一种月球车双目视觉导航系统标定方法技术方案

一种月球车双目视觉导航系统标定方法，利用测量系统对包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置进行测量得到控制点坐标、利用两个待标定相机分别对标定装置进行拍照，然后采用共线方程即可标定出两个待标定相机的内参数和两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；利用经纬仪测量系统配合标定装置标定出两个待标定相机各自的立方镜坐标系，利用各自的立方镜坐标系与两个待标定相机各自相对标定装置在各个位置的外参数实现对两个待标定相机各自外参数的标定。本发明专利技术从根本上解决了相机坐标系不能通过直接测量方法得到的问题，使相机坐标系具有可见性；同时本发明专利技术操作简单，标定精度高，工作效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，主要用于数字摄影测量、计 算机视觉等领域。
技术介绍
月球车双目视觉导航系统主要由两台数字相机、两个立方镜构成，如图1所示，两 个立方镜分别固定在两相机上。月球车双目视觉导航主要依靠两台数字相机同时获取外部 信息进而确定自身位置，其中包括视觉测量、地形匹配、路径规划等。在双目视觉导航系统 中，系统综合标定是关键技术，精确的标定是保证正确导航的基础。所以，月球车双目视觉 导航系统的标定精度直接决定后续的工作能否顺利进行。对月球车双目视觉导航系统的标 定主要针对两台相机进行，对相机进行标定包括相机的内参数和相机在立方镜坐标系下的 外参数，该相机属于大视场广角光学系统，畸变影响严重，对相机的标定属于难点问题。对上述相机传统的标定方法一般采用转台加平行光管的方式，获取不同姿态对应 的像素坐标，然后按照高阶二次曲面拟合算法进行待定系统最小二乘计算。这种标定方法 特点是待定系数多、意义不明确，高阶二次方程容易产生拟合参数振荡，对于近距离相机 (非无穷远目标成像)、双相机不太适宜。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出一种月球车双目视觉导航 系统标定方法，本专利技术操作简单，标定精度高，工作效率高。本专利技术的技术解决方案是包括相机内参 数的标定步骤和相机外参数的标定步骤为；相机内参数的标定步骤为(1)建立包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置，得到该标定装置的坐标 系，利用测量系统对标定装置上的回光反射测量标志与编码标志进行测量，得到标定装置 上回光测量反射标志和编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该 标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标；(2)利用两台待标定相机分别对步骤(1)中建立的标定装置进行至少四个位置的 正直拍照，两台待标定相机对每个位置完成正直拍照后，将两台待标定相机旋转90°再次 分别对标定装置的至少四个位置进行拍照，每张照片中至少包含四个编码标志点；(3)利用步骤⑴得到的标定装置坐标系下的控制点坐标，分别对步骤⑵中左、 右两个待标定相机拍摄的照片进行图像处理，得到控制点在两个待标定相机拍摄的像平面 下的像点坐标，利用控制点坐标和两个像点坐标采用共线方程分别计算出两个待标定相机 各自的内参数以及两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；相机外参数的标定步骤为(a)利用经纬仪测量系统建立经纬仪测量系统坐标系，利用经纬仪测量系统对两个待标定相机上的立方镜分别进行准直，得到两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三 维坐标；(b)利用经纬仪测量系统对标定装置中的回光测量反射标志和编码标志进行测 量，得到回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；(c)对回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和回 光反射测量标志和编码标志在标定装置坐标系下的三维坐标进行公共点转化，得到标定装 置坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将两个立方镜在经纬仪测 量系统坐标系下的三维坐标转换成两个立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标，建立两个 待标定相机的立方镜坐标系；(d)利用步骤(3)得到的两台待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数， 根据两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和立方镜在标定装置坐标系下的 三维坐标的公共坐标转化关系，分别标定出两台待标定相机各自在其立方镜坐标系下的外 参数。所述的标定装置包含标定框架、回光反射测量标志(4)、编码标志(5)和环形光 源；标定框架包括主框架(1)、大小相同的左辅助框架(2)和右辅助框架(3)，其中主框架 (1)、左辅助框架(2)与右辅助框架(3)均为长方体结构，主框架(1)、左辅助框架(2)和右 辅助框架(3)三者的高度和宽度均相同，左辅助框架(2)和右辅助框架(3)与主框架(1) 之间的夹角均为钝角，三个框架的长度之和1与标定相机距主框架的距离h之间的关系为1 =2htan(W)，主框架的长度和高度均等于标定相机距主框架的距离，在标定框架的前表面 和后表面上交错设置多列安装条框(6)，前表面或后表面两列安装条框之间的间距均为主 框架(1)长度的1/10-1/8，每列安装条框(6)上设置多个回光反射测量标志(4)，两个回光 反射测量标志(4)之间的距离为主框架(1)长度的1/20-1/18，在每列回光反射测量标志 (4)中设置至少一个点状编码标志(5)，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前 方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源，w为导航 系统相机视场角的一半。本专利技术与现有技术相比的有益效果是本专利技术针对双目视觉导航系统的特点，利 用测量系统对包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置进行测量得到控制点坐标、利 用两个待标定相机分别对标定装置进行拍照，然后采用共线方程即可标定出两个待标定相 机的内参数和两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；利用经纬仪测量系统 配合标定装置标定出两个待标定相机各自的立方镜坐标系，利用各自的立方镜坐标系与两 个待标定相机各自相对标定装置在各个位置的外参数实现对两个待标定相机各自外参数 的标定。