CN111044039B - 基于imu的单目目标区域自适应高精度测距装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置和方法，其中，方法包括：在初始时刻T0处利用测量单元获取待测物，并根据待测物在显示单元中绘制目标区域；移动测量单元，并保持目标区域一直在显示单元中；对目标区域内的特征点进行实时的跟踪测距，以获得距离L1，并且获取测量单元移动的距离L2；在测量单元移动到时刻Tk时，满足N×L2＝L1，其中，N为预设倍数；继续移动测量单元到时刻Tk+n时停止，获取时刻Tk至时刻Tk+n之间对待测物的测距结果；利用测距结果以获得待测物的最终测距结果。该方法克服了双目测距系统算法复杂度高、测距范围固定，以及主动式测距方式存在的测距范围和精度有限的问题。

Description

基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置和方法
技术领域
本发明涉及视觉测距技术领域，具体地，涉及一种基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置和方法。
背景技术
视觉测距是机器人、测绘、工业检测等领域的重要技术之一，在视觉定位、目标跟踪、视觉避障等方面具有广泛的应用。常用的视觉测距方法按照测距方式的不同可以分为主动式和被动式两大类。其中主动式有TOF和结构光两种方法，TOF是根据光的飞行时间直接测量，可作远距离测距，但是受多重反射的影响，且测距精度不高(最高只能达到厘米级别)；结构光通过主动投射已知编码图案，通过图案的形变完成测距过程，但是测量距离较短(一般10m以内)，且受到反光影响。主动式测量方案，存在测距距离或精度的问题无法做到自适应和高精度测量的目的。
被动式测距分为双目测距和单目测距两种，其中双目测距是一种类似人眼的目标物在左右相机中的成像视差，完成测距，由于双目测距系统的左右相机距离是固定的所以每套系统的测距范围是固定的，且系统的结构和算法复杂度对比单目测距都要高一些。
因此，提供一种克服了双目测距系统算法复杂度高、测距范围固定，以及主动式测距方式存在的测距范围和精度有限问题的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置和方法是本发明亟需解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种克服了双目测距系统算法复杂度高、测距范围固定，以及主动式测距方式存在的测距范围和精度有限问题的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置和方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置，所述装置包括：
测量单元，用于获取待测物的图像，并且对所述待测物进行实时的跟踪测距；
显示单元，用于显示获取的待测物的图像；
数据处理单元，用于对所述测量单元获取的数据进行处理，并且传送至所述显示单元进行显示。
优选地，所述测量单元包括：惯性测量模块和相机模块。
优选地，所述显示单元为触屏式显示器。
本发明还提供了一种利用权利要求1-3中任一项所述的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置的测距方法，所述方法包括：
在初始时刻T0处获取待测物，并根据所述待测物在所述显示单元中绘制目标区域；
移动所述测量单元，并保持所述目标区域一直在所述显示单元中；
对所述目标区域内的特征点进行实时的跟踪测距，以获得距离L1，并且获取所述测量单元移动的距离L2；
在所述测量单元移动到时刻Tk时，满足N×L2＝L1，其中，所述N为预设倍数；
继续移动所述测量单元到时刻Tk+n时停止，获取时刻Tk至时刻Tk+n之间对所述待测物的测距结果；
利用所述测距结果以获得所述待测物的最终测距结果。
优选地，所述获取时刻Tk后对所述待测物的测距结果之后，该方法还包括：
对所述测距结果进行优化。
优选地，所述对所述测距结果进行优化包括以下步骤：
收集时刻Tk到Tk+n的目标区域内特征点位置集和对应的相机位姿/>具体的公式表达如下：
如上式所示，每个时刻目标区域的特征点投影在像素坐标中点集为则存在如下关系：
K是相机的内参，已知特征点的像素坐标集为定义观测误差为：
对所述相机位姿和特征点进行优化，从而实现对测距的优化。
优选地，所述对所述相机位姿和特征点进行优化是通过最小化观测误差实现的。
优选地，所述N的范围为40。
优选地，所述在初始时刻T0处获取待测物之前，所述方法还包括：
对所述测量单元中的惯性测量模块和相机模块分别进行标定。
优选地，所述在初始时刻T0处获取待测物，并根据所述待测物在所述显示单元中绘制目标区域之后，所述方法还包括：
