本发明专利技术公开了一种基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法。首先，将陀螺仪传感器与可见光相机固定连接并固连在旋转平台上，使传感器、相机和旋转平台依次按自上而下的顺序构成一个固定连接的光电探测系统；然后，改变旋转平台的水平与俯仰角度，拍摄多张棋盘格图像，并记录相应位置处的陀螺仪传感器输出角速度信息；接着，采用Harris角点检测算法对拍摄获得的棋盘格图像进行处理，提取图像中棋盘格上特征点的像素坐标信息；最后，利用棋盘格图像上特征点坐标信息以及陀螺仪传感器输出的角速度信息，实现陀螺仪与相机相对位置矩阵的标定。实验证明，本发明专利技术提出的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法，通过和陀螺仪角速度与棋盘格图像上特征点坐标信息，能够准确地标定出光电探测系统中陀螺仪与相机相对位置矩阵，在实际工程应用中具有一定的可行性。在实际工程应用中具有一定的可行性。在实际工程应用中具有一定的可行性。
【技术实现步骤摘要】
基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法
[0001]本专利技术属于计算机视觉中图像处理
，具体地说，是一种基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法。
技术介绍
[0002]可见光或红外探测器、GPS、惯性导航传感器捷联组成了用于探测目标姿态、空间坐标的光电探测系统，被广泛应用于航空航天导航、自动机器人控制、无人飞行棋姿态估计等军事领域和民用领域(Shaeffer D K.MEMS inertial sensors:A tutorial overview[J].Communications Magazine IEEE 2013,51,100
‑
109.；Park S K,Suh Y S.A Zero Velocity Detection Algorithm Using Inertial Sensors for Pedestrian Navigation Systems[J].Sensors 2010,10,9163
‑
78.；Frank K,Nadales M J V,Robertson P,et al.Reliable Real
‑
Time Recognition of Motion Related Human Activities Using MEMS Inertial Sensors[C]//Ion Gnss.DLR,2010:2919
‑
2932.)。
[0003]在上述光电探测系统中，通常可见光探测器与陀螺仪固定连接，放置在旋转平台上。在工程应用中，由于相机和陀螺仪之间的相对旋转和平移参数远小于整个光电探测系统的运动参量，往往在进行目标姿态探测时会忽略陀螺仪与相机相对位置矩阵(Sun,T.；Xing,F.；You,Z.Optical System Error Analysis and Calibration Method of High
‑
Accuracy Star Trackers.Sensors 2013,13,4598
–
4623.；Cheraghi S A,Sheikh U U.Moving object detection using image registration for a moving camera platform[C]//IEEE International Conference on Control System,Computing and Engineering.IEEE,2013:355
‑
359.；Yan D J,Shu
‑
Yan X U,Han C S.Effect of aerocraft attitude on image motion compensation of space camera[J].Optics&Precision Engineering 2008,16(11).)。然而，相对位置矩阵对高精度测量系统中的系统估计精度有一定的影响，因此，对该矩阵的标定方法研究具有一定的研究意义。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提出一种基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法，步骤如下：
[0006](10)实验系统搭建：将陀螺仪传感器与可见光相机固定连接并固连在旋转平台上，使传感器、相机和旋转平台依次按自上而下的顺序构成一个固定连接的光电探测系统；
[0007](20)拍摄图像：改变旋转平台的水平与俯仰角度，拍摄多张包含棋盘格的图像I
i
(i＝1,2,...,n)，其中，I
i
表示第i帧图像，i表示图像当前图像帧数，n表示拍摄图像总帧数；并记录相应位置处的陀螺仪传感器输出角速度信息ω；
