CN108375383A - 多相机辅助的机载分布式pos柔性基线测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，该方法包括：使用高精度主惯性测量单元(主IMU)借助相机测量的主子IMU之间相对位置姿态信息对低精度子惯性测量单元(子IMU)进行传递对准，完成柔性多基线测量。本发明具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于测量载机存在挠曲变形时多载荷之间的柔性基线长度，提高多载荷之间相对的位置姿态精度。本发明还公开了一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置。

Description

多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法和装置
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体而言，涉及一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法和装置。
背景技术
高精度POS由惯性测量单元(Inertial measurement Unit,IMU)、导航计算机系统(POS Computer System，PCS)和GPS组成。高精度POS可以为高分辨率航空遥感系统提供高频、高精度的时间、空间及精度信息，通过运动误差补偿提高成像精度和效率，是实现高分辨率成像的关键。我国在单POS成像方面取得了一定进展，但是由于对地观测载荷的需求牵引，如集成高分辨测绘相机、全谱段成像光谱仪、SAR于同一载体的多任务载荷，机载分布式阵列天线SAR和柔性多基线干涉SAR以及舰载稀疏阵列成像雷达等，多个或多种载荷安装在飞机不同位置，采用传统的单一POS系统无法实现多点的高精度位置姿态测量以及各载荷数据的时间统一。
同时对于集成多个载荷的航空遥感系统和阵列载荷，由于飞机机体和柔性杆臂的挠曲变形、振动等因素，单个POS无法测量分布在飞机不同位置多个载荷的位置速度姿态信息。如果每个载荷都安装一个POS，不仅重量、成本增加，而且不同POS之间存在不同系统误差，使得多个载荷之间的数据难以融合，因此迫切需要建立高精度分布式时空基准系统，为高性能航空遥感系统中所有载荷提供高精度的时间、空间信息。
现有的柔性杆臂测量方法(公开号：CN 102322873)搭建了一种柔性杆臂测试环境并给出柔性杆臂测量精度验证方法，没有提供详细的柔性杆臂测量算法，会直接限制子系统的位置姿态测量精度。针对柔性基线测量特性对测量精度要求较高的问题，在使用高精度主IMU对子系统进行传递对准的同时，使用相机对主/子系统之间的相对位置姿态关系进行测量，作为量测信息辅助传递对准，提高整体系统的实时导航精度，实现柔性多基线的精确测量。
发明内容
为了解决现有技术中，没有提供详细的柔性杆臂测量算法，会直接限制子系统的位置姿态测量精度的问题，本发明实施例提供了一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法和装置，克服传统挠曲变形建模的不确定性，传统初始对准方法动态条件下对准精度低的缺点，使得具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于测量载机存在挠曲变形时多载荷之间的柔性基线长度，提高多载荷之间相对的位置姿态精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置，包括：第一构建模型模块，用于建立单目视觉模型；第二构建模型模块，用于建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对所述取像装置与所述激光测距装置之间的所述模型进行标定；获取模块，用于通过多个所述取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个所述取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，所述位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；测量模块，用于通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过所述导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。
在其中一个实施例中，所述第一构建模型模块，包括：结合单元，对所述取像装置坐标系与图像坐标系进行结合；标定单元，用于通过预设标定板对所述取像装置进行标定。
在其中一个实施例中，所述标定单元，还用于通过相邻两个所述预设标定板之间的关系，标定相邻两个所述取像装置之间的相对关系，完成多个所述取像装置的标定。
在其中一个实施例中，还包括：组装模块，用于将所述取像装置和所述激光测距装置机械式安装形成一个整体，组成取像装置与激光测量模块。
在其中一个实施例中，还包括：标定模块，用于通过预设靶标的靶标特征点和激光光斑点在图像坐标系和所述取像装置坐标系中的相对空间矢量关系，进行激光光束在所述取像装置坐标系中的建模与标定操作。
