CN103206917A - 一种室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位方法，包括以下步骤：（1）在室内前方顶部安装摄像机，室内底部的待定位区域的四个角落所在的点，即A、B、C、D，在所述摄像机的拍摄范围内，所述摄像机与定位系统主机连接；（2）建立物理坐标系，标定A、B、C、D四点的物理坐标系的坐标，然后用摄像机拍摄待定位区域ABCD；（3）定位系统根据摄像机所拍摄的待定位区域ABCD建立辅助坐标系，则物理坐标系中的A、B、C、D四点的映射在辅助坐标系中所得到的坐标点依次为a、b、c、d；还包括步骤（4）（5）（6）（7）。本发明无测量死区、发射接收角度大、不易受其他物体反射波干扰、成本低廉，定位精度高。

Description

一种室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位方法。

 

背景技术

现有技术中，室内定位方法主要有：超声波定位方法、无线传感器定位方法等。其中超声波定位方法是通过反射式的超声波测距，利用三角定位算法来对目标物体进行定位。该种方法采用的系统一般由若干个应答器和一个主测器构成，应答器被分开固定在室内；主测器被放置在移动待测物体上，并在控制信号控制下向应答器发射超声波，应答器接收到超声波立即发射一个回波，根据回波与发射波之间的时间差计算出距离。也有使用无线电做同步信号，主测器发送无线电信号通知应答器，应答器收到命令后向主测器发送超声波信号，主测器根据发射无线电信号与接收到超声波之间的时间差得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。虽然超声波定位方法的精度较高，但存在测量死区，发射接收角度小，其他物体反射波干扰等问题，导致硬件成本高。无线传感器定位方法采用的是一种无线网络技术，由数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。数千个微小的传感器位置被固定在室内。待测物体上放置一个无线传感器，测试它接收到其他传感器的信号强度，定位算法是测试基于接收信号强度指示器（RSSI）的数值，RSSI值随距离增加而减小，由多个数值计算出待测物体的相对位置。使用无线传感器定位技术测距值精度有限，加大传感器密度可以提高精度，但是也相应的增加了成本。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种室内定位方法，该定位方法无测量死区、发射接收角度大、不易受其他物体反射波干扰、成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种室内定位方法，包括以下步骤：

（1）在室内前方顶部安装摄像机，室内底部的待定位区域的四个角落所在的点，即A、B、C、D，在所述摄像机的拍摄范围内，所述摄像机与定位系统主机连接；

（2）建立物理坐标系，标定A、B、C、D四点的物理坐标系的坐标，然后用摄像机拍摄待定位区域ABCD；

（3）定位系统根据摄像机所拍摄的待定位区域ABCD建立辅助坐标系，则物理坐标系中的A、B、C、D四点的映射在辅助坐标系中所得到的坐标点依次为a、b、c、d；

（4）利用两点确定直线的数学方法计算线段ac、线段bd，求出线段ac与线段bd的交点e的坐标，计算线段ad、线段bc的交点p的坐标，计算线段ab、线段cd的交点q，即p点是线段ad、线段bc的灭点，q点是线段ab、线段cd的灭点；

（5）作线段pe的延长线交cd于点n，交线段ab于点m，作qe的延长线交线段ad于点j，交线段bc于点k，这样线段mn就是物理坐标系中的线段MN的映射，线段jk就是物理坐标系中的线段JK的映射，这样线段mn和线段jk将四边形abcd分割成四个小四边形amej、mbke、ekcn、jend，这四个小四边形便是物理坐标系中的矩形AMEJ、MBKE、EKCN、JEND的映射；

（6）定位系统判断待定位物体点S映射到辅助坐标系中的点s在四边形abcd被分割成的四个小四边形amej、mbke、ekcn、jend中的哪一个内，与点s相映射的物理坐标系中实际的待定位物体点S也在物理坐标系的相应的四边形中，确定辅助坐标点s位于哪一个四分的小四边形内之后，重复步骤（4）、（5）的四分该小四边形的方法，对该四分的小四边形再次进行四分，如此重复，直到得到一个很小的四边形，且该四边形的中心等于点s的位置；

