CN112129288B - 一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统 - Google Patents

一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统 Download PDF

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CN112129288B CN202011324705.0A CN202011324705A CN112129288B CN 112129288 B CN112129288 B CN 112129288B CN 202011324705 A CN202011324705 A CN 202011324705A CN 112129288 B CN112129288 B CN 112129288B
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Abstract

本发明公开一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统，该方法在视觉惯性里程计的基础上，加入了偏振光罗盘和磁罗盘的双航向约束，偏振光罗盘通过模仿沙漠蚂蚁感知偏振光的结构和功能，获取自身航向信息，磁罗盘通过测量地磁矢量获取航向信息，偏振光罗盘和磁罗盘均具备误差不随时间积累的优点，但偏振光罗盘易受天气的影响，磁罗盘易受磁场干扰的影响，本发明通过偏振光罗盘和磁罗盘的双航向约束可以大幅提高系统的航向稳定性与抗干扰能力；同时，本发明中偏振光罗盘和磁罗盘测量得到的航向信息是相对于地理北向的，可以用于解决视觉惯性里程计没有绝对航向的问题，提高位姿估计的精度。

Description

一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统
技术领域
本发明涉及运动估计技术领域，尤其是一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统。
背景技术
无人系统是完成现代化作业、抢险救灾等任务的重要装备，往往需要在复杂开放的环境下进行大范围、长航时的自主运行。目前以无人车和无人机为代表的无人系统对卫星导航系统的依赖性较大，研究高精度的自主导航系统是当前亟待解决的问题。
视觉惯性里程计可实现视觉和惯性的组合导航，惯性和视觉之间具有很强的互补性，二者融合后可以提升定位定向的准确性和稳定性。然而，视觉惯性里程计输出的航向是相对于载体初始方位的，在长航时运行后，存在航向误差随时间积累的问题。
发明内容
本发明提供一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法及系统，用于克服现有技术中在长航时运行后存在航向误差随时间积累等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，包括：
利用视觉惯性里程计获取当前时刻载体的姿态和位置信息；
利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息；
利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息；
根据所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计。
为实现上述目的，本发明还提出一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计系统，包括：
视觉惯性里程计模块，用于利用视觉惯性里程计获取当前时刻载体的姿态和位置信息；
偏振光罗盘模块，用于利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息；
磁罗盘模块，用于利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息；
位姿估计模块，用于根据所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，在视觉惯性里程计的基础上，加入了偏振光罗盘和磁罗盘的双航向约束，偏振光罗盘通过模仿沙漠蚂蚁感知偏振光的结构和功能，获取自身航向信息，磁罗盘通过测量地磁矢量获取航向信息，偏振光罗盘和磁罗盘均具备误差不随时间积累的优点，但偏振光罗盘易受天气的影响，磁罗盘易受磁场干扰的影响，本发明通过偏振光罗盘和磁罗盘的双航向约束可以大幅提高系统的航向稳定性与抗干扰能力；同时，本发明中偏振光罗盘和磁罗盘测量得到的航向信息是相对于地理北向的，可以用于解决视觉惯性里程计没有绝对航向的问题，提高位姿估计的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法的流程图；
图2为本发明中偏振光罗盘上阵列式偏振片的结构示意图；
图3为本发明中一阶瑞利散射模型原理图；
图4为本发明中磁罗盘原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明提出一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，包括：
101：利用视觉惯性里程计获取当前时刻载体的姿态和位置信息；
视觉惯性里程计，包括惯性测量单元和视觉传感器。采用现有的视觉惯性里程计即可。
载体，为由无人系统控制运行的装备，如无人车、无人机等。
102：利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息；
偏振光罗盘通过模仿沙漠蚂蚁感知偏振光的结构和功能，获取自身航向信息，具有误差不随时间积累、稳定性高的优点，可以为载体的导航传感器提供稳定的航向约束。
