基于對視攝像測量和激光測距的相對位姿變化測量方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明主要利用攝像測量和激光測距技術(shù)高精度、簡單快速的優(yōu)點，測量兩個剛 體之間的相對位姿變化。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各個領域?qū)y量相對位姿變化的需求越來越迫切，比如由 于船體變形、地面沉降、外力作用等因素導致剛體基座之間的相對變形，從而影響剛體基座 上測量設備的測量精度。因此開發(fā)高精度、穩(wěn)定性及自動化的相對位姿變化測量系統(tǒng)有著 重要的理論意義和應用價值。
[0003] 近年來，基于計算機視覺技術(shù)的相對位姿變化測量方法發(fā)展迅速。單目位姿估計 算法需要剛體具備3個W上已知結(jié)構(gòu)的特征點，并由于相機成像模型等因素限制，單目位姿 估計在長焦距、遠距離測量條件下精度明顯降低，特別是沿攝像機光軸方向上的位移測量 精度一般遠低于垂直光軸方向上的位移測量精度。為了提高沿攝像機光軸方向上的位移測 量精度，通過在沿攝像機光軸方向上加裝一個高精度的激光測距傳感器，組成單目攝像 機-激光測距傳感器位姿測量系統(tǒng)。但是單目攝像機-激光測距傳感器位姿測量系統(tǒng)對待測 目標結(jié)構(gòu)存在要求，一般需要選擇合作目標坐標系中的特殊表面(如平面等)來接收激光光 斑，從而實現(xiàn)合作目標的相對位姿變化測量。在實際測量情況中，往往不具備合作目標，導 致該方法無法有效實施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，特提出一種基于對視攝像測量和激光測距的相對位姿變化測量 方法。
[000引本方法利用固聯(lián)像機與激光測距儀構(gòu)成測量單元，兩個測量單元分別安裝在各自 的剛體上，創(chuàng)新性地通過相互對視拍攝測量剛體之間的相對位姿變化，其中激光測距儀用 于高精度地測出兩個剛體之間的平移向量，像機則用于測量兩個剛體之間的角度變化。采 用測量單元相互拍攝的方式，構(gòu)成相對位姿變化測量的閉合回路，有效地提高了兩個剛體 之間的相對位姿變化測量精度。該方法不要求事先已知固聯(lián)標志的坐標，而直接通過2個及 W上標志點圖像坐標的增量來解算相對變形量，簡單高效。本發(fā)明可用于剛體之間的相對 位姿變化實時測量，具有重要的理論研究意義和廣泛的應用前景。
[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用攝像測量技術(shù)和激光測距技術(shù)高精度快速的測 量兩剛體之間的相對姿態(tài)變化。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：由激光測距儀和高速攝像機固聯(lián)組成測量單元，兩套測量 單元構(gòu)成相對位姿變化測量系統(tǒng)，如圖1所示。事先在實驗室內(nèi)調(diào)整使激光測距儀出光點與 攝像機光屯、位置盡量接近，并保證激光測距儀光束與攝像機的光軸基本平行。攝像機通過 互相拍攝標志點和激光測距來測量攝像單元之間的相對形變。從剛體之間相對位姿變化來 說，可W假定其中一個測量單元固定，另一個測量單元相對該固定單元發(fā)生形變。假設像機 2所在的測量單元固定不動，像機1所在的測量單元相對像機2運動，即所有相對變形都發(fā)生 在像機1所在的測量單元上。分為W下兩步:首先利用激光測距儀高精度地測出兩個剛體之 間的平移向量，然后通過互視像機計算兩個剛體之間的相對旋轉(zhuǎn)角，從而獲得剛體之間六 自由度的相對位姿變化。
[0008] 本發(fā)明提出的測量相對位姿變化方法按W下步驟進行： 1) 通過對視2號像機觀測對視1號像機光屯、的像點移動，結(jié)合激光測距信息得到對視1 號像機在對視2號像機系中的平移量，然后利用標定時刻對視1號和對視2號像機的相對關 系得到對視1號像機相對于自身的平移量； 2) 再利用上一步中得到的對視1號像機平移量來對其所觀測的與對視2號像機相固聯(lián) 的對頂角標志像點坐標進行補償，從而抵消掉由平移運動產(chǎn)生的像點變化； 3) 最后利用補償后的對頂角標志像點坐標偏移來確定對視1號像機相對于自身的姿態(tài) 變化量，并最終確定完整的相對變形《凝:。