（7）按照辅助坐标系四分四边形的方向来四分物理坐标系中的矩形ABCD，迭代与辅助坐标系同样的次数，最后得到一个小矩形，算出这个小矩形的中心，则这个值约等于点S的坐标，如果误差太大，则可以加大迭代次数，最后，对于待定位物体点S的定位完成。

本技术方案利用辅助摄像机来拍摄待定位区域，利用数学方法和透视学原理先计算出待定位物体在摄像机图像的辅助坐标系中的坐标值，再根据物理坐标系和辅助坐标系映射关系，求实际物理坐标系中待定位目标坐标值。

本发明具有如下有益技术效果：（1）无测量死区、发射接收角度大、不易受其他物体反射波干扰、成本低廉；（2）制作的系统结构简单，一台主机加一个辅助摄像机就可以；（3）系统安装调试方便，安装好辅助摄像机，确定待定位区域ABCD四点即可；（4）定位精度高，可以达到1厘米。

 

附图说明

图1为本发明实施例的待定位区域的示意图；

图2为本发明实施例中以A点为原点建立的物理坐标系的示意图；

图3为摄像机从上向下拍摄待定位区域图像；

图4为A、B、C、D四点在辅助坐标系中的坐标点示意图；

图5为图3隐藏辅助坐标系的示意图；

图6为本发明实施例中四分四边形abcd后的示意图；

图7为本发明实施例中再次四分小四边形ekcn后的示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。

实施例：

一种室内定位方法，包括以下步骤：

步骤（1），如图1所示，在一个教室的室内前方顶部固定安装摄像机，室内底部的待定位区域四个角落所在的点，即A、B、C、D，在所述摄像机的拍摄范围内，所述摄像机与定位系统主机连接；

步骤（2），如图2所示，建立物理坐标系，标定A、B、C、D四点的物理坐标系坐标，然后用摄像机拍摄待定位区域ABCD；

步骤（3），图3就是摄像机拍摄待定位区域ABCD所得图像，其中的a、b、c、d四点就是物理坐标系标定的A、B、C、D四点的映射，如图4、5所示，定位系统根据摄像机所拍摄的待定位区域建立辅助坐标系，则物理坐标系A、B、C、D四点的映射在辅助坐标系中所得到的坐标点依次为a、b、c、d；

步骤（4），如图6所示，利用两点确定直线的数学方法计算线段ac、线段bd，求出线段ac与线段bd的交点e的坐标，这个e点就是物理坐标系中的E点。计算线段ad、线段bc的交点p的坐标，计算线段ab、线段cd的交点q，根据透视学理论， p点是线段ad、线段bc的灭点，q点是线段ab、线段cd的灭点；

步骤（5），如图6所示，作线段pe的延长线交cd于点n，交线段ab于点m，作qe的延长线交线段ad于点j，交线段bc于点k，这样线段mn就是物理坐标系图2中的线段MN的映射，线段jk就是物理坐标系中的线段JK的映射。线段mn和线段jk将四边形abcd分割成四个小四边形amej、mbke、ekcn、jend,这四个小四边形是物理坐标系图2中矩形AMEJ、MBKE、EKCN、JEND的映射；

步骤（6），如图7所示，定位系统判断待定位物体点s在四边形abcd分割成四个小四边形amej、mbke、ekcn、jend中的哪一个。图6中s点是在小四边形ekcn中。而与之相映射的物理坐标系中实际的带定位点S也就在四边形EKCN中。对图2物理坐标系求线段EK的中点F,计算线段CN的中点L，计算线段EN的中点G，计算线段KC的中点H，这样线段FL线段GH把四边形EKCN平分为四个小四边形。线段EC交线段KN于I点，I点就是四边形EKCN的中心；

步骤（7），在图7中,小四边形ekcn替换四边形abcd，重复步骤（6），求出线段ec线段kn的交点i。过i点做线段pi交线段ek于点f，延长线交线段cn于v。过i点做线段qi交线段mn于点r，延长线交线段kc于h。这样线段fv线段rh把小四边形ekcn分割成更小的四个四边形。图7中可以计算出点s在四边形fkhi内。点t是四边形fkhi的中心。使用同样的方法继续四分四边形多次，最后得到一个很小的四边形，这个四边形的中心约等于点s的位置. 按上面辅助坐标系四分四边形的方向来四分物理坐标系的矩形。迭代同样次数，最后得到一个小矩形，算出这个小矩形的中心，这个值约等于点S的坐标。如果误差太大，可以加大迭代次数。这个误差很小，如果不满意这个误差，可以继续四分四边形到合适为止。一般10次就可以。这个重复分割四边形的方法在数学上叫迭代法；本步骤中，迭代次数可以根据定位精度需要来调整；

