CN101699223B - 一种月球车双目视觉导航系统标定装置 - Google Patents

Abstract

一种月球车双目视觉导航系统标定装置，包含标定框架、回光反射测量标志、编码标志和环形光源，标定框架包括主框架、大小相同的左辅助框架和右辅助框架，在标定框架的前表面和后表面上交错设置多列安装条框，每列安装条框上设置多个回光反射测量标志，在每列回光反射测量标志中设置至少一个点状编码标志，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置。本发明采用三维立体框架结构设计，解决了二维标定板存在的不足，在三维立体框架中安装多列回光反射测量标志，解决了网格标定标志数字图像提取精度不高的问题，每一列回光反射测量标志中设置至少一个点状编码标志，实现对标定场的自动识别，环形LED光源可以提高标定精度。

Description

一种月球车双目视觉导航系统标定装置

技术领域

本发明涉及一种导航系统标定装置，尤其涉及一种月球车双目视觉导航系统标定装置。 

背景技术

月球车双目视觉导航是我国探月计划中使用的导航技术之一。月球车双目视觉导航系统主要由两台数字相机、一个立方镜与系统支架构成，相机固定在支架两端，位于两相机中间位置固定立方镜。由于月球车双目视觉导航主要依靠两个相机同时获取外部信息、进而确定自身位置的导航方法，主要包括视觉测量、地形匹配，路径规划等技术。在双目视觉导航系统中，对系统进行综合标定是实现月球车双目视觉导航的关键技术，精确的标定是保证月球车双目视觉正确导航的基础，所以，月球车双目视觉导航系统的标定精度直接决定后续的工作能否顺利进行。月球车双目视觉导航系统标定装置是由一些空间坐标已知、按照一定分布规律分布在空间的控制点组成，按照标定框架上面事先设计好的位置布置测量工装，利用工装将回光反射数字编码标志固定，使之对外界环境轻微变化自身变化不敏感。因此，需要建立高精度、高稳定性的标定场，以满足月球车双目视觉导航系统标定和精度测试的要求。 

传统的标定方法使用平面的网格标定板，该方法存在以下不足：方形网格图像提取精度不够，不能完成对相机的高精度标定；随着标定板尺寸变大，标定板的稳定性变差，标定过程中标定板不稳定会导致标定精度下降，甚至会引起错误的结果；由于使用二维标定板在标定计算的过程中缺少空间信息，会对相机外方位元素产生镜像的结果，引起计算错误。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种月球车双目视 觉导航系统标定装置，该标定装置结构简单，使用方便，可以用来标定相机的内参数、立方镜与相机之间的关系。 

本发明的技术解决方案是：一种月球车双目视觉导航系统标定装置，包含标定框架、回光反射测量标志、编码标志和环形光源；标定框架包括主框架、大小相同的左辅助框架和右辅助框架，其中主框架、左辅助框架与右辅助框架均为长方体结构，主框架、左辅助框架和右辅助框架三者的高度和宽度均相同，左辅助框架和右辅助框架与主框架之间的夹角均为钝角，三个框架的长度之和l与标定相机距主框架的距离h之间的关系为l＝2htan(w)，主框架的长度和高度均等于标定相机距主框架的距离，在标定框架的前表面和后表面上交错设置多列安装条框，前表面或后表面两列安装条框之间的间距均为主框架长度的1/10-1/8，每列安装条框上设置多个回光反射测量标志，两个回光反射测量标志之间的距离为主框架长度的1/20-1/18，在每列回光反射测量标志中设置至少一个点状编码标志，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源，w为导航系统相机视场角的一半。 

所述回光反射测量标志的直径为 $d=\frac{\mathrm{crh}}{f},$ d为回光反射测量标志直径，c为像素个数，r为像素大小，h为标定相机距主框架的距离，f为相机焦距，式中c≥5。所述回光反射测量标志由直径为50μm的玻璃微珠组成的回光反射膜或由微晶立方角体组成的回光反射膜制作而成。 

本发明与现有技术相比的有益效果是： 

(1)本发明针对传统二维标定板存在的不足，采用三维立体框架结构设计，避免了二维标定板在标定计算过程中由于缺少空间信息对相机外方位元素产生的镜像引起计算错误的问题，框架结构采用不锈钢材料，可以保证标定架的稳定性与高精度，有利于标定过程中保证控制网格精度。 

(2)本发明在三维立体框架中安装多列回光反射测量标志，回光反射测量标志采用高反射性能的定向反光材料制作而成，相机对其摄影可以获取高质量 “准二值影像”，从而解决了网格标定标志数字图像提取精度不高的问题，该标志数字图像中心提取精度可达0.02像素。 

