CN102834696A - 使用物体来对准和校准惯性导航系统 - Google Patents

使用物体来对准和校准惯性导航系统 Download PDF

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Abstract

使用从物体的图像获得的信息来执行惯性导航系统的初始化。从该图像获得关于该物体在全局参考系中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。确定关于相机在全局参考系中的位置和取向信息、连同惯性传感器参考系与导航坐标系之间的变换矩阵。使用关于相机的位置和取向信息、该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。使用初始化的数据以及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校正惯性导航误差。

Description

使用物体来对准和校准惯性导航系统
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。
图1中所示的物体104可以是附连到移动平台100可访问的诸如建筑物的入口或指示牌之类的位置或者其他可访问位置的物理标签。物体104可以是数据码标记，诸如快速响应(QR)码，这是由日本公司Denso-Wave创生的矩阵码。若希望，可以使用其他类型的物体或者数据码标记，诸如条形码或者机器可读的数据表示，包括一维条形码或者诸如数据矩阵码、Semacode、Maxicode、Aztec码之类的光学数据矩阵样式码。物体104可以编码有具有例如统一资源标识符(URI)之类的超链接，该超链接可由移动平台100用来访问存储在服务器上且通过诸如因特网之类的网络106来访问的位置和取向信息108。作为示例，图2是QR码格式的编码有URI“http://www.example.com”的物体104的示例。如果物体104能够以充分密集的方式例如使用彩色QR码来编码信息，那么物体104可被用来直接向移动平台100传递位置和取向信息而无需使用超链接。
如本文中所使用的，移动平台是指诸如以下的设备：蜂窝或其他无线通信设备、个人通信系统(PCS)设备、个人导航设备、个人信息管理器(PIM)、个人数字助理(PDA)、膝上型电脑或能够捕捉图像并使用内置传感器(包括但不限于加速计、磁力计、陀螺仪和压力传感器)来导航的其他合适移动设备。在物体104编码有URI或另行需要访问无线网络的场合，移动平台100应当能够发送和接收无线通信。术语“移动平台”还旨在包括诸如藉由短程无线、红外、有线连接、或其他连接与个人导航设备(PND)通信的设备，不管卫星信号接收、辅助数据接收、和/或位置有关处理是发生在该设备处还是在PND处。而且，“移动平台”旨在包括所有能够与服务器通信(诸如经由因特网、Wi-Fi、或其他网络)的设备，包括无线通信设备、计算机、膝上型设备等，而不管卫星信号接收、辅助数据接收、和/或位置有关处理是发生在该设备处、服务器处、还是与网络相关联的另一设备处。以上的任何可操作的组合也被认为是“移动平台”。
移动平台100可协同诸如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)等包括蜂窝塔和来自无线通信接入点的各种无线通信网络来实现。术语“网络”和“系统”往往被可互换地使用。WWAN可以是码分多址(CDMA)网络、时分多址(TDMA)网络、频分多址(FDMA)网络、正交频分多址(OFDMA)网络、单载波频分多址(SC-FDMA)网络、长期演进(LTE)等等。CDMA网络可实现诸如cdma2000、宽带CDMA(W-CDMA)等一种或更多种无线电接入技术(RAT)。Cdma2000包括IS-95、IS-2000和IS-856标准。TDMA网络可实现全球移动通信系统(GSM)、数字高级移动电话系统(D-AMPS)、或其他某种RAT。GSM和W-CDMA在来自名为“第三代伙伴项目”(3GPP)的集团的文献中描述。Cdma2000在来自名为“第三代伙伴项目2”(3GPP2)的集团的文献中描述。3GPP和3GPP2文献是公众可获取的。WLAN可以是IEEE 802.11x网络，并且WPAN可以是蓝牙网络、IEEE 802.15x、或其他某种类型的网络。这些技术也可联合WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合来实现。
