CN108106637A - 一种分布式pos的精度检校方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式POS的精度检校方法和装置，首先标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标，测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿；将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出第一子节点和第二子节点之间的基线长度和基线角度；检校分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据的精度。该方法和装置，具有精度高、抗干扰能力强的特点，可用于对目前低精度、高精度分布式组合导航系统进行位姿精度检校。
Description
技术领域
本发明涉及分布式测量领域，具体涉及一种分布式POS的精度检校方法和装置。
背景技术
高精度POS由惯性测量单元(Inertial measurement Unit,IMU)、导航计算机系统(POS Computer System，PCS)和GPS(Global Positioning System)组成。高精度POS可以为高分辨率航空遥感系统提供高频、高精度的时间、空间及精度信息，通过运动误差补偿提高成像精度和效率，是实现高分辨率成像的关键。
我国在单POS成像方面取得了一定进展，但是由于对地观测载荷的需求牵引，如集成高分辨测绘相机、全谱段成像光谱仪、SAR雷达于同一载体的多任务载荷，机载分布式阵列天线SAR和柔性多基线干涉SAR以及舰载稀疏阵列成像雷达等，多个或多种载荷安装在飞机不同位置，采用传统的单一POS无法实现多点的高精度位置姿态测量以及各载荷数据的时间统一。
分布式POS即在机身安装高精度IMU作为主节点，在机翼上每个成像载荷处安装一个低精度IMU作为子节点。在飞机飞行过程中，主、子节点分别测量各节点处的位置、姿态数据，通过将主节点高精度的数据经杆臂补偿等手段传递给子节点，用于提高子节点处的位姿测量精度。实现对多个成像载荷完成运动补偿。
可见，分布式POS在多载荷、立体成像方面起着至关重要的作用，而测量精度是决定分布式POS测量性能的关键指标，对于分布式POS进行有效的精度检校也是本领域亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明提出一种分布式POS的精度检校方法和装置，用以解决现有技术中缺乏对分布式POS进行有效精度检校技术的问题。
本发明用于解决技术问题的技术方案为：
一种分布式POS的精度检校方法，包括步骤：
标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；
所述第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标，测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿；
将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出所述第一子节点和所述第二子节点之间的基线长度和基线角度；
检校分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据的精度。
优选地，标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系，具体包括：
将第三靶标和第四靶标静态放置作为标定靶标，并预先标定出第三靶标和第四靶标上的特征点在同一世界坐标系的空间三维坐标；
第一相机和第二相机分别拍摄第三靶标和第四靶标，各获取一幅图像，由第三靶标和第四靶标上多个特征点之间构建的矢量与距离关系，标定出所述第一相机和第二相机之间的位姿关系。
优选地，由第三靶标和第四靶标上多个特征点之间构建的矢量与距离关系、标定出第一相机和第二相机之间的位姿关系，具体包括步骤：
由第三靶标和第四靶标上任意点构建的矢量夹角在物坐标系和相机坐标系相等建立角度关系式：
其中，为物坐标系中靶标a、b中0、1点分别构建的单位矢量； 为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中0、1点分别构建的单位矢量；
由第三靶标和第四靶标上第i特征点的连线距离在物坐标系和相机坐标系相等建立位置关系式：
其中，为物坐标系中第三靶标和第四靶标中i点坐标；为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中i点在相机坐标系的坐标。
优选地，第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标之前还包括步骤：
将两个子IMU安装于对应的安装节点上，第一子IMU安装于第一子节点，将第二子IMU安装于第二子节点；
将第一子节点靶标与第一子IMU刚性固连，将第二子节点靶标与第一子IMU刚性固连。
优选地，测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿，具体包括：
第一相机和第二相机同时分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标；将第一子节点对应的第一相机的坐标系作为测量坐标系，基于正交矢量和动态滤波的联合标定法得到第一子节点靶标与第一子IMU以及第二子节点靶标和第二子IMU之间的相对位姿，将测得的第一子节点靶标信息和第二子节点靶标信息转换成对应的第一子IMU和第二子IMU的位姿信息。
本发明还公开一种分布式POS的精度检校装置，包括第一相机、第二相机、第一子节点靶标、第二子节点靶标、标定模块、测量模块和检校模块；
