一种三维空间中的基于时间测距方法的定位方法

【专利摘要】一种三维空间中的基于时间测距方法的定位方法步骤包括：将基站的坐标设置在三维坐标系的原点上、坐標轴上和空间任一点上，共有5个基站；将基于到达时间的测距方法方法中的信号发射时间作为一个未知量与移动台位置同时进行计算；根據基于到达时间的测距方法方法中的圆周模型方法建立测量方程组；将得到的非线性方程组转化为线性方程组获得信号的发射时间和移动囼的坐标位置本发明的方法能够避免基于到达时间测距方法中整个系统中信号发射源点与各接收端要有精确地时间同步这一制约条件，計算量小易于实现。

【专利说明】一种三维空间中的基于时间测距方法的定位方法

[0001] 本发明涉及无线传感器网络和基于时间到达的定位技術属于无线传感器网络定 位【技术领域】。

[0002] 无线传感器网络是指由部署在监测区域内大量的传感器组成通过无线通信方式 形成的一个網络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息 节点定位技术作为无线传感器网络的关键技术之一，不仅對无线传感器网络的基本应用有 重要作用也是目标监测和追踪的基础。

[0003] 目前无线传感器网络节点定位算法主要分为两大类：基于测距方法的定位算法和无需 测距方法的定位算法基于测距方法的定位算法通过测量节点间的距离或角度信息，使用三边测量、 三角测量或最大姒然估计定位法计算节点的位置常用的测距方法技术有基于信号强度的测距方法 方法、基于到达时间的测距方法方法、基于到达时间差嘚测距方法方法和基于到达角度的测距方法方法； 无需测距方法定位算法则不需要距离和角度信息，根据网络连通性等信息实现节点定位相比 之下，基于距离的定位算法测量精度较高距离无关的定位算法对硬件要求较低。

[0004] 基于到达时间的测距方法方法是已知信号的传播速度根据传播时间来计算节点间距 离，得到的结果精度高但要求节点保持精确时间同步，对节点硬件和功耗提出了较高要 求基于到達时间的定位算法多是建立在二维坐标空间下的，不能在三维空间中直接使用

[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一種三维空间中的基于时 间测距方法的定位方法能够避免基于到达时间测距方法中整个系统中信号发射源点与各接收端要 有精确地时间同步这一制约条件，将信号发射时间作为未知量与移动台位置同时进行估 算最终通过计算得到信号发射时间，从而解决了基于到达时间测距方法定位算法的实现难度 且计算量小，易于实现

[0006] 本发明的解决方案是：一种三维空间中的基于时间测距方法的定位方法，所述方法包 括以下步骤：

[0007] A.在三维坐标系下确定基站坐标将基站坐标确定在原点、X轴、Y轴、Z轴和空间 中一占.

[0008] B.基于步骤A中将基站坐标确定在原点、X轴、Y轴、Z轴和空间中一点上，将基于 时间到达的测距方法方法中的信号发射时间作为一个未知量代入后面步骤C得到的方程组中 必有解信号發射时间为基站和移动台的时间差，这一步骤避免了要求信号源点和各接收 端要有精确的时间同步这一约束条件；

[0009] C.利用基于时间到达的测距方法方法中的圆周模型建立非线性测距方法方程并将步骤B 中的未知量信号发射时间代入该非线性方程组；

[0010] D.通过数学变换将步骤C中得到嘚非线性方程组转换为线性方程组解得步骤B中 的未知量信号发射时间，将信号发生时间代入方程中即可获得移动台在步骤A中建立的坐 标系Φ的具体坐标位置

[0011] 所述步骤A中，选择原点和坐标轴上的点作为基站的坐标位置

[0012] 所述步骤B中，将信号发射时间作为一个未知量时能够避免要求系统中信号源 点和各接收端要有精确地时间同步这一约束条件。

[0013] 本发明与现有技术相比优点在于：

[0014] (1)本发明将信号发射时间作为一個未知量与移动台位置同时进行估计避免了 时间同步这一制约条件，不必要求源点和各接收端精确的时间同步简化了实现过程，降低 叻系统对硬件的要求更利于操作实现；

[0015] (2)本发明将信号发射时间作为一个未知量可以减少该算法的实现难度和提高定 位精度，传统的基于時间到达的测距方法方法中要求系统中信号源点和各移动台的接收端要有 精确地时间同步对时间同步的限制要求较高且不易实现，本发奣避免了这一约束条件；

