CN114674345A - 一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法 - Google Patents

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CN114674345A CN202210276700.8A CN202210276700A CN114674345A CN 114674345 A CN114674345 A CN 114674345A CN 202210276700 A CN202210276700 A CN 202210276700A CN 114674345 A CN114674345 A CN 114674345A
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Abstract

本发明提出一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，步骤为：1、将惯导系统、相机和激光测速仪固定到车体上，获取世界坐标系原点；2、启动惯导，进行预热，采集惯导输出的车体角速率与比力信息；3、对惯导进行粗对准，确定载体的姿态角，再利用卡尔曼滤波方法进行精对准；4、启动激光测速仪和相机，由对准状态切换为导航状态，之后让载体开始运动；5、采集惯导角速率和比力信息、激光测速仪速度信息和相机图像信息；6、获得惯导在导航坐标系下的速度估计
Figure DDA0003556306290000011
激光测速仪身在测速仪坐标系下的速度估计
Figure DDA0003556306290000013
相机在相机坐标系下的速度估计结果
Figure DDA0003556306290000012
7、构造滤波器将标定问题转换为优化问题进行优化，实时估计需要标定的参数。

Description

一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法
技术领域：
本发明涉及一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，属于惯性导航技术/组合导航技术领域。
背景技术：
激光测速仪使用探测器通过多普勒原理检测回波频移量测量载体的速度，具有自主性高、测量精度高、可测范围广、动态性能好等优点。但是单独使用激光测速仪并不足以实现载体定位导航。视觉导航具有环境信息丰富且精确、实时性强的优点，但是存在纹理较少，场景无法有效提取特征点，无法处理快速运动过程中图像模糊，且在动态场景存在匹配错误等问题。将这两者与惯导系统组合能弥补惯导主系统的累积误差又能发挥各子系统的优势，实现全自主、高精度导航定位。
组合导航系统实际使用中惯导系统、激光测速仪和相机分别装在载体的不同位置。三种传感器分别获得不同坐标系下的数据，使用前需要对坐标系进行统一，这直接影响着后续的组合导航精度。坐标系统一需要标定测速仪安装角，相机外参等。考虑到离线标定测得的相应参数在会实际使用中会发生变化，需要算法进行在线标定。目前相关的文献方法中多为离线标定方法并没有统一的在线标定方法，本文提出了一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，解决了工程实际中惯导/相机/激光测速仪组合系统导航定位的基础问题。
发明内容：
1、目的：本发明的目的是提供了一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，实现在线标定激光测速仪安装角和标度因数误差、相机外参，旨在避免激光测速仪和相机离线标定的复杂过程，以减少系统在使用过程中已标定参数发生变化导致定位精度下降的问题。
2、技术方案：本发明为一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，该方法具体步骤如下：
步骤1、将惯导系统、相机和激光测速仪利用安装板分别固定到车体的质心、底部、前车窗中轴线上方位置上，装订惯导的导航计算机的初始经度、纬度、高度以及定义初始位置为相机的世界坐标系原点。
步骤2、启动惯导，进行预热，然后使用上位机采集惯导输出的车体角速率与比力信息。
步骤3、先对惯导进行粗对准，对准时长为1分钟。对采集到的数据使用双矢量定姿进行处理，完成捷联惯导的粗对准，初步确定载体的姿态角。粗对准后再利用卡尔曼滤波技术进行精对准，对准时长为5分钟。
步骤4、启动激光测速仪和相机，惯导系统由对准状态切换为导航状态，之后让载体开始运动。
步骤5、惯导、激光测速仪和相机使用上位机同时进行数据采集，采集惯导角速率和比力信息、激光测速仪速度信息和相机图像信息。
步骤6、由采集到的数据，计算车体不同运动状态下捷联惯导测量速度、测速仪测量速度和相机测量速度，获得惯导在导航坐标系下的速度估计
Figure BDA0003556306270000021
激光测速仪身在测速仪坐标系下的速度估计
Figure BDA0003556306270000022
相机在相机坐标系下的速度估计结果
