一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法和系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法和装置，该方法包括步骤：将相机与激光测距仪刚性固连，设计表面设有漫反射区域和发光的特征点的靶标，可以同时配合视觉和激光测距仪使用；然后使用视觉测量获取靶标上特征点坐标及激光测距仪测量距离值，通过EKF方法获取激光测距仪的出光点在相机坐标系的坐标和激光测距仪光轴的方向余弦值；最后，用激光测距仪所测距离数据修正相机测得的靶标平面相对相机坐标系的位置和姿态。该装置包括相机、激光测距仪、靶标和测量模块。本发明专利技术的方法和装置可用于在夜间对物体进行高精度位姿测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法和系统
本专利技术涉及单目视觉测量
，具体涉及一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法和系统。
技术介绍
单目视觉测量是通过相机获取被测物图片，对图片信息进行处理获取被测物的位置、姿态信息。单目视觉测量因其非接触测量、操作简单等特性，受到广泛应用。视觉在夜间环境使用时，需要配备光源，在长距离，小目标的应用情况，一般使用玻璃材质的背光式光源。在单目视觉测量中,由于模型自身的限制,沿摄像机光轴方向上的位移测量精度一般远低于垂直光轴方向上的位移测量精度,为了提高沿摄像机光轴方向上的位移测量精度,通过在沿摄像机光轴方向上加装一个高精度的激光测距仪。激光测距仪通过将激光点打在被测物表面，可精确测得激光点距离激光测距仪的出光点的距离。但是激光测距仪测量精度，受被测物表面材质影响，激光点打在玻璃上，测量数据不准确，因此，在暗光环境下，激光测距无法直接辅助单目视觉测量，使得单目视觉测量的准确度大大降低。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法和系统，以解决上述问题。本专利技术的技术方案为：本专利技术提供一种基于EKF(ExtendedKalmanFilter，扩展卡尔曼滤波)激光测距辅助单目视觉测量方法，包括步骤：将相机与激光测距仪刚性固连，设计表面设有漫反射区域和发光的特征点的靶标，所述漫反射区域用于反射所述激光测距仪发出的激光；基于EKF方法，建立所述相机和所述激光测距仪的坐标关系；根据所述坐标关系，将所述激光测距仪的实测数据转到所述相机的相机坐标系下，对所述相机测量的特征点的光轴向坐标进行修正。优选地，所述步骤设计表面设有特征点和漫反射区域的靶标，包括步骤：设计采用玻璃材料制成的背光源式靶标，在所述靶标的表面设置均匀点阵分布的多个发光的阵列圆作为特征点，所述靶标表面所述特征点以外的区域为漫反射区域，所述漫反射区域镀有反射薄膜，用于反射所述激光测距仪所用波长的激光。优选地，所述步骤基于EKF方法建立所述相机和所述激光测距仪的坐标关系包括步骤：建立EKF方法的状态模型为：其中，是所述激光测距仪出光点在所述相机坐标系的三维坐标，cosθ是激光测距仪出光点和所述相机坐标系原点连线的方向矢量与所述激光测距仪的光轴方向矢量夹角余弦值；建立EKF方法的量测模型为：其中，L为激光测距仪量测值，M为激光物点与相机坐标系原点之间的距离。此处Z为卡尔曼滤波里通常用用于表示量测的参数，本领域技术人员应当能够明确该参数与坐标系Z轴的区别，并非为同一技术概念。优选地，所述步骤根据所述坐标关系，将所述激光测距仪的实测数据转到所述相机的相机坐标系下，对所述相机测量的特征点的光轴向坐标进行修正，具体包括步骤：利用所述靶标上的激光点坐标和特征点坐标，获取所述激光点和所述特征点间矢量关系，然后通过余弦定理，计算所述特征点在Z轴方向的坐标数据；将相机测量得到的X、Y轴方向坐标、余弦定理计算的光轴向坐标作为所述特征点新的三维坐标，由三个特征点建立矢量，计算新的姿态：其中，为激光点在相机坐标系的三维坐标，为相机测量得到的X、Y轴坐标，为更新后的Z轴坐标；为特征点的物坐标。本专利技术还提供一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量装置，包括相机、激光测距仪、靶标和测量模块；所述相机与所述激光测距仪刚性固连；所述靶标的表面设有漫反射区域和发光的特征点，所述漫反射区域用于反射所述激光测距仪发出的激光；所述测量模块，用于基于EKF方法，建立所述相机和所述激光测距仪的坐标关系；并根据所述坐标关系，将所述激光测距仪的实测数据转到所述相机的相机坐标系下，对所述相机测量的特征点的光轴向坐标进行修正。优选地，所述靶标为采用玻璃材料制成的背光源式靶标，所述靶标的表面设有均匀点阵分布的多个发光的阵列圆作为特征点，所述靶标的表面所述特征点以外的区域为漫反射区域，所述漫反射区域镀有漫反射薄膜，用于反射所述激光测距仪所用波长的激光。优选地，所述测量模块，用于：建立EKF方法的状态模型为：其中，是所述激光测距仪出光点在所述相机坐标系的三维坐标，cosθ是激光测距仪出光点和所述相机坐标系原点连线的方向矢量与所述激光测距仪的光轴方向矢量夹角余弦值；建立EKF方法的量测模型为：其中，L为激光测距仪量测值，M为激光物点与相机坐标系原点之间的距离。优选地，所述测量模块，用于：利用所述靶标上的激光点坐标和特征点坐标，获取所述激光点和所述特征点间矢量关系，然后通过余弦定理，计算所述特征点在Z轴方向的坐标数据；将相机测量得到的X、Y轴方向坐标、余弦定理计算的光轴向坐标作为所述特征点新的三维坐标，由三个特征点建立矢量，计算新的姿态：其中，为激光点在相机坐标系的三维坐标，为相机测量得到的X、Y轴坐标，为更新后的Z轴坐标；为特征点的物坐标。