CN113109830A - 一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联；基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系；利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度，在不依赖于卫星信号，不受外界磁干扰，且不存在累积误差的条件下，能够精确的得到载体的线运动和角运动信息。

Description

一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法
技术领域
本发明涉及无人机的飞行状态测量技术领域，尤其涉及一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法。
背景技术
三维空间中的刚体具有三个平动自由度和三个转动自由度，故其运动由线运动(平移)和角运动(转动)两部分构成，并可分别由线速度和角速度描述。无人机飞行状态的常用测量手段有：GPS模块、捷联惯性导航系统(SINS)、磁强计或电子罗盘、光流传感器。
采用光流传感器测量无人机飞行状态的几种现有方案：方案一：将单个光流传感器安装于无人机底部，正常飞行时指向地面；方案二：在无人机上安装多个光流传感器，各传感器均指向地面但互不平行；方案三：无人机上安装的光流传感器指向地平线，采集地平线的光流。
如前所述，现有各种无人机飞行状态测量手段存在以下缺点：⑴GPS模块依赖于卫星信号，在信号受遮挡或干扰时不能工作。⑵SINS采用积分推算无人机姿态、速度和位移，存在累积误差。⑶磁强计及电子罗盘易受外界磁干扰。⑷上文所述采用光流传感器的各方案的共同缺点是：不能充分利用光流测量值中包含的线运动和角运动信息。。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，在不依赖于卫星信号，不受外界磁干扰，且不存在累积误差的条件下，能够精确的得到载体的线运动和角运动信息。
为实现上述目的，本发明提供了一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，包括以下步骤：
将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联；
基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系；
利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度。
其中，将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联，包括：
利用多个光流传感器与多个测距传感器进行组合，得到对应的多个测量模块；
将多个所述所述测量模块与对应的载体进行捷联。
其中，利用多个光流传感器与多个测距传感器进行组合，得到对应的多个测量模块，包括：
将一个所述光流传感器与一个所述测距传感器进行平行安装组合，得到对应的一个所述测量模块；
多个所述测量模块之间的所述光流测量模块不共面。
其中，基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系，包括：
基于所述载体建立载体坐标系，其三个坐标轴三者两两正交；
对每个所述测量模块建立对应的传感器坐标系，任一个所述测量模块的三个坐标轴的中的第一坐标轴和第二坐标轴在光流传感器的成像平面内，第三坐标轴沿主光轴方向指向被成像物体。
其中，利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度，包括：
利用所述光流传感器获取对应的光流测量值，同时，利用所述测距传感器获取对应的物距，其中，所述光流测量值和所述物距是基于所述传感器坐标系下的数据；
将所述光流测量值和所述物距输入对应的运算矩阵，得到所述载体的三维线速度和三维角速度。
本发明的一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联；基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系；利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度，在不依赖于卫星信号，不受外界磁干扰，且不存在累积误差的条件下，能够精确的得到载体的线运动和角运动信息。
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获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的多个测量模块的布置示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是三个或三个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1和图2，本发明提供一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，包括以下步骤：
S101、将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联。
具体的，如图2所示，⑴采用N个(N≥3)“光流+测距”的测量模块；
⑵上述每个测量模块由1个光流传感器和1个测距传感器(可以是超声测距、红外测距、激光测距等)组合而成；
⑶上述每个测量模块中的光流传感器与测距传感器指向一致(平行)；
⑷上述各测量模块的传感器指向是不共面的；
⑸上述各测量模块安装于被测物体(载体)上，且与载体一同运动(捷联)。
S102、基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系。
具体的，首先基于载体建立载体坐标系，其三个坐标轴的单位矢量依次记为
Figure BDA0002996506530000041
三者两两正交。
其次对每个所述测量模块建立其传感器坐标系，第n个测量模块的三个坐标轴的单位矢量依次记为
Figure BDA0002996506530000042
其中，第一坐标轴
Figure BDA0002996506530000043
和第二坐标轴
Figure BDA0002996506530000044
在光流传感器的成像平面内，第三坐标轴
