CN111024117A - 一种基于视觉的惯导系统快速对准系统及对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉的惯导系统快速对准系统及对准方法，包括摄影系统、测量系统和若干个合作标志，所述的摄影系统及测量系统设置在地面上，所述的合作标志设置在机体上,实现大幅度减小惯导系统的对准时间，提升惯导系统性能，满足飞机对任务的快速响应能力，视觉辅助系统组成简单、成本低，无需对惯导系统进行改造，可作为惯导系统的附件独立使用，完成对飞机姿态的高精度测量；此外，系统便于在机场安装，灵活性强，市场潜力大、推广成本低。

Description

一种基于视觉的惯导系统快速对准系统及对准方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种基于视觉的惯导系统快速对 准系统。
背景技术
惯导计算开始前，必须对地理系与机体系的姿态矩阵进行转换，即对惯导 进行对准。对准时间与对准精度是评价惯导性能的重要指标之一。现阶段使用 的主流惯导，对准时间需要若干分钟，严重制约飞机对任务的快速响应；提升 惯导对准精度与速度，是惯导技术领域的难点问题。
视觉测量技术，在工业检测领域已有较为广泛的应用。在飞机导航领域应 用主要集中在对无人机进行观测，引导其着陆/舰。本发明采用单目视觉测量系 统，通过观测安装在基体表面的合作标志，实现对飞机机体姿态的测量。采用 视觉测量辅助惯导对准的工程化应用，在惯导技术领域鲜有应用。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种基于视觉的惯导系统快速对准系统及对 准方法，可缩短惯导系统对准时间，提升惯导系统的性能。
本发明的技术方案：
一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，包括摄影系统、测量系统和若干 个合作标志，所述的摄影系统及测量系统设置在地面上，所述的合作标志设置 在机体上。
所述的合作标志以粘贴或喷涂的方式设置在机体外表面。
所述的摄影系统为工业摄像机。
所述的测量系统为陀螺全站仪。
一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，所述的对准方法包括以下步骤：
步骤1：测量系统自动寻北，使测量系统测量坐标系方向与地理坐标系g 方向重合；
步骤2：测量系统依次瞄准各个合作标志中心，依次测量各个合作标志中心 点坐标，得到测量系统到各个合作标志中心点的距离Dn、水平角αn及俯仰角βn， 并计算各个合作标志中心在地理坐标系g下的坐标；
步骤3：摄影系统拍摄合作标志图像，得到各个合作标志中心点在图像中的 像素坐标，进行位置和姿态解算得到相机坐标系C与地理坐标系g之间的位姿 矩阵
Figure BDA0002283097540000021
步骤4：建立合作标志坐标系w，根据合作标志在机体上的安装位置计算得 到合作标志坐标系w与机体坐标系b的位姿关系
Figure BDA0002283097540000022
步骤5：根据步骤3拍摄得到的合作标志图像，求解出相机坐标系C与合作 标志坐标系w间的位姿关系
Figure BDA0002283097540000023
步骤6：根据步骤3、4、5得到的结果，计算出机体坐标系b与地理坐标系 g间的位姿关系
Figure BDA0002283097540000024
步骤2所述的计算各个合作标志中心在地理坐标系g下的坐标，计算公式为：
Figure BDA0002283097540000025
其中，Xn,Yn,Zn是合作标志中心在地理坐标系g下的坐标。
步骤6所述的根据步骤3、4、5得到的结果，计算出机体坐标系b与地理坐 标系g间的位姿关系
Figure BDA0002283097540000026
计算公式为：
Figure BDA0002283097540000027
一种计算机存储介质，所述的计算机存储介质中存储有计算机可执行指令， 所述的计算机可执行指令用于执行前述的对准方法。
本发明的有益效果：提供一种基于视觉的惯导系统快速对准系统及对准方 法，实现大幅度减小惯导系统的对准时间，提升惯导系统性能，满足飞机对任 务的快速响应能力。视觉辅助系统组成简单、成本低，无需对惯导系统进行改 造，可作为惯导系统的附件独立使用，完成对飞机姿态的高精度测量；此外， 系统便于在机场安装，灵活性强，市场潜力大、推广成本低。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明对准方法流程图；
图3是测量测量合作标志中心坐标示意图；
图4是摄影系统测量合作标志示意图；
图中标识：1、机体，2、合作标志，3、摄影系统，4、测量系统。
具体实施方式
现结合附图、实施例对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，包括摄影系统3、 测量系统4和若干个合作标志2，所述的摄影系统3及测量系统4设置在地面 上，所述的合作标志2设置在机体1上，所述的合作标志2以粘贴或喷涂的方 式设置在机体1外表面，所述的摄影系统3为工业摄像机，所述的测量系统4 为陀螺全站仪。
工作原理：
测量系统4具有自主寻北功能，可实现测量坐标系与地理坐标系 的统一。利用测量系统4测量合作标志2中心坐标，可获得合作标志 2中心在地理坐标系下的三维坐标。根据摄像测量基本原理，利用合 作标志2在地理坐标系下的三维坐标，通过拍摄合作标志，可以解算 得到相机坐标系相对于地理坐标系的姿态矩阵
Figure RE-GDA0002403891640000041
合作标志2相互之 间的位置关系是已知量，其自身坐标系w与飞机机体坐标系之间的 关系
Figure RE-GDA0002403891640000042
为已知量，在合作标志2安装时可到保证。再次利用摄影系 统3拍摄的数据，可求解出相机坐标系c与世界坐标系w间的位姿 关系
Figure RE-GDA0002403891640000043
通过姿态矩阵传递可计算得到机体系与地理系之间的关系
Figure RE-GDA0002403891640000044
工作原理如图2所示。
一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，所述的对准方法包括以下步骤：
步骤1：测量系统4自动寻北，使测量系统4测量坐标系方向与地理坐标 系g方向重合；
步骤2：测量系统4依次瞄准各个合作标志2中心，如图3所示，依次测量 各个合作标志2中心点坐标，得到测量系统4到各个合作标志2中心点的距离 Dn、水平角αn及俯仰角βn，并计算各个合作标志2中心在地理坐标系g下的坐 标；计算公式为：
Figure BDA0002283097540000035
其中，Xn,Yn,Zn是合作标志中心在地理坐标系g下的坐标。
步骤3：摄影系统3拍摄合作标志2图像，如图4所示，得到各个合作标志2中心点在图像中的像素坐标，进行位置和姿态解算得到相机坐标系C与地理坐 标系g之间的位姿矩阵
Figure BDA0002283097540000041
步骤4：建立合作标志坐标系w，根据合作标志2在机体1上的安装位置计 算得到合作标志坐标系w与机体坐标系b的位姿关系
Figure BDA0002283097540000042
步骤5：根据步骤3拍摄得到的合作标志2图像，求解出相机坐标系C与合 作标志坐标系w间的位姿关系
Figure BDA0002283097540000043
步骤6：根据步骤3、4、5得到的结果，计算出机体坐标系b与地理坐标系 g间的位姿关系
Figure BDA0002283097540000044
计算公式为：
Figure BDA0002283097540000045
一种计算机存储介质，所述的计算机存储介质中存储有计算机可执行指令， 所述的计算机可执行指令用于执行前述的对准方法。
本发明提出一种缩短惯导系统对准时间的系统及方法，系统结构简单、成本 低、实施容易、对测量工作条件要求低、环境适应性好；该方法在机场地面安 装高精度工业摄像机和陀螺全站仪，在飞机机身表面安装(或粘贴、喷涂)具 有良好反光性能的合作标志2，通过摄像测量可获得合作标志坐标系在相机坐 标系下的位姿关系；在测量系统4安装初期，对相机坐标系相对于地理坐标系 的位姿进行标定，对合作标志坐标系相对于飞机机体系的位姿关系进行标定， 融合摄影系统3对合作标志2的测量信息，可求解得到飞机机体坐标系在地理 坐标系中的航向角与水平角等姿态信息，辅助惯导系统进行对准。该方法不依赖于惯导本体，具有测量、计算速度快的特点，能够极大缩短惯导对准时间， 提升惯导性能。

