CN115022958A - 一种头戴式全息透镜联机实时场景同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，其特点是采用实时动态差分方法，利用载波相位观测值的实时动态定位，实现混合现实应用的多机交互和虚拟‑现实世界的场景同步，具体包括：通过建立GPS‑RTK基准站和移动站，获取头戴式全息透镜的现实世界坐标，并通过服务器‑客户端的网络架构实时同步多台设备的状态信息，实现多台设备的实时精确位置成像，在精确地理位置上布设虚拟场景物体等步骤。本发明与现有技术相比具有导航定位精度高、实时性差且长时间运行有累积误小，极大地满足了导航或定位的精度和安全性，方法简便，效果更好，具有良好的应用前景。

Description

一种头戴式全息透镜联机实时场景同步方法
技术领域
本发明是涉及移动导航及混合现实技术领域，具体地说是一种基于GPS-RTK高精度定位实现头戴式全息透镜的实时场景同步方法。
背景技术
混合现实技术是通过在现实环境中引入虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。它是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。目前的头戴式全息透镜主要依赖惯性导航和视觉的导航。视觉导航AGV存在的最大优势即是允许无固定参照物。应用在某些场景的视觉导航***，如自动化流水线可以做到0.1mm的定位精度，但基于无固定参照的视觉导航，其定位精度往往不高(纯视觉导航)。此外，视觉导航对光的依赖程度高，在暗处或者一些无纹理区域需要借助辅助传感器。因此，纯视觉方案在实际应用中还存在这诸多掣肘，也并没有真正意义上的纯视觉导航方落地。
当前，移动机器人的视觉导航***，为获得更高的定位精度以及保证机器人在各种环境下稳定运行，除视觉导航外，还需要其他的导航或定位***作为辅助，同时，尽可能使用有固定参照物的视觉导航***，能够获得更好的定位精度和安全性。惯性导航***是以陀螺仪和加速度计等惯性测量单位为敏感器件的导航***。该***可以在角速度和线加速度等初始测量数据基础上，通过搭建模型坐标系和算法解算出被测物体的速度、位移以及航向角等信息。由于惯性导航是完全自主式的导航***具备全天候工作，工作寿命长，更新速率高且短时间内的定位精度高等优点。惯性导航***在一定的时间内可以有效地保证数据的准确。但是从基本原理来看，惯性导航***是采用积分，等到一定的时间积累后，小的误差必然会积累到误差。
现有技术存在着导航定位精度低、实时性差且长时间运行有累积误差的缺点，无法满足导航或定位的精度和安全性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，采用服务器-客户端的网络架构，实时同步多台设备的状态信息，实现混合现实应用的多机交互和虚拟-现实世界的场景同步，通过建立GPS-RTK基准站和移动站，获取厘米级定位数，实现在每台头戴式全息透镜上实现多台设备的实时精确位置成像并能在精确地理位置上布设虚拟场景物体，为头戴式全息透镜实现高精度、实时导航服务，尤其适合在空旷的室外场所采用的精确的定位方式，方法简便，效果更好，具有良好的应用前景。
实现本发明目的具体技术方案是：一种头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，其特点是采用实时动态差分方法，利用载波相位观测值的实时动态定位，实时地提供测站点在指定坐标系中的位置坐标，并达到厘米级的定位精度，基于GPS—RTK技术实现混合现实应用的多机交互和虚拟-现实世界的场景同步，具体包括下述步骤：
步骤1、建立包括基准站和移动站的GPS-RTK工作站；
步骤2、建立客户端/服务器网络互联架构连接基站移动站和头戴设备；
步骤3、实现卫星、基站、移动站以及头戴式全息透镜与服务器端的数据通路；
步骤4、进行坐标数据转换，校准各台全息透镜在混合现实空间中的位置并广播位置数据实现空间位置同步。
所述步骤1的GPS-RTK工作站的建立具体包括下述步骤：
步骤A-1、将由亚米级GPS模块和无线网络天线构成的基准站，接收来自卫星定位信息并通过无线网络天线发送给服务器；
步骤A-2、设有无线网络天线的移动站，采用双天线GPS接收机获取头戴全息透镜包括航向、俯仰角的位置和姿态信息，并通过无线网络天线发送给服务器。
所述步骤2具体包括下述步骤：
步骤B-1、将客户端程序上载到全息透镜平台上，并部署一台计算机作为服务器；
步骤B-2、利用socket搭建基于TCP协议的服务器/客户端传输网络，让各台全息透镜和定位的基准站、移动站与服务器相连接；
步骤B-3、制定通信协议和数据传输格式。
所述步骤3具体包括下述步骤：
步骤C-1、基准站和移动站同时接受同一时间和相同区域内GPS卫星发射的信号，并将实时位置和原始观测量发送到服务器；