103：利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息；
磁罗盘通过测量地磁矢量获取航向信息。
104：根据所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计。
本发明提供的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，在视觉惯性里程计的基础上，加入了偏振光罗盘和磁罗盘的双航向约束，偏振光罗盘通过模仿沙漠蚂蚁感知偏振光的结构和功能，获取自身航向信息，磁罗盘通过测量地磁矢量获取航向信息，偏振光罗盘和磁罗盘均具备误差不随时间积累的优点，但偏振光罗盘易受天气的影响，磁罗盘易受磁场干扰的影响，本发明通过偏振光罗盘和磁罗盘的双航向约束可以大幅提高系统的航向稳定性与抗干扰能力；同时，本发明中偏振光罗盘和磁罗盘测量得到的航向信息是相对于地理北向的，可以用于解决视觉惯性里程计没有绝对航向的问题，提高位姿估计的精度。
在其中一个实施例中，对于步骤101，参考论文（VINS-Mono: A Robust andVersatile Monocular Visual-Inertial State Estimator）进行具体的操作，从而获取当前时刻载体的姿态和位置信息。
在下一个实施例中，对于步骤102，利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息，包括：
201：利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，根据所述偏振图像计算每个像素的偏振度和偏振角；
202：根据所述偏振度和所述偏振角，获得太阳方向矢量的最优估计；
203：根据天文年历和所述太阳方向矢量的最优估计，获得载体的第一航向信息。
在某个实施例中，步骤102具体为：
偏振光罗盘为图像式偏振光传感器，主要由镜头、像素化偏振芯片和后端电路组成。像素化偏振芯片在CCD的每一个像元上刻蚀金属光栅，实现光栅与感光芯片的一体化集成。如图2所示，像素化偏振芯片包含若干个偏振测量单元，每个单元的光栅按照0º、45º、90º、135º的方向排列，采集天空偏振图像后，微阵列式偏振光罗盘每个偏振测量单元的偏振度
Figure 733818DEST_PATH_IMAGE001
和偏振角
Figure 164799DEST_PATH_IMAGE002
的计算方法为：
Figure 465331DEST_PATH_IMAGE003
（1）
其中，
Figure 298157DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式中，
Figure 455469DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 373747DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 477969DEST_PATH_IMAGE007
为Stokes向量中的前三项，分别描述入射光的光强、入射光在0°偏振方向上的分量和45°偏振方向偏振分量；
Figure 899723DEST_PATH_IMAGE008
为与某个方向的偏振片对应的CCD测量得到的入射光光强，x为0º、45º、90º或135º。
如图3所示，点O表示视觉传感器（相机）坐标系的原点；点P为观测点，表示入射光与天球的交点，每一束入射光对应的观测点P与观测图像中一个偏振测量单元的中心像素
Figure 251374DEST_PATH_IMAGE009
对应，因此在已知相机的焦距
Figure 391368DEST_PATH_IMAGE010
的前提下，
Figure 361598DEST_PATH_IMAGE011
（8）
式中，(x c ,y c )表示相机的光轴在观测图像中的坐标；
Figure 903438DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 402552DEST_PATH_IMAGE013
为中间变量，无特殊含义。
图3中，
Figure 233105DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 475868DEST_PATH_IMAGE015
；
根据一阶瑞利散射模型，入射光
Figure 872214DEST_PATH_IMAGE016
的E矢量方向
Figure 807809DEST_PATH_IMAGE017
垂直于散射面
Figure 922395DEST_PATH_IMAGE018
，即：
Figure 906532DEST_PATH_IMAGE019
（9）
式中，
Figure 688543DEST_PATH_IMAGE020
为E矢量方向
Figure 529460DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 334605DEST_PATH_IMAGE022
为太阳方向矢量
Figure 919170DEST_PATH_IMAGE023
；T为转置符号；
太阳方向矢量
Figure 555688DEST_PATH_IMAGE024
可以通过两个不相关的E矢量估计得到，定义
Figure 567506DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 594368DEST_PATH_IMAGE026
为第
Figure 982624DEST_PATH_IMAGE027
个偏振测量单元的E矢量方向，可以得到：
Figure 473648DEST_PATH_IMAGE028
（10）
则太阳方向矢量
Figure 656368DEST_PATH_IMAGE029
