本發(fā)明涉及精確定位領(lǐng)域，具體涉及一種基于變電站景深圖像識(shí)別的人員室內(nèi)慣性定位方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大和新型設(shè)備投產(chǎn)，電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維檢修面臨資料繁雜、步驟復(fù)雜、設(shè)備拆裝精準(zhǔn)度高以及人員水平不一等問題，變電站內(nèi)的設(shè)備類型和規(guī)模也日益增大，目前最先進(jìn)的全封閉式變電站，更是深刻變革了原有開放式變電站的部署模式，所有變電站大小型設(shè)備均放入了大小不等的相對(duì)獨(dú)立的封閉式房間內(nèi)，運(yùn)檢人員在現(xiàn)場(chǎng)想要準(zhǔn)確找到目標(biāo)設(shè)備只能通過經(jīng)驗(yàn)判斷，無法準(zhǔn)確知道自身所處位置和目標(biāo)設(shè)備的位置信息，需要耗費(fèi)大量時(shí)間查找設(shè)備，嚴(yán)重影響工作效率，特別在電力搶修情況下，面對(duì)毫無準(zhǔn)備的變電站突發(fā)情況，現(xiàn)場(chǎng)人員能否快速找到故障設(shè)備位置所在對(duì)搶修過程至關(guān)重要，傳統(tǒng)作業(yè)模式已不能適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展要求，因此急需解決變電站室內(nèi)定位的難題。

變電站現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境較為復(fù)雜，常常受到高壓設(shè)備電磁干擾和變電站偏遠(yuǎn)地區(qū)信息強(qiáng)度較弱等問題困擾，但現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備種類繁多，建模工作量較大，且模型占用資源較多，全部由終端進(jìn)行識(shí)別對(duì)終端的壓力太大，因此必須由后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行在線實(shí)時(shí)圖像識(shí)別。但受到通信技術(shù)的限制，實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)視頻流傳輸給后臺(tái)識(shí)別效率較低，因此必須研究一套前端圖像識(shí)別預(yù)處理技術(shù)，將圖像識(shí)別為點(diǎn)陣信息，將壓縮過的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)進(jìn)行識(shí)別，大幅降低傳輸數(shù)據(jù)量，提高帶寬的利用率。

其次，變電站由于特殊的環(huán)境和高壓的危險(xiǎn)設(shè)備，決定了其室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用要求盡可能少的搭建輔助設(shè)備,但傳統(tǒng)的室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)均需要通過搭建輔助設(shè)備進(jìn)行坐標(biāo)定位，搭建環(huán)境較為復(fù)雜且成本較高，主要包括藍(lán)牙定位法、毫米波定位法、紅外線定位法、GPS定位法等，對(duì)于變電站的特殊環(huán)境，無法隨意的在現(xiàn)場(chǎng)搭建各類設(shè)備，因此傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)在變電站環(huán)境中不能適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于變電站景深圖像識(shí)別的人員室內(nèi)慣性定位方法，現(xiàn)場(chǎng)無需搭建任何輔助設(shè)備，主要解決了新型封閉式變電站現(xiàn)場(chǎng)人員無法精確室內(nèi)定位和變電站高壓環(huán)境不能隨意搭建輔助定位設(shè)備等難題，屬于信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的解決方案為：

一種基于變電站景深圖像識(shí)別的人員室內(nèi)慣性定位方法，所述方法包括下述步驟：

(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行全景建模；

(2)將圖像切割為點(diǎn)陣信息；

(3)后臺(tái)服務(wù)器接受到終端的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)后，利用點(diǎn)陣數(shù)據(jù)特征塊與標(biāo)準(zhǔn)模板逐塊進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)差別值低于閥值時(shí)為匹配，否則為不匹配；

(4)獲取用戶所在坐標(biāo)信息，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)修正終端引導(dǎo)地圖的標(biāo)記位置；

(5)通過捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法，利用陀螺儀和終端加速度傳感器在沒有圖像標(biāo)志點(diǎn)或圖像識(shí)別錯(cuò)誤匹配的地方進(jìn)行慣性定位修正；