步骤C-2、服务器通过结算消除卫星定位的接收机钟差和卫星钟差，使用多频测量减少对流层延迟误差、电离层延迟误差和载波相位噪声得到标准误差。
所述步骤4具体包括下述步骤：
步骤D-1、服务器在移动站位置信息上加入标准差计算出精确位置信息，并转化为混合现实场景位置坐标；
步骤D-2、服务器将各台全息透镜的混合现实场景位置坐标广播，各设备实时同步自身和其他透镜设备的位置。
本发明与现有技术相比具有精确获取自身的虚拟位置和其他设备在设备中的成像位置实现精确位置和状态信息同步，导航定位精度高、实时性差且长时间运行有累积误小，极大地满足了导航或定位的精度和安全性，本发明用于头戴式全息透镜而言GPS-RTK导航技术是无论是在定位精度和实时性上来讲都是较佳的选择，方法简便，效果更好，具有良好的应用前景。
附图说明：
图1为本发明架构的***示意图；
图2为本发明架构的头戴式全息透镜联机示意图。
具体实施方式：
参阅图1，本发明基于GPS—RTK技术的头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，具体包括下述步骤：
1)建立GPS-RTK工作站,包括基准站和移动站
移动站采用两个高精度GPS模块作为接收机，通过他们位置之间形成的方向向量获得移动站的姿态信息，包括航向、俯仰角。
2)建立客户端/服务器网络互联架构连接基站移动站和头戴设备。
3)步骤3、实现卫星、基站、移动站和多台头戴式全息透镜与服务器端的数据通路。
4)进行坐标数据转换，校准各台全息透镜在混合现实空间中的位置并广播位置数据实现空间位置同步。
所述基准站和移动站同时接受同一时间、同区域卫星发射的信号，基准站所获得的观值与已知位置信息进行比较，得到GPS计算的标准误差。然后，将这个标准差通过无线电网络及时传递给服务器，服务器通过加入标准误差解算出其对应头戴式全息透镜的GPS观测值，从而得到经过移动站准确的实时经纬度信息，通过坐标系转换得到头戴式全息透镜精确的二维位置坐标。
所述服务器端根据移动站提供的航向俯仰角数据转换成方向向量在加上精确的二维位置坐标可得到头戴式全息透镜代表的虚拟人物在该时间点虚拟场景中的视角方向和位置并将其广播到所有头戴式全息透镜的客户端中，这样每个设备就能精确获取自身的虚拟位置和其他设备在设备中的成像位置实现精确位置和状态信息同步。
所述GPS-RTK工作站的建立具体步骤如下：
(一)部署基准站
基准站由两台GPS接收机和无线电台发送机组成，将其固定在高处，并实时将基站的坐标信息通过无线电台发送给移动站；基站均由一块高精度亚米级GPS模块构成其中基站包含一根GPS天线用于接受GPS卫星信号、一块无线网络天线以发送数据给服务器；服务器通过接受卫星接收机原始观测量求得标准观测误差。
(二)标准观测误差的获取
原始观测量是通过测量载波传播时间差或者相位差求得的距离，其原始观测量为载波相位观测量，其中包括：卫星钟差、对流层延迟误差、电离层延迟误差、接收机钟差、观测噪声等误差因素。载波相位观测量由下述(a)式计算：
Figure BDA0003714729130000041
式中，P和Φ分别表示伪距观测量和载波相位观测量，单位为米；s表示为基准站和移动站能共同接收到的卫星，r表示为这些基准站和移动站；i表示观测信号的序号；
Figure BDA0003714729130000042
表示卫星到基准站和移动站之间的几何距离，单位为米；c表示光速；dtr(tr)和dTs(ts)分别表示接收机钟差和卫星钟差，单位为米；
Figure BDA0003714729130000043
表示电离层延迟，单位为米；
Figure BDA0003714729130000044
表示对流层延迟，单位为米；
Figure BDA0003714729130000045
表示载波相位观测量的模糊度参数，单位为周；εΦ表示载波相位观测量的观测噪声误差，单位为米。
为了获得高精度的定位，将使用双差观测量，指的是服务器会在同一观测时间段内，使用相同的观测站对不同的卫星观测量结果求差以消除接受机钟差，并使用不同的观测站对相同卫星的观测量结果求差，最后对两个结果求差同时消除这两种误差，同时消除两种误差。
对原始观测量组成双差观测模型，
参阅图2，假设在观测站A和B两点对卫星j和k同步观测，以载波相位双差观测量由下述(b)式表示为：
Figure BDA0003714729130000046
将式(b)代入(a)式得到下述(c)式：
Figure BDA0003714729130000047
以Δ符号表示通过上述的双差计算之后的结果，由此简化得到下述(d)式：
Figure BDA0003714729130000048
式中，i表示观测信号的序号。
基于三次不同时间观测到的数据的进行双差计算之后载波相位线性组合观测量由下述(e)式描述为：
Figure BDA0003714729130000049
式中，组合系数(i,j,k)为整数；ΔΦ表示以米为距离单位的双差载波相位观测量。
综上可以将电离层延迟尺度系数β(i,j,k)和载波噪声系数μ(i,j,k))分别由下述(f)～(g)式表示为：