移动平台100还可以能够使用卫星定位系统(SPS)进行位置确定，SPS可包括一个或更多个全球和/或地区性导航卫星系统和/或扩增系统的任何组合，且SPS信号可包括SPS、类SPS和/或与这样的一个或更多个SPS相关联的其他信号。例如，移动平台100可以能够使用诸如全球定位系统(GPS)、Galileo、Glonass或Compass之类的全球导航卫星系统(GNSS)，或诸如日本上空的准天顶卫星系统(QZSS)、印度上空的印度地区性导航卫星系统(IRNSS)、中国上空的北斗之类的各种地区性系统，和/或可与一个或多个全球和/或地区性导航卫星系统相关联或以其他方式能与之联用的各种扩增系统(例如，基于卫星的扩增系统(SBAS))来进行位置确定。
如果移动平台不具有SPS能力或者如果SPS系统是不活跃的或者处于SPS可能不胜任的位置中，例如在遭受阻挡状况的位置中，那么如本文中所描述地使用诸如数据码标记之类的物体来捕获移动平台的位置和取向信息可能是有利的。在移动平台中的SPS接收机难以捕获和/或跟踪来自SPS卫星的SPS信号的情况下，阻挡状况可能存在。例如，阻挡状况可能存在于室内环境、城市峡谷环境、以及具有诸如植物和干扰拓扑之类的自然障碍物的某些室外环境中。
不用SPS的或阻挡状况下的导航提出了两个有关问题：保持准确的位置感以及能访问关于该拓扑的局部信息。相对难以替代其他技术会妨碍不具有SPS的益处的导航。例如，无线接入点的历书能够供应一些数据，但是编译这些数据可能是昂贵的并且适用于局部区域的历书数据的源可能对于移动平台的用户而言不是显而易见的。另一示例是可基于通过航位推算的运动跟踪来提供信息的惯性传感器，但是经由惯性传感器的导航往往随时间推移而积聚误差。这些技术可以受益于访问将位置信息与具体位置相关联的信息以及受益于访问将位置与有关的历书数据或可用的地图相关联的信息。
图3是能够使用从(图1的)物体104的图像获得的信息进行导航的移动平台100的框图。如图所示，移动平台100包括用于对物体104成像的装置，诸如相机120。相机120可以是诸如典型地例如设在蜂窝电话或类似物中的常规相机。相机120被校准，以使得诸如焦距、光心移位、径向畸变以及切向畸变等相机参数是已知的。相机120与移动平台控制130单元通信。移动平台控制130由处理器132以及相关联的存储器134、硬件136、软件138和固件140来提供。将理解，如本文中所使用的，处理器能够但不一定需要包括一个或更多个微处理器、嵌入式处理器、控制器、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、及类似物。术语处理器意在描述由系统实现的功能而非专用硬件。此外，如本文所使用的术语“存储器”是指任何类型的计算机存储介质，包括与移动平台相关联的长期、短期、或其它存储器，且并不被限定于任何特定类型的存储器或特定数目的存储器、或记忆存储在其上的介质的类型。
由相机120产生的物体104的图像可被存储在存储器134中，并且移动平台100包括用于读取和解码物体104中所编码的信息的装置。例如，移动平台控制130可包括读取器142，其可以是存储在存储器134中的合适的数据码标记读取软件，或者包括例如硬件或固件的专用读取器，其从物体104提取编码数据并将所提取的数据提供给移动平台控制130。
移动平台100包括用于获得与该物体相对于全局参考系的位置和取向有关的信息的装置。作为示例，若物体104足够密集以编码该信息，则移动平台100可使用读取器142直接从物体104的图像获得该位置和取向信息。然而，在位置和取向信息没有编码在该物体本身中的场合，移动平台100将不得不从另一源获得此信息。因此，例如，从物体104提取的编码数据可指导移动平台控制130访问网络106(图1)，且具体而言，访问包含所链接的位置和取向信息108(例如，物体104的位置和取向)以及其他合意信息(诸如数字局部地图)的服务器。移动平台100可例如通过能够经由无线接入点连接到网络的无线网络无线电收发机150来访问网络106。收发机150可连接到诸如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或任何其他合适的协议之类的无线网络。
作为示例，若物体104中编码的数据包括关键字http://，则移动平台控制130可启动移动平台100上的浏览器144并将该浏览器引导至所编码的URI。移动平台控制器130随后可下载位置和取向信息108，包括物体104相对于全局参考系的位置和取向信息。也可下载附加信息，诸如将由移动平台100在移动平台100的用户接口160中的视觉显示器162上显示的局部环境的数字地图。在移动平台100为蜂窝电话时，用户接口160还可包括诸如按键板164、话筒166和扬声器168之类的特征。