所述标定模块，用于标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；
所述第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标，所述测量模块，用于测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿；
所述检校模块，用于将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出所述第一子节点和所述第二子节点之间的基线长度和基线角度；检校分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据的精度。
优选地，该装置还包括第三靶标、第四靶标：
将第三靶标和第四靶标静态放置作为标定靶标，并预先标定出第三靶标和第四靶标上的特征点在同一世界坐标系的空间三维坐标；
所述第一相机和第二相机分别拍摄所述第三靶标和第四靶标，各获取一幅图像，由第三靶标和第四靶标上多个特征点之间构建的矢量与距离关系，标定出所述第一相机和第二相机之间的位姿关系。
优选地，标定模块，用于：
由第三靶标和第四靶标上任意点构建的矢量夹角在物坐标系和相机坐标系相等建立角度关系式：
其中，为物坐标系中靶标a、b中0、1点分别构建的单位矢量； 为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中0、1点分别构建的单位矢量；
由第三靶标和第四靶标上第i特征点的连线距离在物坐标系和相机坐标系相等建立位置关系式：
其中，为物坐标系中第三靶标和第四靶标中i点坐标；为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中i点在相机坐标系的坐标。
优选地，该装置还包括第一子IMU、第二子IMU：
第一子IMU安装于第一子节点，第二子IMU安装于第二子节点；
第一子节点靶标与第一子IMU刚性固连，第二子节点靶标与第二子IMU刚性固连。
优选地，该装置中所述第一相机和第二相机用于同时分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标；
所述测量模块，用于将第一子节点对应的第一相机的坐标系作为测量坐标系，基于正交矢量和动态滤波的联合标定法得到第一子节点靶标与第一子IMU以及第二子节点靶标和第二子IMU之间的相对位姿，将测得的第一子节点靶标信息和第二子节点靶标信息转换成对应的第一子IMU和第二子IMU的位姿信息；
所述检校模块，用于由标定的第一相机和第二相机的位姿关系统一测量基准，计算第一子节点和第二子节点之间的基线长度和基线角度，对分布式POS的测量精度进行检校。
本发明与现有技术相比所能达到的技术效果为：
本发明针对分布式POS精度检校的问题，首先标定出无公共视场的两个相机的相对位姿关系，测量两个子节点分别在相机坐标系中的位姿、位姿数据统一到一个测量基准坐标系后，计算出两个子节点之间的基线长度和基线角度对分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据进行检校，使用视觉测量手段测量位姿变化，实现非接触、高频率、高精度的测量，使用已标定坐标的两靶标标定多相机的位姿关系，使相机放置不受空间约束，扩展了测量范围。并且该方法避免了传统光纤光栅等测量方法需要复杂的机翼挠曲建模过程，可以对实际工程应用中的大型结构件多点位姿、形变、震动等测量，并且通过扩展相机的数量，实现对更多子节点的检校，可用于对目前低精度、高精度分布式组合导航系统进行位姿精度检校。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的分布式POS的精度检校方法和装置的一个实施例的硬件系统组成示意图；
图2为本发明一个实施例的相机标定示意图；
图3为本发明分布式POS的精度检校方法的一个实施例的流程示意图。
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做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。
本发明公开了一种分布式POS的精度检校方法和装置，该方法包括步骤：标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标，测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿；将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出第一子节点和第二子节点之间的基线长度和基线角度；检校分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据的精度。
本发明公开的分布式POS的精度检校装置，主要包括第一相机、第二相机、第一子节点靶标、第二子节点靶标、标定模块、测量模块和检校模块；标定模块，用于标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标，测量模块，用于测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿；检校模块，用于将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出第一子节点和第二子节点之间的基线长度和基线角度，并检校分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据的精度。