在其中一个实施例中，还包括：时间同步触发模块，用于通过秒脉冲同步触发装置触发所述取像装置和所述激光测距装置，完成所述取像装置数据以及所述激光数据的时间同步，其中，所述秒脉冲同步触发装置为GPS秒脉冲同步触发相机。
在其中一个实施例中，所述第二构建模型模块，包括：触发单元，用于通过所述GPS秒脉冲的第一路信号触发所述取像装置获取图像，以及通过所述GPS秒脉冲的第二路信号触发所述激光测距装置获取激光光点数据；融合单元，用于通过所述取像装置和所述激光测距装置之间建立的模型，以及GPS时间标签，将图像特征点信息和激光光点信息融合。
在其中一个实施例中，所述测量模块，包括：基准标定单元，用于通过所述主IMU的组合导航信息以及所述取像装置获取的子IMU位姿信息作为子IMU传递对准的基准；计算单元，用于通过计算所述主IMU和所述子IMU的量测差标识所述子IMU的误差，并通过位置参数与姿态参数的匹配方法，建立量测模型，其中，所述测量模型为经视觉测量辅助后传递对准的所述量测模型。
在其中一个实施例中，还包括：修正模块，用于通过所述取像装置的所述挠曲变形位移矢量以及所述挠曲变形角对所述主系统的量测信息进行修正。
在其中一个实施例中，所述多参数结合为将位置参数与速度参数，以及姿态参数进行结合。
第二方面，本发明实施例提供了一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，包括以下步骤：建立单目视觉模型；建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对所述取像装置与所述激光测距装置之间的所述模型进行标定；通过多个所述取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个所述取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，所述位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过所述导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。
在其中一个实施例中，所述建立单目视觉模型，包括：对所述取像装置坐标系与图像坐标系进行结合；通过预设标定板对所述取像装置进行标定。
在其中一个实施例中，所述通过预设标定板对所述取像装置进行标定，包括：通过相邻两个所述预设标定板之间的关系，标定相邻两个所述取像装置之间的相对关系，完成多个所述取像装置的标定。
在其中一个实施例中，还包括：将所述取像装置和所述激光测距装置机械式安装形成一个整体，组成取像装置与激光测量模块。
在其中一个实施例中，组成所述取像装置与所述激光测量模块的步骤之后，包括：通过预设靶标的靶标特征点和激光光斑点在图像坐标系和所述取像装置坐标系中的相对空间矢量关系，进行激光光束在所述取像装置坐标系中的建模与标定操作。
在其中一个实施例中，还包括：通过秒脉冲同步触发装置触发所述取像装置和所述激光测距装置，完成所述取像装置数据以及所述激光数据的时间同步，其中，所述秒脉冲同步触发装置为GPS秒脉冲同步触发相机。
在其中一个实施例中，还包括：通过所述GPS秒脉冲的第一路信号触发所述取像装置获取图像，以及通过所述GPS秒脉冲的第二路信号触发所述激光测距装置获取激光光点数据；通过所述取像装置和所述激光测距装置之间建立的模型，以及GPS时间标签，将图像特征点信息和激光光点信息融合。
在其中一个实施例中，所述通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，包括：通过所述主IMU的组合导航信息以及所述取像装置获取的子IMU位姿信息作为子IMU传递对准的基准；通过计算所述主IMU和所述子IMU的量测差标识所述子IMU的误差，并通过位置参数与姿态参数的匹配方法，建立量测模型，其中，所述测量模型为经视觉测量辅助后传递对准的所述量测模型。
在其中一个实施例中，还包括：通过所述取像装置的所述挠曲变形位移矢量以及所述挠曲变形角对所述主系统的量测信息进行修正。
在其中一个实施例中，所述多参数结合为将位置参数与速度参数，以及姿态参数进行结合。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法的步骤。
本发明实施例多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置的有益效果如下：
本发明实施例中通过第一构建模型模块，用于建立单目视觉模型；第二构建模型模块，用于建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对所述取像装置与所述激光测距装置之间的所述模型进行标定；获取模块，用于通过多个所述取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个所述取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，所述位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；测量模块，用于通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过所述导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。上述装置具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于测量载机存在挠曲变形时多载荷之间的柔性基线长度，提高多载荷之间相对的位置姿态精度。