移动平台100还包括惯性导航系统(INS)，其包括用于感测运动(例如，移动平台100的位置或取向改变)的装置。例如，惯性传感器170可被用于向移动平台控制130提供关于移动平台100的运动方向和幅度的数据。可与移动平台100联用的惯性传感器170的示例包括加速计、磁力计、陀螺仪以及压力传感器。惯性传感器170相对于相机120的取向是固定的并且是通过校准来确定的。换言之，相机120的参考系与惯性传感器170的参考系之间的变换矩阵是已知的。
移动平台100还可包括被用于存储和更新移动平台100的位置和取向的位置数据库148。在移动平台控制130经由惯性传感器170确定移动平台100的位置和/或取向改变时，用新的位置和取向信息来更新位置数据库148。随后可例如通过在显示器162上显示带有新位置的数字地图或通过在显示器上和/或经由扬声器168提供附加导航指令来提供经更新的位置和取向信息。
移动平台100还包括用于基于由相机120产生的物体104的图像来估计相机120相对于物体104的位置和取向的装置。例如，移动平台100可包括位置引擎146，其可以是存储在存储器134中的合适软件或专用硬件或固件。位置引擎146基于物体104的二维图像使用诸如焦距之类的已知相机参数、以及图像中的已知特征点来确定相机120的位置，图像中的已知特征点可具有标准配置并且因此是已知的、或者可随位置和取向信息108一起被下载。例如，参照图2中物体104的图像，特征点104a、104b、104c和104d可被位置引擎146标识并被用于确定相机相对于物体104的位置和取向，而特征点104a、104b、104c和104d之间的信息可以是编码数据。基于物体104的图像中的4个或更多个特征点，位置引擎146可例如使用单应性变换来估计相机相对于该物体的位置和取向。单应性是平坦物体的点到相机的图像的投影映射。
移动平台100进一步包括用于使用所估计的相机120相对于物体104的位置和取向、以及所获得的关于物体104的位置和取向信息来确定相机120在全局参考系中的位置和取向的装置。相机120相对于全局参考系的位置和取向可例如由位置引擎146确定。移动平台还可包括用于确定惯性传感器170相对于导航坐标系的取向的装置，其可以是例如位置引擎146。使用所确定的相机120在全局参考系中的位置和取向、所确定的惯性传感器170相对于导航坐标系的取向、以及相机120在对物体104成像时的速度(可假定为0)，INS可被初始化。经初始化的数据随后可连同来自惯性传感器170的测量一起被用于更新移动平台100的位置。此外，如将讨论的，附加物体可按类似方式被成像和分析以校正移动平台100的惯性导航中的误差。
本文中所描述的方法体系取决于应用可藉由各种手段来实现。例如，这些方法体系可在硬件136、软件138、固件140、或其任何组合中实现。对于硬件实现，这些处理单元可以在一个或更多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子器件、设计成执行本文中所描述功能的其他电子单元、或其组合内实现。
对于固件和/或软件实现，这些方法体系可用执行本文中描述的功能的模块(例如，规程、函数等等)来实现。任何有形地实施指令的机器可读介质可被用来实现本文中所描述的方法体系。存储器可以实现在处理单元内部或处理单元外部。如本文所使用的，术语“存储器”是指任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或其他存储器，且并不限于任何特定类型的存储器或特定数目的存储器、或记忆存储在其上的介质的类型。
例如，软件138代码可被存储在存储器134中并由处理器132执行，并且可被用来运行该处理器以及如本文中所描述地控制移动平台100的操作。例如，存储在诸如存储器134之类的计算机可读介质中的程序代码可包括用于解码由相机120成像的物体、获得关于该物体的位置和取向信息、估计相机相对于该物体的位置、确定相对于全局参考系的相机位置和取向、以及确定惯性传感器相对于导航坐标系的取向的程序代码。存储在计算机可读介质中的程序代码可进一步包括用于使用所确定的相机位置和取向、连同来自惯性传感器的测量来更新移动平台的位置和取向信息以及提供经更新的位置和取向信息的程序代码。
