中位姿量，将无源定位点在摄像头坐标系内的三维空间坐标转换为在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标。
[0020]本专利技术还提供了上述全向运动平台上用户定位的装置的用户定位方法的技术方案，包括以下步骤：
[0021]S1:用户佩带无源追踪物在全向运动平台表面移动，全向运动平台抵消用户移动速度，使得用户在任意方向移动过程中不超出全向运动平台；
[0022]S2:计算模块在每个摄像头所拍摄到的图像中检测特征标记点，并记录所拍摄的图像中特征标记点所在的像素坐标，由于特征标记点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标固定且已知，当检测到3个及以上数量的特征标记点时，将每个特征标记点像素坐标与三维空间坐标进行匹配，通过P3P算法、PNP算法或EPNP算法中的一种或几种，求解得到摄像头在全向运动平台坐标系中位姿量；
[0023]S3:对于位姿量已知的摄像头，计算模块在该摄像头所拍摄的图像中检测无源定位点，并记录无源定位点在该所拍摄图像中的像素坐标，由此得到无源定位点在摄像头坐标系内所在的射线；由于位姿量已知，通过旋转和平移变换，计算得到无源定位点在全向运动平台坐标系内所在的射线；当有至少2个摄像头检测到无源定位点时，获得至少2组无源定位点在全向运动平台坐标系内所在的射线，通过对射线进行匹配，并计算射线交点坐标，得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标，该无源定位点的三维空间坐标即为用户的三维空间坐标。
[0024]进一步的，步骤S3中，射线匹配并计算射线交点坐标的具体实施方法：
[0025]对于来自有摄像头1和摄像头2的两条射线，K1和K2分别表示摄像头1和摄像头2的
内参数矩阵，R1，t1和R2，t2分别表示摄像头1和摄像头2在全向运动平台坐标系下的旋转矩阵和平移向量；无源定位点在摄像头1和摄像头2图像上的像素点坐标分别为p1＝(u1,v1)，p2＝(u2,v2)，用齐次坐标表示为p1＝[u1,v1,1]T
,p2＝[u2,v2,1]T
；
[0026]由摄像头1和摄像头2分别得到该无源定位点在全向运动平台坐标系中的射线分别为：
[0027][0028][0029]其中z1,z2≥0，通过联立P
w1
(z1)＝P
w2
(z2)求解得到两条射线的交点，即为无源定位点的在全向运动平台坐标系的三维空间坐标。
[0030]本专利技术还提供了另一种上述全向运动平台上用户定位的装置的用户定位方法的技术方案，包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全向运动平台上用户定位的装置，包括全向运动平台、防护支架、摄像头、特征标记点、无源追踪物、计算模块；所述特征标记点固定安装在全向运动平台上，特征标记点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标已知，所述特征标记点数量至少为3个；所述摄像头用以拍摄图像，所述摄像头数量至少为2个；所述无源追踪物包括无源定位点及佩带载体，无源定位点通过佩带载体安装在用户身体或四肢的待追踪部位，所述无源追踪物至少包含1个无源定位点；所述计算模块用以计算得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标。2.根据权利要求1所述的全向运动平台上用户定位的装置，其特征在于：摄像头周围安装有补光板。3.根据权利要求1或2所述的全向运动平台上用户定位的装置，其特征在于：部分摄像头间通过机械方式连接固定，使得这些摄像头的相对的位姿量保持不变；所述位姿量包括三维空间坐标和三维旋转量。4.根据权利要求1所述的全向运动平台上用户定位的装置，其特征在于：所述特征标记点为发光灯、反光点、反光球、反光条、色块或二维码中的一种或几种；所述无源定位点为反光点、反光球、反光条、色块或二维码中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的全向运动平台上用户定位的装置，其特征在于：所述佩带载体为专用鞋，所述无源定位点安装在专用鞋表面。6.根据权利要求1所述的全向运动平台上用户定位的装置，其特征在于：所述佩带载体为专用绑带，所述无源定位点安装在专用绑带表面。7.根据权利要求1所述的全向运动平台上用户定位的装置，其特征在于：计算模块中，首先计算得到摄像头在全向运动平台坐标系中的位姿量，然后通过下列任一方法或其组合，计算得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标：A.计算无源定位点在全向运动平台坐标系内所在的射线、通过对射线进行匹配，并计算射线交点坐标，得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标；B.计算无源定位点在摄像头坐标系内的三维空间坐标，结合摄像头在全向运动平台坐标系中位姿量，将无源定位点在摄像头坐标系内的三维空间坐标转换为在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标。8.一种使用根据权利要求1或3所述的全向运动平台上用户定位的装置的用户定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:用户佩带无源追踪物在全向运动平台表面移动，全向运动平台抵消用户移动速度，使得用户在任意方向移动过程中不超出全向运动平台；S2:计算模块在每个摄像头所拍摄到的图像中检测特征标记点，并记录所拍摄的图像中特征标记点所在的像素坐标，由于特征标记点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标固定且已知，当检测到3个及以上数量的特征标记点时，将每个特征标记点像素坐标与三维空间坐标进行匹配，通过P3P算法、PNP算法或EPNP算法中的一种或几种，求解得到摄像头在全向运动平台坐标系中位姿量；S3:对于位姿量已知的摄像头，计算模块在该摄像头所拍摄的图像中检测无源定位点，并记录无源定位点在该所拍摄图像中的像素坐标，由此得到无源定位点在摄像头坐标系内
所在的射线；由于位姿量已知，通过旋转和平移变换，计算得到无源定位点在全向运动平台坐标系内所在的射线；当有至少2个摄像头检测到无源定位点时，获得至少2组无源定位点在全向运动平台坐标系内所在的射线，通过对射线进行匹配，并计算射线交点坐标，得到无源定位点在全向运动平台坐标系中的三维空间坐标，该无源定位点的三维空间坐标即为用户的三维空间坐标。9.如权利要求8所述用户定位方法，其特征在于，步骤S3中，射线匹配并计算射线交点坐标的具体实施方法：对于来自有摄像头1和摄像头2的两条射线，K1和K2分别表示摄像头1和摄像头2的内参数矩阵，R1，t1和R2，t2分别表示摄像头1和摄像头2在全向运动平台坐标系下的旋转矩阵和平移向量；无源定位点在摄像头1和摄像头2图像上的像素点坐标分别为p1＝(u1，v1)，p2＝(u2，v2)，用齐次坐标表示为p1＝[u1，v1，1]
T
，p2＝[u2，v2，1]
T
；由摄像头1和摄像头2分别得到该无源定位点在全向运动平台坐标系中的射线分别为：由摄像头1和摄像头2分别得到该无源定位点在全向运动平台坐标系中的射线分别为：其中z1，z2≥0，通过联立P
w1
(z1)＝P
w2
(z2)求解得到两条射线的交点，即为无源定位点的在全...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏海坤，王子峣，颜诗奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：