的最优估计可通过求解如下的优化问题得到：
Figure 436105DEST_PATH_IMAGE030
（11）
太阳方向矢量
Figure 362473DEST_PATH_IMAGE031
的最优估计是与
Figure 708003DEST_PATH_IMAGE032
最小特征值相对应的特征向量。
从而，获得最优太阳子午线方向α s ：
Figure 327204DEST_PATH_IMAGE033
（12）
式中，
Figure 328658DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 324296DEST_PATH_IMAGE035
分别为
Figure 258753DEST_PATH_IMAGE036
中第一个元素和第二个元素，
Figure 252117DEST_PATH_IMAGE036
是公式（11）求解得到的最优太阳方向矢量。
偏航角的计算过程为：
Figure 803184DEST_PATH_IMAGE037
（13）
式中，
Figure 71355DEST_PATH_IMAGE038
为载体在导航坐标系中的航向角；
Figure 329161DEST_PATH_IMAGE039
为太阳方位角，可根据天文年历计算得到；
Figure 555743DEST_PATH_IMAGE040
为最优太阳子午线方向。
在另一个实施例中，对于步骤103，利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息，包括：
301：利用磁罗盘测量载体周围的磁场分布，通过视觉惯性里程计获取的加速度，得到载体的水平姿态角；所述水平姿态角包括滚动角和俯仰角；
302：根据所述载体的水平姿态角，计算载体的三轴磁分量；
303：根据所述载体的三轴磁分量，计算载体的地理航向角；
304：根据地理北向和地磁北向，获得地磁偏角；
305：利用所述地磁偏角对所述地理航向角进行修正，获得载体的第二航向信息。
在某个实施例中，步骤103具体为：
将三轴磁强计捷联在载体上，测量载体周围的磁场分布，设三轴磁分量数据为
Figure 62947DEST_PATH_IMAGE041
，通过视觉惯性里程计获取的加速度信息，可以得到载体的滚动角
Figure 338071DEST_PATH_IMAGE042
和俯仰角
Figure 512700DEST_PATH_IMAGE043
，如图4所示，有：
Figure 379025DEST_PATH_IMAGE044
（14）
Figure 904684DEST_PATH_IMAGE045
（3）
式中，
Figure 514657DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 747055DEST_PATH_IMAGE047
和
Figure 784282DEST_PATH_IMAGE048
为磁场在x、y、z三个方向的磁分量；
Figure 797237DEST_PATH_IMAGE049
为三轴磁分量数据；
Figure 414163DEST_PATH_IMAGE050
为滚动角；
Figure 297805DEST_PATH_IMAGE051
为俯仰角。
然后，根据所述载体的三轴磁分量，计算载体的地理航向角为：
Figure 37091DEST_PATH_IMAGE052
（4）
Figure 6184DEST_PATH_IMAGE053
（5）
式中，
Figure 161222DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 430530DEST_PATH_IMAGE055
为磁场在x和z方向的磁分量；
Figure 809558DEST_PATH_IMAGE056
为地理航向角。
地理北向与地磁北向之间存在着一个小角度的夹角，称为地磁偏角，地磁偏角是由于地球自转轴与地磁轴不重合而存在的。利用所述地磁偏角对所述地理航向角进行修正，获得载体的第二航向信息，
Figure 469210DEST_PATH_IMAGE057
为磁偏角，利用
Figure 490255DEST_PATH_IMAGE057
对
Figure 348490DEST_PATH_IMAGE058
修正后可以得到载体真实的地理航向角，即：
Figure 367262DEST_PATH_IMAGE059
（15）
在另一个实施例中，对于步骤104，根据所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计，包括：
401：定义全局优化的系统状态矢量为
Figure 576526DEST_PATH_IMAGE060
（6）
式中，
Figure 73366DEST_PATH_IMAGE061
为系统的全状态矢量；
Figure 786107DEST_PATH_IMAGE062
为视觉惯性里程计输出的第k个状态，包括在世界坐标系下的位置
Figure 834835DEST_PATH_IMAGE063
和姿态四元数
Figure 265816DEST_PATH_IMAGE064
；
Figure 363085DEST_PATH_IMAGE065
为总的待优化状态数目；
402：通过对所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息进行残差求和，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计，
Figure 930333DEST_PATH_IMAGE066
（7）
式中，
Figure 87645DEST_PATH_IMAGE067
为相对测量的残差，为视觉惯性里程计的输出集合，
Figure 271501DEST_PATH_IMAGE068
为相邻状态的相对测量；
Figure 906882DEST_PATH_IMAGE069