如果以固件和/或软件实现，则各功能可作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括编码成具有数据结构的计算机可读介质和编码成具有计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，此类计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其他介质；如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘常常磁学地再现数据，而碟用激光光学地再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
图4是示出在惯性导航中使用物体104的图像的方法的流程图。如图所示，诸如数据码标记之类的物体104被移动平台100成像(202)。作为示例，移动平台100中的相机120可捕捉位于诸如医院、博物馆、购物中心等建筑物的入口或指示牌处的物体104的图像。移动平台控制130处理该图像以解码物体104。使用来自物体104的图像的经解码数据，可获得位置和取向信息，包括物体104相对于全局参考系的位置和取向(204)。例如，编码在物体104中的URI可被用于经由无线网络访问和下载位置和取向信息。该位置和取向信息还可包括附加信息，诸如局部环境的数字地图。替换地，例如若物体104可以充分密集的方式被编码，则经解码数据可包括关于物体104的位置和取向信息。
使用物体104的图像来估计相机120相对于物体104的位置和取向(206)。作为示例，图5解说了带有相机120的移动平台100相对于物体104的透视图。使用物体104的图像、已知相机参数(诸如焦距)、以及物体104上的已知特征点，可确定相机120相对于物体104的位置和取向。例如，参照图2中物体104的图像，特征点104a、104b、104c和104d可从图像被标识并被用于使用单应性变换来确定相机相对于物体104的位置和取向。单应性是平坦物体的点到相机的图像的投影映射。特征点104a、104b、104c和104d之间的距离、以及其取向可使用物体104中编码的数据例如通过访问无线网络来获得，或者该信息可编码在该物体中。替换地，可使用关于该物体中的特征点的标准化配置。有了已知相机参数和物体104上的特征点，可确定与物体104中心的相对距离D、以及在由Z物体和Y物体定义的平面中与法向矢量Z物体的方位角β、以及仰角α，如图5中所示。
使用所估计的相机120相对于物体104的位置和取向、以及所获得的物体104相对于全局参考系的位置和取向，确定相对于全局参考系的相机位置和取向(208)。作为示例，图6解说了移动平台100中的相机120相对于位于建筑物180的入口处的物体104的透视图。全局参考系被解说为建筑物参考系X建筑物、Y建筑物、Z建筑物，但是可使用任何合意参考系，包括局部或全局坐标。如图6中虚线182所示，如以上步骤206中所讨论地确定相机120相对于物体104的位置和取向。基于所获得的物体104在全局参考系中的位置和取向、以及所确定的相机120相对于物体104的位置和取向，可确定相机120相对于全局参考系X建筑物、Y建筑物、Z建筑物在距离ρ0、方位角θ0和仰角
Figure BPA00001577235200091
意义上的位置和取向。换言之，如下确定相机参考系与全局参考系之间基于物体104的图像的变换矩阵：
其中
Figure BPA00001577235200093
是相机参考系与全局参考系之间的变换矩阵，
Figure BPA00001577235200094
是关于物体104的参考系与全局参考系之间的变换矩阵，其可从所获得的物体104相对于全局参考系的取向来演算出，以及
Figure BPA00001577235200101
是相机参考系与关于该物体的参考系之间的变换矩阵，其可从在以上步骤206中确定的相机120相对于物体104的取向来演算出。可从
Figure BPA00001577235200102
演算出相机相对于全局参考系的取向。
使用所确定的相机120相对于全局参考系的位置和取向、以及相机120与惯性传感器170之间已知的取向，确定关于移动平台100的导航坐标系与惯性传感器参考系之间的变换矩阵(210)。惯性传感器相对于导航坐标系的取向可从导航坐标系与惯性传感器参考系之间的变换矩阵演算出来。在一个实施例中，关于移动平台100的导航坐标系可简单为全局参考系，在这种情形中，惯性传感器相对于导航坐标系的取向可从全局参考系与惯性传感器参考系之间的变换矩阵演算出来。作为示例，图7解说了移动平台100中的惯性传感器170和相机120的透视图。可以看出，惯性传感器170可能不具有与相机120相同的取向。惯性传感器170相对于相机120的取向可通过校准来估计，从而相机参考系120ref与惯性传感器参考系170ref之间的变换矩阵是已知的。换言之，关于惯性传感器170的变换矩阵可如下确定：
