CN110987021A - 一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，包括以下步骤：将标定板安装在转台上；将惯性视觉组合安装在安装平台上，使相机朝向标定板；根据相机的内外参数，获取标定板坐标系与相机坐标系之间的初始旋转矩阵

通过转台驱动标定板在预设的平面内、按照多个预设的旋转角度依次旋转，每旋转到一个预设的角度，相机拍摄多张照片；根据拍摄的所有照片，获取转台坐标系与标定板坐标系之间的旋转矩阵

对惯性测量单元进行自对准，获取惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

利用转台坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

并结合

基于预设的算法，计算并得到惯组坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵

Description

一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，具体涉及一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法。

背景技术

随着计算机视觉技术的飞速发展，惯性/视觉融合使用已在机器人、无人机导航、运动捕捉、虚拟现实、增强现实中人体姿态的确定、航天器对接时两个航天器姿态的匹配、景象匹配辅助导航以及姿态基准传递等研究领域中得到了广泛应用。

操作灵活、快速而准确的姿态测量方法具有极大的应用价值，尤其是在航天航空领域，常见的姿态测量方法主要有惯性测量、视觉测量。惯性测量的频率高，其效果取决于惯性测量单元(IMU)的性能，能进行绝对姿态测量，但误差随时间漂移。视觉测量是通过图像上已标定的特征点的二维图像坐标解算出靶标坐标系与摄像机坐标系的位姿关系。视觉测量的测量精度高、结构简单，但测量速度低，且只能进行相对姿态测量。因此，为弥补单一姿态测量方法的不足，将不同传感器组合实现多传感器融合姿态测量正成为一个新的研究热点，同时将惯性测量的绝对信息利用视觉测量进行姿态传递也是一个新的研究方向。

惯性/视觉融合将相机和惯性测量单元固连在一起，通过对来自两者的信号进行融合给出融合后的结果。这个过程中要求对惯性/视觉的相对姿态进行精确标定，因此如何高精度标定视觉相机与惯性传感器之间的相对姿态，是视觉-惯性融合使用的关键技术之一，是进行数据融合获得姿态输出的前提。

常用惯性/视觉相对姿态标定方法中一类是适合小型无人机使用类型的动态标定，因其重量轻(通常几千克)、体积小，因此多采用固定标定板，相机与IMU固连，驱动相机与IMU绕着标定板按照固定轨迹运动，然后利用运动过程中惯导和相机的数据进行数据融合，包括卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等。

但是对于高精度惯导和相机的融合，因其重量大、通常为几十公斤，加上工装总重量有百公斤级，因此很难使用控制惯性/视觉组合设备绕固定轨迹运动的方式进行标定，只能采用试验室静态的方式进行标定。

采用多静态位置的标定方法，首先把标定板垂直放置，利用相机获得垂直向量，同时利用IMU测量静止状态时的重力加速度方向，进而计算出相机和IMU之间的相对姿态参数，该方法对标定板的垂直度有要求，同时不同构型的静态位置影响较大。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，采用标定板绕惯性视觉组合旋转的方式进行标定，惯性视觉组合处于静止状态，不要求按固定轨迹运行，标定过程易操作、实用新强。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，包括以下步骤：

将标定板安装在转台上；

将惯性视觉组合安装在安装平台上，所述惯性视觉组合包括相机和惯性测量单元，使所述相机朝向所述标定板；

根据所述相机的内外参数，获取标定板坐标系与相机坐标系之间的初始旋转矩阵

通过所述转台驱动所述标定板在预设的平面内、按照多个预设的旋转角度依次旋转，每旋转到一个预设的角度，所述相机拍摄多张照片；

根据拍摄的所有照片，获取转台坐标系与标定板坐标系之间的旋转矩阵

对所述惯性测量单元进行自对准，获取惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

利用转台坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

并结合

基于预设的算法，计算并得到惯组坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵

在上述技术方案的基础上，所述预设的算法如下：

在上述技术方案的基础上，所述预设的平面为水平面。

在上述技术方案的基础上，定义沿顺时针方向的旋转角度为正，沿逆时针方向旋转的角度为负，多个所述预设的角度为±1°、±15°和±30°。

在上述技术方案的基础上，所述预设的平面为竖直平面。

在上述技术方案的基础上，定义朝上旋转的角度为正，朝下旋转的角度为负，多个所述预设的角度为±1°、±15°和±30°。

在上述技术方案的基础上，该方法还包括以下步骤：

多次改变所述惯性视觉组合在所述安装平台上的位置；

每改变一次位置，获得惯组坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵

计算所有次数的

的平均值，并作为目标姿态标定参数。

在上述技术方案的基础上，对所述惯性测量单元进行自对准，获取惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