Figure BDA00037147291300000410
Figure BDA00037147291300000411
则线性组合之后的载波观测量可由下述(h)式表示为：
Figure BDA00037147291300000412
式中：ΔT分别表示为双差对流层延迟误差；ΔδI表示电离层延迟量；
Figure BDA00037147291300000413
表示载波观测量噪声。
组合之后载波相位总观测误差由下述(i)式表示为：
Figure BDA0003714729130000051
在利用多基站的双差观测消除了卫星钟差和接收机钟差之后，再通过多频次测量减少对流层延迟误差、电离层延迟误差和载波相位噪声，标准误差σΦ会更加接近实际误差。
(三)校准信息的获取
将卫星定位天线放置在开放空间上，并保持静止，基站将进行大约10分钟的测量，直到标准误差σΦ低于需求的精度范围。完成后，基站将通过坐标转换将标准误差σΦ转化为经纬度坐标系开始通过网络天线自动向服务器传输实时校正消息(RTCM3)。
(四)部署移动站
移动站由2部GPS天线和无线网络发射天线组成，且置于头戴式全息透镜朝向同步位置，1号卫星天线置于头戴式全息透镜前方，2号卫星天线置于头戴式全息透镜后方；2号天线点指向1号天线的方向即为头戴式全息透镜航向角δ。
(五)实时经纬度坐标的获取
移动站输出的数据格式为GPRMC数据，包括位置、航向和速度等信息，定位数据输出更新频率设定为20Hz；在服务器收到移动站输出GPRMC数据之后在原数据上加入RTCM3进行校正，得到高精度实时经纬度坐标。其中，GPRMC数据位置信息为地球经纬坐标,服务器通过下述(j)式将其转换为地面横纵坐标：
Figure BDA0003714729130000052
式中：L为纬度；B为经度；H为地面高度；α、e分别为地球坐标系所对应的椭圆形的长半轴和第一偏心率，其中a＝6378245e＝1/2983。
(六)空间位置同步的实现
将基站处位置(x0,y0)定义为混合现实场景坐标系原点，从而获得新的头戴式全息透镜实时坐标(x,y,δ),其中x＝X-x0,y＝Y-y0。最后服务器结算出的各台头戴式全息透镜场景坐标广播发送到所有设备的客户端上，设备便能在透镜中精确显示各种设备的实时位置。
以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，其特征在于采用实时动态差分方法，利用载波相位观测值的实时动态定位，实现混合现实应用的多机交互和虚拟-现实世界的场景同步，具体包括下述步骤：
步骤1、建立包括基准站和移动站的GPS-RTK工作站；
步骤2、建立客户端/服务器网络互联架构连接基站移动站和头戴设备；
步骤3、实现卫星、基站、移动站以及头戴式全息透镜与服务器端的数据通路；
步骤4、进行坐标数据转换，校准各台全息透镜在混合现实空间中的位置并广播位置数据实现空间位置同步。
2.根据权利要求1所述的头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，其特征在于所述步骤1的GPS-RTK工作站的建立具体包括下述步骤：
步骤A-1、将由亚米级GPS模块和无线网络天线构成的基准站，接收来自卫星定位信息并通过无线网络天线发送给服务器；
步骤A-2、设有无线网络天线的移动站，采用双天线GPS接收机获取头戴全息透镜包括航向、俯仰角的位置和姿态信息，并通过无线网络天线发送给服务器。
3.根据权利要求1所述的头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，其特征在于所述步骤2具体包括下述步骤：
步骤B-1、将客户端程序上载到全息透镜平台上，并部署一台计算机作为服务器；
步骤B-2、利用socket搭建基于TCP协议的服务器/客户端传输网络，让各台全息透镜和定位的基准站、移动站与服务器相连接；
步骤B-3、制定通信协议和数据传输格式。
4.根据权利要求1所述的头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，其特征在于所述步骤3具体包括下述步骤：
步骤C-1、基准站和移动站同时接受同一时间和相同区域内GPS卫星发射的信号，并将实时位置和原始观测量发送到服务器；
步骤C-2、服务器通过结算消除卫星定位的接收机钟差和卫星钟差，使用多频测量减少对流层延迟误差、电离层延迟误差和载波相位噪声得到标准误差。
5.根据权利要求1所述的头戴式全息透镜联机实时场景同步方法，其特征在于所述步骤4具体包括下述步骤：
步骤D-1、服务器在移动站位置信息上加入标准差计算出精确位置信息，并转化为混合现实场景位置坐标；
步骤D-2、服务器将各台全息透镜的混合现实场景位置坐标广播，各设备实时同步自身和其他透镜设备的位置。
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