(6)根據(jù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法、終端加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)時(shí)的慣性導(dǎo)航坐標(biāo)，實(shí)時(shí)修正客戶端地圖標(biāo)記位置。

優(yōu)選的，所述步驟(1)包括：利用三維景深攝像頭進(jìn)行場(chǎng)景掃描，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建?；蛘呃蒙疃纫曈XRGB-D傳感器，對(duì)連續(xù)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接獲得景物的三維點(diǎn)云，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的全景建模。

優(yōu)選的，所述步驟(2)包括：預(yù)先在變電站現(xiàn)場(chǎng)選取不同的特征圖像點(diǎn)作為匹配的標(biāo)準(zhǔn)模板，保存在服務(wù)端，在設(shè)備前端部署圖像預(yù)處理模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的圖像進(jìn)行圖像特征點(diǎn)預(yù)處理，按特征塊的多少將模板分割成多個(gè)大小相同方塊，將圖像切割為點(diǎn)陣信息傳輸。

優(yōu)選的，所述步驟(4)包括：通過后臺(tái)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)識(shí)別當(dāng)前位置圖像編號(hào)，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取精準(zhǔn)定位坐標(biāo)，利用國(guó)密SM1算法加密傳輸給終端進(jìn)行解析，終端利用國(guó)密SM1算法對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

(1)創(chuàng)新引入三維景深攝像頭在變電站快速建模的概念，對(duì)變電站場(chǎng)景及電力設(shè)備進(jìn)行快速掃描建模，有效解決三維建模需要大量人工操作并要求操作人員具有專業(yè)操作知識(shí)的問題。

(2)針對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行特征圖像采集，創(chuàng)新地將圖像識(shí)別算法引入變電站室內(nèi)定位應(yīng)用中，通過圖像實(shí)時(shí)識(shí)別并查詢特征圖像對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，精確確定現(xiàn)場(chǎng)人員所在位置。針對(duì)變電站特有的部署環(huán)境，不借助另外布置額外的裝備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員的精準(zhǔn)定位，有效解決傳統(tǒng)藍(lán)牙、毫米波、激光等定位方式需要在現(xiàn)場(chǎng)布置大量設(shè)備的問題，消除變電站內(nèi)的安全隱患。

(3)通過在終端設(shè)備前端部署圖像識(shí)別預(yù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)將圖像幀分解為點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，創(chuàng)新地通過傳輸點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的方式，解決了原有傳輸原始圖像幀的數(shù)據(jù)量較大和效率低下的問題。

(4)創(chuàng)新地利用慣性導(dǎo)航算法對(duì)圖像識(shí)別定位技術(shù)進(jìn)行輔助修正，做到人員定位的流暢、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確，有效解決電力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)定位精度差的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的室內(nèi)定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明提供的三維景深快速成像原理圖；

圖3是本發(fā)明提供的圖像識(shí)別精確定位的架構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明提供的慣性導(dǎo)航算法原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明用到的技術(shù)術(shù)語說明如下：

n系坐標(biāo)：導(dǎo)航坐標(biāo)系，是慣導(dǎo)系統(tǒng)在求解導(dǎo)航參數(shù)時(shí)所采用的坐標(biāo)系，選取北-東-地地理坐標(biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系。

b系坐標(biāo)：載體坐標(biāo)系，原點(diǎn)為載體的重心，X_b軸沿載體縱軸向前，Z_b軸沿載體立軸向下，Y_b軸沿載體橫軸與X_bY_b軸完成右手正交坐標(biāo)系。

SM1：由國(guó)家密碼管理局編制的一種商用密碼分組標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱算法。該算法分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度都為128比特，該算法僅以IP核的形式存在于芯片中。

