CN109612476A - 基于惯性导航技术的地图重构方法、装置、惯性导航***及计算机存储介质 - Google Patents

基于惯性导航技术的地图重构方法、装置、惯性导航***及计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

一种基于惯性导航技术的地图重构方法、装置、惯性导航***及计算机存储介质，所述方法包括：实时获取惯性测量装置采集的运动体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据；对所述惯性导航数据进行惯性导航推算，得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息；根据计算得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息，生成所述待建模场景的三维地图，并将所述三维地图发送至显示装置进行显示。通过使用惯性传感器重构地图，在不需要设置其他信标设备的情况下，能够在任意场景下快速准确的构建出三维地图。

Description

基于惯性导航技术的地图重构方法、装置、惯性导航***及计 算机存储介质
技术领域
本发明涉及地图重构技术领域，更具体地说是基于惯性导航技术的地图重构方法、装置、惯性导航***及存储介质。
背景技术
三维地图重构是将三维场景处理成适于计算机表示和理解的数学模型，它是计算机对三维空间环境进行处理、操作和分析的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。
现有的三维地图重构往往需要提前布置信标或采用视觉传感器、激光雷达、指纹识别等技术手段来实现，如公开号为CN108337915A的专利文献，其利用激光雷达结合视觉传感器来实现三维地图重构。但在一些环境复杂的场景，如光线昏暗的地下室、崎岖不平的矿井等，由于光线不够使得视觉传感器难以获得准确的数据，不能准确、方便、快捷的完成三维地图重构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于惯性导航技术的三维地图重构方法，能够在任意场景下快速准确的构建出三维地图。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于惯性导航技术的三维地图重构方法，包括：
实时获取惯性测量装置采集的运动体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据；
对所述惯性导航数据进行惯性导航推算，得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息；
根据计算得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息，生成所述待建模场景的三维地图，并将所述三维地图发送至显示装置进行显示。
优选的，在实时获取惯性测量装置采集的目标物体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据之前还包括：对所述惯性测量装置进行零偏补偿。
优选的，在惯性导航推算过程中，同步实时检测所述运动体的零速状态，若检测到零速状态，则对所述运动体由惯性导航推算得到的姿态、速度和位置量进行零速修正；若没有检测到零速状态，则运动体持续进行惯性导航推算得到姿态、速度和位置量。
另外，本发明还涉及一种基于惯性导航技术的三维地图重构***，所述***包括：
惯性导航数据接收单元，用于实时获取惯性测量装置采集的运动体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据；
惯性导航推算单元，用于对所述惯性导航数据进行惯性导航推算，得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息；
三维地图重构单元，用于根据计算得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息，生成所述待建模场景的三维地图，并将所述三维地图发送至显示装置进行显示。
本发明还涉及一种基于惯性导航技术的三维地图重构装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述方法的步骤。
本发明还涉及一种惯性导航***，包括惯性导航测量装置、显示装置，所述惯性导航***还包上述的基于惯性导航技术的三维地图重构装置，所述三维地图重构装置分别与所述惯性导航测量装置和所述显示装置通信连接。
本发明还涉及一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明利用惯性导航技术来实现地图重构，通过对三轴陀螺仪、三轴加速度计进行惯导解算和零速修正，可以输出位置坐标，不需要事先准备外部辅助设备，且对光线无太高要求，并且不受外界条件限制，无论是在大型建筑物、昏暗地下室或者崎岖不平的隧道，均能正常使用，使用方便快捷。
附图说明
图1为本发明的地图重构方法流程图。
图2为本发明获得姿态、速度和位置信息的流程图。
图3为本发明的地图重构装置结构示意图。
图4为利用本发明的地图重构方法对办公室进行重构的效果地图。
图5为本发明导航***结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
作为一种实现方式，本实施例还提供了一种地图重构方法，包括如下步骤：
1)测试前进行惯性传感器误差补偿，以减小陀螺仪零偏带来的定位误差，将惯性传感器多次在隔震台静置取平均数据，将所述角速度平均值代入下式，计算得到零偏补偿后的所述惯性测量装置的角速度值；
式中：Wxo,Wyo,Wzo表示补偿后的角速度值；
Wxi,Wyi,Wzi表示传感器采集的角速度值；
表示陀螺零偏；
2)实地检测，测试人员佩戴检测设备沿待建模场景行走一整周，进行惯性导航推算：
利用姿态更新算法得到每个时刻的姿态转移矩阵，对投影后的比力进行一次积分、二次积分，分别得到测试人员的速度和位置量，微分方程可表示为：
式中：表示姿态转移矩阵；
Vn表示速度矢量；
rn表示位移矢量；
表示陀螺仪测量数据；
fb表示加速度计测量数据；
gn表示当地重力加速度矢量；
3)在惯性导航推算过程中，同步实时检测所述运动体的零速状态，若检测到零速状态，则对所述运动体由惯性导航推算得到的速度和位置量进行零速修正。
通过扩展卡尔曼滤波方程，在检测到测试人员零速信息时进行零速修正，
设导航***误差为：
式中：为姿态角误差；
δv＝[δvN δvE δvD]为速度误差；
δr＝[δrN δrE δrD]为位置误差；
卡尔曼滤波状态方程和量测方程分别为：
z＝Hδx+v (5)
其中：F、G、H为卡尔曼滤波已知的***结构参数；
w、v为卡尔曼滤波***噪声、量测噪声参数；
***的实际观测量z如下：
z＝[δvk]＝vk-[0,0,0] (6)
式中，δvk为第k时刻的速度误差，vk为第k时刻的速度,则观测矩阵为：