具体包括以下步骤：

对所述惯性测量单元进行多次自对准，获取每次自对准的惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

计算多次自对准的旋转矩阵

的平均值，作为惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

在上述技术方案的基础上，所述相机的内外参数包括焦距、基线长度、图像中心像素位置和畸变参数。

在上述技术方案的基础上，所述转台为双轴速率位置转台。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法采用将相机和惯性测量单元固连且静止不动、使标定板绕惯性视觉组合(相机和惯性测量单元)旋转的标定方案，不需要大型飞行或移动设备控制惯性视觉组合按预定轨迹进行动态机动，因此更容易实施，可操作性强，且本发明实施例借助惯性技术领域通用的转台驱动标定板旋转，相比于静态多位置标定方案，对标定板的安放要求更低，且标定精度更有保障。

附图说明

图1为本发明实施例中基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，提供标定设备，标定设备包括：转台、标定板、惯性视觉组合、安装平台，转台与安装平台间隔设置，先对本发明实施例中出现的坐标系进行解释说明：

标定板坐标系：沿标定板向右的方向为X轴，竖直向下的方向为Y轴，垂直X、Y轴向前为Z轴，X轴、Y轴和Z轴形成右手坐标系；

相机坐标系：沿相机向右的方向为X轴，竖直向下的方向为Y轴，垂直X、Y轴向前为Z轴，X轴、Y轴和Z轴形成右手坐标系；

转台坐标系：沿转台向右的方向为X轴，竖直向下的方向为Y轴，垂直X、Y轴向前为Z轴，X轴、Y轴和Z轴形成右手坐标系；

惯组坐标系：X和Y轴在水平面、Z轴朝天。

本发明实施例的标定方法包括以下步骤：

S1：将标定板安装在转台上，通过转台驱动标定板的旋转；

S2：将惯性视觉组合安装在安装平台上，惯性视觉组合包括相机和惯性测量单元，相机和惯性测量单元固连安装在安装平台上，并使相机朝向标定板，以对标定板进行拍照；

S3：对相机进行标定，获取相机的内外参数，相机的标定属于本领域悉知内容，因此在此不再赘述。根据相机的内外参数，获取标定板坐标系与相机坐标系之间的初始旋转矩阵

S4：通过转台驱动标定板在预设的平面内、按照多个预设的旋转角度依次旋转，每旋转到一个预设的角度，相机拍摄多张照片，确保标定板旋转到各位置处都能在相机中完全成像；

S5：根据拍摄的所有照片，利用标定板在不同位置，与转台的姿态关系，采用多矢量定姿的方式获取转台坐标系与标定板坐标系之间的旋转矩阵

该旋转矩阵

在标定板安装固定后保持不变；

S6：启动惯性测量单元，对惯性测量单元进行自对准，待输出稳定后，获取惯性测量单元的对准结果，即惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

试验中可以进行长时间对准(如10分钟)确保对准结果收敛到一个精确的值；

S7：利用转台坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

转台坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

为标定前的标校值，该标校值为惯性领域技术人员公知，在此也不再赘述。根据

并结合

基于预设的算法

计算并得到惯组坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵

为惯性/视觉融合使用的必要参数。

本发明实施例采用将相机和惯性测量单元固连且静止不动、使标定板绕惯性视觉组合(相机和惯性测量单元)旋转的标定方案，不需要大型飞行或移动设备控制惯性视觉组合按预定轨迹进行动态机动，因此更容易实施，可操作性强，且本发明实施例借助惯性技术领域通用的转台驱动标定板旋转，相比于静态多位置标定方案，对标定板的安放要求更低，且标定精度更有保障。

