CN113109830B - 一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法 - Google Patents
一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113109830B CN113109830B CN202110333819.XA CN202110333819A CN113109830B CN 113109830 B CN113109830 B CN 113109830B CN 202110333819 A CN202110333819 A CN 202110333819A CN 113109830 B CN113109830 B CN 113109830B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical flow
- sensor
- carrier
- coordinate system
- dimensional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 82
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
- G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target
- G01S15/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
- G01S15/60—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems wherein the transmitter and receiver are mounted on the moving object, e.g. for determining ground speed, drift angle, ground track
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/86—Combinations of sonar systems with lidar systems; Combinations of sonar systems with systems not using wave reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/86—Combinations of lidar systems with systems other than lidar, radar or sonar, e.g. with direction finders
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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
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其中,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,三者两两正交。
设定载体的三维线速度为载体的三维角速度为下标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:
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:
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:
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:
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
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
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
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
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 (1)
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;
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:
基于载体建立载体坐标系,其三个坐标轴的单位矢量依次记为三者两两正交;
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其中,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,三者两两正交;
设定载体的三维线速度为载体的三维角速度为/>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;
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:
采用N个“光流+测距”的测量模块,每个测量模块中的光流传感器与测距传感器指向一致,各测量模块的传感器指向是不共面的,其中,N≥3,指向一致是指平行,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,引入式1所示运算矩阵:
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:
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:
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,由最小二乘法求解,如式(4)所示:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110333819.XA CN113109830B (zh) | 2021-03-29 | 2021-03-29 | 一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110333819.XA CN113109830B (zh) | 2021-03-29 | 2021-03-29 | 一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113109830A CN113109830A (zh) | 2021-07-13 |
CN113109830B true CN113109830B (zh) | 2024-06-07 |
Family
ID=76712520
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110333819.XA Active CN113109830B (zh) | 2021-03-29 | 2021-03-29 | 一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113109830B (zh) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102829779A (zh) * | 2012-09-14 | 2012-12-19 | 北京航空航天大学 | 一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法 |
CN107389968A (zh) * | 2017-07-04 | 2017-11-24 | 武汉视览科技有限公司 | 一种基于光流传感器和加速度传感器的无人机定点实现方法和装置 |
CN108139757A (zh) * | 2015-09-11 | 2018-06-08 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 用于检测和跟踪可移动物体的系统和方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8494225B2 (en) * | 2010-02-19 | 2013-07-23 | Julian L. Center | Navigation method and aparatus |
US10094919B2 (en) * | 2015-10-06 | 2018-10-09 | GM Global Technology Operations LLC | Radar-vision fusion for target velocity estimation |
-
2021
- 2021-03-29 CN CN202110333819.XA patent/CN113109830B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102829779A (zh) * | 2012-09-14 | 2012-12-19 | 北京航空航天大学 | 一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法 |
CN108139757A (zh) * | 2015-09-11 | 2018-06-08 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 用于检测和跟踪可移动物体的系统和方法 |
CN107389968A (zh) * | 2017-07-04 | 2017-11-24 | 武汉视览科技有限公司 | 一种基于光流传感器和加速度传感器的无人机定点实现方法和装置 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
GPS三维姿态测量系统的研究;苑振国;《中国优秀硕士学位论文全文数据库·基础科学辑》;20120515;全文 * |
Vision-based autonomous mapping and exploration using a quadrotor MAV;Fraundorfer F, Heng L, Honegger D;2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems;第4557-4565页 * |
单目视觉移动机器人导航算法研究现状及趋势;蒋林;方东君;雷斌;李维刚;单目视觉移动机器人导航算法研究现状及趋势;第57卷(第05期);第1-9页 * |
基于光流和超声波的智能小车障碍物检测系统;李明法;李媛媛;传感器与微系统;第39卷(第09期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113109830A (zh) | 2021-07-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10983206B2 (en) | Low cost high precision GNSS systems and methods | |
GREJNER‐BRZEZINSKA | Direct exterior orientation of airborne imagery with GPS/INS system: Performance analysis | |
US8494225B2 (en) | Navigation method and aparatus | |
US8130142B2 (en) | GNSS ultra-short baseline heading determination system and method | |
CN104316060B (zh) | 空间非合作目标的交会对接方法与装置 | |
CN108375382A (zh) | 基于单目视觉的位置姿态测量系统精度检校方法和装置 | |
CN105973268B (zh) | 一种基于共基座安装的传递对准精度定量评估方法 | |
CN111380514A (zh) | 机器人位姿估计方法、装置、终端及计算机存储介质 | |
CN106017463A (zh) | 一种基于定位传感装置的飞行器定位方法 | |
CN107389968B (zh) | 一种基于光流传感器和加速度传感器的无人机定点实现方法和装置 | |
WO2018066754A1 (ko) | 라이다 센서를 이용한 차량의 자세 추정 방법 | |
WO2005119178A1 (en) | Image-augmented inertial navigation system (iains) and method | |
CN108375383B (zh) | 多相机辅助的机载分布式pos柔性基线测量方法和装置 | |
Mercado et al. | Gps/ins/optic flow data fusion for position and velocity estimation | |
CN110398251B (zh) | 一种基于多传感器融合的无轨导航agv定位系统及其定位方法 | |
CN110686684B (zh) | 一种小天体环绕探测器光学协同定轨方法 | |
CN111207688B (zh) | 在载运工具中测量目标对象距离的方法、装置和载运工具 | |
CN113109830B (zh) | 一种采用光流及测距传感器的三维运动测量方法 | |
CN111141285B (zh) | 一种航空重力测量装置 | |
CN115790613B (zh) | 一种视觉信息辅助的惯性/里程计组合导航方法及装置 | |
CN108322698B (zh) | 基于多摄像机和惯性测量单元融合的系统和方法 | |
Brommer et al. | INSANE: Cross-domain UAV data sets with increased number of sensors for developing advanced and novel estimators | |
CN112489118B (zh) | 一种无人机机载传感器组外参快速标定方法 | |
Ellum et al. | Land-based integrated systems for mapping and GIS applications | |
CN104792336B (zh) | 一种飞行状态测量方法及装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant |