CN102768042A - 一种视觉-惯性组合导航方法 - Google Patents

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本发明提出一种视觉-惯性组合导航方法，包括步骤：通过成像设备采集视觉图像，对视觉图像提取特征点/块，并与参考图像的对应的参考点/块进行匹配；对匹配成功的特征点/块进行分组，并根据每组匹配的特征点/块确定航行载体的位置视觉估计值与姿态视觉估计值；将位置视觉估计值与姿态视觉估计值，与惯性测量单元所获得的位置惯性估计值与姿态惯性估计值相融合，输出视觉-惯性组合导航结果。根据本发明实施例的视觉-惯性组合导航方法，利用视觉导航技术，修正惯导系统误差，提高导航精度，实现航行载体的自主飞行能力。

Description

一种视觉-惯性组合导航方法
技术领域
本发明涉及导航领域，特别涉及一种视觉-惯性组合导航方法。
背景技术
将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航。导航有多种技术途径，如无线电导航、天文导航、卫星导航、红外导航、惯性导航、视觉导航等。
其中，惯性导航利用加速度计与陀螺仪计算航程，推知当前位置和下一步目的地，自主性强、不易受干扰，是目前的主要导航方法。但惯性导航系统（Inertial NavigationSystem,INS）由于其固有的导航误差积累，导航精度随时间增长而降低，并且设备成本较高，因而不能完全满足实际应用的需要。
此外，视觉导航采用成像设备拍摄图像，运用机器视觉等相关技术识别路径，实现自动导航。视觉导航因其应用范围广，在理论上具有最佳引导柔性，近年来发展十分迅速。但视觉导航方法主要存在图像匹配的精度较差、目标图像中的像点定位有误差、测量系统的标定误差以及成像系统的空间分辨率有限的缺点，其应用也受到限制。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种定位精度较高、可靠性较好的视觉-惯性组合导航方法，包括以下步骤：A.通过成像设备采集视觉图像，对所述视觉图像提取特征点/块，并与参考图像的对应的参考点/块进行匹配；B.对匹配成功的所述特征点/块进行分组，并根据每组匹配的所述特征点/块确定航行载体的位置视觉估计值与姿态视觉估计值；C.将所述位置视觉估计值与所述姿态视觉估计值，与惯性测量单元所获得的位置惯性估计值与姿态惯性估计值相融合，输出所述视觉-惯性组合导航结果。
在本发明的一个实施例中，所述视觉图像为红外或雷达的单目、双目或多目图像的一种或多种的组合。
在本发明的一个实施例中，所述特征点/块为SIFT点/块（Scale-invariant featuretransform，尺度不变特征转换特征点/块）。
在本发明的一个实施例中，所述参考图像根据预设电子地图、预设航行区域图或航行过程中进行设定。
在本发明的一个实施例中，所述参考点/块根据预先设定或航行过程进行设定。
在本发明的一个实施例中，所述步骤A中，所述与参考图像的对应的参考点/块进行匹配，包括：将满足预设条件的所述特征点/块距离的多个特征点/块集合与满足所述预设条件的所述参考点/块距离的多个参考点/块集合做比较，若集合内半数及半数以上的点/块匹配，则所述特征点/块与所述参考点/块匹配成功；若集合内半数以下的点/块匹配，则所述特征点/块与所述参考点/块匹配错误。
在本发明的一个实施例中，所述步骤A还包括：消除匹配错误的所述特征点/块。
在本发明的一个实施例中，所述步骤B中，所述对匹配成功的所述特征点/块进行分组，包括：根据逆聚类分组，并且分组结果中每组具有至少预设数目的所述特征点/块。
在本发明的一个实施例中，所述预设数目为4个。
根据本发明实施例的视觉-惯性组合导航方法，利用视觉导航技术，修正惯导系统误差，提高导航精度，实现航行载体的自主飞行能力。本发明适用于各种航空、航天飞行器和车船的导航，具有以下优点：
（1）本发明通过对图像中正确匹配的特征点/块进行合理的分组，保证对航行载体的位置与状态确定的精度。
（2）本发明用前述多组确定的航行载体的位置与状态的均值，与惯导系统进行融合，可以进一步减小航行载体状态的误差，提高对惯性器件漂移误差的修正效果。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1是根据本发明一个实施例的视觉-惯性组合导航方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
下面参考附图1描述根据本发明实施例的视觉-惯性组合导航方法。如图1所示，视觉-惯性组合导航方法包括以下步骤：
步骤A，通过成像设备采集视觉图像，对视觉图像提取特征点/块，并与参考图像的对应的参考点/块进行匹配。
具体地，车载/机载的成像设备采集到的视觉图像可为红外或雷达的单目、双目或多目图像的一种或多种的组合。特这点/块可为SIFT点/块（Scale-invariant featuretransform，尺度不变特征转换特征点/块）。参考图像根据预设电子地图、预设航行区域图或航行过程中进行设定。参考图像中的参考点/块同样根据预先设定或航行过程进行设定。