[0009] 2相對位姿變化測量的基本原理： W下詳細介紹剛體之間相對位姿變化的測量步驟： 1)假設發(fā)生變形W后對視1號像機的光屯、像點坐標偏移如圖2所示，標定時刻的激光測 距值為ro,此時的激光測距值為r，由于激光測距儀的朝向與像機光軸基本一致，因此激光 測距值的變化量化=(r-r〇)基本上等于對視1號像機光屯、深度的變化量，則在已知光屯、像點 坐標偏移(dx，dy)W及2號像機等效焦距fx_2,fy_2的情況下，容易推得對視1號像機光屯、在 對視2號像機系中的平移量為
上式得到的還只是對視1號像機光屯、在對視2號像機系中的平移量，結(jié)合標定時刻1號和2號像機的相對關系就可^得到對視1號像機光屯、相對于自身坐標系的平移量，如下式
其中鶴觀為標定時刻1號和2號像機之間的相對關系。
[0010] 2 )上一步中已經(jīng)得到了對視1號像機相對于自身坐標系的平移量 麵X，.揖:;漏Λ穿，可W想象，運一平移運動也可W看作是對視巧像機不動，而與對視2號 像機固聯(lián)的對頂角標志在1號像機系中平移了ΙΗ綻片敍?f緝互'f，因此對視1號像機自 身的平移運動給運些對頂角標志在其圖像上的像點帶來的變化為
(3) 其中fx_i,fx_i為對視1號像機的等效焦距。為了抵消自身平移運動的影響，先在1號像 機觀測到的各對頂角標志像點坐標的基礎上減去式(3)所示的像點偏移量W為補償，然后 再利用補償后的對頂角像點坐標去進行后續(xù)的姿態(tài)變化量解算。
[0011] 3)假定對視1號像機自身的姿態(tài)依次發(fā)生滾轉(zhuǎn)、偏航和俯仰的變化，則會造成標志 像點坐標發(fā)生的偏移 其中C為對視1號像機的主點。 像機的滾轉(zhuǎn)角可W直接利用標定時刻標志像點坐標轉(zhuǎn)(舞識I)和當前時刻補償后的標 志像點坐標輪^ (錢^ ,給）解算得到，當然僅僅利用單個點，比方說(賴獻 ' )來估計像機 的滾轉(zhuǎn)角顯然是不準確的，因為像點還發(fā)生了平移，如圖3所示。但是利用兩個點的連線（ IT考渡涕i;;·氣:.:挺0之間的夾角就可W排開像點平移的影響而單純得到像機的滾轉(zhuǎn)角。 已知兩個標志P1和P2在變形前后兩個時刻的像點坐標，可W通過下式來計算像機的滾轉(zhuǎn)角 丫。
為了提高算法的抗噪能力，在實際進行解算時是取任意兩個點變形前后兩時刻的像點 都算一個滾轉(zhuǎn)角，然后算得的所有滾轉(zhuǎn)角取平均值為最終的滾轉(zhuǎn)角丫。 在得到像機滾轉(zhuǎn)角的基礎上，將未變形時刻的標志像點坐標繞主點旋轉(zhuǎn)丫，再利用旋 轉(zhuǎn)之后的標志像點坐標1?1(椒游）與當前時刻補償后的標志像點坐標玲Γ(轉(zhuǎn)'總，）來解 算得到像機的偏航角α和俯仰角β。假設已知某標志點旋轉(zhuǎn)之后的坐標耗，W及當前時刻觀 測的坐標挺'，可W通過下式算得像機的偏航角α和俯仰角β:
(5) 為提高算法的抗噪能力，在實際中是利用所有標志像點平移量的均值來解算像機偏航 角曰和俯仰角β。 接著可按下列式得到對視1號像機相對于自身的旋轉(zhuǎn)矩陣
再結(jié)合式(4)算得的光必平移，可W得到對視1號像機相對于自身的相對變形量鳴擊擊;；
(8) 其中向量3裝為式(2 >中的pc; >;鶴'，澈y。
[0012 ] 3本發(fā)明可W達到W下的技術(shù)效果： 1) 非接觸測量剛體之間的相對位姿變化，可用于修正補償剛體的相對變形； 2) 可W實現(xiàn)實時測量，相對位姿變化測量結(jié)果精度高； 3) 不要求事先已知剛體固聯(lián)標志的坐標，而直接通過2個及W上標志點圖像坐標的增 量來解算剛體之間的相對變形量，簡單高效； 4) 設備通用性強，方便使用，對待測剛體結(jié)構(gòu)沒有要求；