本发明实施例的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法有益效果如下：
本发明实施例建立单目视觉模型；建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对所述取像装置与所述激光测距装置之间的所述模型进行标定；通过多个所述取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个所述取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，所述位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过所述导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。上述方法具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于测量载机存在挠曲变形时多载荷之间的柔性基线长度，提高多载荷之间相对的位置姿态精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1为本发明一个实施例的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法的工作流程图；
图3为本发明一个实施例的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置的整体流程示意图；
图4为本发明一个实施例的相机激光测量模建模示意图；
图5为本发明一个实施例中的相机激光测量模块数据流示意图；以及
图6为本发明一个实施例中的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的详细介绍。
在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
本发明实施例提供了一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置，如图1所示包括：第一构建模型模块200用于建立单目视觉模型；第二构建模型模块400用于建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对取像装置与激光测距装置之间的模型进行标定；获取模块600用于通过多个取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；测量模块800用于通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。其中，多参数结合为将位置参数与速度参数，以及姿态参数进行结合。
本实施例中，第一构建模型模块200，包括：结合单元对取像装置坐标系与图像坐标系进行结合；标定单元用于通过预设标定板对取像装置进行标定。其中，标定单元还用于通过相邻两个所述预设标定板之间的关系，标定相邻两个所述取像装置之间的相对关系，完成多个所述取像装置的标定。
在一个实施例中，本公开的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置还包括：组装模块，用于将取像装置和激光测距装置机械式安装形成一个整体，组成取像装置与激光测量模块。此外，还包括：标定模块，用于通过预设靶标的靶标特征点和激光光斑点在图像坐标系和所述取像装置坐标系中的相对空间矢量关系，进行激光光束在所述取像装置坐标系中的建模与标定操作。此外，还包括：时间同步触发模块，用于通过秒脉冲同步触发装置触发所述取像装置和所述激光测距装置，完成所述取像装置数据以及所述激光数据的时间同步，其中，所述秒脉冲同步触发装置为GPS秒脉冲同步触发相机。
需要说明的是，第二构建模型模块400，包括：触发单元，用于通过所述GPS秒脉冲的第一路信号触发所述取像装置获取图像，以及通过所述GPS秒脉冲的第二路信号触发所述激光测距装置获取激光光点数据；融合单元，用于通过所述取像装置和所述激光测距装置之间建立的模型，以及GPS时间标签，将图像特征点信息和激光光点信息融合。
而且，测量模块800，包括：基准标定单元，用于通过所述主IMU的组合导航信息以及所述取像装置获取的子IMU位姿信息作为子IMU传递对准的基准；计算单元，用于通过计算所述主IMU和所述子IMU的量测差标识所述子IMU的误差，并通过位置参数与姿态参数的匹配方法，建立量测模型，其中，所述测量模型为经视觉测量辅助后传递对准的所述量测模型。
此外，本公开的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置，还包括：修正模块，用于通过取像装置的挠曲变形位移矢量以及挠曲变形角对主系统的量测信息进行修正。
