一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，將相機(jī)與十字結(jié)構(gòu)光傳感器同向放置，根據(jù)物體表面的直線特征調(diào)整測(cè)量裝置，使十字結(jié)構(gòu)光與物體表面的一條直線有兩個(gè)交點(diǎn)，測(cè)量時(shí)通過(guò)處理器對(duì)相機(jī)捕獲的圖像進(jìn)行處理計(jì)算，得到物體于相機(jī)之間的相對(duì)位置和姿態(tài)信息。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在相機(jī)對(duì)缺乏平行約束條件的非合作目標(biāo)位姿的測(cè)量，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算，提高了運(yùn)算效率，滿足室內(nèi)微小型載體的載重要求。
【專利說(shuō)明】一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及位姿測(cè)量領(lǐng)域，具體是一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用視覺(jué)進(jìn)行位姿測(cè)量具有精度高、非接觸和低成本等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量所需的相機(jī)數(shù)一般可分為單目視覺(jué)測(cè)量和多目視覺(jué)測(cè)量。單目視覺(jué)測(cè)量由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量靈活，僅使用一臺(tái)相機(jī)即可得到目標(biāo)相對(duì)于相機(jī)的三維姿態(tài)和三維位移數(shù)據(jù)，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)視覺(jué)位姿測(cè)量進(jìn)行了大量并且深入的研究，視覺(jué)位姿測(cè)量可以分為對(duì)合作目標(biāo)的測(cè)量和對(duì)非合作目標(biāo)的測(cè)量，其中，合作測(cè)量算法已經(jīng)較為成熟，比較成熟的算法是利用目標(biāo)物體上N個(gè)特征點(diǎn)在物體坐標(biāo)系下的位置關(guān)系進(jìn)行求解，即PNP問(wèn)題，而非合作視覺(jué)測(cè)量算法卻無(wú)法事先獲得特征點(diǎn)在物體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。非合作視覺(jué)測(cè)量算法的相關(guān)公開(kāi)文獻(xiàn)較少，大部分研究方法都是致力于將非合作問(wèn)題轉(zhuǎn)化為合作問(wèn)題來(lái)處理，這樣的方法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。目前部分直接進(jìn)行非合作視覺(jué)測(cè)量的算法需要利用激光測(cè)距儀輔助獲得位置和姿態(tài)信息，否則只能獲得物體的姿態(tài)信息，由于激光測(cè)距儀重量與尺寸較大，不適合應(yīng)用在室內(nèi)微小型載體上進(jìn)行自主導(dǎo)航；有專利利用單幅圖像上具有平行四邊形幾何約束的四個(gè)特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物體的空間定位；有論文針對(duì)無(wú)法獲取大型非合作航天器完整特征圖像的情況進(jìn)行位姿求解，利用線結(jié)構(gòu)光輔助獲得航天器平行邊上的四個(gè)特征點(diǎn)，同樣利用平行約束條件進(jìn)行位姿求解，以上兩種方法在無(wú)法獲得平行約束時(shí)無(wú)法進(jìn)行位姿解算?？偟膩?lái)說(shuō)，目前對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行視覺(jué)位姿測(cè)量的方法存在計(jì)算量較大、輔助設(shè)備尺寸重量大以及需要平行約束條件，并不完全滿足室內(nèi)微小型載體視覺(jué)導(dǎo)航的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決室內(nèi)微小型載體視覺(jué)導(dǎo)航時(shí)的位姿測(cè)量問(wèn)題，提出了十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了在相機(jī)對(duì)缺乏平行約束條件的非合作目標(biāo)位姿的測(cè)量，滿足室內(nèi)微小型載體的載重要求，同時(shí)計(jì)算量小，大大增加了計(jì)算效率。
[0005]一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟:
[0006]I)建立相機(jī)坐標(biāo)系C-XJJ。、圖像坐標(biāo)系o-uv、十字結(jié)構(gòu)光坐標(biāo)系L-X1Y1Zi以及物體坐標(biāo)系Otj-XtjYtjZtj,其中相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系與通常的定義一致；十字結(jié)構(gòu)光坐標(biāo)系的原點(diǎn)為十字結(jié)構(gòu)光發(fā)出點(diǎn)，Z1軸與十字結(jié)構(gòu)光兩平面的交線重合，方向與光線射出方向一致，X1軸、Y1軸分別沿兩個(gè)垂直光線平面與Z1軸構(gòu)成右手系；物體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于物體表面某一線段的端點(diǎn)，X0軸與該線段重合指向另一端點(diǎn)，Z。軸垂直物體表面向外，Y0軸與X。軸、Z0軸構(gòu)成右手系；
[0007]2)定義物體坐標(biāo)系相對(duì)相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系R與平移關(guān)系T，其中R表示物體坐標(biāo)系先繞X。軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Y角，再繞Y。軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Θ角，最后繞Z。軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)ψ
角，即
【權(quán)利要求】
1.一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟: 1)建立相機(jī)坐標(biāo)系C-XJJ。、圖像坐標(biāo)系ο-UV、十字結(jié)構(gòu)光坐標(biāo)系L-X1Y1Z1以及物體坐標(biāo)系Otj-XtXZtj,其中相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系與通常的定義一致；十字結(jié)構(gòu)光坐標(biāo)系的原點(diǎn)為十字結(jié)構(gòu)光發(fā)出點(diǎn)，Z1軸與十字結(jié)構(gòu)光兩平面的交線重合，方向與光線射出方向一致，X1軸、Y1軸分別沿兩個(gè)垂直光線平面與Z1軸構(gòu)成右手系；物體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于物體表面某一線段的端點(diǎn)，X。軸與該線段重合指向另一端點(diǎn)，Z。軸垂直物體表面向外，Y0軸與X。軸、Z。軸構(gòu)成右手系； 2)定義物體坐標(biāo)系相對(duì)相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系R與平移關(guān)系T，其中R表示物體坐標(biāo)系先繞X。軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Y角，再繞Y。軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Θ角，最后繞Z。軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Ψ角，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，其特征在于:所述的單點(diǎn)三角測(cè)距法為安裝時(shí)獲得4軸與平面XwOwZw的夾角λ與 軸與平面XwOwZw的夾角由結(jié)構(gòu)光坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系可知Al； = 4A；tanφ+Ze4 tmA + d f從而得到十字結(jié)構(gòu)光在物體表面投影上任意一點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo):
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK103791889SQ201410015892
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】王云舒, 曾慶化, 劉建業(yè), 顧姍姍, 陳維娜, 萬(wàn)駿煒, 趙繼, 居后鴻, 孟騫, 王煥浩 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)