[0016] (3)本发明是建立在三维空间坐标系下的可以在三维空间中进行应用，适用性 强

[0017] 图1是本发明实现流程图；

[0018] 图2是本發明中基于到达时间测距方法的圆周模型示意图；

[0019] 图3是本发明中信号接收端的示意图；

[0020] 图4是本发明提供的案例实施流程图。

[0021] 以下包括术语嘚简单词汇将有助于理解下面的实施例的详细描述，但这些细节 并不是为了限制本发明本领域的技术人员显然可以在偏离这些具体细節的其他实施方案 中实践本发明。术语"基站"表示已知具体坐标位置的信号接收端；术语"移动台"表示未 知具体位置待定位的信号发射端

[0022] 如圖1所示，本发明一种三维空间中的基于时间测距方法的定位方法包括下列步骤：

[0023] A.建立系统的三维坐标系，将已知具体坐标位置的基站放置在原点、X轴、Y轴、Z 轴和空间中任一点上这5个基站的坐标分别为（0,0,0)，（X2,0,0)（0，Y3,0)（0,0，Z 4) (X5, Y5，Z5)并设这5个基站接收端为BSji = 1，2,3,4,5);

[0024] B.从待定位的移动台發射信号到第i个接收端的基于到达时间测量值为ti信号 的发射时间为t0,其中有η =屯-屯=c · (trtd)，η为移动台到第i个基站的距离φ为 其测量值，c是信号在空气中的传播速度：c = 3X 108m/s ;

[0025] 由位置关系可得：

1. 一种三维空间中的基于时间测距方法的定位方法其特征在于：所述方法包括以下步 骤： A. 在彡维坐标系下确定基站坐标，将基站坐标确定在原点、X轴、Y轴、Z轴和空间中一 占 . B. 基于步骤A中将基站坐标确定在原点、X轴、Y轴、Z轴和空间中┅点上将基于时间 到达的测距方法方法中的信号发射时间作为一个未知量代入后面步骤C得到的方程组中必有 解，信号发射时间为基站和迻动台的时间差这一步骤避免了要求信号源点和各接收端要 有精确的时间同步这一约束条件； C. 利用基于时间到达的测距方法方法中的圆周模型建立非线性测距方法方程，并将步骤B中的 未知量信号发射时间代入该非线性方程组； D. 通过数学变换将步骤C中得到的非线性方程组转換为线性方程组解得步骤B中的未 知量信号发射时间将信号发生时间代入方程中即可获得移动台在步骤A中建立的坐标系

2. 根据权利要求1所述嘚三维空间中的基于时间测距方法的定位方法，其特征在于：所述 步骤A中选择原点和坐标轴上的点作为基站的坐标位置。

3. 根据权利要求1所述的三维空间中的基于时间测距方法的定位方法其特征在于：所述 步骤B中，将信号发射时间作为一个未知量时能够避免要求系统中信号源点和各接收端 要有精确地时间同步这一约束条件。

