一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法，將相機與十字結(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)整測量裝置，使十字結(jié)構(gòu)光與物體表面的一條直線有兩個交點，測量時通過處理器對相機捕獲的圖像進(jìn)行處理計算，得到物體于相機之間的相對位置和姿態(tài)信息。本發(fā)明實現(xiàn)了在相機對缺乏平行約束條件的非合作目標(biāo)位姿的測量，大大簡化了計算，提高了運算效率，滿足室內(nèi)微小型載體的載重要求。
【專利說明】一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及位姿測量領(lǐng)域，具體是一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用視覺進(jìn)行位姿測量具有精度高、非接觸和低成本等優(yōu)點，根據(jù)測量所需的相機數(shù)一般可分為單目視覺測量和多目視覺測量。單目視覺測量由于結(jié)構(gòu)簡單、測量靈活，僅使用一臺相機即可得到目標(biāo)相對于相機的三維姿態(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，國內(nèi)外對視覺位姿測量進(jìn)行了大量并且深入的研究，視覺位姿測量可以分為對合作目標(biāo)的測量和對非合作目標(biāo)的測量，其中，合作測量算法已經(jīng)較為成熟，比較成熟的算法是利用目標(biāo)物體上N個特征點在物體坐標(biāo)系下的位置關(guān)系進(jìn)行求解，即PNP問題，而非合作視覺測量算法卻無法事先獲得特征點在物體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。非合作視覺測量算法的相關(guān)公開文獻(xiàn)較少，大部分研究方法都是致力于將非合作問題轉(zhuǎn)化為合作問題來處理，這樣的方法在實際應(yīng)用中有一定的局限性。目前部分直接進(jìn)行非合作視覺測量的算法需要利用激光測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特征點實現(xiàn)物體的空間定位；有論文針對無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特征點，同樣利用平行約束條件進(jìn)行位姿求解，以上兩種方法在無法獲得平行約束時無法進(jìn)行位姿解算?？偟膩碚f，目前對非合作目標(biāo)進(jìn)行視覺位姿測量的方法存在計算量較大、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)微小型載體視覺導(dǎo)航時的位姿測量問題，提出了十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法，實現(xiàn)了在相機對缺乏平行約束條件的非合作目標(biāo)位姿的測量，滿足室內(nèi)微小型載體的載重要求，同時計算量小，大大增加了計算效率。
[0005]一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法，其特征在于包括以下步驟:
[0006]I)建立相機坐標(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)系的原點為十字結(jié)構(gòu)光發(fā)出點，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軸分別沿兩個垂直光線平面與Z1軸構(gòu)成右手系；物體坐標(biāo)系原點位于物體表面某一線段的端點，X0軸與該線段重合指向另一端點，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)系相對相機坐標(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。軸逆時針轉(zhuǎn)動Y角，再繞Y。軸逆時針轉(zhuǎn)動Θ角，最后繞Z。軸逆時針轉(zhuǎn)動ψ
角，即
【權(quán)利要求】
1.一種利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法，其特征在于包括以下步驟: 1)建立相機坐標(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)系的原點為十字結(jié)構(gòu)光發(fā)出點，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軸分別沿兩個垂直光線平面與Z1軸構(gòu)成右手系；物體坐標(biāo)系原點位于物體表面某一線段的端點，X。軸與該線段重合指向另一端點，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)系相對相機坐標(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。軸逆時針轉(zhuǎn)動Y角，再繞Y。軸逆時針轉(zhuǎn)動Θ角，最后繞Z。軸逆時針轉(zhuǎn)動Ψ角，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用十字結(jié)構(gòu)光輔助的單目視覺位姿測量方法，其特征在于:所述的單點三角測距法為安裝時獲得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在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo):
【文檔編號】G01C11/00GK103791889SQ201410015892
【公開日】2014年5月14日 申請日期: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, 萬駿煒, 趙繼, 居后鴻, 孟騫, 王煥浩 申請人:南京航空航天大學(xué)