一种基于拼接图像的巡视器定位方法技术

本发明专利技术公开一种基于拼接图像的巡视器定位方法，利用双目立体相机在上一站点和当前站点前方一定角度范围内拍摄序列图像；将上一站点和当前站点左相机拍摄的序列图像分别通过柱面投影方法进行拼接，得到上一站点和当前站点左相机前方的广角度拼接图像；计算上一站点和当前站点左相机拼接图像的重叠区域并对其进行Affine-SIFT特征提取与匹配，寻找上一站点和当前站点图像的匹配特征点；将匹配特征点反算到左相机原始图像中，在右相机图像提取对应的匹配特征点，并剔除错误特征点；通过光束法求解巡视器在当前站点的位置和姿态。采用本发明专利技术技术方案，能够实现巡视器的高精度定姿定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拼接图像的巡视器定位方法
本专利技术涉及月面巡视器定位
，尤其涉及一种基于拼接图像的巡视器定位方法。
技术介绍
月面巡视器是在复杂非结构化月面环境中执行近距离科学探测任务的移动机器人，能够在月面自主巡游或者根据地面遥操作中心的指挥在月面几百米甚至几百公里范围内，通过自身携带的科学仪器实现月面环境的探测。巡视器在自主巡游或者遥控行驶过程中，需要了解其自身在月面坐标系中的位置和方向，才能将其重构的月面地形统一到同一基准下，指导后续的路径规划和行进。因此，巡视器的定位功能是进行路径规划和避障行进的前提和基础，对月面巡视器完成科学探测任务具有重要的意义。由于月面环境的特殊性，使得地面移动机器人定位常用的超声传感器定位、激光传感器定位和罗盘定位等方法无法使用；另一方面月球与地球的距离也远远超出了GPS定位和北斗定位系统导航服务的范围。因此，需要依赖专用的导航定位技术实现月面巡视器的定位导航。现阶段应用于月面巡视器导航定位的方法主要包括航位推算法、惯性导航定位法、天文导航定位法、无线电导航定位法和视觉导航定位法。在众多的定位方法中，视觉导航定位方法具有定位灵活、容错性强、定位精度高、定位精度不受地形地貌影响且容易与地形地貌三维恢复相结合等特点，能够提高月面巡视器的智能性，为巡视器成功实现科学探测任务提供有力的指导。目前，巡视器的视觉导航定位通常是利用双目视觉系统一定隔距离范围内连续拍摄图像，然后通过图像特征提取与匹配求取匹配特征点的空间立体关系，解算其巡视器自身的位置和姿态。然而在月球表面环境中，纹理较为匮乏且光照条件极为复杂，巡视器在不同位置拍摄的图像重叠区域较为有限且存在较大尺度差别。纹理匮乏致使特征点提取困难，光照条件复杂和图像的大尺度差别致使图像特征点的匹配容易发生错误；受上述两方面因素影响，在对图像的有限重叠区进行特征点提取和匹配时，可能发生特征点数量太少、特征点匹配错误率高甚至无法提取特征点的情况，无法获得足够的特征点信息，难以保证巡视器定位的成功。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种基于拼接图像的巡视器定位方法，使巡视器在未知环境中实现高精度定姿定位。为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于拼接图像的巡视器定位方法包括以下步骤：步骤S1：将巡视器的已知站点作为上一站点，巡视器向前行进一定距离到达的新站点作为当前站点，利用双目立体相机在上一站点和当前站点前方一定角度范围内拍摄序列图像；步骤S2：上一站点和当前站点分别将双目立体相机的左相机拍摄的序列图像分别通过柱面投影方法进行拼接，得到上一站点和当前站点前方的左相机广角度拼接图像，同时记录拼接图像各个区域对应的原始图像编号；步骤S3：利用巡视器上一站点和当前站点的初始位置和姿态信息以及在上一站点和当前站点拍摄图像时左相机与巡视器的位姿关系，分别计算前上一站点和当前站点左相机拼接图像的重叠区域，并对该重叠区域进行Affine-SIFT特征提取与匹配，得到上一站点和当前站点左相机拼接图像的匹配特征点集；步骤S4：将上一站点和