Figure BDA0003556306270000023
步骤7、使用步骤6求得的速度估计结果作为滤波器的量测输入，构造滤波器将标定问题转换为优化问题进行优化，实时估计需要标定的参数。
步骤1—7分为三个阶段，步骤1—3为准备阶段，步骤4—6为数据采集处理阶段，步骤7为标定阶段。
其中，步骤6中所述的速度求解，具体实现过程说明如下：
将测得的比力和角速率通过惯导基本方程可以求得导航坐标系下速度
Figure BDA0003556306270000024
激光测速仪速度
Figure BDA0003556306270000025
在已知激光的波长λ，通过探测器测得回波信号的多普勒频移fd，并确定激光束与目标运动速度的夹角θ求解得到。即：
Figure BDA0003556306270000026
相机通过增量式地去恢复载体的位姿和速度，定义相机绕其z-y-x轴旋转的姿态角为
Figure BDA0003556306270000027
θv，γv，相机采集图像时间间隔为Δt，实际测得位移增量为
Figure BDA0003556306270000028
则相机测得在相机坐标系下速度可以表示为：
Figure BDA0003556306270000029
其中，步骤7中所述的构造滤波器，具体实现过程说明如下：
定义n为导航坐标系，b为载体坐标系，c为相机坐标系，l为激光测速仪坐标系。给出如下导航参数关系式：
Figure BDA0003556306270000031
Figure BDA0003556306270000032
Figure BDA0003556306270000033
Figure BDA0003556306270000034
表示为载体坐标系b到导航坐标系n之间的转换矩阵；
Figure BDA0003556306270000035
表示为相机坐标系c到载体坐标系b之间的转换矩阵；
Figure BDA0003556306270000036
表示为激光测速仪坐标系l到载体坐标系b之间的转换矩阵；
Figure BDA0003556306270000037
和
Figure BDA0003556306270000038
分别表示转换矩阵的计算值和真实值；
Figure BDA0003556306270000039
为失准角误差的反对称矩阵；δαcn(×)为相机与惯导安装失准角的反对称矩阵；δαln(×)激光测速仪与惯导安装失准角的反对称矩阵。I3×3为3×3维的单位矩阵。
考虑实际为车载平台，安装失准角不考虑横滚角误差。定义状态向量：
Figure BDA00035563062700000310
其中L为纬度，λ为经度，H为高度，
Figure BDA00035563062700000311
分别为东向、北向、天向失准角误差；δv＝[δvE δvN δvU]分别为东向、北向、天向速度误差；
Figure BDA00035563062700000312
为陀螺三轴常值漂移，
Figure BDA00035563062700000313
为三轴加速度计偏置，δψln、δθln为惯导与测速仪俯仰和航向安装失准角，δK为激光测速仪标度误差，δψcn、δθcn为相机与惯导安装失准角。
定义观测量：
Figure BDA00035563062700000314
其中
Figure BDA00035563062700000315
通过上述导航参数关系式化简、变换可得观测矩阵：
Figure BDA00035563062700000316
其中
Figure BDA0003556306270000041
为
Figure BDA0003556306270000042
的反对称矩阵，令
Figure BDA0003556306270000043
则
Figure BDA0003556306270000044
ν为载车系下速度。
3、优点及功效：本发明为一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，该方法的优点是利用惯导与激光测速仪组合导航系统输出速度精度高的特点对惯导/相机/激光测速仪在线联合精确标定，解决了惯导/相机/激光测速仪数据难以关联的问题,为惯导/相机/激光测速仪组合导航精度的提高提供了基础。
附图说明
图1为本发明惯导/相机/激光测速仪标定方法的器件安装示意图。
图2为本发明惯导/相机/激光测速仪标定方法的流程图。
图3为本发明惯导/相机/激光测速仪陀螺和加计标定结果图。
图4为本发明惯导/相机/激光测速仪安装误差角和标度误差标定结果图。
具体实施方式：
为更清楚详细信地阐述本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面将结合实施例对方法的整体流程进行阐述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于滤波器优化的惯导/相机/激光测速仪的联合标定方法。具体原理为通过构造滤波器将三种传感器间的安装失准角作为滤波器状态量，同时在传感器输出建模部分将三种传感器间的安装失准角纳入模型从而将标定问题转化为最优化问题。最后通过惯性导航测姿测速模块、视觉里程计测姿测速模块以及激光测速仪测速模块分别获取三种不同传感器在导航坐标系下的速度输出，两两做差构造量测向量，为所设计的滤波器提供量测信息以对作为滤波器状态量的三种滤波器间的安装失准角进行估计。