为磁罗盘的测量残差，
Figure 797478DEST_PATH_IMAGE070
为磁罗盘航向测量的集合，
Figure 391270DEST_PATH_IMAGE071
为磁罗盘测量；
Figure 531264DEST_PATH_IMAGE072
为偏振光罗盘的测量残差，
Figure 439178DEST_PATH_IMAGE073
为偏振光罗盘航向测量的集合，
Figure 246597DEST_PATH_IMAGE074
为偏振光罗盘测量；
Figure 745711DEST_PATH_IMAGE075
为载体系统的全状态矢量。
本实施例中，考虑第t时刻和t-1时刻的状态，公式（7）中相对测量的残差
Figure 576264DEST_PATH_IMAGE076
为：
Figure 553447DEST_PATH_IMAGE077
（16）
式中，
Figure 480952DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 354230DEST_PATH_IMAGE079
分别为t-1和t时刻视觉惯性里程计输出的位置；
Figure 468816DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 515270DEST_PATH_IMAGE081
分别为t-1和t时刻视觉惯性里程计输出的姿态四元数；
考虑第j时刻，系统获取了磁罗盘的航向信息，磁罗盘的测量残差
Figure 31702DEST_PATH_IMAGE082
为：
Figure 75881DEST_PATH_IMAGE083
（17）
式中，
Figure 677764DEST_PATH_IMAGE084
为第j时刻世界坐标系下载体的姿态四元数；
Figure 527908DEST_PATH_IMAGE085
为第j时刻磁罗盘航向对应的姿态四元数，
Figure 102109DEST_PATH_IMAGE086
和
Figure 113927DEST_PATH_IMAGE087
的计算方法如下：
Figure 203106DEST_PATH_IMAGE088
（18）
其中，
Figure 591362DEST_PATH_IMAGE089
表示四元数到欧拉角的变换；
Figure 20069DEST_PATH_IMAGE090
、
Figure 202789DEST_PATH_IMAGE091
和
Figure 44843DEST_PATH_IMAGE092
分别为
Figure 971211DEST_PATH_IMAGE093
对应的滚动角、俯仰角和航向角；
Figure 254425DEST_PATH_IMAGE094
为磁罗盘航向。
公式（7）中偏振光罗盘的测量残差
Figure 139204DEST_PATH_IMAGE095
为：
Figure 937396DEST_PATH_IMAGE096
（19）
式中，
Figure 605137DEST_PATH_IMAGE097
为第k时刻世界坐标系下载体的姿态四元数；
Figure 70754DEST_PATH_IMAGE098
为光罗盘航向对应的姿态四元数，
Figure 860855DEST_PATH_IMAGE099
和
Figure 84026DEST_PATH_IMAGE100
的计算方法如下：
Figure 883355DEST_PATH_IMAGE101
（20）
其中，
Figure 937899DEST_PATH_IMAGE102
表示四元数到欧拉角的变换，
Figure 836584DEST_PATH_IMAGE103
、
Figure 874948DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure 150071DEST_PATH_IMAGE105
分别为
Figure 59121DEST_PATH_IMAGE106
对应的滚动角、俯仰角和航向角，
Figure 456605DEST_PATH_IMAGE107
为偏振光罗盘航向。
本发明还提出一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计系统，包括：
视觉惯性里程计模块，用于利用视觉惯性里程计获取当前时刻载体的姿态和位置信息；
偏振光罗盘模块，用于利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息；
磁罗盘模块，用于利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息；
位姿估计模块，用于根据所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计。
在其中一个实施例中，对于视觉惯性里程计模块，参考论文（VINS-Mono: ARobust and Versatile Monocular Visual-Inertial State Estimator）进行具体的操作，从而获取当前时刻载体的姿态和位置信息。
在下一个实施例中，偏振光罗盘模块还包括：
201：利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，根据所述偏振图像计算每个像素的偏振度和偏振角；
202：根据所述偏振度和所述偏振角，获得太阳方向矢量的最优估计；
203：根据天文年历和所述太阳方向矢量的最优估计，获得载体的第一航向信息。
在某个实施例中，偏振光罗盘模块具体工作过程为：
偏振光罗盘为图像式偏振光传感器，主要由镜头、像素化偏振芯片和后端电路组成。像素化偏振芯片在CCD的每一个像元上刻蚀金属光栅，实现光栅与感光芯片的一体化集成。如图2所示，像素化偏振芯片包含若干个偏振测量单元，每个单元的光栅按照0º、45º、90º、135º的方向排列，采集天空偏振图像后，微阵列式偏振光罗盘每个偏振测量单元的偏振度