Claims (8)

1.一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，其特征在于：包括摄影系统(3)、测量系统(4)和若干个合作标志(2)，所述的摄影系统(3)及测量系统(4)设置在地面上，所述的合作标志(2)设置在机体上。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，其特征在于：所述的合作标志(2)以粘贴的方式设置在机体(1)外表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，其特征在于：所述的合作标志(2)以喷涂的方式设置在机体(1)外表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，其特征在于：所述的摄影系统(3)为工业摄像机。
5.根据权利要求1所述的一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，其特征在于：所述的测量系统(4)为陀螺全站仪。
6.如权利要求1-5任一所述快速对准系统的对准方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：测量系统(4)自动寻北，使测量系统(4)测量坐标系方向与地理坐标系g方向重合；
步骤2：测量系统(4)依次瞄准各个合作标志(2)中心，依次测量各个合作标志(2)中心点坐标，得到测量系统(4)到各个合作标志(2)中心点的距离Dn、水平角αn及俯仰角βn，并计算各个合作标志(2)中心在地理坐标系g下的坐标；
步骤3：摄影系统(3)拍摄合作标志(2)图像，得到各个合作标志(2)中心点在图像中的像素坐标，进行位置和姿态解算得到相机坐标系C与地理坐标系g之间的位姿矩阵
Figure FDA0002283097530000011
步骤4：建立合作标志坐标系w，根据合作标志(2)在机体(1)上的安装位置计算得到合作标志坐标系w与机体坐标系b的位姿关系
Figure FDA0002283097530000012
步骤5：根据步骤3拍摄得到的合作标志(2)图像，求解出相机坐标系C与合作标志坐标系w间的位姿关系
Figure FDA0002283097530000021
步骤6：根据步骤3、4、5得到的结果，计算出机体坐标系b与地理坐标系g间的位姿关系
Figure FDA0002283097530000022
7.根据权利要求1所述的一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，其特征在于：步骤2所述的计算各个合作标志(2)中心在地理坐标系g下的坐标，计算公式为：
Figure FDA0002283097530000023
其中，Xn,Yn,Zn是合作标志中心在地理坐标系g下的坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于视觉的惯导系统快速对准系统，其特征在于：步骤6所述的根据步骤3、4、5得到的结果，计算出机体坐标系b与地理坐标系g间的位姿关系
Figure FDA0002283097530000024
计算公式为：
Figure FDA0002283097530000025
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