步骤（8），定位完成。

图1中矩形ABCD是待定位区域，以A点为原点建立坐标系如图2所示，定义其为物理坐标系。图3是摄像机从上向下拍摄待定位区域图像，其中四边形abcd就是物理坐标系里的四边形ABCD在摄像机图像里的映射，对此可以抽象定义一个新的坐标系称为辅助坐标系，如图4所示。对图4隐藏坐标轴和原点，就可以得到图5。

在图2中假定S点就是待定位物体，S点在辅助坐标系中映射为点s，见图6，如何从视频图像中分辨出是否是待定位物体，可以采用图像处理等方法，这个技术点不在本专利申请讨论范围。图6中可以从视频图像数据得到abcd点坐标，s点坐标也是可以直接读出。点s是物理坐标系图2中S点的映射，S点的坐标是未知的。本专利申请的目的就是求出S点的坐标。

本发明所述的室内定位方法，是使用透视学基本理论（即：凡两条相互平行的直线的（与画面不平行）都要消失到一点，这一点称为消点（或称灭点）。）来对辅助摄像机拍摄的图像进行分析计算，从而得到空间中需要定位的物体的精确位置，解决了GPS无法在室内定位的问题，而且定位精度高，弥补了目前现有的空间定位技术定位精度不够的缺陷。

本发明利用辅助摄像机来拍摄待定位区域，利用数学方法和透视学原理先计算出待定位物体在摄像机图像的辅助坐标系中的坐标值，再根据物理坐标系和辅助坐标系映射关系，求实际物理坐标系中待定位目标坐标值。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，而不是对本发明技术方案的限定，任何对本发明技术特征所做的等同替换或相应改进，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在室内前方顶部安装摄像机，室内底部的待定位区域的四个角落所在的点，即A、B、C、D，在所述摄像机的拍摄范围内，所述摄像机与定位系统主机连接；

（2）建立物理坐标系，标定A、B、C、D四点的物理坐标系的坐标，然后用摄像机拍摄待定位区域ABCD；

（3）定位系统根据摄像机所拍摄的待定位区域ABCD建立辅助坐标系，则物理坐标系中的A、B、C、D四点的映射在辅助坐标系中所得到的坐标点依次为a、b、c、d；

（4）利用两点确定直线的数学方法计算线段ac、线段bd，求出线段ac与线段bd的交点e的坐标，计算线段ad、线段bc的交点p的坐标，计算线段ab、线段cd的交点q，即p点是线段ad、线段bc的灭点，q点是线段ab、线段cd的灭点；

（5）作线段pe的延长线交cd于点n，交线段ab于点m，作qe的延长线交线段ad于点j，交线段bc于点k，这样线段mn就是物理坐标系中的线段MN的映射，线段jk就是物理坐标系中的线段JK的映射，这样线段mn和线段jk将四边形abcd分割成四个小四边形amej、mbke、ekcn、jend，这四个小四边形便是物理坐标系中的矩形AMEJ、MBKE、EKCN、JEND的映射；

（6）定位系统判断待定位物体点S映射到辅助坐标系中的点s在四边形abcd被分割成的四个小四边形amej、mbke、ekcn、jend中的哪一个内，与点s相映射的物理坐标系中实际的待定位物体点S也在物理坐标系的相应的四边形中，确定辅助坐标点s位于哪一个四分的小四边形内之后，重复步骤（4）、（5）的四分该小四边形的方法，对该四分的小四边形再次进行四分，如此重复，直到得到一个很小的四边形，且该四边形的中心等于点s的位置；

（7）按照辅助坐标系四分四边形的方向来四分物理坐标系中的矩形ABCD，迭代与辅助坐标系同样的次数，最后得到一个小矩形，算出这个小矩形的中心，则这个值约等于点S的坐标，如果误差太大，则可以加大迭代次数，最后，对于待定位物体点S的定位完成。

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