Figure 654368DEST_PATH_IMAGE108
和偏振角
Figure 529920DEST_PATH_IMAGE109
的计算方法为：
Figure 824635DEST_PATH_IMAGE110
（1）
其中，
Figure 65123DEST_PATH_IMAGE111
（2）
式中，
Figure 812500DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 491743DEST_PATH_IMAGE113
、
Figure 578647DEST_PATH_IMAGE114
为Stokes向量中的前三项，分别描述入射光的光强、 入射光在0°偏振方向上的分量和45°偏振方向偏振分量；
Figure 786775DEST_PATH_IMAGE115
为与某个方向的偏振片对应的CCD测量得到的入射光光强，x为0º、45º、90º或135º。
如图3所示，点O表示视觉传感器（相机）坐标系的原点；点P为观测点，表示入射光与天球的交点，每一束入射光对应的观测点P与观测图像中一个偏振测量单元的中心像素
Figure 21447DEST_PATH_IMAGE116
对应，因此在已知相机的焦距
Figure 442064DEST_PATH_IMAGE117
的前提下，
Figure 180213DEST_PATH_IMAGE118
（8）
式中，(x c ,y c )表示相机的光轴在观测图像中的坐标；
Figure 90400DEST_PATH_IMAGE119
与
Figure 750052DEST_PATH_IMAGE120
为中间变量，无特殊含义。
图3中，
Figure 505518DEST_PATH_IMAGE121
，
Figure 629332DEST_PATH_IMAGE122
；
根据一阶瑞利散射模型，入射光
Figure 648103DEST_PATH_IMAGE123
的E矢量方向
Figure 326209DEST_PATH_IMAGE124
垂直于散射面
Figure 150946DEST_PATH_IMAGE125
，即：
Figure 66949DEST_PATH_IMAGE126
（9）
式中，
Figure 318939DEST_PATH_IMAGE127
为E矢量方向
Figure 749920DEST_PATH_IMAGE128
；
Figure 50452DEST_PATH_IMAGE129
为太阳方向矢量
Figure 617699DEST_PATH_IMAGE130
；T为转置符号；
太阳方向矢量
Figure 40590DEST_PATH_IMAGE131
可以通过两个不相关的E矢量估计得到，定义
Figure 693289DEST_PATH_IMAGE132
，其中
Figure 797511DEST_PATH_IMAGE133
为第
Figure 750423DEST_PATH_IMAGE134
个偏振测量单元的E矢量方向，可以得到：
Figure 281899DEST_PATH_IMAGE135
（10）
则太阳方向矢量
Figure 687472DEST_PATH_IMAGE136
的最优估计可通过求解如下的优化问题得到：
Figure 126544DEST_PATH_IMAGE137
（11）
太阳方向矢量
Figure 871646DEST_PATH_IMAGE138
的最优估计是与
Figure 370761DEST_PATH_IMAGE139
最小特征值相对应的特征向量。
从而，获得最优太阳子午线方向α s ：
Figure 263630DEST_PATH_IMAGE140
（12）
式中，
Figure 709655DEST_PATH_IMAGE141
和
Figure 637160DEST_PATH_IMAGE142
分别为
Figure 510438DEST_PATH_IMAGE143
中第一个元素和第二个元素，
Figure 359445DEST_PATH_IMAGE143
是公式（11）求解得到的最优太阳方向矢量。
偏航角的计算过程为：
Figure 671478DEST_PATH_IMAGE144
（13）
式中，
Figure 391172DEST_PATH_IMAGE145
为载体在导航坐标系中的航向角；
Figure 497668DEST_PATH_IMAGE146
为太阳方位角，可根据天文年历计算得到；
Figure 833972DEST_PATH_IMAGE147
为最优太阳子午线方向。
在另一个实施例中，磁罗盘模块还包括：
301：利用磁罗盘测量载体周围的磁场分布，通过视觉惯性里程计获取的加速度，得到载体的水平姿态角；所述水平姿态角包括滚动角和俯仰角；
302：根据所述载体的水平姿态角，计算载体的三轴磁分量；
303：根据所述载体的三轴磁分量，计算载体的地理航向角；
304：根据地理北向和地磁北向，获得地磁偏角；
305：利用所述地磁偏角对所述地理航向角进行修正，获得载体的第二航向信息。
在某个实施例中，磁罗盘模块具体的工作过程为：
将三轴磁强计捷联在载体上，测量载体周围的磁场分布，设三轴磁分量数据为
Figure 621799DEST_PATH_IMAGE148
，通过视觉惯性里程计获取的加速度信息，
可以得到载体的滚动角
Figure 258317DEST_PATH_IMAGE149
和俯仰角
Figure 270135DEST_PATH_IMAGE150
，如图4所示，有：
Figure 562576DEST_PATH_IMAGE151
（14）
Figure 950832DEST_PATH_IMAGE152
（3）
式中，
Figure 645119DEST_PATH_IMAGE153
、
Figure 93418DEST_PATH_IMAGE154