其中
Figure BPA00001577235200104
是惯性传感器参考系170ref与全局参考系之间的变换矩阵，
Figure BPA00001577235200105
是惯性传感器参考系170ref与相机参考系120ref之间的变换矩阵，其是在校准期间确定的。可从演算出惯性传感器相对于导航坐标系的取向。
在另一个实施例中，关于移动平台100的导航坐标系可不同于全局参考系。例如，惯性导航系统可使用局部级别的坐标系或地固坐标系作为导航坐标系。在该实施例中，导航坐标系与惯性传感器参考系之间的变换矩阵(210)可基于以上讨论的惯性传感器参考系与全局参考系之间的变换矩阵、以及可从所确定的相机位置演算出的全局参考系与导航坐标系之间的变换矩阵来确定。惯性传感器相对于导航坐标系的取向可从导航坐标系与惯性传感器参考系之间的变换矩阵演算出来。换言之，关于惯性传感器170的变换矩阵可如下确定：
Figure BPA00001577235200107
其中
Figure BPA00001577235200108
是惯性传感器参考系170ref与导航坐标系之间的变换矩阵，是全局参考系与导航坐标系之间的变换矩阵，其是从所确定的相机位置演算出来的。可从演算出惯性传感器相对于导航坐标系的取向。
初始化关于惯性导航系统的速度、位置、取向和变换矩阵(212)。由于移动平台100在对物体成像(202)时暂时保持固定，因此速度可初始化为0。惯性导航系统的位置被设置为如在步骤208中确定的相机120相对于全局参考系的位置。从步骤210确定的导航坐标系与惯性传感器参考系之间的变换矩阵被设置为
Figure BPA00001577235200113
惯性传感器相对于导航坐标系的初始取向可从惯性传感器参考系与导航坐标系之间的初始化变换矩阵演算出来。
在导航期间，使用来自惯性传感器的测量、连同惯性导航系统的初始化位置、变换矩阵和初始化速度来更新移动平台100的位置和取向(214)。经更新的位置和取向信息由移动平台例如经由图3中所示的显示器162或扬声器168来提供(216)。所显示的位置和取向信息可包括例如通过航位推算确定的惯性导航系统的位置和取向。然而，应理解，若合意，无需显示取向。
因此，在使用利用物体104的图像确定的位置和取向信息初始化惯性导航系统170之后，使用惯性传感器170的导航可以开始。图8解说了可例如在移动平台100的视觉显示器162上显示的简单数字地图300，并且解说了在惯性导航期间获得和使用位置和取向信息。数字地图300可被称为如以上讨论的全局参考系，其可以是局部坐标系或全局坐标系，诸如WGS84。可使用从物体104的图像解码出的数据来访问和下载数字地图300。移动平台100的初始位置302(x0，y0)和速度如以上所讨论地使用物体104的图像来确定并被解说为正显示在数字地图300上。应理解，图8出于解说目的解说了局部室内环境的相对简单的数字地图300，且数字地图300可以如合意的或所需的那样复杂。例如，数字地图300可包括多个层、房间等，并且可包括文本和/或图形信息。此外，数字地图300不限于室内环境。例如，数字地图300可被用于任何室外环境，尤其是在GPS导航由于阻挡状况而不可获得或者完全不可用在移动平台上的场合。
在移动平台100移动时，来自惯性传感器170的测量连同初始化位置、速度和变换矩阵一起被用于更新移动平台100的位置，其可显示在数字地图300上。作为示例，移动平台100的经更新位置304(xi，yi)在数字地图300上示出。然而，由于惯性传感器倾向于随时间积聚误差，因此与移动平台100的位置相关联的不定性随移动平台移动而增加。出于解说目的，移动平台100的路径用点划线306解说，而增加的相关联不定性用点线308解说。然而，应理解，移动平台100可以不显示路径和/或位置不定性。
如图8中所示，不同物体105可被移动平台100用来校正惯性导航系统中的误差。该不同的物体105可类似于物体104，但编码有与物体105的特定位置和取向有关的信息，诸如可据以下载该信息的URI。