参见图1、图2所示，作为一种可实施方式，本发明的系统基本组成包括第一相机111、第二相机112、第一子节点靶标113、第二子节点靶标114、主IMU110、两子IMU、PCS、GPS(PCS、GPS图中未示出)和分布式系统安装结构。
两个子IMU即为第一子IMU115和第二子IMU116。主IMU安装在结构中心点作为主节点；两个子IMU分别和两个靶标113/114固连，安装在结构上待测节点处，作为子节点；主、子节点和GPS都连通PCS，组成分布式POS系统；两个相机分别拍摄两个子节点。相机和IMU的时间同步都通过GPS秒脉冲实现。
下面列举本发明分布式POS的精度检校方法的一个实施例，其具体实施步骤如下：
步骤S11：首先搭建分布式POS的精度检校试验环境，将主节点(高精度IMU)及两个子节点(低精度IMU)安装在柔性结构架的对应安装节点上，将经由高精度加工的视觉靶标(第一子节点靶标和第二子节点靶标)分别和子IMU的一面刚性固连。每个相机拍摄一个靶标。
步骤S12：另将第三靶标a和第四靶标b静态放置作为标定靶标，并预先标定出第三靶标a、第四靶标b上特征点在同一世界坐标系的空间三维坐标。相机111、112分别拍摄靶标a、b，各获取一幅图像，由靶标a、b上多个点之间构建的矢量与距离关系，标定出相机111、112之间的位姿关系。
两相机标定，采用静止的两靶标a、b，使用激光跟踪仪标定出靶标上a、b所有特征点的三维坐标。设相机111坐标系为测量坐标系，靶标a、b特征点在世界坐标系坐标分别记为ai(i＝1,...,9)、bi(i＝1,...,9)。相机111、112之间的位置、姿态关系记为靶标a的特征点在相机112坐标系坐标记为靶标b的特征点在相机111坐标系坐标记为
①首先构造矢量标定相机111、112之间的姿态关系
由a0、a1在靶标坐标系坐标建立单位矢量同理可得单位矢量两矢量间有夹角θ1：
同时由正交迭代算法(OI算法)计算出特征点a0，a1在相机112坐标系坐标为建立矢单位量同理可得相机111下单位矢量靶标a在相机112坐标系上特征矢量经旋转变换可转到相机111坐标系下：
在测量坐标系下，矢量之间有角度
将代入上式有：
因为和θ1相等：
上式中只有未知，令下标011,012,013分别表示矢量在X、Y、Z轴的分量，rij为第i行j列元素；则可将上式改写为：
上式展开得：
靶标a、b上任意两个特征点可构造矢量。任意两个矢量可建立上式。即可以解出
②然后由靶标a、b上特征点间距离关系标定相机1、2间位置关系
靶标a、b上两特征点i间距离d在物坐标系w表示为：
靶标a上特征点ai在相机112坐标系坐标经旋转平移变换可转到相机111坐标系下：
靶标a、b上任意两特征点间距离在相机坐标系表示为：
由此可得位置标定关系式：
上式已由①中计算出来，只有未知，且未知数个数为3，通过子靶标上3个点建立方程组，即可解出
步骤S13：标定好相对关系的相机111、112分别拍摄子节点的对应靶标第一子节点靶标113、第二子节点靶标114。基于正交矢量和动态滤波的联合标定法得到子节点处靶标和子IMU之间的相对位姿，将测得的靶标信息转换成子节点的位姿信息；由标定的两相机关系统一测量基准，计算子节点1、2之间的基线长度，基线角度(基线与水平面夹角)。
使用标定好相对关系的两相机分别拍摄两个子节点处靶标平面，得到靶标相对相机坐标系位姿变化量，然后使用基于正交矢量和动态滤波的联合标定法标定出IMU和对应靶标之间的相对位姿关系。
①以相机111坐标系为测量坐标系，子节点115在相机111坐标系的位置、姿态记为cR1,cT1，子节点116在相机112坐标系的位置、姿态记为R2,T2。由步骤(2)中标定出的相机111、112之间的相对位置、姿态关系可得子节点116在测量坐标系的位置关系cT2：
基线长度l测量：
基线角度α：
式中cT2z,cT1z分别是cT2,cT1的Z轴分量。
②同时分布式POS可以输出子节点115、116各自在地理坐标下的位置和姿态。子节点由低精度惯性器件组成，测量精度较低，因此将高精度主节点的位姿信息经由杆臂信息传递给子节点，提高子节点位姿精度。在此基础上计算出两个子节点之间的基线长度和角度记为lb、αb。
③由①中测量出的l、α，检校分布式POS测量出的lb、αb的精度△l、△α：
参见图3所示，作为一种可实施方式，本发明的检校方法也可以概括为图3所示的三个主要步骤，包括使用矢量间角度干系标定两相机之间的相对姿态；使用特征点距离关系规定两相机之间的相对位置，将两相机分别测量的子节点的位置、姿态转到测量坐标系下，并检校分布式POS测量的基线长度、角度数据。
综上，本发明公开的一种分布式POS的精度检校方法和装置，首先通过单目视觉完成对单个子节点的位姿测量，使用已标定相对关系的两子靶标标定出两个相机的相对位姿关系，统一坐标系后，获取两个子节点间的相对位姿，实现对两子节点间基线长度和角度的测量。并对分布式POS测量出的基线数据进行精度检校。其使用视觉测量手段实现位姿测量，克服传统无公共视场的多相机标定方法受空间限制的缺点，使用高精度三维坐标测量仪器事先标定两靶标上坐标点坐标，再标定两相机位姿；使得具有精度高、抗干扰能力强的特点，扩展了应用场景，可用于在地面对目前分布式低精度、高精度惯性产品进行位姿精度检校。
Claims (10)
1.一种分布式POS的精度检校方法，其特征在于，包括步骤：
标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；
所述第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标，测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿；
将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出所述第一子节点和所述第二子节点之间的基线长度和基线角度；