本专利技术使用外部标定装置将待标定相机坐标系导出，然后使用立方镜来表示相机 坐标系，计算出相机坐标系与立方镜坐标系的转换关系，从根本上解决了相机坐标系不能 通过直接测量方法得到的问题，使相机坐标系具有可见性；本专利技术充分利用了标定装置大 量控制点的已知信息，配合工业测量系统，改进了传统相机外参数标定精度不高的问题，物 理意义明确，操作简单，标定精度高，可以直接获得立方镜坐标系下待标定相机的待标定参 数，标定综合相对精度可以达到1/1000，相机相对外参数标定精度可以达到1/3000，完成 待标定相机内参数及相对外参数的标定，可在一个小时内完成，大大提高了工作效率。附图说明图1为月球车双目视觉导航系统结构组成图；图2为本专利技术标定方法的工作流程附图；图3为标定装置的结构组成示意图；图4为标定装置设计原理图；图5为标定装置中编码标志的形状图；图6为标定装置中编码标志的设计原理图；图7为本专利技术控制点在像平面上的像点坐标图；图8为本专利技术单个相机标定外参数时的标定场示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述本专利技术将待标定相机置于标定装置正前方，待标定相机为两个，两个待标定相机 之间相隔一定的距离，通常为200mm，两个立方镜分别位于待标定相机上。月球车双目视觉 导航系统标定方法，具体实施过程如下如图2所示，包括标定相机内参数的标定步骤和立方镜坐标系与标定相机外参数 的综合标定步骤；标定相机内参数的标定步骤为(1)建立包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置，得到该标定装置的坐标 系，利用测量系统对标定装置上的回光反射测量标志与编码标志进行测量，得到标定装置 上回光测量反射标志和编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该 标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标；如图3所示，标定装置主要由标定框架、回光反射测量标志4、编码标志5和环形光 源组成。标定框架包括主框架1、大小相同的左辅助框架2和右辅助框架3，其中主框架1、 左辅助框架2与右辅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种月球车双目视觉导航系统标定方法，其特征在于：包括相机内参数的标定步骤和相机外参数的标定步骤为；相机内参数的标定步骤为：（１）建立包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置，得到该标定装置的坐标系，利用测量系统对标定装置上的回光反射测量标志与编码标志进行测量，得到标定装置上回光测量反射标志和编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标；（２）利用两台待标定相机分别对步骤（１）中建立的标定装置进行至少四个位置的正直拍照，两台待标定相机对每个位置完成正直拍照后，将两台待标定相机旋转９０°再次分别对标定装置的至少四个位置进行拍照，每张照片中至少包含四个编码标志点；（３）利用步骤（１）得到的标定装置坐标系下的控制点坐标，分别对步骤（２）中左、右两个待标定相机拍摄的照片进行图像处理，得到控制点在两个待标定相机拍摄的像平面下的像点坐标，利用控制点坐标和两个像点坐标采用共线方程分别计算出两个待标定相机各自的内参数以及两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；相机外参数的标定步骤为：（ａ）利用经纬仪测量系统建立经纬仪测量系统坐标系，利用经纬仪测量系统对两个待标定相机上的立方镜分别进行准直，得到两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；（ｂ）利用经纬仪测量系统对标定装置中的回光测量反射标志和编码标志进行测量，得到回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；（ｃ）对回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和回光反射测量标志和编码标志在标定装置坐标系下的三维坐标进行公共点转化，得到标定装置坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标转换成两个立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标，建立两个待标定相机的立方镜坐标系；（ｄ）利用步骤（３）得到的两台待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数，根据两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标的公共坐标转化关系，分别标定出两台待标定相机各自在其立方镜坐标系下的外参数。...

【技术特征摘要】
一种月球车双目视觉导航系统标定方法，其特征在于包括相机内参数的标定步骤和相机外参数的标定步骤为；相机内参数的标定步骤为(1)建立包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置，得到该标定装置的坐标系，利用测量系统对标定装置上的回光反射测量标志与编码标志进行测量，得到标定装置上回光测量反射标志和编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标；(2)利用两台待标定相机分别对步骤(1)中建立的标定装置进行至少四个位置的正直拍照，两台待标定相机对每个位置完成正直拍照后，将两台待标定相机旋转90°再次分别对标定装置的至少四个位置进行拍照，每张照片中至少包含四个编码标志点；(3)利用步骤(1)得到的标定装置坐标系下的控制点坐标，分别对步骤(2)中左、右两个待标定相机拍摄的照片进行图像处理，得到控制点在两个待标定相机拍摄的像平面下的像点坐标，利用控制点坐标和两个像点坐标采用共线方程分别计算出两个待标定相机各自的内参数以及两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；相机外参数的标定步骤为(a)利用经纬仪测量系统建立经纬仪测量系统坐标系，利用经纬仪测量系统对两个待标定相机上的立方镜分别进行准直，得到两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；(b)利用经纬仪测量系统对标定装置中的回光测量反射标志和编码标志进行测量，得到回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；(c)对回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和回光反射测量标志和编码标志在标定装置坐标系下的三维坐标进行公共点转化，得到标定装置坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春艳，王立，卢欣，范生宏，李晓，周建涛，刘淑娟，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]