图9是示出在利用移动平台100的导航期间使用不同物体105的图像来校正误差的方法的流程图。如9中解说的过程类似于图4中描述的过程，除了惯性导航已被初始化且在导航期间对不同物体105成像(302)。如图4中所描述的，获得该物体相对于全局参考系的位置和取向信息(304)，以及使用该图像来估计相机相对于该不同物体105的位置和取向(306)。随后可确定全局参考系中的当前相机位置和取向(308)。全局参考系中的该新位置和取向随后可被用于估计和校正惯性位置误差、速度误差、取向误差、以及惯性传感器170误差，诸如陀螺仪和加速计漂移。如图8中所示，一旦导航误差得到校正，即移动平台100的位置和取向被确定，经更新位置304中的累积不定性就被减少。因此，利用移动平台100的惯性导航可以继续，如具有新的相关联不定性312的移动平台100的路径310所示。
图10示意性地解说了使用不同物体来校正惯性导航系统中的误差。图10示出了耦合到惯性导航系统352的滤波器350，诸如离散卡尔曼滤波器，惯性导航系统352包括惯性传感器170以及位置引擎146。滤波器350还被解说为耦合成接收被成像物体信息354，诸如来自被成像物体105的位置和取向信息，其被卡尔曼滤波器当作具有可变采样率的离散时间位置和取向传感器。滤波器350接收例如来自惯性导航系统的位置、速度和取向信息以及来自被成像物体105的位置和取向信息。来自被成像物体105的位置和取向信息被用于更新滤波器350以估计惯性位置误差、速度误差、取向误差、以及惯性传感器170误差，诸如陀螺仪漂移和加速计偏差。来自滤波器350的误差估计被用于向惯性导航系统352提供导航校正和传感器校正。
尽管出于指导目的结合具体实施例解说了本发明，但是本发明并不被限定于此。可作出各种适应性改编和改动而不会脱离本发明的范围。因此，所附权利要求的精神和范围不应当被限定于前面的描述。

Claims (28)

1.一种方法，包括：
保持移动平台固定同时用所述移动平台中的相机获取物体的图像，所述移动平台具有包括惯性传感器的惯性导航系统，其中所述惯性传感器与所述相机之间的取向是已知的；
获得所述物体在全局参考系中的位置和取向信息；
从所述物体的所述图像估计所述相机相对于所述物体的位置和取向；
从所估计的所述相机相对于所述物体的位置和取向、以及所获得的所述物体在所述全局参考系中的位置和取向来确定在所述全局参考系中的相机位置和取向；
使用所确定的在所述全局参考系中的相机位置和取向以及所述惯性传感器与所述相机之间的所述取向来确定导航坐标系与关于所述惯性导航系统的惯性传感器参考系之间的变换矩阵；
将所述惯性导航系统的速度设置为0；
将所述惯性导航系统的位置设置为所估计的所述相机在所述全局参考系中的位置；
将所述导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的所述变换矩阵设置为所确定的所述导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的变换矩阵；
使用来自所述惯性传感器的测量、所设置的变换矩阵、所述惯性导航系统的所设置速度和所设置位置来更新所述惯性导航系统的位置、速度和取向；以及
提供所述惯性导航系统的所述位置的经更新估计作为所述移动平台的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
保持所述移动平台固定同时用所述移动平台中的所述相机获取一不同物体的图像；
获得所述不同物体在所述全局参考系中的位置和取向信息；
从所述不同物体的所述图像估计所述相机相对于所述不同物体的新位置和取向；
从所估计的所述相机相对于所述物体的新位置和取向、以及所获得的所述不同物体在所述全局参考系中的位置和取向来确定在所述全局参考系中的新的相机位置和取向；以及
使用所确定的在所述全局参考系中的新的相机位置和/或取向中的至少一者来估计和校正所述惯性导航系统的所述位置、速度和取向中的误差以及所述惯性传感器的误差。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述惯性导航系统的所述位置、速度和取向中的误差以及所述惯性传感器的误差是使用卡尔曼滤波器来估计和校正的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的变换矩阵包括：使用相机参考系与物体参考系之间的所确定的第一变换矩阵、以及所述全局参考系与所述物体参考系之间的第二变换矩阵。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，确定导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的变换矩阵进一步包括：使用所述相机参考系与所述惯性传感器参考系之间的第三变换矩阵。