基于激光测距传感器的室内空间定位研究
基于激光测距传感器的室内空间定位研究
作者:熊伟翔;李旸;
随着移动互联网技术、智能移动终端技术、移动计算技术的发展,对室内位置服务的需要日益强烈,使得室内定位技术成为智能位置服务领域研究的热点。室内空间定位技术被广泛应用于工业制造领域中大型零部件定位、移动机器人导航以及产品尺寸的精确测量过程中。随着对该方面需求的增加,对室内空间定位技术的需求逐渐加深。基于光学原理的测量方法由于高精度和高稳定性在室内空间定位过程中占据着主导地位,激光测距传感器实现室内空间定位作为光学原理测量的重要方法,成为当前室内空间定位研究的重点。
有学者提出一种基于激光测距扫描的室内定位方法,利用激光测距仪对室内空间进行扫描,通过建立真实特征点筛选机制对室内环境的特征点进行提取,利用室内环境特征点进行迭代最近点匹配,根据匹配结果,对室内空间进行定位。但激光测距仪进行扫描过程中,存在大量噪声,影响扫描结果的精确度,导致定位不精确。有学者提出一种基于激光和光学两种观测技术的空间联合定位方法,通过联合非合作目标的单站 SLR 数据和光学观测数据进行综合定轨,确定室内空间非合作目标的精确轨道,但这种方法进行定位过程中,由于激光测距数据和光学测距数据与实际室内空间数据存在误差,导致室内空间定位的效果较差。有学者提出一种基于空间域差分的室内空间定位方法,通过在空间域对探测光强进行差分处理,并与现有时域定位方法相结合,在时域和空间域分别设置阈值,对定位的误差进行调整。但这种方法定位实施过程较为复杂,影响定位效果。
针对上述问题,提出一种基于激光测距传感器的室内空间定位方法,并验证其性能。
2 基于激光测距传感器的室内空间定位
2. 1 基于激光测距传感器的室内空间坐标函数计算
激光测距传感器在扫描平面上按一定的角度分辨率进行距离扫描,以传感器为坐标中心,建立室内空间坐标系。利用激光测距传感器对室内空间进行扫描,建立室内空间坐标系,但利用激光测距传感器读出数据对室内的环境特征进行描述,受噪声对测量结果的影响,引入直线特征提取方法,对室内空间坐标进行优,提高室内空间扫描的精确度。
通过上述论述,以传感器为坐标中心,建立室内空间扫描数直角坐标,确定其协方差矩阵,并根据室内空间坐标与参考坐标之间的转换关系,得到室内空间在参考坐标系下绝对位置,引入直线特征提取的方法对室内空间坐标进行调整,确定所有测量点所处直线位置,实现室内空间的坐标函数优化,完成基于激光测距传感器的室内空间坐标计算。
2. 2 室内空间坐标转换定位
为实现室内空间定位,在室内空间坐标计算的基础上,需要确定室内空间坐标系与参考坐标系的转换方式,计算两个坐标系的旋转矩阵 R 和平移矩阵 T。为计算 R 和 T,需要在两个坐标系下确定至少 3 个已知坐标的非共线点,设定室内空间坐标系为 O1,参考坐标系为 O2,通过计算 O1 和 O2 的相对关系,确定 R和 T,实现室内空间坐标与参考坐标之间关系变换,完成室内空间定位。
3 实验结果与分析
为了证明基于激光测距传感器的室内空间定位方法的有效性和可行性,在 MATLAB 中编写激光测距传感器和云台的标定以及两个坐标系的转换程序,分析室内空间定位效果,通过实验,得到的结果如下所述。对室内空间中狭长的通道进行定位实验,其中区域主要可以分为房间和通道两部分,实验过程中,传感器部署位置和测量位置。
实验区域室内空间主要包括通道和房间两部分,将室内空间的左下角作为坐标原点,室内空间中共部署 6 个传感器,根据扫描结果对室内空间中的测量点进行定位,通过实验,得到的结果 将激光测距传感器定位的室内空间中测量点和部署点坐标,通过平移矩阵和旋转矩阵转换到坐标系可以看出,利用激光测距传感器定位的测量点和部署点与实际测量点、部署点位置较为接近,说明基于激光测距传感器的室内空间定位方法具有定位误差小,精确度高的优点。
证明激光测距传感器实现室内空间定位的实时性,实验通过在室内空间中对遥控玩具汽车进行定位,分析遥控玩具汽车行驶到不同位置的定位时间( s) ,实验过程中,进行对比实验,得到的结果看出,激光测距传感器实现室内空间定位,定位的时间较短,定位的及时性较好,提高了定位效果,激光测距传感器在进行室内空间定位的过程中,通过优化激光测距传感器测量点位置,并直接将室内空间坐标与参考坐标进行转化,在保证定位精确度的同时减少了计算过程,降低了定位延迟,提高了定位效果。
4 结束语
室内空间定位随着应用范围的扩展,逐渐成为研究的重点问题,针对当前室内空间定位方法存在定位精确度差,定位效果不佳问题,提出一种基于激光测距传感器的室内空间定位方法,通过直线特征提取方法对激光测距传感器扫描的室内空间坐标进行优化,利用室内空间坐标系与参考坐标系之间的变换关系,将室内空间坐标转换为参考坐标,实现室内空间定。这种方法定位精确度较高,定位效果较好,但难以实现远程室内空间定位,需要后续专家学者研究解决。
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