本发明实施例中通过第一构建模型模块，用于建立单目视觉模型；第二构建模型模块，用于建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对所述取像装置与所述激光测距装置之间的所述模型进行标定；获取模块，用于通过多个所述取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个所述取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，所述位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；测量模块，用于通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过所述导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。上述装置具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于测量载机存在挠曲变形时多载荷之间的柔性基线长度，提高多载荷之间相对的位置姿态精度。
图2为多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法的工作流程图。具体步骤如下：
步骤202，建立单目视觉模型,。
本实施例中，建立单目视觉模型，包括：对取像装置坐标系与图像坐标系进行结合；通过预设标定板对取像装置进行标定。进一步地，通过预设标定板对取像装置进行标定，包括：通过相邻两个预设标定板之间的关系，标定相邻两个取像装置之间的相对关系，完成多个取像装置的标定。
步骤204，建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对取像装置与激光测距装置之间的模型进行标定。
在步骤204之前，还包括：将取像装置和激光测距装置机械式安装形成一个整体，组成取像装置与激光测量模块。
本实施例中，组成取像装置与激光测量模块的步骤之后，包括：通过预设靶标的靶标特征点和激光光斑点在图像坐标系和取像装置坐标系中的相对空间矢量关系，进行激光光束在所述取像装置坐标系中的建模与标定操作。
本实施例中，还包括：通过秒脉冲同步触发装置触发取像装置和激光测距装置，完成取像装置数据以及激光数据的时间同步，其中，秒脉冲同步触发装置为GPS秒脉冲同步触发相机。
本实施例中，还包括：通过GPS秒脉冲的第一路信号触发取像装置获取图像，以及通过GPS秒脉冲的第二路信号触发激光测距装置获取激光光点数据；通过取像装置和激光测距装置之间建立的模型，以及GPS时间标签，将图像特征点信息和激光光点信息融合。
步骤206，通过多个取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角。
步骤208，通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。其中，多参数结合为将位置参数与速度参数，以及姿态参数进行结合。
本实施例中，通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，包括：通过主IMU的组合导航信息以及取像装置获取的子IMU位姿信息作为子IMU传递对准的基准；通过计算主IMU和子IMU的量测差标识子IMU的误差，并通过位置参数与姿态参数的匹配方法，建立量测模型，其中，测量模型为经视觉测量辅助后传递对准的量测模型。
此外，本公开的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，，还包括：通过所述取像装置的所述挠曲变形位移矢量以及所述挠曲变形角对所述主系统的量测信息进行修正。
本发明涉及一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，使用高精度主惯性测量单元(主IMU)借助相机测量的主子IMU之间相对位置姿态信息对低精度子惯性测量单元(子IMU)进行传递对准，完成柔性多基线测量。首先完成相机标定与建模，以及多相机之间的关系标定；其次完成相机和激光测距仪建模与标定，相机-激光组合测量模块通过特殊处理的靶标进行位姿测量；再次通过GPS秒脉冲同步触发多个相机和激光测距仪，相机-激光组合测量模块完成主/子IMU之间的相对位姿关系测量，通过多相机之间的关系，得到主/子IMU之间的三维变形量，包括柔性基线绕着主系统三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；最后使用主惯性测量单元高精度数据信息，将相机测量得到的高精度位姿信息作为量测信息对子惯性测量单元进行传递对准，得到准确的子系统组合导航信息及主/子惯性测量单元之间的相对空间关系。本发明具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于测量载机存在挠曲变形时多载荷之间的柔性基线长度，提高多载荷之间相对的位置姿态精度。
本发明实施例建立单目视觉模型；建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对取像装置与激光测距装置之间的模型进行标定；通过多个取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。上述方法具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于测量载机存在挠曲变形时多载荷之间的柔性基线长度，提高多载荷之间相对的位置姿态精度。