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，确定导航坐标系与惯性传感器参考系之间的变换矩阵进一步包括：使用所述全局参考系与所述导航坐标系之间的第四变换矩阵。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体是数据码标记。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体是快速响应码。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体编码有统一资源标识符(URI)，并且其中获得关于所述物体的位置和取向信息包括：
解码所述物体以确定所述URI；以及
使用所述URI来访问和下载关于所述物体的所述位置和取向信息。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供所述惯性导航系统的所述位置的经更新估计作为所述移动平台的位置包括：在所述移动平台上的数字地图上显示所述经更新位置。
11.一种移动平台，包括：
可操作用于对物体成像的相机；
包括提供运动和旋转数据的惯性传感器的惯性导航系统；
连接到所述相机和所述惯性传感器的处理器；
连接到所述处理器的存储器；以及
软件，其保存在所述存储器中并在所述处理器中运行以使所述处理器：获得关于所述物体在全局参考系中的位置和取向信息；从由所述相机获取的所述物体的图像估计所述相机相对于所述物体的位置和取向；从所估计的位置和取向、以及所获得的所述物体在所述全局参考系中的位置和取向来确定在所述全局参考系中的相机位置和取向；使用所确定的在所述全局参考系中的相机位置和取向以及所述惯性传感器与所述相机之间的已知取向来确定导航坐标系与关于所述惯性导航系统的惯性传感器参考系之间的变换矩阵；将所述惯性导航系统初始化为具有速度0、所确定的所述相机在所述全局参考系中的位置、以及所确定的所述导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的变换矩阵；使用来自所述惯性传感器的数据、以及所述初始化的速度、位置和变换矩阵来更新惯性导航系统位置；以及提供经更新的惯性导航系统位置作为所述移动平台的位置。
12.如权利要求11所述的移动平台，其特征在于，所述软件使得所述处理器进一步使所述处理器：获得关于一不同的被成像物体在所述全局参考系中的位置和取向信息；从由所述相机获取的图像估计所述相机相对于所述不同的被成像物体的新位置和取向；从所估计的新位置和取向、以及所获得的所述不同的被成像物体在所述全局参考系中的位置和取向来确定在所述全局参考系中的新的相机位置和取向；以及使用所确定的在所述全局参考系中的新的相机位置和取向中的至少一者来估计和校正所述惯性导航系统的所述位置、速度和取向中的误差以及所述惯性传感器的误差。
13.如权利要求11所述的移动平台，其特征在于，进一步包括卡尔曼滤波器，其中所述卡尔曼滤波器使用所确定的在所述全局参考系中的新的相机位置和取向中的所述至少一者来估计和校正所述惯性导航系统的所述位置、速度和取向中的误差以及所述惯性传感器的误差。
14.如权利要求11所述的移动平台，其特征在于，所述软件使所述处理器确定相机参考系与物体参考系之间的第一变换矩阵、以及所述全局参考系与所述物体参考系之间的第二变换矩阵，从而确定所述导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的所述变换矩阵。
15.如权利要求14所述的移动平台，其特征在于，所述软件进一步使所述处理器使用所述相机参考系与所述惯性传感器参考系之间的第三变换矩阵来确定所述导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的所述变换矩阵。
16.如权利要求15所述的移动平台，其特征在于，所述软件进一步使所述处理器使用所述全局参考系与所述导航坐标系之间的第四变换矩阵来确定所述导航坐标系与所述惯性传感器参考系之间的所述变换矩阵。
17.如权利要求11所述的移动平台，其特征在于，进一步包括显示器，其中保存在所述存储器中并在所述处理器中运行的所述软件控制所述处理器在所述移动平台上显示所述位置。
18.如权利要求11所述的移动平台，其特征在于，进一步包括用于解码所述物体的物体解码器，所述解码器耦合到所述处理器，其中所述处理器使用编码在所述物体中的统一资源标识符(URI)来获得关于所述物体在全局参考系中的位置和取向信息。