进一步的，S4中的预设的平面为水平面，且定义沿顺时针方向的旋转角度为正，沿逆时针方向旋转的角度为负，多个预设的角度为±1°、±15°和±30°。步骤S4的具体内容为：通过转台驱动标定板在水平面内、按照以下旋转顺序旋转：沿顺时针方向旋转1°，采用相机拍摄标定板的多张照片；沿逆时针方向旋转1°，采用相机拍摄标定板的多张照片；沿顺时针方向旋转15°，采用相机拍摄标定板的多张照片；沿逆时针方向旋转15°，采用相机拍摄标定板的多张照片；沿顺时针方向旋转30°，采用相机拍摄标定板的多张照片；沿逆时针方向旋转30°，采用相机拍摄标定板的多张照片。

进一步的，S4中的预设的平面为竖直平面，且定义朝上旋转的角度为正，朝下旋转的角度为负，多个预设的角度为±1°、±15°和±30°。步骤S4的具体内容为：通过转台驱动标定板在竖直平面内、按照以下旋转顺序旋转：朝上旋转1°，采用相机拍摄标定板的多张照片；朝下旋转1°，采用相机拍摄标定板的多张照片；朝上旋转15°，采用相机拍摄标定板的多张照片；朝下旋转15°，采用相机拍摄标定板的多张照片；朝上旋转30°，采用相机拍摄标定板的多张照片；朝下旋转30°，采用相机拍摄标定板的多张照片。

本发明实施例的标定方法还包括以下步骤：

S8：多次改变惯性视觉组合在安装平台上的位置；

S9：每改变一次位置，获得惯组坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵

S10：计算所有次数的

的平均值，获得鲁棒性更强的标定结果，并作为目标姿态标定参数。

步骤S6中对惯性测量单元进行自对准，获取惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

具体包括以下步骤：

S61：对惯性测量单元进行多次自对准，获取每次自对准的惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

S62：计算多次自对准的旋转矩阵

的平均值，作为惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

因惯性测量单元存在一定的随机漂移，因此实际使用过程中可以进行多次对准，取均值，获得精度更高的旋转矩阵

优选的，相机的内外参数包括焦距f、基线长度b、图像中心像素位置u和v，以及畸变参数。相机的内参数矩阵：

优选的，本发明实施例的转台为双轴速率位置转台。通用双轴速率位置转台驱动标定板，对标定板的旋转角度的控制更精确，相比于静态多位置标定方案，对标定板在转台上的安放要求更低，且标定精度更有保障。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将标定板安装在转台上；

将惯性视觉组合安装在安装平台上，所述惯性视觉组合包括相机和惯性测量单元，使所述相机朝向所述标定板；

在旋转所述标定板之前，根据所述相机的内外参数，获取标定板坐标系与相机坐标系之间的初始旋转矩阵

通过所述转台驱动所述标定板在预设的平面内、按照多个预设的旋转角度依次旋转，每旋转到一个预设的角度，所述相机拍摄多张照片；

根据拍摄的所有照片，获取转台坐标系与标定板坐标系之间的旋转矩阵

对所述惯性测量单元进行自对准，获取惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

利用转台坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

并结合

基于预设的算法，计算并得到惯组坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵

2.如权利要求1所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，所述预设的算法如下：

3.如权利要求1所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，所述预设的平面为水平面。

4.如权利要求3所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，定义沿顺时针方向的旋转角度为正，沿逆时针方向旋转的角度为负，多个所述预设的角度为±1°、±15°和±30°。

5.如权利要求1所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，所述预设的平面为竖直平面。

6.如权利要求5所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，定义朝上旋转的角度为正，朝下旋转的角度为负，多个所述预设的角度为±1°、±15°和±30°。

7.如权利要求1所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

多次改变所述惯性视觉组合在所述安装平台上的位置；

每改变一次位置，获得惯组坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵

计算所有次数的

的平均值，并作为目标姿态标定参数。

8.如权利要求1所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，对所述惯性测量单元进行自对准，获取惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

具体包括以下步骤：

对所述惯性测量单元进行多次自对准，获取每次自对准的惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

计算多次自对准的旋转矩阵

的平均值，作为惯组坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵

9.如权利要求1所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，所述相机的内外参数包括焦距、基线长度、图像中心像素位置和畸变参数。

10.如权利要求1所述的基于转台基准的惯性视觉相对姿态标定方法，其特征在于，所述转台为双轴速率位置转台。

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