当前站点左相机拼接图像的匹配特征点反算到上一站点和当前站点左相机拍摄的原始图像中，得到多组具有对应关系的原始图像及匹配点对；步骤S5：利用图像相关系数匹配方法，分别从上一站点和当前站点右相机拍摄的原始图像中寻找出左相机原始图像特征点的最优匹配点，得到上一站点和当前站点左右相机图像的匹配特征点集；步骤S6：利用前方交会算法，分别将上一站点和当前站点的每一对左右相机原始图像中提取的匹配特征点集的立体空间关系进行检查，剔除错误的特征点；步骤S7：根据上一站点的巡视器位置和姿态，将上一站点和当前站点左右相机图像的匹配特征点集及其对应关系作为输入，利用光束法求解巡视器在当前站点的位置和姿态。本专利技术与现有的月面巡视器的定位方法相比，一方面，采用通过柱面投影形成的拼接图像进行上一站点和当前站点的特征提取与匹配，然后反算到原始图像中构成多组图像的匹配特征点集，这比现有的采用单幅视觉图像进行站点的特征提取和匹配，构成单组图像匹配特征点集的方法，显著性地增大了图像匹配重叠区的范围，有利于上一站点和当前站点图像特征点的提取和匹配，避免了因上一站点和当前站点单对图像中包含的重叠区域过小而导致匹配失败的问题，大大提高了匹配成功率；另一方面，根据双目相机与巡视器本体的位姿约束关系，利用巡视器和云台装置的可移动性，设计了通过双目相机在不同位置和姿态下多次拍摄进行巡视器定位的视觉测量方法，实现了根据多组图像匹配特征点求解巡视器外方位参数和特征点三维空间坐标的站点定位。这与一般的通过双相机分别在上一站点和当前站点单个方位拍摄图像进行站点定位相比，能够在更广泛地利用巡视器周围环境中的显著性特征，提高巡视器定位的效率和成功率；通过在光束法引入巡视器与相机的位姿约束关系，将巡视器的定位问题转换为多相机的摄影测量问题进行解决。附图说明图1是一种基于拼接图像的巡视器定位方法的流程图；图2是巡视器在上一站点和当前站点站点拍摄图像过程示意图；图3是柱面投影进行图像拼接的示意图；图4是柱面投影图像融合的示意图；图5是巡视器上一站点和当前站点拼接图像重叠区的示意图；图6是上一站点和当前站点左右相机与地面特征点位置关系示意图；图7是上一站点和当前站点相机与地面观测点位置关系的示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供一种基于拼接图像的巡视器定位方法，包括以下步骤：步骤S1：将巡视器的已知站点作为上一站点，巡视器向前行进一定距离到达的新站点作为当前站点，利用双目立体相机在上一站点和当前站点前方一定角度范围内拍摄序列图像。如图2所示，巡视器是一个具有四个驱动轮的可移动机器人，包括巡视器车体、位于车体前部上方的竖直桅杆机构、桅杆顶部的两自由度云台机构和安装于云台支撑架上的双目相机；云台能够在俯仰和偏航两个自由度上转动，通过云台转动可控制相机在不同的方向上拍摄图像；桅杆、云台和双目相机相对于巡视器车体的位置和姿态关系预先精确标定为已知参数。巡视器的关键部件解释如下：巡视器车体1，位于车体前部上方竖直的桅杆机构2，桅杆顶部的两自由度云台机构3，包括俯仰自由度机构3-1和偏航自由度机构3-2，双目相机系统4，包括相机支撑架4-1、安装于云台支撑架上的左相机4-2和右相机4-3。左相机4-2和右相机4-3的视场均为45°×45°。云台能够通过俯仰自由度机构3-1和偏航自由度机构(3-2)在俯仰和偏航两个自由度上转动，通过云台转动可控制相机在不同的方向上拍摄图像。桅杆机构2、云台机构3和双目相机系统4相对于巡巡视器车体1的位置和姿态关系预先精确标定为已知参数。巡视器在上一站点和当前站点拍摄序列图像的过程描述如下：巡视器初始位于上一站点P1(站点位置和姿态信息已知)，两自由度云台机构3初始状态下，安装于其上的双目相机系统4的左相机4-2和右相机4-3在俯仰和偏航角均为0°。两自由度云台机构3的俯仰自由度机构3-1转动带动双目相机系统4的左相机4-2和右相机4-3到达俯仰-30°(向下转为负)状态，偏航自由度机构3-2向左转动60°，达到偏航-60°(向左转为负)状态。