由于電網(wǎng)設(shè)備的飛速發(fā)展，包括全封閉式新型變電站的出現(xiàn)，使得現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)定位信息的需求越來越迫切，但變電站由于特殊的環(huán)境和高壓的危險(xiǎn)設(shè)備，決定了其室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用要求盡可能少的搭建輔助設(shè)備，本發(fā)明針對(duì)以上問題提出了一套有效的方法進(jìn)行處理，首先利用三維景深攝像頭快速進(jìn)行場(chǎng)景掃描建模，有效解決三維建模需要大量人工操作并要求操作人員具有專業(yè)操作知識(shí)的問題；其次對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行圖像采集，利用圖像識(shí)別軟件算法進(jìn)行在線圖像識(shí)別，連接后臺(tái)服務(wù)器獲取精準(zhǔn)定位坐標(biāo)，不借助額外布置的輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員的精準(zhǔn)定位，有效解決傳統(tǒng)藍(lán)牙、毫米波、激光等定位方式需要在現(xiàn)場(chǎng)布置大量設(shè)備的問題，消除變電站內(nèi)的安全隱患；最后，通過慣性導(dǎo)航算法，利用陀螺儀和加速度傳感器輔助進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人員定位，做到人員定位的流暢、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確，有效解決電力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)定位精度差的問題，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員工作效率。技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，包括下述步驟：

步驟一：利用三維景深攝像頭快速進(jìn)行場(chǎng)景掃描建模，根據(jù)圖像、視頻、深度視覺等傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模方法，通過二維圖像來恢復(fù)景物的三維幾何結(jié)構(gòu)，或者利用深度視覺RGB-D傳感器，對(duì)連續(xù)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接來獲得景物的三維點(diǎn)云，以快速的方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的全景建模。三維景深攝像頭利用兩個(gè)攝像頭同時(shí)拍攝環(huán)境照片，根據(jù)兩幅圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及攝像機(jī)成像空間的幾何關(guān)系，可知特征點(diǎn)的實(shí)際位置信息，成像原理如圖2所示。若攝像機(jī)投影模型確定、對(duì)應(yīng)圖像點(diǎn)位置確定(p₁，p₂已知)、兩個(gè)攝像機(jī)之間的外參確定(C₁，C₂位置關(guān)系已知)情況下，可以唯一確定P點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的空間位置，即對(duì)P點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行重構(gòu)。

步驟二：在變電站現(xiàn)場(chǎng)選取各種不同的特征圖像點(diǎn)作為匹配的標(biāo)準(zhǔn)模板，利用特征塊模板匹配算法進(jìn)行在線實(shí)時(shí)圖像識(shí)別，在設(shè)備前端部署圖像預(yù)處理模塊，對(duì)每一幀的現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像作為樣本模板進(jìn)行預(yù)處理，將特征塊引入模板匹配中,先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模板和樣本模板都進(jìn)行改造,按特征塊的多少將模板分割成若干大小相同方塊，例如本次實(shí)時(shí)拍攝的視頻幀上有10個(gè)特征塊，首先將視頻幀的圖片平均分割成大小相同的64個(gè)方格，假設(shè)這10個(gè)特征塊平均分布在其中8個(gè)方格內(nèi)，則將剩余的56個(gè)方格舍棄，只統(tǒng)計(jì)剩下8個(gè)方格的特征點(diǎn)數(shù)，最終將圖像切割為點(diǎn)陣信息。通過點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的傳輸，大大降低了直接傳輸大量圖像視頻的數(shù)據(jù)量，提高了傳輸效率，降低了帶寬使用率。

步驟三：終端將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器接受到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)后，利用點(diǎn)陣數(shù)據(jù)特征塊與標(biāo)準(zhǔn)塊模板逐塊進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)差別較小時(shí)為匹配，否則為不匹配。設(shè)D(k)為樣本模板與標(biāo)準(zhǔn)模板在塊(i，j)處匹配比較結(jié)果(結(jié)果0為匹配，結(jié)果1為不匹配)，N(i，j)為樣本特征塊模板，為標(biāo)準(zhǔn)特征塊模板，T為匹配差別大小閾值，根據(jù)閾值識(shí)別出對(duì)應(yīng)的圖像模型，特征塊(i,j)匹配結(jié)果為:

將樣本特征塊模板與標(biāo)準(zhǔn)圖像特征塊模板進(jìn)行比較后，得到最終識(shí)別結(jié)果其中h是點(diǎn)陣高度，w是點(diǎn)陣寬度，A是標(biāo)準(zhǔn)圖像點(diǎn)陣集的個(gè)數(shù)。