和
Figure 404313DEST_PATH_IMAGE155
为磁场在x、y、z三个方向的磁分量；
Figure 533943DEST_PATH_IMAGE156
为三轴磁分量数据；
Figure 145053DEST_PATH_IMAGE157
为滚动角；
Figure 498674DEST_PATH_IMAGE158
为俯仰角。
然后，根据所述载体的三轴磁分量，计算载体的地理航向角为：
Figure 500128DEST_PATH_IMAGE159
（4）
Figure 230187DEST_PATH_IMAGE160
（5）
式中，
Figure 695803DEST_PATH_IMAGE161
和
Figure 423588DEST_PATH_IMAGE162
为磁场在x和z方向的磁分量；
Figure 974655DEST_PATH_IMAGE163
为地理航向角。
地理北向与地磁北向之间存在着一个小角度的夹角，称为地磁偏角，地磁偏角是由于地球自转轴与地磁轴不重合而存在的。利用所述地磁偏角对所述地理航向角进行修正，获得载体的第二航向信息，
Figure 508404DEST_PATH_IMAGE164
为磁偏角，利用
Figure 766210DEST_PATH_IMAGE164
对
Figure 727213DEST_PATH_IMAGE165
修正后可以得到载体真实的地理航向角
Figure 499997DEST_PATH_IMAGE166
，即：
Figure 775121DEST_PATH_IMAGE167
（15）
在另一个实施例中，位姿估计模块还包括：
401：定义全局优化的系统状态矢量为
Figure 684171DEST_PATH_IMAGE168
（6）
式中，
Figure 81654DEST_PATH_IMAGE169
为系统的全状态矢量；
Figure 76155DEST_PATH_IMAGE170
为视觉惯性里程计输出的第k个状态，包括在世界坐标系下的位置
Figure 951707DEST_PATH_IMAGE171
和姿态四元数
Figure 918526DEST_PATH_IMAGE172
；
Figure 486911DEST_PATH_IMAGE173
为总的待优化状态数目；
402：通过对所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息进行残差求和，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计，
Figure 171970DEST_PATH_IMAGE174
（7）
式中，
Figure 585634DEST_PATH_IMAGE175
为相对测量的残差，
Figure 734855DEST_PATH_IMAGE176
为视觉惯性里程计的输出集合，
Figure 411824DEST_PATH_IMAGE177
为相邻状态的相对测量；
Figure 380917DEST_PATH_IMAGE178
为磁罗盘的测量残差，
Figure 863851DEST_PATH_IMAGE179
为磁罗盘航向测量的集合，
Figure 805263DEST_PATH_IMAGE180
为磁罗盘测量；
Figure 449870DEST_PATH_IMAGE181
为偏振光罗盘的测量残差，
Figure 171839DEST_PATH_IMAGE182
为偏振光罗盘航向测量的集合，
Figure 130568DEST_PATH_IMAGE183
为偏振光罗盘测量；
Figure 254381DEST_PATH_IMAGE184
为载体系统的全状态矢量。
本实施例中，考虑第t时刻和t-1时刻的状态，公式（7）中相对测量的残差
Figure 827749DEST_PATH_IMAGE185
为：
Figure 974696DEST_PATH_IMAGE186
（16）
式中，
Figure 533854DEST_PATH_IMAGE187
和
Figure 512174DEST_PATH_IMAGE188
分别为t-1和t时刻视觉惯性里程计输出的位置；
Figure 498585DEST_PATH_IMAGE189
和
Figure 867249DEST_PATH_IMAGE190
分别为t-1和t时刻视觉惯性里程计输出的姿态四元数；
考虑第j时刻，系统获取了磁罗盘的航向信息，磁罗盘的测量残差
Figure 230097DEST_PATH_IMAGE191
为：
Figure 62924DEST_PATH_IMAGE192
（17）
式中，
Figure 423498DEST_PATH_IMAGE193
为第j时刻世界坐标系下载体的姿态四元数；
Figure 341776DEST_PATH_IMAGE194
为第j时刻磁罗盘航向对应的姿态四元数，
Figure 242736DEST_PATH_IMAGE195
和
Figure 133331DEST_PATH_IMAGE196
的计算方法如下：
Figure 727124DEST_PATH_IMAGE197
（18）
其中，
Figure 867118DEST_PATH_IMAGE198
表示四元数到欧拉角的变换；
Figure 509452DEST_PATH_IMAGE199
、
Figure 316871DEST_PATH_IMAGE200
和
Figure 815985DEST_PATH_IMAGE201
分别为
Figure 646538DEST_PATH_IMAGE202
对应的滚动角、俯仰角和航向角；
Figure 154880DEST_PATH_IMAGE203
为磁罗盘航向。
公式（7）中偏振光罗盘的测量残差
Figure 754488DEST_PATH_IMAGE204
为：
Figure 690083DEST_PATH_IMAGE205
（19）