两自由度云台机构3保持俯仰-30°不变，从偏航-60°到偏航60°依次向右以20°为步长旋转，控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于拼接图像的巡视器定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将巡视器的已知站点作为上一站点，巡视器向前行进一定距离到达的新站点作为当前站点，利用双目立体相机在上一站点和当前站点前方一定角度范围内拍摄序列图像；步骤S2：上一站点和当前站点分别将双目立体相机的左相机拍摄的序列图像分别通过柱面投影方法进行拼接，得到上一站点和当前站点前方的左相机广角度拼接图像，同时记录拼接图像各个区域对应的原始图像编号；步骤S3：利用巡视器上一站点和当前站点的初始位置和姿态信息以及在上一站点和当前站点拍摄图像时左相机与巡视器的位姿关系，分别计算前上一站点和当前站点左相机拼接图像的重叠区域，并对该重叠区域进行Affine‑SIFT特征提取与匹配，得到上一站点和当前站点左相机拼接图像的匹配特征点集；步骤S4：将上一站点和当前站点左相机拼接图像的匹配特征点反算到上一站点和当前站点左相机拍摄的原始图像中，得到多组具有对应关系的原始图像及匹配点对；步骤S5：利用图像相关系数匹配方法，分别从上一站点和当前站点右相机拍摄的原始图像中寻找出左相机原始图像特征点的最优匹配点，得到上一站点和当前站点左右相机图像的匹配特征点集；步骤S6：利用前方交会算法，分别将上一站点和当前站点的每一对左右相机原始图像中提取的匹配特征点集的立体空间关系进行检查，剔除错误的特征点；步骤S7：根据上一站点的巡视器位置和姿态，将上一站点和当前站点左右相机图像的匹配特征点集及其对应关系作为输入，利用光束法求解巡视器在当前站点的位置和姿态。...

【技术特征摘要】
1.一种基于拼接图像的巡视器定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将巡视器的已知站点作为上一站点，巡视器向前行进一定距离到达的新站点作为当前站点，利用双目立体相机在上一站点和当前站点前方一定角度范围内拍摄序列图像；步骤S2：上一站点和当前站点分别将双目立体相机的左相机拍摄的序列图像分别通过柱面投影方法进行拼接，得到上一站点和当前站点前方的左相机广角度拼接图像，同时记录拼接图像各个区域对应的原始图像编号；步骤S3：利用巡视器上一站点和当前站点的初始位置和姿态信息以及在上一站点和当前站点拍摄图像时左相机与巡视器的位姿关系，分别计算上一站点和当前站点左相机拼接图像的重叠区域，并对该重叠区域进行Affine-SIFT特征提取与匹配，得到上一站点和当前站点左相机拼接图像的匹配特征点集；步骤S4：将上一站点和当前站点左相机拼接图像的匹配特征点反算到上一站点和当前站点左相机拍摄的原始图像中，得到多组具有对应关系的原始图像及匹配点对；步骤S5：利用图像相关系数匹配方法，分别从上一站点和当前站点右相机拍摄的原始图像中寻找出左相机原始图像特征点的最优匹配点，得到上一站点和当前站点左右相机图像的匹配特征点集；步骤S6：利用前方交会算法，分别将上一站点和当前站点的每一对左右相机原始图像中提取的匹配特征点集的立体空间关系进行检查，剔除错误的特征点；步骤S7：根据上一站点的巡视器位置和姿态，将上一站点和当前站点左右相机图像的匹配特征点集及其对应关系作为输入，利用光束法求解巡视器在当前站点的位置和姿态。2.如权利要求1所述一种基于拼接图像的巡视器定位方法，其特征在于，所述的通过柱面...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘传凯，王保丰，王镓，周建亮，唐歌实，卜彦龙，袁建平，张强，苗萍，许柏，师明，
申请(专利权)人：北京航天飞行控制中心，
类型：发明
国别省市：北京;11