[0008](30)棋盘格角点提取：采用Harris角点检测算法对拍摄获得的棋盘格图像进行处
理，提取图像中棋盘格上特征点的像素坐标信息其中，表示第i帧图像中采用Harris角点检测算法得到的特征点像素坐标，n'表示拍摄图像总帧数，上标T表示矩阵转置；
[0009](40)陀螺仪数据处理：采用Kalman滤波算法对陀螺仪传感器角速度进行滤波平滑处理，得到去除噪声干扰的陀螺仪角速度[ω
x
,ω
y
,ω
z
]T
；
[0010](50)旋转矩阵四元数表示：利用基于四元数的四阶龙格库塔法求取对应位置n处的旋转平移矩阵[R
1,n
|t
1,n
]，其中，R
1,n
表示初始位置与对应位置n处的旋转矩阵，t
1,n
表示初始位置与对应位置n处的平移向量；
[0011](60)相对位置矩阵标定：利用棋盘格图像上特征点坐标信息以及陀螺仪传感器输出的角速度信息ω，实现陀螺仪与相机相对位置矩阵[R
cg
|t
cg
]的标定，其中，R
cg
表示陀螺仪与相机相间的旋转矩阵，t
cg
表示陀螺仪与相机相间的平移向量。
[0012]所述(10)实验系统搭建步骤包括：将陀螺仪传感器固定在相机上，再将陀螺仪传感器与相机整体其固定在旋转平台上，使陀螺仪传感器、相机和旋转平台依次按自上而下的顺序构成一个固定连接的光电探测系统。
[0013]所述(20)拍摄图像步骤包括：使用所述(10)中搭建的光电探测系统拍摄旋转平台不同水平与俯仰角度处的棋盘格图像，并记录不同位置处陀螺仪传感器对应的角速度输出值。
[0014]所述(50)旋转矩阵四元数可按式(1)表示：
[0015][0016]式(1)，[ω
x
,ω
y
,ω
z
]T
表示经过Kalman滤波处理的陀螺仪传感器角速度信息，上标T表示矩阵转置；[q0,q1,q2,q3]表示前一位置处的四元数；表示当前位置处的四元数。
[0017]所述(60)相对位置矩阵标定步骤包括：
[0018](601)依据相机成像几何模型，通过棋盘格上特征点图像坐标与世界坐标之间的映射关系，构建陀螺仪与相机对应位置矩阵模型；
[0019](602)利用最小重投影误差原理，建立求解陀螺仪与相机相对位置矩阵的优化方程；
[0020](603)利用陀螺仪传感器数据与相机图像数据融合，实现陀螺仪与相机相对位置矩阵的标定。
[0021]所述(602)相对位置矩阵优化方程建立步骤包括：
[0022]采用Levenberg
‑
Marquardt方法，建立求解陀螺仪与相机相对位置矩阵的优化方
程如公式(2)所示，使用如公式(2)所示的优化方程计算陀螺仪与相机相对位置矩阵[R
本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法，其特征在于，(10)实验系统搭建：将陀螺仪传感器与可见光相机固定连接并固连在旋转平台上，使传感器、相机和旋转平台依次按自上而下的顺序构成一个固定连接的光电探测系统；(20)拍摄图像：改变旋转平台的水平与俯仰角度，拍摄多张包含棋盘格的图像I
i
(i＝1,2，...，n)，其中，I
i
表示第i帧图像，i表示图像当前图像帧数，n表示拍摄图像总帧数；并记录相应位置处的陀螺仪传感器输出角速度信息ω；(30)棋盘格角点提取：采用Harris角点检测算法对拍摄获得的棋盘格图像进行处理，提取图像中棋盘格上特征点的像素坐标信息其中，表示第i帧图像中采用Harris角点检测算法得到的特征点像素坐标，n'表示拍摄图像总帧数，上标T表示矩阵转置；(40)陀螺仪数据处理：采用Kalman滤波算法对陀螺仪传感器角速度进行滤波平滑处理，得到去除噪声干扰的陀螺仪角速度[ω
x
，ω
y
,ω
z
]
T
；(50)旋转矩阵四元数表示：利用基于四元数的四阶龙格库塔法求取对应位置n处的旋转平移矩阵[R
1，n
|t
1，n
]，其中，R
1,n
表示初始位置与对应位置n处的旋转矩阵，t
1，n
表示初始位置与对应位置n处的平移向量；(60)相对位置矩阵标定：利用棋盘格图像上特征点坐标信息以及陀螺仪传感器输出的角速度信息ω，实现陀螺仪与相机相对位置矩阵[R
cg
|t
cg
]的标定，其中，R
cg
表示陀螺仪与相机相间的旋转矩阵，t
cg
表示陀螺仪与相机相间的平移向量。2.如权利要求1所述的基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法，其特征在于，所述(50)旋转矩阵四元数可按式(1)表示：式(1)，[ω
x
,ω
y
，ω
z
]
T
表示经过Kalman滤波处理的陀螺仪传感器角速度信息，上标T表示矩阵转置；[q0,q1，q2,q3]表示前一位置处的四元数；表示当前位置处的四元数。3.如权利要求1所述的基于数据融合的陀螺仪与相机相对位置矩阵标定方法，其特征在于，所述(60)相对位置矩阵标定步骤包括：(601)依据相机成像几何模型，通...
【专利技术属性】
技术研发人员：孔筱芳，罗红娥，顾金良，夏言，栗保明，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。