式中，
Figure 804670DEST_PATH_IMAGE206
为第k时刻世界坐标系下载体的姿态四元数；
Figure 54386DEST_PATH_IMAGE207
为光罗盘航向对应的姿态四元数，
Figure 570818DEST_PATH_IMAGE208
和
Figure 614997DEST_PATH_IMAGE209
的计算方法如下：
Figure 216880DEST_PATH_IMAGE210
（20）
其中，
Figure 67024DEST_PATH_IMAGE211
表示四元数到欧拉角的变换，
Figure 641225DEST_PATH_IMAGE212
、
Figure 918622DEST_PATH_IMAGE213
和
Figure 7801DEST_PATH_IMAGE214
分别为
Figure 333740DEST_PATH_IMAGE215
对应的滚动角、俯仰角和航向角，
Figure 824764DEST_PATH_IMAGE216
为偏振光罗盘航向。
本发明还提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法的步骤。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，其特征在于，包括：
利用视觉惯性里程计获取当前时刻载体的姿态和位置信息；
利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息；
利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息；
根据所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计，包括：
定义全局优化的系统状态矢量为
Figure 732574DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 171645DEST_PATH_IMAGE002
为系统的全状态矢量；
Figure 447906DEST_PATH_IMAGE003
为视觉惯性里程计输出的第k个状态，包括在世界坐标系下的位置
Figure 947020DEST_PATH_IMAGE004
和姿态四元数
Figure 308731DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 20335DEST_PATH_IMAGE006
为总的待优化状态数目；
通过对所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息进行残差求和，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计，
Figure 416682DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 821118DEST_PATH_IMAGE008
为相对测量的残差，
Figure 670126DEST_PATH_IMAGE009
为视觉惯性里程计的输出集合，
Figure 185421DEST_PATH_IMAGE010
为相邻状态的相对测量；
Figure 436273DEST_PATH_IMAGE011
为磁罗盘的测量残差，
Figure 516006DEST_PATH_IMAGE012
为磁罗盘航向测量的集合，
Figure 852309DEST_PATH_IMAGE013
为磁罗盘测量；
Figure 171295DEST_PATH_IMAGE014
为偏振光罗盘的测量残差，
Figure 276654DEST_PATH_IMAGE015
为偏振光罗盘航向测量的集合，
Figure 22893DEST_PATH_IMAGE016
为偏振光罗盘测量；
Figure 580914DEST_PATH_IMAGE017
为载体系统的全状态矢量。
2.如权利要求1所述的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，其特征在于，利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息，包括：
利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，根据所述偏振图像计算每个像素的偏振度和偏振角；
根据所述偏振度和所述偏振角，获得太阳方向矢量的最优估计；
根据天文年历和所述太阳方向矢量的最优估计，获得载体的第一航向信息。
3.如权利要求2所述的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，其特征在于，利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，根据所述偏振图像计算每个像素的偏振度和偏振角，包括：
利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，根据所述偏振图像计算每个像素的偏振度和偏振角为：
Figure 703590DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 663456DEST_PATH_IMAGE019
式中，
Figure 580597DEST_PATH_IMAGE020
为偏振度；
Figure 891492DEST_PATH_IMAGE021
为偏振角；
Figure 552281DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 366653DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 720274DEST_PATH_IMAGE024