调整所述测量单位的位置，使得所述目标区域位于所述显示单元的中间位置。
根据上述技术方案，本发明提供的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距方法在使用时的有益效果为：实现自适应的测距，对测量距离有着极大的适应范围，从而将前期测量不准确的结果筛选掉，间接地提高测距的准确性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置的结构示意图；
图2是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距方法的流程框图；
图3是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距方法实施原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
方法实施例
如图2所示，本发明提供了一种基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置的测距方法，其特征在于，所述方法包括：
在初始时刻T0处获取待测物，并根据所述待测物在所述显示单元中绘制目标区域；
移动所述测量单元，并保持所述目标区域一直在所述显示单元中；
对所述目标区域内的特征点进行实时的跟踪测距，以获得距离L1，并且获取所述测量单元移动的距离L2；
在所述测量单元移动到时刻Tk时，满足N×L2＝L1，其中，所述N为预设倍数；
继续移动所述测量单元到时刻Tk+n时停止，获取时刻Tk至时刻Tk+n之间对所述待测物的测距结果；
利用所述测距结果以获得所述待测物的最终测距结果。
在上述方案中，绘制目标区域可以有效地缩小特征点测距的范围，从而有效地减小工作量，而且也间接地提高了测距的精度；
本发明还通过算法实现自适应的测距，对测量距离有着极大的适应范围，在现有技术中，测量单元的测距范围都是一定的，本申请则添加了自适应的步骤，其中，大致分成两个步骤，第一步为：在初始时刻T0处获取待测物，移动所述测量单元，对所述目标区域内的特征点进行实时的跟踪测距，以获得距离L1，并且获取所述测量单元移动的距离L2；在所述测量单元移动到时刻Tk时，满足N×L2＝L1，其中，所述N为预设倍数；也就是说从初始时刻T0到时刻Tk属于第一步，由于在本领域中测量单元对待测物的测距结果是其移动的距离的N倍时，其准确度才可以得到保证，所以在时刻Tk之前测距的结果准确度得不到保障，需要筛除掉；
第二步为：继续移动所述测量单元到时刻Tk+n时停止，获取时刻Tk至时刻Tk+n之间对所述待测物的测距结果，从而以该测距结果获得所述待测物的最终测距结果，这样其准确度可以得到保障；
以上就是自适应的步骤，不管测量多远的物体，本方法都可以使得测距单元自动适用于当下的情况。
在本发明的一种优选的实施方式中，
所述获取时刻Tk后对所述待测物的测距结果之后，该方法还包括：
对所述测距结果进行优化。
其中，所述对所述测距结果进行优化包括以下步骤：
收集时刻Tk到Tk+n的目标区域内特征点位置集和对应的相机位姿/>具体的公式表达如下：
如上式所示，每个时刻目标区域的特征点投影在像素坐标中点集为则存在如下关系：
K是相机的内参，已知特征点的像素坐标集为定义观测误差为：
对所述相机位姿和特征点进行优化，从而实现对测距的优化。
在上述方案中，可以通过观测误差的定义确定优化的方式，例如观测误差：则需要对相机位姿/>和特征点进行优化。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述对所述相机位姿和特征点进行优化是通过最小化观测误差实现的。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述N的范围为40。
在上述方案中，40倍是本领域的公认的较好的数据，例如，所述测量单元平移了1m，而对待测物测距的结果为10m，很明显不到40倍的范围，所以它属于T0至Tk之间，当所述测量单元平移了2m，而对待测物测距的结果为80m，则该时刻就是本发明中所说的Tk时刻，找到了Tk时刻就是完成了自适应的第一步，第二步就是继续进行平移和测距工作，以第二步测距的结果为数据，以获得最终的测距结果。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述在初始时刻T0处获取待测物之前，所述方法还包括：
对所述测量单元中的惯性测量模块(IMU)和相机模块分别进行标定。