在本发明的第一实施方式中，提供一种惯导-相机-激光测速仪联合标定方法，请见图2所示；其具体步骤如下：
步骤1、标定。将惯导系统、相机和激光测速仪利用安装板分别固定到车体的质心、底部、前车窗中轴线上方位置上，利用UPS电源进行供电并通过计算机串口进行数据采集；见图1所示；通过上位机向惯导的导航计算机装订对准当地经度λ0(116.3434°)、纬度L0(39.9778°)、高度H0(0m)以及定义初始位置P0(λ0,L0,H0)为相机的世界坐标系原点；
步骤2、粗对准。启动惯导，进行预热，然后使用上位机采集惯导输出的车体角速率
Figure BDA0003556306270000051
与比力信息
Figure BDA0003556306270000052
其中*(i)表示第i时刻输出的信息。并使用
Figure BDA0003556306270000053
进行1分钟解析粗对准得到惯导系统初始姿态转换矩阵
Figure BDA0003556306270000054
Figure BDA0003556306270000055
其中
Figure BDA0003556306270000056
为1分钟内
Figure BDA0003556306270000057
序列的均值。
步骤3、精对准。利用卡尔曼滤波器进行精对准对惯导系统初始姿态失准角误差进行估计进一步提高对准精度。对准时长为5分钟。对准模型如下：
Figure BDA0003556306270000058
其中，
X＝[φE φN φU δvE δvN εN εU]T，W＝[wgE wgN wgU waE waN 0 0]T
Figure BDA0003556306270000059
Figure BDA00035563062700000510
其中φE，φN，φU分别为惯导系统东向、北向、天向失准角；δvE，δvN，分别为东向、北向速度误差；εN，εU分别为等效北向、等效天向陀螺常值漂移；wgE，wgN，wgU，waE，waN分别为陀螺等效东向、北向、天向白噪声与加速度计等效东向、北向、天向白噪声，其大小为载体系下器件白噪声值在东向、北向、天向的分量。
步骤4、启动激光测速仪和相机，惯导系统由对准状态切换为导航状态，之后让车体开始运动。
步骤5、惯导、激光测速仪和相机使用上位机同时进行数据采集，采集惯导比力
Figure BDA0003556306270000061
和角速率信息
Figure BDA0003556306270000062
激光测速仪速度信息
Figure BDA0003556306270000063
和相机图像信息。
步骤6、由采集到的数据，计算惯导在导航坐标系下的速度
Figure BDA0003556306270000064
激光测速仪身在测速仪坐标系下的速度
Figure BDA0003556306270000065
相机在相机坐标系下的速度结果
Figure BDA0003556306270000066
步骤7、使用步骤6求得的速度作为滤波器的量测输入，构造滤波器将标定问题转换为优化问题进行优化，实时估计需要标定的参数。
步骤1—7分为三个阶段，步骤1—3为准备阶段，步骤4—6为数据采集处理阶段，步骤7为标定阶段。
其中，步骤6中所述的速度求解，具体实现过程说明如下：
将测得的比力和角速率通过惯导基本方程可以求得导航坐标系下速度
Figure BDA0003556306270000067
激光测速仪速度
Figure BDA0003556306270000068
在已知激光的波长λ，通过探测器测得回波信号的多普勒频移fd，并确定激光束与目标运动速度的夹角θ求解得到。即：
Figure BDA0003556306270000069
相机通过增量式地去恢复载体的位姿和速度，定义相机绕其z-y-x轴旋转的姿态角为
Figure BDA00035563062700000610
θv，γv，相机采集图像时间间隔为Δt，实际测得位移增量为
Figure BDA00035563062700000611
则相机测得在相机坐标系下速度可以表示为：
Figure BDA00035563062700000612
其中，步骤7中所述的构造滤波器，具体实现过程说明如下：
定义n为导航坐标系，b为载体坐标系，c为相机坐标系，l为激光测速仪坐标系。给出如下导航参数关系式：
Figure BDA0003556306270000071
Figure BDA0003556306270000072
Figure BDA0003556306270000073
Figure BDA0003556306270000074
表示为载体坐标系b到导航坐标系n之间的转换矩阵；
Figure BDA0003556306270000075
表示为相机坐标系c到载体坐标系b之间的转换矩阵；
Figure BDA0003556306270000076
