本发明专利技术公开了一种用于AR设备的三级融合定位系统及方法，定位系统包括无线网络、GPS定位模块、UWB定位模块、SLAM定位模块、控制模块；GPS定位模块用于实时计算用户所在位置的空间坐标，进行大空间定位；UWB定位模块用于实时获取用户精确的位置信息和用户的转向，进行室内定位；SLAM定位模块包括摄像头、陀螺仪和三维场景重建单元，用于扫描周围环境，重建三维模型；所述控制模块，用于实现GPS定位模块、UWB定位模块、SLAM定位模块之间的切换。本发明专利技术结合GPS定位技术、UWB高精度室内定位技术、SLAM空间定位技术的三级融合定位系统，实现从大空间到微场景的分级定位，根据不同层级的定位技术获取相应的室外、室内、具体场景的用于AR设备应用，既可实现大范围定位，也可实现小空间的定位。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于用于ar设备应用领域，尤其涉及一种将多种定位技术融合的ar定位系统和方法。
技术介绍
1、目前ar(增强现实)设备在应用中，局限于固定场景固定实景的影像叠加，定位技术也是在不同场所采用单一形式，没有将大范围的gps(global positioning system，全球定位系统)定位和小空间的slam(simultaneous localization and mapping，即时定位与地图构建)定位结合起来而达到定位丰富的功能。随着文化旅游行业的广泛应用和普及，结合不同定位技术实现场景自动切换，实现用于ar设备体验无缝衔接成为一种诉求。
2、gps定位，适用于大范围定位，能够给出用户的位置。但是由于gps信号的强弱、网络的延迟等，定位会出现一定的偏差，而且在建筑的内部及多层楼层情况下，不能提供准确定位和更加详细的信息。
3、uwb定位(ultra wide band，超宽带)，是利用uwb定位技术测得定位标签相对于两个不同定位基站之间无线电信号传播的时间差，从而得出定位标签相对于四组定位基站的距离差，来计算出标签的坐标。uwb适用于小空间的室内定位，在大空间中，搭建基站困难，定位不准确。
4、slam定位，是使用摄像机扫描周围的环境，根据获得的图像信息，将三维场景构建出来。可以准确的将虚拟物体和真实环境进行叠加，达到增强现实效果。但是对于大空间及相似环境进行三维重建会出现难以辨别及重建困难的问题。
5、通过以上分析，可以看出现在技术存在的问题和缺陷有：
>6、(1)单一的定位模式难以实现大范围、大空间、详细空间等多种环境需求的丰富体验需求；7、(2)单一的定位模式难以克服远距离、复杂环境的限制；
8、(3)gps定位误差大，不能满足精准空间定位需求；
9、(4)uwb定位受到距离的限制，不能满足大范围定位需求；
10、(5)slam定位难以区分相似环境。
11、解决以上的问题主要难点在于：
12、(1)三种定位模式的衔接，相互配合来弥补各自的缺陷；
13、(2)三种定位模式之间的切换；
14、(3)三种定位模式坐标系的切换。
技术实现思路
1、为了克服现有用于ar设备定位系统及定位方法的缺陷，本专利技术提出了一种用于ar设备的三级融合定位系统及方法。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种用于ar设备的三级融合定位系统，包括无线网络、gps定位模块、uwb定位模块、slam定位模块、控制模块；
4、所述gps定位模块包括设置在ar设备内的gps信号接收器和gps功能单元；所述gps定位模块用于实时计算用户所在位置的空间坐标，进行大空间定位；
5、所述uwb定位模块包括主机服务器、设置在每个中心区域四角的四个基站、固定在每个ar设备前后端的前标签和后标签；所述uwb定位模块用于实时获取用户精确的位置信息和用户的转向，进行室内定位；
6、所述slam定位模块包括摄像头、陀螺仪和三维场景重建单元，用于扫描周围环境，重建三维模型；所述摄像头和陀螺仪设置在ar设备中；
7、所述控制模块，用于实现gps定位模块、uwb定位模块、slam定位模块之间的切换。