(3)本发明在每一列回光反射测量标志中设置至少一个点状编码标志，实现对标定场的自动识别，可以保证标定过程中实现自动化，可以消除人工干预产生的粗差或精度影响。 

(4)本发明的发光光源采用环形LED光源，亮度可调，均匀性高，可以提高标定精度，并且可以长时间曝光或者频闪曝光，特别适合回光反射标志使用。 

附图说明

图1为本发明标定装置的结构示意图； 

图2为本发明标定框架的设计原理图； 

图3为本发明回光反射测量标志的分子结构图； 

图4为本发明编码标志的结构图； 

图5为本发明编码标志的设计原理图； 

图6为本发明环形光源的结构图； 

图7为采用标定相机对本发明进行拍摄的效果图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述： 

如图1所示，该标定装置主要包含标定框架、回光反射测量标志4、编码标志5和环形光源。标定框架包括主框架1、大小相同的左辅助框架2和右辅助框架3，其中主框架1、左辅助框架2与右辅助框架3均为长方体结构，主框架1、左辅助框架2和右辅助框架3的高度H和宽度M均相同，左辅助框架2和右辅助框架3与主框架1之间的夹角均为钝角，三个框架的长度之和l与相机距主框架1的距离h之间的关系为l＝2htan(w)，主框架1的长度L1和高度H均等于标定相机距主框架1的距离h，在标定框架的前表面和后表面上交错设置多列安装条框6，前表面或后表面两列安装条框之间的间距t均为主框架1 长度L1的1/10-1/8，每列安装条框6上设置多个回光反射测量标志4，两个回光反射测量标志4之间的距离为主框架长度的1/20-1/18，在每列回光反射测量标志4中设置至少一个点状编码标志5，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源，w为导航系统相机视场角的一半。 

(1)标定框架，标定框架作为标定装置的主要作用是承载人工测量标志(包括编码标志)，并能够长时间的保持稳定，标定过程中作为标定场，设计过程中要考虑标定场空间大小与相机标定系统的实际需求情况，使用材料为不锈钢。标定框架要根据标定时摄影距离与相机的成像模型和测量标志在图像上的分布状态进行设计，拍摄时标定框架上测量标志应该布满像平面。如图2所示，对月球车双目视觉导航系统相机，由于视场角(2ω＝63°)，因此，标定框架尺寸的设计应该以满足视场角为标准，即l＝2htan(w)，式中l为设计标定框架总长度，h为标定相机与标定框架之间的摄影距离。对2ω＝63°，当h＝3m时，l＝3.6m，当h＝5m时，l＝6.2m。如果标定框架采用直线形式，对标定场空间距离要求很大，因此本发明标定框架中的主框架与左右辅助框架之间有一定的角度，这样可以大大增强标定框架的稳定性，为了便于标定相机的拍摄，左辅助框架、右辅助框架与主框架1之间的夹角均设计为钝角。 

对2ω＝63°，当h＝3m时，主框架的前表面或后表面上设置的安装条框为9列，每列的间距为0.3m，左右辅助框架各设置一列安装条框，当h＝5m时，l＝6.2m，每列的间距为0.5m，左右辅助框架各设置一列安装条框。 

对2ω＝80°，当h＝3m时，l＝5m，主框架的前表面或后表面上设置的安装条框为9列，每列的间距为0.3m，左右辅助框架各设置2列安装条框，当h＝5m时，l＝8.4m，每列的间距为0.5m，左右辅助框架各设置2列安装条框。 

(2)回光反射测量标志，在月球车双目视觉导航系统标定中，要求高精度的测量结果。使用标定场本身的特征作为测量特征或传统的网格标定板达不到高精度测量的要求。由于月球车双目视觉导航系统标定中需要多测站来实现对标定场的人工测量标志摄影，从不同角度进行摄影时会产生不同的图像，要通过在标定场上增加具有明显特征的回光反射测量标志来辅助标定过程的完成。月球车双目视觉导航系统标定中使用回光反射测量标志，一方面可以保证和提高测量精度和可靠性，另一方面回光反射测量标志很容易布设，在月球车双目视觉导航系统标定现场利用回光反射测量标志作为被测点或控制点可以提高被测物体成像点的辨认和识别，并能够实现自动化测量，提高标定效率。

回光反射测量标志由具有回光反射材料的反射膜(美国3M公司生产的7610回光反射材料)制作而成，如图3所示，这种回光反射膜由直径大约50um的玻璃微珠或微晶立方角体组成，每个微珠具有猫眼或反射棱镜功能，将反射光由入射光的方向反射回去。在特定位置光源，如环形闪光灯的照射下，回光反射测量标志通过低强度曝光就可以产生高对比度的图像，这种标志的效率是同等光照条件下普通白色标志效率的100～1000倍以上。 

在标定过程中，相机离标定框架的距离在2m左右，为了保证测量精度，需要对回光反射测量标志尺寸进行设计。在图象处理与分析过程中，回光反射测量标志在像片上成像的尺寸应该为 