表示为激光测速仪坐标系l到载体坐标系b之间的转换矩阵；
Figure BDA0003556306270000077
和
Figure BDA0003556306270000078
分别表示转换矩阵的计算值和真实值；
Figure BDA0003556306270000079
为失准角误差的反对称矩阵；δαcn(×)为相机与惯导安装失准角的反对称矩阵；δαln(×)激光测速仪与惯导安装失准角的反对称矩阵。I3×3为3×3维的单位矩阵。
考虑实际为车载平台，不考虑横滚方向的安装失准角误差。定义状态向量：
Figure BDA00035563062700000710
其中L为纬度，λ为经度，H为高度，
Figure BDA00035563062700000711
分别为东向、北向、天向失准角误差；δv＝[δvE δvN δvU]分别为东向、北向、天向速度误差；
Figure BDA00035563062700000712
为陀螺三轴常值漂移，设置值为：0.01°/h；
Figure BDA00035563062700000713
为三轴加速度计偏置，设置值为100ug；δψln、δθln为惯导与测速仪偏航和俯仰安装失准角，设置值分别为0.2°和0.3°；δK为激光测速仪标度误差，设置为0.002；δψcn、δθcn为相机与惯导偏航和俯仰安装失准角，设置值分别为0.5°和0.4°。
定义观测量：
Figure BDA00035563062700000714
其中
Figure BDA00035563062700000715
通过上述导航参数关系式化简、变换可得观测矩阵：
Figure BDA00035563062700000716
其中
Figure BDA0003556306270000081
为
Figure BDA0003556306270000082
的反对称矩阵，令
Figure BDA0003556306270000083
则
Figure BDA0003556306270000084
ν为载车系下速度。
图3为惯导三轴加速度计和三轴陀螺的标定结果图；图3左图可以看出进标定后三轴加速度计常值偏置结果收敛于100ug附近，与预设值基本一致。右图可以看出进标定后三轴陀螺常值漂移结果收敛于0.01°/h附近，与预设值基本一致，表示本发明能够有效的标定两者误差；图4为安装误差角和标度误差标定结果图。
图4第一幅小图表示为激光测速仪偏航安装角误差，结果收敛于0.2°附近，第二幅小图表示为激光测速仪标度误差，结果收敛于0.02附近，第三幅小图表示为激光测速仪俯仰安装角误差，结果收敛于0.3°附近，第四幅小图表示为相机偏航安装角误差，结果收敛于0.5°附近，第五幅小图表示为相机俯仰安装角误差，结果收敛于0.4°附近，均与预设值基本一致，表示本发明能够有效地对安装误差角和刻度误差进行标定。

Claims (6)

1.一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤1、将惯导系统、相机和激光测速仪利用安装板分别固定到车体的质心、底部、前车窗中轴线上方位置上，装订惯导的导航计算机的初始经度、纬度、高度以及定义初始位置为相机的世界坐标系原点；
步骤2、启动惯导，进行预热，然后使用上位机采集惯导输出的车体角速率与比力信息；
步骤3、先对惯导进行粗对准，对准时长为1分钟；对采集到的数据使用双矢量定姿进行处理，完成捷联惯导的粗对准，初步确定载体的姿态角；粗对准后再利用卡尔曼滤波方法进行精对准，对准时长为5分钟；
步骤4、启动激光测速仪和相机，惯导系统由对准状态切换为导航状态，之后让载体开始运动；
步骤5、惯导、激光测速仪和相机使用上位机同时进行数据采集，采集惯导角速率和比力信息、激光测速仪速度信息和相机图像信息；
步骤6、由采集到的数据，计算车体不同运动状态下捷联惯导测量速度、测速仪测量速度和相机测量速度，获得惯导在导航坐标系下的速度估计
Figure FDA0003556306260000011
激光测速仪身在测速仪坐标系下的速度估计
Figure FDA0003556306260000012
相机在相机坐标系下的速度估计结果
Figure FDA0003556306260000013
步骤7、使用步骤6求得的速度估计结果作为滤波器的量测输入，构造滤波器将标定问题转换为优化问题进行优化，实时估计需要标定的参数。
2.根据权利要求1所述的一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，其特征在于：在步骤2中，车体角速率为
Figure FDA0003556306260000014
比力信息为
Figure FDA0003556306260000015
其中，*(i)表示第i时刻输出的信息，并使用
Figure FDA0003556306260000016
进行1分钟解析粗对准得到惯导系统初始姿态转换矩阵
Figure FDA0003556306260000017
Figure FDA0003556306260000018
其中
Figure FDA0003556306260000019
为1分钟内