8、一种用于ar设备的三级融合定位方法，包括以下步骤：
9、步骤1，用户头戴ar设备，进行位置移动；
10、步骤2，gps定位模块检测用户所在位置的实时位置坐标，并计算实时位置坐标与内置的所有室内区域中心点坐标之间的距离；若用户实时位置与任一室内区域中心点坐标的距离均大于阈值半径r，则系统调用用户实时位置处相应的ar体验内容；若用户实时位置与其中一个室内区域中心点坐标的距离小于阈值半径r，则判断用户进入该室内区域，执行步骤3；
11、步骤3，uwb定位模块根据该室内区域四个基站坐标以及前后标签的方位，计算用户的室内位置坐标和转向角度；若室内位置坐标和转向角度符合要求，则ar设备展示该室内位置坐标和转向角度对应的空间虚拟内容；
12、同时，slam定位模块根据uwb定位模块给出的用户室内位置坐标判断用户是否靠近且朝向特定虚拟物体；若用户靠近且朝向特定虚拟物体，则摄像头同步扫描用户的观察区域，三维场景重建单元对观察区域进行三维场景重建，并叠加虚拟体验内容，然后ar设备将展示内容从空间虚拟内容切换为叠加在三维场景上的虚拟体验内容。
13、上述用于ar设备的三级融合定位方法，步骤2中，采用下式计算实时位置坐标与内置的所有室内区域中心点坐标之间的距离d2：
14、
15、其中，x,y,z为虚拟物体坐标，x1,y1,z1为ar设备坐标。
16、上述用于ar设备的三级融合定位方法，步骤3中，采用下式计算用户的转向角度β：
17、
18、其中，o点为虚拟物体位置坐标，a点是ar设备位置坐标，向量of为虚拟物体正前方向量，向量oa为虚拟物体位置坐标与ar设备位置坐标构成的向量。
19、上述用于ar设备的三级融合定位方法，步骤3中，根据向量ae与向量ao的夹角γ是否小于等于δ判断用户是否朝向特定虚拟物体；
20、其中，a点是ar设备位置坐标，向量ae为正前方向量，向量ao为ar设备位置坐标与虚拟物体位置坐标构成的向量。
21、本专利技术的有益效果是：
22、1、本专利技术结合gps定位技术、uwb高精度室内定位技术、slam空间定位技术的三级融合定位系统，实现从大空间到微场景的分级定位，根据不同层级的定位技术获取相应的室外、室内、具体场景的用于ar设备应用，既可实现大范围定位，也可实现小空间的定位。
23、2、本专利技术针对目前各种场馆、景区等展览展示和文化旅游场所定位技术应用的单一、用于ar设备不能根据定位实时切换体验的缺陷，把gps定位技术、uwb高精度室内定位技术、图像识别技术融合一起，根据场景自动切换，实现从室外大空间到室内微场景精准定位，实时切换用于ar设备体验的无缝衔接，能够丰富用户的体验。
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【技术保护点】
1.一种用于AR设备的三级融合定位系统，其特征在于：包括无线网络、GPS定位模块、UWB定位模块、SLAM定位模块、控制模块；
2.利用权利要求1所述的用于AR设备的三级融合定位系统实施的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的用于AR设备的三级融合定位方法，其特征在于：
4.根据权利要求2所述的用于AR设备的三级融合定位方法，其特征在于：
5.根据权利要求2所述的用于AR设备的三级融合定位方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种用于ar设备的三级融合定位系统，其特征在于：包括无线网络、gps定位模块、uwb定位模块、slam定位模块、控制模块；
2.利用权利要求1所述的用于ar设备的三级融合定位系统实施的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
【专利技术属性】
技术研发人员：郭大千，张鞠生，李新颖，
申请(专利权)人：西安语境力合信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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