H＝[03×3 I3×3 03×3] (7)
以每个时刻的陀螺输出角速度模值进行判断，通过设定阈值(Threshlod)，判断当前时刻是否处于零速状态。若当前时刻处于零速状态，则进行滤波量测更新，对误差量进行修正：
NormGyro＝norm(Wxo,Wyo,Wzo) (8)
当NormGyro＜Threshold时，ZUPT＝1，为零速状态，进行零速修正；
若没有检测到零速状态，则运动体持续进行惯性导航推算得到姿态、速度和位置量。
4)定位信息传输，将保存到的定位信息发送至计算机进行处理；
5)定位信息建模，并将定位结果显示在显示装置上，并标注出长度信息、高度信息，构建出三维地图。
另一方面，基于同一发明构思，本方案实施例中还提供了一种基于惯性导航技术的三维地图重构***，所述***包括：
惯性导航数据接收单元，用于实时获取惯性测量装置采集的运动体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据；
惯性导航推算单元，用于对所述惯性导航数据进行惯性导航推算，得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息；
三维地图重构单元，用于根据计算得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息，生成所述待建模场景的三维地图，并将所述三维地图发送至显示装置进行显示。
基于同一发明构思，本方案实施例中还提供了一种基于惯性导航技术的三维地图重构装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述地图重构方法的步骤。
基于同一发明构思，本方案实施例中还提供了一种惯性导航***，包括惯性导航测量装置、显示装置，所述惯性导航***还包上述的基于惯性导航技术的三维地图重构装置，所述三维地图重构装置分别与所述惯性导航测量装置和所述显示装置通信连接。
基于同一发明构思，本方案实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述地图重构方法的步骤。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种基于惯性导航技术的三维地图重构方法，其特征在于，包括：
实时获取惯性测量装置采集的运动体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据；
对所述惯性导航数据进行惯性导航推算，得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息；
根据计算得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息，生成所述待建模场景的三维地图，并将所述三维地图发送至显示装置进行显示。
2.如权利要求1所述的基于惯性导航技术的三维地图重构方法，其特征在于，所述实时获取惯性测量装置采集的目标物体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据之前还包括：对所述惯性测量装置进行零偏补偿。
3.如权利要求2所述的基于惯性导航技术的三维地图重构方法，其特征在于，所述对所述惯性测量装置进行零偏补偿包括：
对静置在隔震台上的惯性测量装置的角速度进行多次采样，计算多次采样的角速度平均值；
将所述角速度平均值代入下式，计算得到零偏补偿后的所述惯性测量装置的角速度值：
式中：Wxo,Wyo,Wzo表示补偿后的角速度值；
Wxi,Wyi,Wzi表示传感器采集的角速度值；
表示陀螺零偏。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述惯性导航数据进行惯性导航推算，得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息包括：
利用姿态更新算法得到每个时刻的姿态转移矩阵，对投影后的比力进行一次积分、二次积分，分别得到运动体的速度和位置量，微分方程可表示为：
式中：表示姿态转移矩阵；
Vn表示速度矢量；
rn表示位移矢量；
表示陀螺仪测量数据；
fb表示加速度计测量数据；
gn表示当地重力加速度矢量。
5.根据权利要求1所述的基于惯性导航技术的三维地图重构方法，其特征在于，所述方法还包括：
在惯性导航推算过程中，同步实时检测所述运动体的零速状态，若检测到零速状态，则对所述运动体由惯性导航推算得到的姿态、速度和位置量进行零速修正；若没有检测到零速状态，则运动体持续进行惯性导航推算持续得到姿态、速度和位置量。
6.如权利要求5所述的基于惯性导航技术的三维地图重构方法，其特征在于，对所述运动体进行零速修正包括：通过下述扩展卡尔曼滤波方程对所述运动体的进行零速修正：
设惯性导航***误差为：
式中：为姿态角误差；
δv＝[δvN δvE δvD]为速度误差；
δr＝[δrN δrE δrD]为位置误差；
卡尔曼滤波状态方程和量测方程分别为：
z＝Hδx+v (5)
式中：F、G、H为卡尔曼滤波已知的***结构参数；
w、v为卡尔曼滤波***噪声、量测噪声参数；
***的实际观测量z如下：
z＝[δvk]＝vk-[0,0,0] (6)
式中，δvk为第k时刻的速度误差，vk为第k时刻的速度,
则观测矩阵为:
H＝[03×3 I3×3 03×3] (7)
以每个时刻的陀螺输出角速度模值进行判断，通过设定阈值(Threshold)，判断当前时刻是否处于零速状态，若当前时刻处于零速状态，则进行滤波量测更新，对误差量进行修正：
NormGyro＝norm(Wxo,Wyo,Wzo) (8)
当NormGyro＜Threshold时，ZUPT＝1，为零速状态。
7.一种基于惯性导航技术的三维地图重构***，其特征在于，包括：
惯性导航数据接收单元，用于实时获取惯性测量装置采集的运动体在待建模场景中按照预设轨迹运动时的惯性导航数据；
惯性导航推算单元，用于对所述惯性导航数据进行惯性导航推算，得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息；
三维地图重构单元，用于根据计算得到所述运动体在所述待建模场景中的姿态、速度和位置信息，生成所述待建模场景的三维地图，并将所述三维地图发送至显示装置进行显示。
8.一种基于惯性导航技术的三维地图重构装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
9.一种惯性导航***，包括惯性导航测量装置、显示装置，其特征在于，所述惯性导航***还包括如权利要求8所述的基于惯性导航技术的三维地图重构装置，所述三维地图重构装置分别与所述惯性导航测量装置和所述显示装置通信连接。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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