为了更好地理解与应用本公开提出的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，进行以下示例。需要说明的是，本公开的保护不限于以下示例。
具体的，如图3-6所示，本公开的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法的具体实施步骤为：将位置和姿态测量系统(POS)的惯性测量单元安装到载机的对应节点上，其中主IMU在机腹下方吊舱中,子IMU在机翼各节点处，将靶标贴在子IMU一侧表面，相机安装在吊舱中和主IMU刚性连接，如图4所示，启动分布式POS测量系统进行测量。
此外，主IMU初始对准及组合导航。具体的，主IMU初始对准采用传统解析式方法完成，即载体坐标系下：重力加速度g和地球自转角速度ωie可通过加速度计和陀螺仪的输出获得；导航坐标系下：当地的经度λ，纬度L可通过GPS数据获得，重力加速度g和地球自转角速度ωie在地理坐标系下的分量都是可以确定的，表示如下：
而且，通过捷联矩阵由下式求出：
此外，主系统实时导航，包括捷联解算和卡尔曼滤波：捷联解算：以上一时刻的位置、速度、姿态作为当前捷联解算的初始值，结合当前时刻的主IMU数据，获得当前时刻的惯性导航结果。主要包括姿态矩阵更新、姿态计算、速度计算、位置矩阵更新和位置计算，具体说明为：关于姿态矩阵更新与姿态计算采用四元数法更新姿态矩阵
初始四元数计算公式为：
即可由下式进行姿态更新计算：
航向角ψ为IMU坐标系y轴在导航坐标系水平面(XY面)的投影与导航坐标系y轴的夹角，从导航坐标系y轴起算，“逆时针”为正，有效范围为[0°，360°]；俯仰角θ为IMU坐标系y轴与导航坐标系水平面(XY面)间的夹角，以载荷抬头为正，即IMU坐标系y轴矢量指向高于水平面为正，反之为负，有效范围为[-90°，90°]；横滚角γ定义为IMU右倾为正(以IMU坐标系y轴矢量指向为前，IMU坐标系x轴指向为右)，左倾为负，有效范围为[-180°，180°]。姿态更新后由下式计算结果：
此外，速度计算由下式计算速度更新：
式中为导航坐标系下沿x,y,z三个轴的速度增量，为载体坐标系相对惯性空间的加速度在x,y,z三个轴的投影，为导航坐标系下地球自传角速度沿x,y,z三个轴方向上的投影，由上式求出加速度则
此外，位置矩阵更新与位置计算由下列微分方程进行位置矩阵更新：
式中分别为导航坐标系下导航坐标系相对地球坐标系的转动角速率沿x,y,z三个轴方向的投影，采用一阶欧拉法进行位置矩阵更新，速度表达式为：
式中T为惯性导航系统采样周期。完成位置矩阵更新后，即可计算出导航位置参数，记有：
高度H由于纯惯性导航系统的高度计算通道是发散的，要使用外界高度信息对捷联解算算法的高度通道进行阻尼。
此外，在位姿解算方面，包括：相机标定，即单目视觉标定采用张正友的标定方法，Zhang方法采用一个具有精确定位信息的平面点阵模板(通常使用棋盘格模板)，通过摄像机在不同方位获得两幅以上的模板图像，利用平面模板上的特征点与其对应图像点之间的单位性矩阵来求得摄像机的内部参数。
假定平面模板平面为世界坐标系中Zw＝0的平面，物点P的齐次坐标为P＝(Xw,Yw,0,1)T，其在图像平面对应的无畸变像点为p的齐次坐标为p＝(u,v,1)T，将旋转矩阵R表示为R＝[r1,r2,r3]，根据摄像机成像的线性模型可得到如下关系：
其中，s是一个任意的非零尺度因子，K为摄像机内参数矩阵。如果使用表示点P在模板坐标系下的齐次坐标，则上式可以改写为如下形式其中，H＝λK[r1,r2,r3]为模板平面到图像平面的单应性矩阵，λ为一常数因子。记H＝[h1,h2,h3]，则有[h1 h2 h3]＝λK[r 1r2 t]。
给定平面模板及其对应图像，它们之间的单应性矩阵H可以使用直接线性变换方法进行估计，然后再用最大似然估计对其进行优化，以减小图像噪声的影响。
由上式可得r1＝(1/λ)K-1h1和r2＝(1/λ)K-1h2。根据旋转矩阵R的正交性有r1 Tr2＝0和||r1||＝||r2||＝1。由此可以得到单应性矩阵H对摄像机内参数矩阵K的两个约束方程：
令B＝K-TK-1＝(Bij)3×3，则B为一对称矩阵，该矩阵描述了绝对二次曲线(absoluteconic)在图像平面上的投影。根据对称性，B共有6个不同的元素，因此可以定义一个六维向量b＝(B11,B12,B22,B13,B23,B33)T对其进行描述。令H中的第i列向量为h＝(hi1,hi2,hi3)T则上式可以整理成两个以b为未知量的齐次方程：
其中，vij＝(hi1hj1,hi1hj2+hi2hj1,hi2hj2,hi1hj3+hi3hj1,hi2hj3+hi3hj2,hi3hj3)T对于n幅图像，将得到的n组式所示的方程叠起来，写成矩阵形式为：
Vb＝0
其中，V为2n×6的矩阵。一般地，对于n≥3,b可以在相差一个尺度因子的意义下唯一确定。由于本文使用的是4参数模型，恒有B12＝0，因而可以用[0 1 0 0 0 0]b＝0作为上式的一个附加方程，仅使用两幅图像对b进行求解。b的单位解为矩阵VTV的最小特征值对应的特征向量。得到b后，可以通过对矩阵B进行Cholesky矩阵分解求出K-1，进而对其求逆得到K，也可根据K和B之间的关系直接得到K的各个元素的解析解。计算出内参数矩阵K之后可以求出每幅图像对应的外部参数:
由于上述求解过程中没有考虑图像畸变和噪声的影响，因而所得结果只是对摄像机模型参数的粗略估计，还需要在考虑图像畸变和噪声的情况下对其进行进一步优化。对于使用n幅图像的标定过程，如果每幅图像上的特征点数为m，则可建立如下的最优化目标函数:
其中，Pij为特征点Pj在第i幅图像上的实际像点，而则为Pj在当前的内参数和第i幅标定图像当前的外参数所构成的摄像机模型下的虚拟投影像点。使用Levenberg-Marquardt算法对式进行迭代优化，最终可以得到精度很高的摄像机内外参数标定结果。
此外，位姿解算方面，即位姿计算算法是利用靶标上的特征点之间的位置关系、图像中提取的特征点的中心位置和相机内参数来共同解算相机坐标系和靶标坐标系之间的相对位置和姿态关系的方法。
设A、B、C为靶标上特征点；AB、BC、AC长度已知；A′、B′、C′为A、B、C分别在图像坐标系的坐标；O到像平面A′B′C′的距离为焦距f。
通过图像提取可以得到A′、B′、C′三点的图像坐标，由此可以得到A′B′、B′C′、A′C′距离。f已知，可以得到OA′、OB′、OC′距离。通过余弦定理，得到∠A′OB′，∠A′OC，∠B′OC′的值。令∠A′OB′＝α，∠A′OC＝β，∠B′OC′＝γ公式如下：
此时AB、AC、BC的长度已知，利用∠A′OB′，∠A′OC，∠B′OC′计算OA、OB、OC的长度。令a＝BC，b＝AC，c＝AB；x＝OA，y＝OB，z＝OC；得
其中a，b，c；α，β，γ为已知值，x，y，z为未知值；
上式共有8组解，只有一组正确解。解出x，y，z后，可以得到每个特征点在相机坐标系坐标。
根据上式求得特征点A、B、C在相机坐标系下的坐标(XAC,YAC,ZAC)、(XBC,YBC,ZBC)、(XCC,YCC,ZCC)特征点在靶标坐标系下的坐标(XAW,YAW,ZAW)、(XBW,YBW,ZBW)、(XCW,YCW,ZCW)为已知量。
用R和T分别表示相机坐标系C与靶标坐标系W之间的旋转矩阵和平移向量，根据坐标系变换理论可得：
C＝RW+T
三个靶标坐标点可以构成三个向量nw＝(nw1,nw2,nw3)，第三个向量由前两个向量差乘得到，对应三个相机坐标点下坐标可以构成三个向量nc＝(nc1,nc2,nc3)，向量只有旋转关系，所以有：
设靶标先绕X轴旋转α，再绕Y轴旋转β，最后绕Z轴旋转γ得到旋转矩阵R：
姿态角求解：
对应的T为：
T＝C-RW
需要说明的是，子系统建立含挠曲杆臂误差的传递对准模型，传递对准采用基于“位置+姿态”的非线性滤波匹配方法。其原理是利用主POS的高精度速度、姿态信息与子POS的速度、姿态信息之差对主、子POS间的姿态误差角进行估计并修正。滤波器的模型包括状态方程和量测方程，具体为：首先分布式POS所有节点子IMU进行主子传递对准，相机安装在机舱位置，与主POS刚性连接，单翼相机安装示意图如说明书附图3所示，测量主POS与子IMU的相对运动信息，作为量测信息辅助传统传递对准。滤波器的模型包括状态方程和量测方程，具体传递对准的步骤如下：系统状态方程为：
其中：
为状态变量。φ＝[φx φy φz]T为子IMU的三轴平台失准角，δV＝[δVx δVy δVz]T为子IMU的速度误差，δL、δλ、δh分别为子IMU的纬度、经度和高度误差，ε＝[εx εy εz]T为陀螺漂移，为加计零偏F为状态转移矩阵；G为系统噪声矩阵；为系统噪声，并假设其为零均值高斯白噪声；F和G的表达式：
其中：
其中，ωie为地球自转角速度；Rm和Rn分别为地球沿子午圈和卯酉圈的主曲率半径；L和h分别为子IMU捷联解算的纬度和高度；T为滤波周期；Vx、Vy、Vz分别为子IMU捷联解算的东向、北向、天向速度；为子IMU载体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵。
此外，经视觉测量辅助后传递对准量测模型是：
Z＝[ZA ZP]T＝HX+V
其中，ψm，θm，γm分别为主POS测得的航向、俯仰、横滚，为主POS的载体坐标系与导航坐标系间的方向余弦矩阵，αc，βc，γc为相机测得的子IMU相对主POS的姿态角变化在主POS载体坐标系下的表示，ψs，θs，γs为子IMU捷联解算的航向、俯仰、横滚；xm，ym，zm分别为主POS测得沿x，y，z轴的位置，xc，yc，zc分别为相机测得的子IMU相对主POS的位移(在主POS载体坐标系下的表示)，xs，ys，zs为子IMU捷联解算的沿x，y，z轴的位置(导航坐标系)；X表示子IMU的状态估计量；V表示主POS测量误差与相机测量误差的和序列；
其中，
此外，利用上述主子传递对准误差状态量计算修正子IMU位置、速度和姿态。速度修正
其中，Vx′,Vy′,Vz′分别为修正后子IMU的东向、北向和天向速度；
此外，位置修正
其中,λ为捷联解算得到的子IMU的经度；L′、λ′和h′分别为修正后子IMU的纬度、经度和高度。
此外，姿态修正利用中的失准角φx,φy,φz来计算子IMU导航坐标系n与计算导航坐标系n′间的转换矩阵
修正后的转换矩阵为：
其中，为子IMU进行捷联解算后得到的姿态矩阵。利用修正后的计算子IMU的姿态角，包括航向角ψ′、俯仰角θ′和横滚角γ′。
经过误差修正后得到子IMU经过主子传递对准后的导航信息记为m：
m＝[ψ′ θ′ γ′ Vx′ Vy′ Vz′ L′ λ′ h′]
m是T×9的矩阵，T为总的采样数，为采样时间t与采样频率f的乘积：T＝t×f。
对分布式POS所有节点子IMU重复上述步骤，得到分布式POS所有节点子IMU的运动参数集合M0＝[m1,m2,…,mn]。