步驟四：通過后臺(tái)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)識(shí)別當(dāng)前位置圖像編號(hào)，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取精準(zhǔn)定位坐標(biāo)，利用國(guó)密SM1算法加密傳輸給終端進(jìn)行解析，終端收到服務(wù)端發(fā)來的密文后，利用國(guó)密SM1算法進(jìn)行解密，獲取用戶所在坐標(biāo)信息，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)修正終端引導(dǎo)地圖的標(biāo)記位置，不借助額外布置的輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員的精準(zhǔn)定位，具體架構(gòu)如圖3所示。

步驟五：圖像識(shí)別定位算法采用數(shù)學(xué)方式描述圖像特征，除了圖像精度引入的誤差，圖像也會(huì)呈現(xiàn)相似特征，因此在計(jì)算機(jī)識(shí)別匹配過程中，根據(jù)數(shù)學(xué)方式描述的特征匹配會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤匹配，而錯(cuò)誤匹配的存在對(duì)整個(gè)匹配結(jié)果的可靠性和精度將產(chǎn)生影響，為此，必須有相應(yīng)的方法對(duì)圖像匹配結(jié)果進(jìn)行判定，通過判定剔除錯(cuò)誤匹配，保證匹配結(jié)果的可靠性；而對(duì)于某些特定時(shí)刻，無法使用圖像匹配技術(shù)時(shí)，則需要考慮其他額外的輔助導(dǎo)航信息維系視覺導(dǎo)航算法的運(yùn)行。通過捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法，利用陀螺儀和加速度傳感器輔助現(xiàn)場(chǎng)人員定位，輔助圖像識(shí)別定位技術(shù)，在沒有圖像標(biāo)志點(diǎn)或圖像識(shí)別錯(cuò)誤匹配的地方進(jìn)行慣性定位修正，實(shí)現(xiàn)人員移動(dòng)中地圖標(biāo)記位置的平滑移動(dòng)。根據(jù)電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)變電站的路徑特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)便的慣性導(dǎo)航算法，滿足現(xiàn)場(chǎng)快速導(dǎo)航計(jì)算的需求。

慣性導(dǎo)航算法主要分為三部分：姿態(tài)更新、速度更新和位置更新。其核心都是基于一個(gè)正確的姿態(tài)，因此影響捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法精度的最為重要的是姿態(tài)更新算法，其次為速度更新算法，其架構(gòu)如圖4所示。

姿態(tài)更新算法如下所示：

其中，是設(shè)n系為參考坐標(biāo)系時(shí)，b系從t_k-1時(shí)刻到t_k的變換方向余弦，是t_k時(shí)刻的姿態(tài)方向余弦，是t_k-1時(shí)刻的姿態(tài)方向余弦。若令表示為載體坐標(biāo)系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Φ_k表示為從t_m-1時(shí)刻到t_m時(shí)刻載體坐標(biāo)系b相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系n的等效旋轉(zhuǎn)矢量，則最終旋轉(zhuǎn)矢量為

速度更新算法如下所示：

其中是t_k時(shí)刻載體的速度；是

t_k-1時(shí)刻載體的速度；是從t_k-1到t_k時(shí)刻的速度增量；是從t_k-1到t_k時(shí)刻的重力與速度增量。

步驟六：根據(jù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法和終端加速度、陀螺儀傳感器計(jì)算出實(shí)時(shí)的慣性導(dǎo)航坐標(biāo)，實(shí)時(shí)修正客戶端地圖標(biāo)記位置，實(shí)現(xiàn)在特征圖像之間的平滑導(dǎo)航，彌補(bǔ)特征圖像之間的導(dǎo)航空白區(qū)域，輔助現(xiàn)場(chǎng)人員精確導(dǎo)航。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用于說明本申請(qǐng)的技術(shù)方案而非對(duì)其保護(hù)范圍的限制,盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明,所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀本申請(qǐng)后依然可對(duì)申請(qǐng)的具體實(shí)施方式進(jìn)行種種變更、修改或者等同替換，但這些變更、修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。