检校分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据的精度。
2.根据权利要求1所述的一种分布式POS的精度检校方法，其特征在于，所述步骤标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系，具体包括：
将第三靶标和第四靶标静态放置作为标定靶标，并预先标定出第三靶标和第四靶标上的特征点在同一世界坐标系的空间三维坐标；
所述第一相机和第二相机分别拍摄所述第三靶标和第四靶标，各获取一幅图像，由第三靶标和第四靶标上多个特征点之间构建的矢量与距离关系，标定出所述第一相机和第二相机之间的位姿关系。
3.根据权利要求2所述的一种分布式POS的精度检校方法，其特征在于，所述步骤由第三靶标和第四靶标上多个特征点之间构建的矢量与距离关系、标定出所述第一相机和第二相机之间的位姿关系，具体包括步骤：
由第三靶标和第四靶标上任意点构建的矢量夹角在物坐标系和相机坐标系相等建立角度关系式：
其中，为物坐标系中靶标a、b中0、1点分别构建的单位矢量； 为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中0、1点分别构建的单位矢量；
由第三靶标和第四靶标上第i特征点的连线距离在物坐标系和相机坐标系相等建立位置关系式：
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其中，为物坐标系中第三靶标和第四靶标中i点坐标；为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中i点在相机坐标系的坐标。
4.根据权利要求1所述的一种分布式POS的精度检校方法，其特征在于，所述步骤所述第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标之前还包括步骤：
将两个子IMU安装于对应的安装节点上，第一子IMU安装于第一子节点，将第二子IMU安装于第二子节点；
将第一子节点靶标与第一子IMU刚性固连，将第二子节点靶标与第一子IMU刚性固连。
5.根据权利要求4所述的一种分布式POS的精度检校方法，其特征在于，所述步骤测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿，包括：
所述第一相机和第二相机同时分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标；将第一子节点对应的第一相机的坐标系作为测量坐标系，基于正交矢量和动态滤波的联合标定法得到第一子节点靶标与第一子IMU以及第二子节点靶标和第二子IMU之间的相对位姿，将测得的第一子节点靶标信息和第二子节点靶标信息转换成对应的第一子IMU和第二子IMU的位姿信息。
6.一种分布式POS的精度检校装置，其特征在于，包括第一相机、第二相机、第一子节点靶标、第二子节点靶标、标定模块、测量模块和检校模块；
所述标定模块，用于标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；
所述第一相机和第二相机分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标，所述测量模块，用于测量第一子节点和第二子节点分别在相机坐标系中的位姿；
所述检校模块，用于将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出所述第一子节点和所述第二子节点之间的基线长度和基线角度；检校分布式POS测量出的基线长度和基线角度数据的精度。
7.根据权利要求6所述的一种分布式POS的精度检校装置，其特征在于，还包括第三靶标、第四靶标：
将第三靶标和第四靶标静态放置作为标定靶标，并预先标定出第三靶标和第四靶标上的特征点在同一世界坐标系的空间三维坐标；
所述第一相机和第二相机分别拍摄所述第三靶标和第四靶标，各获取一幅图像，由第三靶标和第四靶标上多个特征点之间构建的矢量与距离关系，标定出所述第一相机和第二相机之间的位姿关系。
8.根据权利要求7所述的一种分布式POS的精度检校装置，其特征在于，所述标定模块，用于：
由第三靶标和第四靶标上任意点构建的矢量夹角在物坐标系和相机坐标系相等建立角度关系式：
其中，为物坐标系中靶标a、b中0、1点分别构建的单位矢量； 为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中0、1点分别构建的单位矢量；
由第三靶标和第四靶标上第i特征点的连线距离在物坐标系和相机坐标系相等建立位置关系式：
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其中，为物坐标系中第三靶标和第四靶标中i点坐标；为第二相机和第一相机所拍摄的第三靶标和第四靶标中i点在相机坐标系的坐标。
9.根据权利要求6所述的一种分布式POS的精度检校装置，其特征在于，还包括第一子IMU、第二子IMU：
第一子IMU安装于第一子节点，第二子IMU安装于第二子节点；
第一子节点靶标与第一子IMU刚性固连，第二子节点靶标与第二子IMU刚性固连。
10.根据权利要求9所述的一种分布式POS的精度检校装置，其特征在于：
所述第一相机和第二相机用于同时分别拍摄第一子节点靶标和第二子节点靶标；
所述测量模块，用于将第一子节点对应的第一相机的坐标系作为测量坐标系，基于正交矢量和动态滤波的联合标定法得到第一子节点靶标与第一子IMU以及第二子节点靶标和第二子IMU之间的相对位姿，将测得的第一子节点靶标信息和第二子节点靶标信息转换成对应的第一子IMU和第二子IMU的位姿信息。
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