在上述方案中，标定涉及IMU与相机相对位置的标定和相机模块内参的标定。首先需要对相机内参进行标定，通过标点板(棋盘格)对相机的内参进行标定；然后是，对IMU与相机相对位置的标定，第一步需要手持需要标定的设备，同时激活相机和IMU器件分别采集图像和IMU数据，对着预先制作好的标定板，在激励充分(从不同的角度，旋转和平移，对标定板拍照，并且使得IMU的accel和gyro两个器件的三个轴都被激活)的情况下，同时保存图像和IMU的数据，接着通过标点工具导入数据，最终生成相应的标定文档。由于测量单元的IMU和相机的位置是固定的，所以系统做一次标定即可。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述在初始时刻T0处获取待测物，并根据所述待测物在所述显示单元中绘制目标区域之后，所述方法还包括：
调整所述测量单位的位置，使得所述目标区域位于所述显示单元的中间位置。
在上述方案中，完成系统标定后，进行测量任务时，首选需要进行测量初始化。将测量系统的测量单元静置在初始位置，通过调整测量单位的位置，使得待测区域位于图像采集的中间位置，然后通过绘制测量区域，完成测量初始化。
装置实施例
如图1所示，本发明还提供了一种基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置，其特征在于，所述装置包括：
测量单元，用于获取待测物的图像，并且对所述待测物进行实时的跟踪测距；
显示单元，用于显示获取的待测物的图像；
数据处理单元，用于对所述测量单元获取的数据进行处理，并且传送至所述显示单元进行显示。
系统有测量单元、数据处理单元和显示单元三个部分组成，具体的组成方式可根据系统的运行平台进行调整，但是必然需要上述三个逻辑单元来组成系统。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述测量单元包括：惯性测量模块和相机模块。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述显示单元为触屏式显示器。
本发明提供的基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置的测距装置和方法克服了双目测距系统算法复杂度高、测距范围固定，以及主动式测距方式存在的测距范围和精度有限问题，在使用时，实现自适应的测距，对测量距离有着极大的适应范围，从而将前期测量不准确的结果筛选掉，间接地提高测距的准确性。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种测距方法，其特征在于，所述测距方法利用了一种基于IMU的单目目标区域自适应高精度测距装置，所述装置包括：
测量单元，用于获取待测物的图像，并且对所述待测物进行实时的跟踪测距；
显示单元，用于显示获取的待测物的图像；
数据处理单元，用于对所述测量单元获取的数据进行处理，并且传送至所述显示单元进行显示；
所述方法包括：
在初始时刻T0处利用所述测量单元获取所述待测物，并根据所述待测物在所述显示单元中绘制目标区域；
移动所述测量单元，并保持所述目标区域一直在所述显示单元中；
对所述目标区域内的特征点进行实时的跟踪测距，以获得距离L1，并且获取所述测量单元移动的距离L2；
在所述测量单元移动到时刻Tk时，满足N×L2＝L1，其中，所述N为预设倍数；
继续移动所述测量单元到时刻Tk+n时停止，获取时刻Tk至时刻Tk+n之间对所述待测物的测距结果；
利用所述测距结果以获得所述待测物的最终测距结果；
获取时刻Tk后对所述待测物的测距结果之后，对所述测距结果进行优化；
所述优化包括以下步骤：
收集时刻Tk到Tk+n的目标区域内特征点位置集和对应的相机位姿/>具体的公式表达如下：
如上式所示，每个时刻目标区域的特征点投影在像素坐标中点集为则存在如下关系：
K是相机的内参，已知特征点的像素坐标集为定义观测误差为：
对所述相机位姿和特征点进行优化，从而实现对测距的优化；
所述对所述相机位姿和特征点进行优化是通过最小化观测误差实现的。
2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，
所述测量单元包括：惯性测量模块和相机模块。
3.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述显示单元为触屏式显示器。
4.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述N的范围为40。
5.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，所述在初始时刻T0处获取待测物之前，所述方法还包括：
对所述测量单元中的惯性测量模块和相机模块分别进行标定。
6.根据权利要求5所述的测距方法，其特征在于，所述在初始时刻T0处获取待测物，并根据所述待测物在所述显示单元中绘制目标区域之后，所述方法还包括：
调整所述测量单元的位置，使得所述目标区域位于所述显示单元的中间位置。
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