Figure FDA00035563062600000110
序列的均值。
3.根据权利要求1所述的一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，其特征在于：在步骤3中，对准模型如下：
Figure FDA0003556306260000021
其中，
X＝[φE φN φU δvE δvN εN εU]T，W＝[wgE wgN wgU waE waN 0 0]T
Figure FDA0003556306260000022
Figure FDA0003556306260000023
其中，φE，φN，φU分别为惯导系统东向、北向、天向失准角；δvE，δvN，分别为东向、北向速度误差；εN，εU分别为等效北向、等效天向陀螺常值漂移；wgE，wgN，wgU，waE，waN分别为陀螺等效东向、北向、天向白噪声与加速度计等效东向、北向、天向白噪声，大小为载体系下器件白噪声值在东向、北向、天向的分量。
4.根据权利要求1所述的一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，其特征在于：步骤6中所述的速度求解，具体实现过程说明如下：
将测得的比力和角速率通过惯导基本方程求得导航坐标系下速度
Figure FDA0003556306260000024
激光测速仪速度
Figure FDA0003556306260000025
在已知激光的波长λ，通过探测器测得回波信号的多普勒频移fd，并确定激光束与目标运动速度的夹角θ求解得到；即：
Figure FDA0003556306260000026
相机通过增量式地去恢复载体的位姿和速度，定义相机绕其z-y-x轴旋转的姿态角为
Figure FDA0003556306260000027
θv，γv，相机采集图像时间间隔为Δt，实际测得位移增量为
Figure FDA0003556306260000028
则相机测得在相机坐标系下速度表示为：
Figure FDA0003556306260000031
5.根据权利要求1所述的一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，其特征在于：步骤7中所述的构造滤波器，具体实现过程说明如下：
定义n为导航坐标系，b为载体坐标系，c为相机坐标系，l为激光测速仪坐标系；给出如下导航参数关系式：
Figure FDA0003556306260000032
Figure FDA0003556306260000033
Figure FDA0003556306260000034
Figure FDA0003556306260000035
表示为载体坐标系b到导航坐标系n之间的转换矩阵；
Figure FDA0003556306260000036
表示为相机坐标系c到载体坐标系b之间的转换矩阵；
Figure FDA0003556306260000037
表示为激光测速仪坐标系l到载体坐标系b之间的转换矩阵；
Figure FDA0003556306260000038
和
Figure FDA0003556306260000039
分别表示转换矩阵的计算值和真实值；
Figure FDA00035563062600000310
为失准角误差的反对称矩阵；δαcn(×)为相机与惯导安装失准角的反对称矩阵；δαln(×)激光测速仪与惯导安装失准角的反对称矩阵；I3×3为3×3维的单位矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种惯导/相机/激光测速仪在线联合标定方法，其特征在于：考虑实际为车载平台，安装失准角不考虑横滚角误差；定义状态向量：
Figure FDA00035563062600000311
其中，L为纬度，λ为经度，H为高度，
Figure FDA00035563062600000312
分别为东向、北向、天向失准角误差；δv＝[δvE δvN δvU]分别为东向、北向、天向速度误差；
Figure FDA00035563062600000313
为陀螺三轴常值漂移，
Figure FDA00035563062600000314
为三轴加速度计偏置，δψln、δθln为惯导与测速仪俯仰和航向安装失准角，δK为激光测速仪标度误差，δψcn、δθcn为相机与惯导安装失准角；
定义观测量：
Figure FDA0003556306260000041
其中，
Figure FDA0003556306260000042
通过上述导航参数关系式化简、变换得到观测矩阵：
Figure FDA0003556306260000043
其中，
Figure FDA0003556306260000044
为
Figure FDA0003556306260000045
的反对称矩阵，令
Figure FDA0003556306260000046
则
Figure FDA0003556306260000047
ν为载车系下速度。
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