基于精密角度基准的视觉惯性标定系统及其标定方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于精密角度基准的视觉惯性标定系统，包括高精密三轴转台、视觉惯性系统、平面靶标和控制器；视觉惯性系统包括无重叠视场的多相机和惯性测试单元，通常设置在特定工装上，如可穿戴设备、微型飞行器(MAVs)、移动机器人等；所述视觉惯性系统设置在内框上；所述平面靶标处于相机转动过程中可拍摄视场范围内；所述惯性测试单元用于测量三轴转台转动过程中所述视觉惯性系统的加速度和角速度数据；所述控制器用于根据视觉惯性系统执行视觉惯性标定系统的标定方法，包括：定义所述精密三轴转台坐标系的初始位置、标定所述惯性测试单元外参旋转矩阵和平移向量、以及标定所述多相机的内外参数。还公开一种基于精密角度基准的视觉惯性标定系统的标定方法。基准的视觉惯性标定系统的标定方法。基准的视觉惯性标定系统的标定方法。

【技术实现步骤摘要】
基于精密角度基准的视觉惯性标定系统及其标定方法


[0001]本专利技术涉及工业大尺度环境精密测量定位领域，具体涉及一种基于精密角度基准的视觉惯性标定系统及其标定方法。

技术介绍

[0002]近年来，视觉惯性组合定位系统发展迅速，在增强现实、空间位姿测量、同时定位与地图构建等领域得到了广泛应用。视觉传感器测量精度高、信息量丰富，可以实现大规模多目标跟踪，惯性测量单元(Initial Measurement Unit,IMU)则能够快速敏感物体自身运动状态，实时性好，二者组合可以实现优势互补，克服视觉测量频率偏低以及惯性测量误差累积的问题，有效提高系统精度和鲁棒性。
[0003]视觉惯性组合定位需要利用各传感器之间的位姿关系，因此系统标定的准确性将直接影响组合定位的精度，此外，标定方法的不同会导致标定效率的差异，提高标定效率必将提高工程效率。专利CN113781579A公开了一种全景红外相机几何标定方法，通过高精度转台控制相机转动，采用两步估计法实现相机参数的精密标定。专利CN108921901A公开了一种基于精密二轴转台和激光跟踪仪的大视场相机标定方法，转台带动相机作二维运动，相机拍摄光学参考点实现标定。这两种方法都采用转台实现相机参数的高精度标定，但均为单相机标定，且适用于大视场相机。专利CN110873578B公开了一种基于转台传递的六面体棱镜和IMU安装误差标定方法，通过三轴转台标定IMU与转台轴系之间的相对角度关系，但该方法不能实现IMU与转台之间位置关系的标定。专利CN108645428A公开了一种针对大尺寸6D激光标靶的整体式标定方法，利用高精密三轴转台的外框和中框带动6D激光标靶在前方全站仪的出射光前转动来构造测量控制场，计算光矢量在相机坐标系下的投影，而相机的投影位置通过检测得到，从而得到倾角仪坐标系和相机坐标系的姿态关系。由于光矢量包含方向信息，不包含位置信息，因此不能求得相机与转台之间平移关系。
[0004]因此，需要一种针对视觉惯性标定系统未知参数的一体化、高精度标定方法，实现对无公共视场多相机内外参、相机和IMU之间外参的标定。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于精密角度基准的视觉惯性组合定位系统标定方法，引入精密三轴转台提供角度基准，利用转台高精度和可编程控制等优点，提高标定精度和标定效率；同时使用惯性测试单元和多相机结合作为视觉惯性设备放置在转台，利用转台的三轴旋转，求解相机与转台之间旋转平移关系以及惯性测试单元与转台之间旋转平移关系；同时克服多相机之间无公共视场问题，实现视觉惯性传感器位姿关系的一体化标定。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种基于精密角度基准的视觉惯性标定系统，包括高精密三轴转台、视觉惯性系统、平面靶标和控制器；视觉惯性系统包括无重叠视场的多相机和惯性测试单元；所述高精
密三轴转台包括外框、中框和内框，所述三轴转台的转动通过编程控制；所述视觉惯性系统设置在内框上；所述平面靶标的位置设置在待测场地中，处于相机转动过程中可拍摄视场范围内；所述惯性测试单元用于测量三轴转台转动过程中所述视觉惯性系统的加速度和角速度数据；所述控制器用于根据视觉惯性系统执行视觉惯性标定系统的标定方法，包括：定义所述精密三轴转台坐标系的初始位置、标定所述惯性测试单元外参旋转矩阵和平移向量、以及标定所述多相机的内外参数。
[0008]进一步的，所述视觉惯性系统设置在可穿戴设备、微型飞行器或移动机器人上。
[0009]一种基于精密角度基准的视觉惯性标定系统的标定方法，包括：
[0010]将精密三轴转台放在场地中，将视觉惯性系统固定在所述三轴转台的内框上，所述视觉惯性系统包括无重叠视场的多相机和惯性测试单元，所述多相机和惯性测试单元均设置在可穿戴头盔上，所述可穿戴头盔固定在内框上；安放的位置要保证在转动过程中多相机拍摄视场良好；
[0011]定义三轴转台的初始位置为：以原点O
T
为转台回转中心，转台坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别与转台的外框转轴、中框转轴和内框转轴重合；
[0012]标定IMU外参：
[0013]对于IMU外参旋转矩阵标定，以重力矢量为中间变量，建立IMU坐标系与转台坐标系的姿态关系方程，以初始位置为中心，三轴转台外框、中框和内框分别在
‑
50
°
到+50
°
之间转动，步长为25
°
，带动所述视觉惯性系统随之转动，在每个标定位置处利用所述惯性测试单元采集静止状态下加速度计数据，利用重力矢量不变性求解姿态关系方程获得所述惯性测试单元到所述三轴转台的外参旋转矩阵；
[0014]对于IMU外参平移向量标定，利用所述三轴转台中框、内框带动转台坐标系转动，使转台坐标系分别被调整在：X轴竖直与外框转轴重合(即三轴转台初始位置)、Y轴竖直与外框转轴重合(即初始位置基础上内框转动90
°
)、Z轴竖直与外框转轴重合(即初始位置基础上中框转动90
°
)，在上述三个位置下分别控制所述三轴转台处于静止状态和外框匀速旋转状态，利用所述惯性测试单元采集静止状态下加速度计输出值，以及在水平面内做匀速旋转时的加速度计输出值，通过向心加速度求解旋转半径，建立旋转半径同IMU与转台之间平移关系的几何约束方程，从而获得转台坐标系下IMU平移向量；
[0015]标定相机内外参：
[0016]依次转动转台外框和中框，先水平方向转动外框覆盖所述多相机水平视场，然后垂直方向转动一次，再进行水平方向转动，如此反复转动覆盖所述多相机所有视场，利用多相机拍摄平面靶标，记录所述高精密三轴转台转动角度；建立多相机相对于转台坐标系的变换矩阵，获得所述高精密三轴转台旋转前后不同位置相机坐标系之间的变换关系；在相机成像模型中引入转台坐标系，通过最小化重投影误差优化所述多相机的内参和多相机与所述高精密三轴转台之间外参；
[0017]最后以转台坐标系作为中转获得相机坐标系与IMU坐标系之间的姿态关系。
[0018]进一步的，所述“获得IMU到转台的外参旋转矩阵”包括如下步骤：
[0019]转台旋转n个不同的位置，累加n个IMU测量的重力矢量方程如下：
[0020][0021]其中，R
(i)
表示转台坐标系的变换矩阵；
b
g
(i)
表示转台旋转后IMU坐标系下的重力矢量，
T
g0表示初始位置转台坐标系下的重力矢量，为定值；
[0022]其中，转台坐标系的变换矩阵R
(i)
为：
[0023][0024]其中，α表示外框转动角度，β表示中框转动角度，γ表示内框转动角度；
[0025]构建最小化目标函数：
[0026][0027]采用Levenberg
‑
Marquardt算法求得单位正交矩阵的最小二乘解，从而获本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于精密角度基准的视觉惯性标定系统，其特征在于，包括高精密三轴转台(101)、视觉惯性系统、平面靶标(105)和控制器；所述视觉惯性系统包括无重叠视场的多相机(107)和惯性测试单元(106)；所述高精密三轴转台(101)包括外框(102)、中框(103)和内框(104)，所述高精密三轴转台(101)的转动通过编程控制；所述视觉惯性系统设置在内框(104)上；所述平面靶标(105)的位置设置在待测场地中，处于相机转动过程中可拍摄视场范围内；所述惯性测试单元(106)用于测量所述高精密三轴转台(101)转动过程中所述视觉惯性系统的加速度和角速度数据；所述控制器用于根据视觉惯性系统执行视觉惯性标定系统的标定方法，包括：定义所述精密三轴转台坐标系的初始位置、标定所述惯性测试单元(106)外参旋转矩阵和平移向量、以及标定多相机(107)的内外参数。2.根据权利要求1所述的基于精密角度基准的视觉惯性标定系统，其特征在于，所述视觉惯性系统设置在可穿戴设备、微型飞行器或移动机器人上。3.根据权利要求1所述的基于精密角度基准的视觉惯性标定系统的标定方法，其特征在于，包括：将高精密三轴转台(101)放在场地中，将视觉惯性系统固定在所述高精密三轴转台(101)的内框(104)上，所述视觉惯性系统包括无重叠视场的多相机(107)和惯性测试单元(106)，多相机和惯性测试单元均设置在可穿戴头盔上，所述可穿戴头盔固定在内框上；安放的位置要保证在转动过程中多相机(107)拍摄视场良好；定义三轴转台的初始位置为：以原点O
T
为转台回转中心，转台坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别与转台的外框(102)转轴、中框(103)转轴和内框(104)转轴重合；标定IMU外参：对于IMU外参旋转矩阵标定，以重力矢量为中间变量，建立IMU坐标系与转台坐标系的姿态关系方程，以初始位置为中心，三轴转台外框(102)、中框(103)和内框(104)分别在
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50
°
到+50
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之间转动，步长为25
°
，带动所述视觉惯性系统随之转动，在每个标定位置处利用所述惯性测试单元采集静止状态下加速度计数据，利用重力矢量不变性求解姿态关系方程获得所述惯性测试单元(106)到所述高精密三轴转台(101)的外参旋转矩阵；对于IMU外参平移向量标定，利用所述三轴转台中框(103)、内框(104)带动转台坐标系转动，使转台坐标系分别被调整在：X轴竖直与外框(102)转轴重合即所述高精密三轴转台(101)初始位置、Y轴竖直与外框(102)转轴重合即初始位置基础上内框(104)转动90
°
、Z轴竖直与外框(102)转轴重合即初始位置基础上中框(103)转动90
°
；在上述三个位置下分别控制所述高精密三轴转台(101)处于静止状态和外框(102)匀速旋转状态，利用所述惯性测试单元(106)采集静止状态下加速度计输出值，以及在水平面内做匀速旋转时的加速度计输出值，通过向心加速度求解旋转半径，建立旋转半径同所述惯性测试单元(106)与所述高精密三轴转台(101)之间平移关系的几何约束方程，从而获得转台坐标系下...

【专利技术属性】
技术研发人员：任永杰，林嘉睿，杨凌辉，邾继贵，马可瑶，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：