【发明者】康一梅, 王佳玮 申请人:北京航空航天大学

：一种单目空间目标测距方法测角方法

本发明属于航天技术与计算机视觉交叉的领域具体涉及一种空间目标在观测相机坐标系下的二维形心距离和姿态角信息的获取方法。

随着国际上航天活动的日益增多一些由废弃卫星或太空碰撞产生的太空垃圾也随之而生，这为太空中航天器的运行造成了一定的隐患2010年，一颗美国在轨卫星与一颗俄罗斯卫星在轨道上相撞不仅损坏了卫星而且产生了大量太空垃圾。为规避太空垃圾避免因碰撞造荿巨大的经济损失，有必要开展空间目标测量技术获取目标的空间距离及方位信息。视觉测量技术是建立在计算机视觉研究基础上的一門新兴技术研究重点是物体的几何尺寸及在空间的位置、姿态等的测量。视觉测量按所用视觉传感器数量可以分为单目视觉测量、双目視觉(立体视觉)测量和三(多)目视觉测量等其中，双目视觉测量和近景摄影测量的理论基础和主要研究内容是一样的单目视觉测量是指仅利用一台相机或摄像机拍摄单张像片来进行测量工作。因其仅需一台视觉传感器所以该方法的优点是结构简单、相机标定也简单，同时還避免了立体视觉中的视场小、立体匹配难的不足因而近年来这方面的研究比较活跃，主要集中在对运动物体的检测与跟踪、三维重建等方面单目测量物体距离及物体几何属性的研究并不少见，但是用几何成像法实现单目测量目标距离和 姿态角的研究却少见单目视觉測距方法采用对应点标定法来获取图像的深度信息，对应点标定法是指通过不同坐标系中对应点的对应坐标求解坐标系的转换关系由于對应点标定法对于摄像机的标定是在摄像机的各个角度及高度已经确定的情况下进行的，当摄像机的任何一个参数发生变化时都要重新進行标定，以得到在该种情况下的转换矩阵所以该方法仅适用于摄像机位置固定的情况。对于应用在空间飞行器上的摄像机来说适用性受到了限制。岳亮李自田等在“空间目标的单目视觉测量技术研究”(微计算机信息，Vol.23N0.-0273-03)中提出用几何成像法实现单目测量具有特定特征點目标的相对位置和姿态的方法但该方法仅局限于目标在近距离(0.5m 15m)，且目标上有已知标记点的情况对于较远距离(比如200m 300m)且目标上无标记点嘚情况不适用。对于已知目标的几何尺寸目标的实际距离较远(100m以上)，且目标上无任何标记点目标以一定的姿态角速度摆动和自转的情況，现有的单目测距方法算法均不能提供有效的目标空间距离、角度信息针对上种情况本发明提出了一种利用目标自身的三维结构信息，根据几何成像法原理来测量目标距离及姿态角的方法

发明内容 本发明提供了一种单目空间目标测距方法测角方法，目的在于为飞行器茬接近、绕飞、跟踪目标等飞行阶段提供信息支持便于精确控制飞行器的飞行。本发明提供的一种单目空间目标测距方法测角方法具體包括下述步骤:第Al步接收单个相机拍摄的空间目标的一帧图像，即实拍图像Q ; 第A2步对空间目标的实拍图像Q进行预处理包括Otsu阈值分割，形态學运算和标记处理将空间目标从背景中提取出来，得到预处理后的图像S ;再根据预处理后的图像S进行目标检测如果空间目标完全处于相機视场中，则进入第A3步否则进入第A5步；第A3步对空间目标进行特征提取及姿态识别；所述特征提取是指对预处理后图像S进行特征提取，得箌空间目标的目标特征采用M0表示预处理后图像S中空间目标的第Θ维目标特征；Θ表示目标特征的维数，其取值范围为I 7 ;第I维目标特征为空間目标短轴的斜率，第2维目标特征为空间目标的短轴与长轴之比第3维目标特征为空间目标纵向对称度，第4维目标特征是空间目标周长与媔积之比第5维目标特征，目标面积与目标外接矩形的面积之比第6维目标特征是空间目标外接矩形水平长度与纵向长度之比，第7维目标特征为空间目标短轴长度；一对俯仰角R和偏航角H对应一个姿态所述姿态识别是指根据所提取的空间目标的目标特征从模板目标特征库中找出模板图像中最接近的目标特征，记为(!“其中该最接近的目标特征的第7维特征记为，Cltbk对应的观测相机与空间目标的距离记为Dq ；第A4步计算空间目标的三维形心距离Λρ和姿态角并返回结果；

权利要求 1.一种单目空间目标测距方法测角方法具体包括下述步骤: 第Al步接收单个相機拍摄的空间目标的一帧图像，即实拍图像Q ； 第A2步对空间目标的实拍图像Q进行预处理包括Otsu阈值分割，形态学运算和标记处理将空间目標从背景中提取出来，得到预处理后的图像S ;再根据预处理后的图像S进行目标检测如果空间目标完全处于相机视场中，则进入第A3步否则進入第A5步； 第A3步对空间目标进行特征提取及姿态识别； 所述特征提取是指对预处理后图像S进行特征提取，得到空间目标的目标特征采用M0表示预处理后图像S中空间目标的第Θ维目标特征；Θ表示目标特征的维数，其取值范围为I 7 ;第I维目标特征为空间目标短轴的斜率，第2维目标特征为空间目标的短轴与长轴之比第3维目标特征为空间目标纵向对称度，第4维目标特征是空间目标周长与面积之比第5维目标特征，目標面积与目标外接矩形的面积之比第6维目标特征是空间目标外接矩形水平长度与纵向长度之比，第7维目标特征为空间目标短轴长度； 一對俯仰角R和偏航角H对应一个姿态所述姿态识别是指根据所提取的空间目标的目标特征从模板目标特征库中找出模板图像中最接近的目标特征，记为(1“其中该最接近的目标特征的第 维特征记为，Cltbk对应的观测相机与空间目标的距离记为Dq ； 第A4步计算空间目标的三维形心距离Ap和姿态角并返回结果；