为Stokes向量中的前三项，分别描述入射光的光强、入射光在0°偏振方向上的分量和45°偏振方向偏振分量；
Figure 252886DEST_PATH_IMAGE025
为与某个方向的偏振片对应的CCD测量得到的入射光光强，x为0º、45º、90º或135º。
4.如权利要求1所述的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，其特征在于，利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息，包括：
利用磁罗盘测量载体周围的磁场分布，通过视觉惯性里程计获取的加速度，得到载体的水平姿态角；所述水平姿态角包括滚动角和俯仰角；
根据所述载体的水平姿态角，计算载体的三轴磁分量；
根据所述载体的三轴磁分量，计算载体的地理航向角；
根据地理北向和地磁北向，获得地磁偏角；
利用所述地磁偏角对所述地理航向角进行修正，获得载体的第二航向信息。
5.如权利要求4所述的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，其特征在于，根据所述载体的水平姿态角，计算载体的三轴磁分量，包括：
根据所述载体的水平姿态角，计算载体的三轴磁分量为：
Figure 451787DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure 386244DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 412232DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 166561DEST_PATH_IMAGE029
为磁场在x、y、z三个方向的磁分量；
Figure 434731DEST_PATH_IMAGE030
为三轴磁分量数据；
Figure 223696DEST_PATH_IMAGE031
为滚动角；
Figure 653540DEST_PATH_IMAGE032
为俯仰角。
6.如权利要求4或5所述的基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计方法，其特征在于，根据所述载体的三轴磁分量，计算载体的地理航向角，包括：
根据所述载体的三轴磁分量，计算载体的地理航向角为：
Figure 160745DEST_PATH_IMAGE033
式中，
Figure 967027DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 610498DEST_PATH_IMAGE035
为磁场在x和z方向的磁分量；
Figure 476822DEST_PATH_IMAGE036
为地理航向角。
7.一种基于偏振光/地磁航向约束的位姿估计系统，其特征在于，包括：
视觉惯性里程计模块，用于利用视觉惯性里程计获取当前时刻载体的姿态和位置信息；
偏振光罗盘模块，用于利用偏振光罗盘采集载体的偏振图像，在所述偏振图像的偏振角模式和偏振度模式下，获得载体的第一航向信息；
磁罗盘模块，用于利用磁罗盘采集载体的三轴磁分量和水平姿态角，在所述三轴磁分量和水平姿态角下，获得载体的第二航向信息；
位姿估计模块，用于根据所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计，包括：
定义全局优化的系统状态矢量为
Figure 205744DEST_PATH_IMAGE037
式中，
Figure 815717DEST_PATH_IMAGE038
为系统的全状态矢量；
Figure 579274DEST_PATH_IMAGE039
为视觉惯性里程计输出的第k个状态，包括在世界坐标系下的位置
Figure 350921DEST_PATH_IMAGE040
和姿态四元数
Figure 832717DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 980802DEST_PATH_IMAGE042
为总的待优化状态数目；
通过对所述姿态和位置信息、第一航向信息和第二航向信息进行残差求和，优化载体系统状态矢量，获得载体的位置、速度和姿态，实现载体位姿估计，
Figure 598865DEST_PATH_IMAGE043
式中，
Figure 305528DEST_PATH_IMAGE044
为相对测量的残差，
Figure 9042DEST_PATH_IMAGE045
为视觉惯性里程计的输出集合，
Figure 960817DEST_PATH_IMAGE046
为相邻状态的相对测量；
Figure 433387DEST_PATH_IMAGE047
为磁罗盘的测量残差，
Figure 812415DEST_PATH_IMAGE048
为磁罗盘航向测量的集合，
Figure 3225DEST_PATH_IMAGE049
为磁罗盘测量；
Figure 493113DEST_PATH_IMAGE050
为偏振光罗盘的测量残差，
Figure 85768DEST_PATH_IMAGE051
为偏振光罗盘航向测量的集合，
Figure 370119DEST_PATH_IMAGE052
为偏振光罗盘测量；
Figure 782646DEST_PATH_IMAGE053
为载体系统的全状态矢量。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1~6中任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1~6中任一项所述的方法的步骤。
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