才能够保证图像提取精度。 

下面对需要的回光反射测量标志尺寸进行计算： 

其中d为回光反射测量标志直径，c为像素个数，r为像素大小，h为标定相机距主框架的距离，f为相机焦距，式中c≥5。对月球车双目视觉导航系统相机：f＝17.6mm，r＝0.015mm，d应该大于8.5mm，考虑标定过程中以保障标定精度为前提，同时顾及操作的方便性，本发明设计回光反射测量标志尺寸的为10mm。 

(3)编码标志，编码标志是一种自身带有数字编码信息的人工测量标志。编码标志可以通过图像处理等方法进行自动识别，实现立体视觉相机标定过程中人工测量标志的自动匹配，作为不同像片之间的公共点实现标定像片的自动拼接，作为后方交会控制点数据。根据立体视觉相机标定对人工测量标志具有一定数量的要求，使用点状编码标志作为标定过程中的人工测量标志，点状编码标志是根据点在平面上不同的分布而构成数字编码。 

如图4所示，点状编码标志由8个大小相同的圆形标志点组成，其中五个点为模板点，如图5中带有字母的点A、B、C、D、E，这五个带字母的点定义了编码标志的坐标系，其中E点为定位点；另外三个回光反射标志点用来描述编码，称为编码点，如图5中带有数字的点，这三个编码分布在20个设计位置上(可以根据实际要求增加或减少位置数)，每个编码点根据设计坐标不同分别赋予一个唯一的数字，解码的过程通过恢复编码点的位置信息而得到点的数字标识，通过编码点的数字标识实现对编码标志的解码。实际应用时为了在图像处理过程中容易对编码标志进行识别与定位，三个编码点中任意两个点都不能相邻。 

点状编码标志采用十进制编码原理是：利用每一个编码点的数字标识数作为数字2的幂产生一个数字，所有三个编码点产生的数字之和为该编码标志的编码。三个编码点对应于图5中的位置代号为3、10、11，因此，此编码标志的数字编码为m＝2³+2¹⁰+2¹¹＝3080。从编码原理可见，由此产生的编码在使用时会产生编码不连续现象和编码号很大的情况，需要在数据库中制作一个对应表，使用直接查表的方法对编码号进行简单的排列。编码数量也是编码标志要求的一个方面，此类编码的编码数量可以由组合来求出，根据任意两个编码点不能相邻的原则会产生至少400个编码标志，能满足立体视觉相机标定的要求。 

(4)光源设计 

根据回光反射测量标志材料的反光特性，标定过程中需要使用主动发光的光源进行配合，才能够进行高精度标定。标定中使用环状光源。如图6所示，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源。环形光源中的LED光源具有以功能与特点：光源亮度可调，可以频闪和长亮，当采集照片的时候提前开启光源，采集传输结束后关闭光源，两组环形光源水平角可调，可调范围为0°～15°；其照明距离：0.5m-3m；照明范围：3m处5m＊5m；照度均匀性： 大于85％；光谱：白光；光强：3m处采集图像标志的单个像素亮度实现在100～230之间；环状光源环内径大于等于64毫米用于安装标定相机。 

采用标定相机对本发明进行拍摄后的图像如图7所示，图中每一列回光反射测量标志中包含2个编码标志。 

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知常识。 

Claims (3)

1.一种月球车双目视觉导航系统标定装置，其特征在于：包含标定框架、回光反射测量标志(4)、编码标志(5)和环形光源；标定框架包括主框架(1)、大小相同的左辅助框架(2)和右辅助框架(3)，其中主框架(1)、左辅助框架(2)与右辅助框架(3)均为长方体结构，主框架(1)、左辅助框架(2)和右辅助框架(3)三者的高度和宽度均相同，左辅助框架(2)和右辅助框架(3)与主框架(1)之间的夹角均为钝角，三个框架的长度之和L与标定相机距主框架的距离h之间的关系为L＝2htan(w)，主框架的长度和高度均等于标定相机距主框架的距离，在标定框架的前表面和后表面上交错设置多列安装条框(6)，前表面或后表面两列安装条框之间的间距均为主框架(1)长度的1/10-1/8，每列安装条框(6)上设置多个回光反射测量标志(4)，两个回光反射测量标志(4)之间的距离为主框架(1)长度的1/20-1/18，在每列回光反射测量标志(4)中设置至少一个点状编码标志(5)，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源，w为导航系统相机视场角的一半。

2.根据权利要求1所述的一种月球车双目视觉导航系统标定装置，其特征在于：所述回光反射测量标志的直径为

d为回光反射测量标志直径，c为像素个数，r为像素大小，h为标定相机距主框架的距离，f为相机焦距，式中c≥5。

3.根据权利要求1所述的一种月球车双目视觉导航系统标定装置，其特征在于：所述回光反射测量标志由直径为50μm的玻璃微珠组成的回光反射膜或由微晶立方角体组成的回光反射膜制作而成。

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