进而通过主/子系统的数据，求出主/子之间的基线长度。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、IC(Integrated Circuit，集成电路)等。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述用于处理触摸数据的方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现用于处理触摸数据的方法的步骤。在本发明实施例中，处理器为计算机系统的控制中心，可以是实体机的处理器，也可以是虚拟机的处理器。
以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量装置，其特征在于，包括：
第一构建模型模块，用于建立单目视觉模型；
第二构建模型模块，用于建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对所述取像装置与所述激光测距装置之间的所述模型进行标定；
获取模块，用于通过多个所述取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个所述取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，所述位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；
测量模块，用于通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过所述导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。
2.一种多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立单目视觉模型；
建立取像装置与激光测距装置之间的模型，对所述取像装置与所述激光测距装置之间的所述模型进行标定；
通过多个所述取像装置和主IMU之间测量的相对关系，以及多个所述取像装置和子IMU之间测量的相对关系，获取任意主IMU和子IMU之间的位姿关系，其中，所述位姿关系包括：柔性基线绕着主系统空间三个轴向产生的挠曲变形位移矢量以及子节点绕着主系统三个轴向的挠曲变形角；
通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，获取子系统组合导航信息，并通过所述导航信息解算出主/子IMU之间准确的基线长度，完成柔性多基线测量。
3.根据权利要求2所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，所述建立单目视觉模型，包括：对所述取像装置坐标系与图像坐标系进行结合；
通过预设标定板对所述取像装置进行标定。
4.根据权利要求3所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，所述通过预设标定板对所述取像装置进行标定，包括：通过相邻两个所述预设标定板之间的关系，标定相邻两个所述取像装置之间的相对关系，完成多个所述取像装置的标定。
5.根据权利要求2所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，还包括：将所述取像装置和所述激光测距装置机械式安装形成一个整体，组成取像装置与激光测量模块。
6.根据权利要求5所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，组成所述取像装置与所述激光测量模块的步骤之后，包括：通过预设靶标的靶标特征点和激光光斑点在图像坐标系和所述取像装置坐标系中的相对空间矢量关系，进行激光光束在所述取像装置坐标系中的建模与标定操作。
7.根据权利要求2所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，还包括：通过秒脉冲同步触发装置触发所述取像装置和所述激光测距装置，完成所述取像装置数据以及所述激光数据的时间同步，其中，所述秒脉冲同步触发装置为GPS秒脉冲同步触发相机。
8.根据权利要求2或7所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，还包括：通过所述GPS秒脉冲的第一路信号触发所述取像装置获取图像，以及通过所述GPS秒脉冲的第二路信号触发所述激光测距装置获取激光光点数据；
通过所述取像装置和所述激光测距装置之间建立的模型，以及GPS时间标签，将图像特征点信息和激光光点信息融合。
9.根据权利要求2所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，所述通过多参数结合的匹配方法进行传递对准，包括：通过所述主IMU的组合导航信息以及所述取像装置获取的子IMU位姿信息作为子IMU传递对准的基准；
通过计算所述主IMU和所述子IMU的量测差标识所述子IMU的误差，并通过位置参数与姿态参数的匹配方法，建立量测模型，其中，所述测量模型为经视觉测量辅助后传递对准的所述量测模型。
10.根据权利要求2所述的多相机辅助的机载分布式POS柔性基线测量方法，其特征在于，还包括：通过所述取像装置的所述挠曲变形位移矢量以及所述挠曲变形角对所述主系统的量测信息进行修正。
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