本专利技术公开的技术效果为：本专利技术提出了一种基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的夜间激光测距辅助单目视觉测量方法，针对单目视觉测量相机光轴方向位置精度低的问题，采用激光测距辅助视觉方法，提高相机光轴方向位置测量精度；本专利技术靶标的特殊设计既可以作为视觉测量的靶标也可以作为激光测距仪测量的靶标，克服激光测距和视觉靶标不兼容的问题；基于EKF方法，建立相机和激光测距仪的坐标关系，并将所述激光测距仪的实测数据转到相机坐标系下，对相机测量的特征点的光轴向坐标进行修正，克服了传统激光测距辅助视觉测量中相机和激光测距仪相对位姿信息获取复杂的问题，基于EKF的方法获取相机与激光测距仪之间的位姿关系，克服了激光测距和相机测量数据没有统一基准的问题，提高了数据融合的精度。进一步地，设计背光源式镀膜靶标，克服激光测距仪夜间无法使用的问题，提高了激光测距辅助视觉测量的应用范围。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术的基于EKF激光测距辅助单目视觉测量装置的一个实施例的结构示意图；图2为本专利技术基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法一个实施例的靶标示意图；图3为本专利技术基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法一个实施例的简要流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术公开了一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法和装置。首先设计了一种夜间用辅助靶标，可以同时配合视觉和激光测距仪使用；然后使用视觉测量获取靶标上特征点坐标及激光测距仪测量距离值，通过EKF方法获取激光测距仪的出光点在相机坐标系的坐标和激光测距仪光轴的方向余弦值；最后，用激光测距仪所测距离数据修正相机测得的靶标平面相对相机坐标系的位置和姿态。参见图1所示，本专利技术用于实现基于EKF激光测距辅助单目视觉测量的装置主要由3部分组成，相机110、激光测距仪111和靶标112。工作过程中靶标112固定，相机110和激光测距仪111固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法，其特征在于，包括步骤：将相机与激光测距仪刚性固连，设计表面设有漫反射区域和发光的特征点的靶标，所述漫反射区域用于反射所述激光测距仪发出的激光；基于EKF方法，建立所述相机和所述激光测距仪的坐标关系；根据所述坐标关系，将所述激光测距仪的实测数据转到所述相机的相机坐标系下，对所述相机测量的特征点的光轴向坐标进行修正。

【技术特征摘要】
1.一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法，其特征在于，包括步骤：将相机与激光测距仪刚性固连，设计表面设有漫反射区域和发光的特征点的靶标，所述漫反射区域用于反射所述激光测距仪发出的激光；基于EKF方法，建立所述相机和所述激光测距仪的坐标关系；根据所述坐标关系，将所述激光测距仪的实测数据转到所述相机的相机坐标系下，对所述相机测量的特征点的光轴向坐标进行修正。2.根据权利要求1所述的一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法，其特征在于：所述步骤设计表面设有特征点和漫反射区域的靶标，包括步骤：设计采用玻璃材料制成的背光源式靶标，在所述靶标的表面设置均匀点阵分布的多个发光的阵列圆作为特征点，所述靶标表面所述特征点以外的区域为漫反射区域，所述漫反射区域镀有反射薄膜，用于反射所述激光测距仪所用波长的激光。3.根据权利要求1所述的一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法，其特征在于：所述步骤基于EKF方法建立所述相机和所述激光测距仪的坐标关系包括步骤：建立EKF方法的状态模型为：其中，是所述激光测距仪出光点在所述相机坐标系的三维坐标，cosθ是激光测距仪出光点和所述相机坐标系原点连线的方向矢量与所述激光测距仪的光轴方向矢量夹角余弦值；建立EKF方法的量测模型Z为：其中，L为激光测距仪量测值，M为激光物点与相机坐标系原点之间的距离。4.根据权利要求3所述的一种基于EKF激光测距辅助单目视觉测量方法，其特征在于：所述步骤根据所述坐标关系，将所述激光测距仪的实测数据转到所述相机的相机坐标系下，对所述相机测量的特征点的光轴向坐标进行修正，具体包括步骤：利用所述靶标上的激光点坐标和特征点坐标，获取所述激光点和所述特征点间矢量关系，然后通过余弦定理，计算所述特征点在Z轴方向的坐标数据；将相机测量得到的X、Y轴方向坐标、余弦定理计算的光轴向坐标作为所述特征点新的三维坐标，由三个特征点建立矢量，计算新的姿态：其中，为激光点在相机坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱庄生，袁学忠，刘刚，李建利，顾宾，王世博，邹思远，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11