视觉图像的特征点/块和参考图像的参考点/块进行匹配的过程具体包括：将满足预设条件的特征点/块距离的多个特征点/块集合与满足预设条件的参考点/块距离的多个参考点/块集合做比较。若集合内半数及半数以上的点/块匹配，则特征点/块与参考点/块匹配成功；若集合内半数以下的点/块匹配，则特征点/块与参考点/块匹配错误。
优选地，还进一步包括步骤：消除匹配错误的特征点/块。及时消除匹配错误的特征点/块，可减少后续流程中的数据计算量。
例如，针对采集图像中匹配的每个特征点/块，记为a，选取距离最近的多个特征点/块，作为集合A；a在参考图像中对应的特征点/块a’，也选取距离最近的多个特征点/块，作为集合A’；如果A和A’中达不到半数以上的特征点/块匹配，则视为a与a’为错误匹配点，予以剔除。
步骤B，对匹配成功的特征点/块进行分组，并根据每组匹配的特征点/块确定航行载体的位置视觉估计值与姿态视觉估计值。
对匹配的特征点/块以某种依据进行分组，每组至少预设数目的特征点/块，以保证足够数目的特征点/块进行航行载体的状态估计。在本发明的一个优选实施例中，分组的依据是“逆聚类”，即以特征点/块的距离的倒数作为聚类的指标。在本发明的另一个优选实施例中，预设数目为4个。随后，根据分组后的特征点/块组，确定航行载体的位置视觉估计值和姿态视觉估计值。具体的，根据透视投影原理，即已知平面目标的几个点和它们之间的几何尺寸，通过对应的像点位置以及它们在图像中的几何尺寸可以解算出相机坐标系和着陆平台坐标系间的位置和姿态；最后，通过对相机坐标系到无人机机体坐标系的转换，进而航行载体的位置视觉估计值和姿态视觉估计值。
步骤C，将位置视觉估计值与姿态视觉估计值，与惯性测量单元所获得的位置惯性估计值与姿态惯性估计值相融合，输出视觉-惯性组合导航结果。
具体地，可以将视觉方法与惯性测量单元输出的位置信息进行信息融合，以它们的差值作为状态的观测值，用卡尔曼滤波器估计出惯性测量单元的漂移误差，然后校正惯性测量单元在输出参数，得到融合后的导航参数。此过程中，用前一步多组航行载体的姿态估计的均值作为视觉导航的测量。
根据本发明实施例的视觉-惯性组合导航方法，利用视觉导航技术，修正惯导系统误差，提高导航精度，实现航行载体的自主飞行能力。本发明主要对机载成像进行多重视觉测量，减小图像配准、像点定位误差等带来的影响，提高惯导系统误差的修正效果。本发明适用于各种航空、航天飞行器和车船的导航，具有以下优点：
（1）本发明通过对图像中正确匹配的特征点/块进行合理的分组，保证对航行载体的位置与状态确定的精度。
（2）本发明用前述多组确定的航行载体的位置与状态的均值，与惯导系统进行融合，可以进一步减小航行载体状态的误差，提高对惯性器件漂移误差的修正效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.通过成像设备采集视觉图像，对所述视觉图像提取特征点/块，并与参考图像的对应的参考点/块进行匹配；
B.对匹配成功的所述特征点/块进行分组，并根据每组匹配的所述特征点/块确定航行载体的位置视觉估计值与姿态视觉估计值；
C.将所述位置视觉估计值与所述姿态视觉估计值，与惯性测量单元所获得的位置惯性估计值与姿态惯性估计值相融合，输出所述视觉-惯性组合导航结果。
2.如权利要求1所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述视觉图像为红外或雷达的单目、双目或多目图像的一种或多种的组合。
3.如权利要求1所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述特征点/块为尺度不变特征转换特征点/块。
4.如权利要求1所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述参考图像根据预设电子地图、预设航行区域图或航行过程中进行设定。
5.如权利要求1所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述参考点/块根据预先设定或航行过程进行设定。
6.如权利要求1所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述与参考图像的对应的参考点/块进行匹配，包括：
将满足预设条件的所述特征点/块距离的多个特征点/块集合与满足所述预设条件的所述参考点/块距离的多个参考点/块集合做比较，若集合内半数及半数以上的点/块匹配，则所述特征点/块与所述参考点/块匹配成功；若集合内半数以下的点/块匹配，则所述特征点/块与所述参考点/块匹配错误。
7.如权利要求1所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述步骤A还包括：消除匹配错误的所述特征点/块。
8.如权利要求1所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述步骤B中，所述对匹配成功的所述特征点/块进行分组，包括：根据逆聚类分组，并且分组结果中每组具有至少预设数目的所述特征点/块。
9.如权利要求8所述的视觉-惯性组合导航方法，其特征在于，所述预设数目为4个。
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