[发明专利]使用物体来对准和校准惯性导航系统

说明书

背景

在通信行业中，关于诸如蜂窝或其他无线通信设备之类的移动站的准确的位置信息正日渐盛行。全球定位系统(GPS)给出一种用来提供无线移动站位置确定的办法。GPS用户可通过从环地轨道中的卫星飞行器(SV)得到的信息来推导包括三维位置、速度和时间在内的精确导航信息。从这些SV接收到的信号通常是相当微弱的。因此，为了确定接收机的位置，该接收机必须充分灵敏才能捕获这些微弱信号并解读它们所代表的信息。

目前的GPS接收机的一个限制在于，它们的操作局限于其中有多颗卫星清楚地在视野中而无障碍物并且良好质量的天线被正确地放置以接收此类信号的境况。由此，这些GPS接收机在具有阻挡条件的区域中通常是不可使用的，诸如在有显著的植物或建筑物阻挡(例如，城市峡谷)的区域中并且尤其是在建筑物内。

概述

移动平台上的惯性导航系统(INS)通过整合加速计和陀螺仪的测量来持续地计算移动平台的位置、取向和速度。在INS能被用于计算该位置、取向和速度之前，该INS的位置、取向和速度必须被初始化。使用从物体的图像获得的信息来执行INS初始化。从该物体的图像获得关于该物体相对于全局参考系或局部坐标系的位置和取向信息、以及关于相机相对于该物体的位置和取向信息。随后可确定相机在全局参考系中的位置和取向信息。随后可从全局参考系中的相机位置和取向以及惯性传感器与相机之间的已知相对取向确定惯性传感器参考系与全局参考系之间的变换矩阵或方向余弦矩阵。随后可从惯性传感器参考系与全局参考系之间的变换矩阵、以及全局参考系与导航坐标系之间的变换矩阵确定惯性传感器参考系与导航坐标系之间的变换矩阵。随后可从惯性传感器参考系与导航坐标系之间的变换矩阵演算出惯性传感器的取向。使用关于相机在全局参考系中的位置信息、惯性传感器参考系与导航坐标系之间的变换矩阵、以及相机在该物体被成像时的速度(即0)来初始化惯性导航系统。使用初始化的数据连同来自惯性传感器的测量，可在导航期间更新移动平台的位置并在例如数字地图上提供该位置。可使用从不同物体的图像获得的信息来估计和校正惯性导航误差以及惯性传感器误差。

附图简述

图1解说了包括移动平台的系统的框图，该移动平台使用从物体的图像获得的信息来执行惯性导航系统初始化和校准。

图2是数据码标记(诸如快速响应码)形式的物体的示例。

图3是能够使用从物体的图像获得的信息进行导航的移动平台的框图。

图4是示出使用从物体的图像获得的信息进行惯性导航的方法的流程图。

图5解说了移动平台中的相机相对于物体的透视图。

图6解说了移动平台中的相机相对于位于建筑物的入口处的物体的透视图。

图7解说了移动平台中的相机连同惯性传感器的透视图。

图8解说了惯性导航期间带有移动平台的位置信息的简单数字地图。

图9是示出在导航期间使用物体的图像来校正INS误差的方法的流程图。

图10示意性地解说了使用来自被成像物体的信息来校正惯性导航中的误差的系统。

详细描述

本文中描述的系统和方法使用物体的图像来确定位置和取向信息，该位置和取向信息随后可被用于初始化和校准惯性导航系统。该系统可包括能够对诸如数据码标记之类的物体成像、并使用该物体的图像来确定位置和取向信息的移动平台。该位置和取向信息随后可被移动平台用于初始化惯性导航系统的位置和取向。可通过对不同物体成像并类似地确定位置和取向信息来周期性地校正惯性导航系统的位置和取向。

图1解说包括移动平台100的系统的框图，移动平台100对物体104成像从而可捕获关于物体104的位置和取向信息。关于物体104的位置和取向信息随后可被用于推导关于移动平台100的位置和取向信息，其可被用于导航。关于物体104的位置和取向信息可相对于坐标系，诸如局部坐标系或一般化的全局坐标系(诸如与GPS联用的WGS84坐标系)，这两者在本文中将一般地被称为全局参考系。从物体的图像所捕获的信息还可以包括例如导航指令、局部环境的地图、或任何其他合意信息。