19.一种用于访问和更新关于移动平台的位置信息的系统，包括：
用于对物体成像的装置；
用于获得关于所述物体在全局参考系中的位置和取向信息的装置；
用于从所述物体的图像估计所述用于成像的装置相对于所述物体的位置和取向的装置；
用于从所估计的位置和取向、以及所获得的所述物体的位置和取向来确定所述用于成像的装置在所述全局参考系中的位置和取向的装置；
用于感测所述移动平台的运动的装置；
用于使用所确定的所述用于成像的装置的位置和取向、以及所述用于感测运动的装置的系和所述用于成像的装置之间的已知取向来确定导航坐标系与所述用于感测运动的装置的所述系之间的变换矩阵的装置；
用于将所述惯性导航系统初始化为具有速度0、所确定的所述用于成像的装置的位置、以及所述导航坐标系与所述用于感测运动的装置的系之间的所确定的变换矩阵的装置；
用于使用来自所述用于感测运动的装置的数据、所述初始化的速度、位置和变换矩阵来确定所述移动平台的位置、速度和取向的装置；以及
用于提供所述移动平台的所确定位置的装置。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述用于成像的装置对一不同物体成像；所述用于获得位置和取向信息的装置获得关于所述不同物体在所述全局参考系中的位置和取向信息；所述用于估计所述用于成像的装置的位置和取向的装置估计所述用于成像的装置的新位置和取向；所述用于确定所述用于成像的装置在所述全局参考系中的位置和取向的装置从所估计的新位置和取向、以及所获得的所述不同物体的位置和取向来确定所述用于成像的装置在所述全局参考系中的新位置和取向，所述系统进一步包括：
用于使用所述用于成像的装置的所确定的新位置和取向中的至少一者来校正所述移动平台的所述位置、速度和取向中的误差的装置。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述用于确定变换矩阵的装置使用所述用于成像的装置的系与物体参考系之间的第一变换矩阵以及所述全局参考系与所述物体参考系之间的第二变换矩阵。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于确定变换矩阵的装置进一步使用所述用于成像的装置的所述系与所述用于感测运动的装置的所述系之间的第三变换矩阵。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述用于确定变换矩阵的装置进一步使用所述导航坐标系与所述全局参考系之间的第四变换矩阵。
24.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述用于提供所述移动平台的所确定位置的装置包括用于在数字地图上显示所述所确定位置的装置。
25.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述物体是数据码标记并且所述系统进一步包括数据码标记读取器。
26.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述用于获得关于所述物体在全局参考系中的位置和取向信息的装置是所述移动平台中的web浏览器。
27.一种包括其上存储的程序代码的计算机可读介质，包括：
用于解码和获得关于被成像的物体在全局参考系中的位置和取向信息的程序代码；
用于从所述物体的图像估计位置和取向的程序代码；
用于从所估计的位置和取向、以及所获得的关于所述被成像的物体在所述全局参考系中的位置和取向信息来确定在所述全局参考系中的位置和取向的程序代码；
用于使用所确定的在所述全局参考系中的位置和取向以及惯性导航系统的惯性传感器的系与产生所述物体的所述图像的相机的系之间的已知取向来确定所述导航坐标系与所述惯性传感器的系之间的变换矩阵的程序代码；
用于使用所确定的位置和取向、所确定的变换矩阵以及速度0来初始化所述惯性导航系统的程序代码；
用于使用所述初始化的位置、变换矩阵、速度以及来自所述惯性传感器的数据来确定经更新位置的程序代码；以及
用于提供所述经更新位置的程序代码。
28.如权利要求27所述的包括其上存储的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，进一步包括：
用于使用所确定的位置以及从一不同物体的图像确定的新取向中的至少一者来校正所述惯性导航系统的位置、速度和取向中的误差以及所述惯性传感器的误差的程序代码。
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