Figure BDA0002996506530000045
沿主光轴方向指向被成像物体，三者两两正交。
设定载体的三维线速度为
Figure BDA0002996506530000046
载体的三维角速度为
Figure BDA0002996506530000047
下标x、y、z分别表示沿载体坐标系对应的坐标轴的分量。
再设定第n个测量模块中光流传感器标度系数为fn，采样间隔为Tn，光流测量值为
Figure BDA0002996506530000048
下标i、j分别表示沿第一坐标轴和第二坐标轴的分量；测距传感器测量值为dn。
S103、利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度。
具体的，利用所述光流传感器获取对应的光流测量值，同时，利用所述测距传感器获取对应的物距，其中，所述光流测量值和所述物距是基于所述传感器坐标系下的数据，光流测量值有两个分量，分别沿所述第一坐标轴和第二坐标轴，物距是沿所述第三坐标轴，当物距远大于光流传感器焦距时，像距近似等于焦距。采用上述记号，引入式1所示运算矩阵：
Figure BDA0002996506530000051
则载体的三维线速度、三维角速度与各传感器测量值间的关系如式2所示：
Figure BDA0002996506530000052
显然，当传感器模块个数N＝3时，矩阵U为6×6方阵，故利用U的逆矩阵即可由光流测量值求解线速度和角速度，如式3所示：
Figure BDA0002996506530000053
而若传感器模块个数N>3，此时式(2)是关于线速度v和角速度ω的超定方程组，可由最小二乘法求解，如式(4)所示：
Figure BDA0002996506530000054
具体实施例1：3个光流传感器+3个测距传感器
无人机机体坐标系(即载体系)三个坐标轴的单位矢量
Figure BDA0002996506530000055
依次指向前、右、下。
每1个光流传感器与1个测距传感器构成1个模块，共3个模块，依次编号为1#、2#、3#。1#模块指向前下方，2#模块指向左下方，3#模块指向右下方，具体情况如表1所示。
表1各模块中传感器坐标轴指向
Figure BDA0002996506530000056
Figure BDA0002996506530000061
各光流传感器规格一致，标度系数均为f＝500像素/rad，采样间隔均为T＝0.01s。设无人机离地高度为1.5m，取5种不同姿态，分别计算式(1)中的矩阵U及其逆矩阵，如表2所示。
表2不同姿态下矩阵U及其逆矩阵
Figure BDA0002996506530000062
由表2可见，在各种姿态下，矩阵U都是可逆的，因而一定可以由式(3)求解载体的三维线速度和角速度。
具体实施例2：4个光流传感器+4个测距传感器
在例1的基础上增加1个传感器模块，其指向为
Figure BDA0002996506530000063
其余条件与例1相同。此时矩阵U为8×6矩阵，如前文所述，需由最小二乘法求解线速度和角速度，即式(4)中的逆变换(UTU)-1UT。5种不同姿态下的矩阵U及相应的逆变换如表3所示。
表3不同姿态下矩阵U及其对应的逆变换
Figure BDA0002996506530000071
由表3可见，在各种姿态下，均可由式(4)中的逆变换(UTU)-1UT求解载体的三维线速度和角速度。
本发明的优点是：
第一，该方法能同时获得无人机的线速度和角速度；
第二，该方法不要求地面平坦；
第三，该方法不依赖卫星信号等外部信息源；
第四，该方法不受外界磁干扰影响；
第五，该方法所得线速度无累积误差。
本发明的一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联；基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系；利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度，在不依赖于卫星信号，不受外界磁干扰，且不存在累积误差的条件下，能够精确的得到载体的线运动和角运动信息。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联；
基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系；
利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度。
2.如权利要求1所述的采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，其特征在于，将多个光流传感器和多个测距传感器进行组合，并将得到的对应的测量模块与载体进行捷联，包括：
利用多个光流传感器与多个测距传感器进行组合，得到对应的多个测量模块；
将多个所述测量模块与对应的载体进行捷联。
3.如权利要求2所述的采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，其特征在于，利用多个光流传感器与多个测距传感器进行组合，得到对应的多个测量模块，包括：
将一个所述光流传感器与一个所述测距传感器进行平行安装组合，得到对应的一个所述测量模块；
多个所述测量模块之间的所述光流测量模块不共面。
4.如权利要求1所述的采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，其特征在于，基于所述载体建立载体坐标系，并基于所述测量模块建立传感器坐标系，包括：
基于所述载体建立载体坐标系，其三个坐标轴三者两两正交；
对每个所述测量模块建立对应的传感器坐标系，任一个所述测量模块的三个坐标轴的中的第一坐标轴和第二坐标轴在光流传感器的成像平面内，第三坐标轴沿主光轴方向指向被成像物体。
5.如权利要求1所述的采用光流及测距传感器的三维运动测量方法，其特征在于，利用矩阵运算对所述光流传感器和所述测距传感器获取的光流测量值和物距进行计算，得到所述载体的三维线速度和三维角速度，包括：
利用所述光流传感器获取对应的光流测量值，同时，利用所述测距传感器获取对应的物距，其中，所述光流测量值和所述物距是基于所述传感器坐标系下的数据；
将所述光流测量值和所述物距输入对应的运算矩阵，得到所述载体的三维线速度和三维角速度。
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