基于时间算法的室内光学定位及其测试方法

毕东月

（安世亚太科技股份有限公司 北京市 100025）

1 引言

光学上的定位检测技术又大致可划分为两种新的定位法和光学上的定位检测方法。[1]利用直接面阵图形方法作为接收测量传感器，需要配备球面图形透镜，共同协作组成直接测量控制单元，并采用基于直接面阵图形CCD的直接线性变换可用于直接测定测量空间的三维立体坐标；采用直接线性面阵方法作为一个接收测量传感器，需要配备柱面透镜，共同协作组成直接测量控制单元，基于直接线性面阵可用于直接测定测量空间的三维立体坐标。[2]根据三维空间位置测量仪的技术工作原理，为了实时确定三维空间中被摄物点的三维位置坐标，需要两个或者更多的自动光学数码相机软件来实时记录其在摄像点上的位置。[3]

2 基于时间算法的光学定位

定位激光基站是由两个反向发光转轴站点联合组成，其中a、b两个站点中各有一套红外线的反向发光转轴阵列。[4]相互之间垂直的发光转轴沿着x、y的转轴分别做规律的反向转动。由两个发光基站根据a、b由内向外分别发射三种红外灯并照亮装在虚拟头盔和交互手柄上的两个光敏信号传感器，传感器会在接收检测到头盔光敏信号后便开始自动收光。[5]传感器将这些信息通过传输计算机在基站中使用发光灯的到达时间传感器的持续时间。两个基站电路中的x、y两个转轴开始分别进行高速转动，当转轴上的红外线灯光发射器传到两个接收端时，感应器被点亮。由转轴对其转动的固定时间长度可测得，转轴对其转动的固定角度可测得，由此推算三维坐标系中只有x、y两个单位坐标是轴的转动角度。

2.1 距离计算

在地球空间整体模型下，可直接建立三个相互之间存在且有关联的整体地球数学空间中的三维数学坐标系，亦即地球空间坐标系中的a和g及g、交互手柄丢空间整体坐标系中的a和g及b、基站地球空间整体坐标系，其中的c,og,ob,oc，分别为各自的地球空间整体坐标系的三个空间原点。在两个基站以及a、基站以及b两端和基站之间所建的两个坐标系的两个平面夹角方程不同。xy轴轴扫描：在定义的三维空间的轴坐标系中，建立基于c轴的坐标系。在两个c角形坐标系中分别对1、2两个不同平面的点进行二次扫描。圆心坐标分别为(1x0,1y0)和(2x0,2y0)，激光扫描角度和频率分别为120°、60Hz，通过两个红外光探头到达一个接收器的时间差。接收器得到激光的时间差值如下式：

x、y扫描转动频率分别为60Hz，扫描转动角度为120°，时间差：

△tx、△ty已知。将两个红外手柄坐标基站放到高的地面上，两个手柄之间即可直接开始向不同高度空间内的区域直接进行红外手柄光束的直接发射，安装放在红外手柄上的红外发射器，在两个电子设备内部系统接收操作完毕所观测到的数据，系统即可直接进行手柄自动坐标系统的设计建立。地球坐标系通过映射连接到本地的地球坐标系的参数变换为：

b为已知，对于激光成像扫描仪的中心(1x0,1y0)和(2x0,2y0)以及两个轴坐标之间的轴旋转和角的平移定位关系。由：

在刚性球体上选五个标定点，则具有15个点的未知数，15个代数方程，可设计求出五个标定点的参数(1x0,1y0)、(2x0,2y0)、以及定义本体惯性运动坐标系中在E，可假定它的原点与本体惯性坐标系中在b中的原点相互重合。与其他惯性运动系统如下相同，由惯性运动传感器（又称加速度运动传感器）给出选择矩阵由下式可求出约束EZ。

2.2 位置计算

假设以其中一点为第p或p个节点作为实例，当新的o1基站在实验室的空间中连续水平垂直方向反射扫描转轴运动，红色垂直扫射运动平面为其沿着水平垂直方向，水平扫射转轴上面激光器沿着垂直水平扫射转轴运动，蓝色垂直运动平面为其沿着垂直水平扫射转轴方向旋转，沿着垂直水平转轴上面的激光器沿着垂直水平扫射转轴运动。当扫射激光沿着垂直方向扫射时，激光在水平面上的左右方向旋转时在达到o和θ2角度后，会将垂直扫射激光信号传送到两个激光图像传感器触点两个p，此时激光通过两个p接触点激光可接收激光扫射信号到两个位于o和o2基站的激光红外线和其他激光图像发射器的信号。当使用两种水平式和旋转式的激光器对平面物体进行了左旋转动并达到φ和φ2角度时，该激光图像扫射器就会达到激光图像传感器触点上的p，此时该传感器位于p的触点信号可接收激光扫射器到两个位于o和o2基站的激光红外线和其他激光图像发射器的信号。求得原点x的三个坐标值，可通过求得原点D(x、y、z)的三个坐标相交点。依据此种分析算法对同一空间各点坐标值节点进行求解运算，利用空间中的坐标和节点运算来确定传感器节点所空间中。

3 光学定位测试

3.1 摄像头标定

将校准点源(0,0,420)所在的地面为世界坐标原点(0,0,0)。对带有光学值的摄像头进行标定，得到光学值在摄像头内部的参数，修正捕获拖箱的坐标值。为了校验每个校准点，自动随机选择8个校准点，从而验证实际校准误差的效果，蓝色是实际标定后面的位置。利用激光测距仪测量出光学摄像头的世界坐标，两个二维光学视频摄像头进行拍摄后，即可获被待观测物体的二维像素空间的坐标值，通过公式计算，两个像素点的空间坐标值通过透视转换行程二维像素的世界坐标值。

3.2 定位测试

随机选择3个视觉测试点，通过比较随机方位视觉三维扫描测量坐标的方法和实际使用测量的定位精度，测量的坐标误差在1.5cm以内，对比实验方法测量的三维坐标点定位误差小，满足虚拟空间光学相机标定和室内参考参照物的光学摄像头标定的需要。测试提出了用光学高频定位器的信息估计实际测量结果，通过交叉相位互补高频滤波技术介绍不同角度减速和加速度的高频测量信息，从而得到更准确、更接近真实的高频测量结果。故障计的数值不仅可以作为下一次系统故障检测的重要参考，还可以作为临时故障观测和测量值，提高整个系统的工作安全性和鲁棒性。光学摄像机实时拍摄整个实验运动区域图1。

图1：多人-参照物测试

4 结论

当目标因有较大的遮挡而未实时反馈视觉跟踪信息时，跟踪定位系统会继续按加速度及角度加速度的顺序，对视觉数据进行卡尔曼滤波深度处理，之后累积误差会增大，当滤波后的视觉跟踪目标再次获得数据时，立即对数据进行误差校正，如图2所示。只有双拍目标的视觉跟踪信息会异常丢失。利用自动加速度、角度加速度和传感器数据，对两个目标的固定位置信息进行跟踪，可确保目标视觉信息的定位连续性，达到更好的效果。

图2：修正后结果