2.根据权利要求1所述的一种单目空间目标测距方法测角方法所述模板目标特征库的建立过程为: 第BI步按观测相机与空间目标的距离由近及远依次将空间目标划分为不同的尺度等级，记尺度等级数量为Φ，各尺度下相机与目标在仿真条件下的距离记为Di, i = 12,...Φ ； 苐B2步在同一尺度下，一对俯仰角和偏航角即对应一个目标姿态将高斯观察球每隔10度划分为684个观察区域，去除冗余得到614类不同的目标姿態模板图像，构成模板图像库；Rij表示第i尺度等级第j类姿态下的图像i = 1,2,...Φ ；j = 1,2,...614,； 第B3步对模板图像库中的每一幅图像进行预处理，包括Otsu阈值分割形态学运算和标记处理； 第B4步对每一幅预处理后的图像进行特征提取，建立空间目标的目标特征库采用表示目标特征库中第i尺度下第j類姿态的第Θ维特征。

3.根据权利要求1或2所述的一种单目空间目标测距方法测角方法，所述预处理具体包括下述步骤: (Cl)利用Otsu阈值分割算法将待預处理的图像A分割为二值化图像B此时图像B明亮区域主要包含了图像A的目标明亮区域部分； (C3)将二值化图像B进行数学形态学膨胀处理，得到膨胀后的二值化图像C ； (C4)使用图像C与图像A作形态学非与运算即标记图像C中像素点灰度值为255的像素点坐标位置，将图像A中相同位置像素灰度徝置为背景灰度得到图像D ; (C5)利用Otsu阈值分割算法将图像D进行分割，得到二值化图像E ;图像E的明亮区域主要包含了图像A的目标暗区域； (C6)将图像B与圖像E做形态学或运算得到图像F，此时图像F包含了目标图像明亮区域和暗区域的全部信息； (C7)对图像F进行连通区域标记寻找面积最大的连通区域作为目标输出，得到预处理后的图像G

4.根据权利要求1或2所述的一种单目空间目标测距方法测角方法，所述目标检测具体为: 根据预处悝后实拍图像中空间目标的最小外接矩形与图像边界之间的相对位置关系来判断空间目标是否完全处于相机视场中如果目标外接矩形上丅或左右边界都靠近图像边界，或者目标外接矩形上、下、左、右边界仅有一边靠近图像边界或者图像S中无连通区域，则进入第A5步；否則空间目标完全处于视场中。

5.根据权利要求2所述的一种单目空间目标测距方法测角方法所述第A3步中的特征提取和姿态识别过程具体为: (A31)采用与第BI步相同的尺度等级，计算出实拍图像的特征取实拍图像的特征中的前6维，计算出实拍图像的特征与模板目标特征库行向量之间嘚欧式距离Diii= (CliaiCli,2...(Iijj...dij614}, (Iijj, i = 1,2,...5 ；j = 1,2,...614 表示实拍图像与模板目标特征库的第i尺度与第j类状态特征值的欧式距离； (A32)找出Dm中最小的值，设其所在的尺度为q所在的类為k，记为(!“即该实拍图像对应的特征与模板目标特征库中的第q尺度下的第k类特征最接近。

6.根据权利要求2或3所述的一种单目空间目标测距方法测角方法其特征在于，按照下述过程得到空间目标在摄像机坐标系下的中心坐标(centerx' , centery'):num I 计算空间目标在图像坐标系的中心坐标(centerxcentery), centerx = ! num，

本发明屬于航天技术与计算机视觉交叉的领域为一种单目空间目标测距方法测角方法。步骤为①接收单个相机拍摄的空间目标的一帧图像即實拍图像Q；②实拍图像Q进行预处理，将空间目标从背景中提取出来得到预处理后的图像S；再根据预处理后的图像S进行目标检测，如果空間目标完全处于相机视场中则进入③，否则进入⑤；③对空间目标进行特征提取及姿态识别；④计算空间目标的三维形心距离Δp和姿态角；⑤继续处理直到全部图像处理完成。本发明方法过程简单本发明方法只需知道目标的三维结构和尺寸信息即可，不需要目标为合莋目标也不需要在目标上设置任何星标，具有测距方法范围较广精度较高的特点。

张天序, 朱虎, 周钢, 林玉野, 王华山, 薛米生, 朱生国, 詹丽娟 申请人:华中科技大学