一种基于粒子群优化的光电传感设备的位姿偏差估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于粒子群优化的光电传感设备的位姿偏差估计方法，涉及监视和安防管控领域。该方法包括：选取若干个特征点，并得到这些特征点相对于传感器的方位角与俯仰角；设计目标函数；设置种群规模、粒子维度、迭代次数、惯性权重、学习因子、粒子位置和速度的边界范围等超参数；初始化种群、粒子速度、个体最优位置和最优目标函数值、全局最优位置和最优目标函数值；迭代更新粒子速度和位置，并更新全局最优位置和最优目标函数值、个体最优位置和最优目标函数值；判断是否满足终止迭代条件，输出最优目标函数值对应的个体，即为光电传感设备的位姿偏差的最优估计值。本方法可用于光电传感设备位姿的校准。电传感设备位姿的校准。电传感设备位姿的校准。

【技术实现步骤摘要】
一种基于粒子群优化的光电传感设备的位姿偏差估计方法


[0001]本专利技术涉及光电传感设备标定
的位姿偏差估计方法，具体是一种基于粒子群优化(Particle Swarm Optimization，PSO)的光电传感设备的位姿偏差估计方法。

技术介绍

[0002]利用可见光及红外成像设备，能够获取视野范围内的目标的视频及图像信息，从而实现识别、跟踪等任务，其常见的应用场景有无人机反制站等。然而，在光电传感设备的安装过程中，不可避免的出现与设定的安装位姿有偏差的情况，此偏差属于一种系统误差。此误差会影响传感器对目标的测量精度，因此，如何利用有限的资源，实现对此误差的高精度、高效率的估计，是部署及使用光电传感设备中具有重要意义的课题。目前，现有技术中尚没有能够实现该目标的技术。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供一种基于粒子群优化算法的光电传感设备位姿偏差估计方法，能够解决光电传感设备在安装时出现与预设位姿存在偏差的问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种基于粒子群优化的光电传感设备的位姿偏差估计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，以光电传感设备的实测位置为原点建立理想的东北天坐标系；光电传感设备的真实位姿相对于理想的东北天坐标系的偏差包括位移偏差和角度偏差，其中，位移偏差为(Δx,Δy,Δz)，Δx,Δy,Δz分别表示X、Y、Z轴的位移偏差，角度偏差为(Δθx,Δθy,Δθz)，Δθx,Δθy,Δθz分别表示绕X、Y、Z轴的旋转角度；
[0007]步骤2，在光电传感设备的周围空间中设置多个特征点，测量各特征点的实测位置；通过光电传感设备对各特征点进行观测，得到光电传感设备观测到的各特征点的方位角与俯仰角；
[0008]步骤3，设计如下目标函数：
[0009][0010]式中，N为特征点的数量；对于特征点i，为根据粒子群中的一个粒子计算出来的光电传感设备相对于特征点i的方位角，θ
i1
为光电传感设备对特征点i观测到的方位角，为根据粒子群中的一个粒子计算出来的光电传感设备相对于特征点i的俯仰角，θ
i2
为光
电传感设备对特征点i观测到的俯仰角；δ
azi
为位置测量设备在经纬度方向上的固有误差，δ
pit
为高程测量设备测量高程的误差；r
i
为特征点i与理想东北天坐标系原点的距离；δ
θ1
和δ
θ2
分别为光电传感设备测量方位角和俯仰角的固有误差；
[0011]步骤4，设置种群规模N、粒子维度D、迭代次数T、惯性权重w、学习因子c1,c2，以及粒子位置边界中的位移偏移量边界范围、角度偏移量边界范围、粒子速度边界范围；
[0012]步骤5，按照粒子位置边界大小，利用随机函数，初始化粒子位置X
j
(x
i
,y
i
,z
i
,θ
x
,θ
y
,θ
z
)，j＝1,2,...,N，x
i
,y
i
,z
i
,θ
x
,θ
y
,θ
z
分别表示光电传感设备坐标的x、y、z轴的位移偏移量和角度偏移量；初始化粒子速度V(v1,v2,v3,v4,v5,v6)；初始化各个粒子的最优位置p
j
为各个粒子的初始位置，各个粒子的最优目标函数值pbest
j
为各个粒子的初始目标函数值；初始整个种群的最优位置g为初始种群中目标函数值最小的粒子，整个种群的最优目标函数值gbest为初始种群中目标函数的最小值；
[0013]步骤6，按下式更新V和X，并更新p
j
、pbest
j
、g、gbest：
[0014]V(k+1)＝
[0015]w*V(k)+c1*rand(0,1)*(pbest(k)
‑
X(k))+c2*rand(0,1)*(gbest(k)
‑
X(k))
[0016]X(k+1)＝X(k)+V(k+1)
[0017]式中，rand(0,1)表示0
‑
1之间均匀分布的随机数,k、k+1表示迭代次数；
[0018]步骤7，判断迭代次数是否大于T，若不满足，返回步骤5，否则终止迭代，输出g，即为最终的位姿偏差估计值。
[0019]本专利技术的有益效果在于：
[0020]1、本专利技术方法中，预设传感器基座安装位置为三维空间中的某一点p1(x1,y1,z1)，以此点为原点建立一个理想的三维坐标系，从而定义了其理想的姿态。然而在实际安装过程中，难以避免地会将传感器安装在某一点p2(x2,y2,z2)，记位移偏差为(Δx,Δy,Δz)，且其姿态相较于上述定义的理想坐标系也会出现偏差的情况，记角度偏差为(Δθx,Δθy,Δθz)。本专利技术将这两个偏差统称为位姿偏差，如何尽可能的准确地估计出这六个变量即是本方法的主要目的。为达到此目的，本专利技术在光电传感器周围空间中按一定方式选取若干个特征点，因而可以获取到光电传感器对这些特征点的俯仰角和方位角的测量值(称之为测量值)，若假设光电传感器的位姿偏差量已知，则可以通过几何关系计算出特征点相对于光电传感器的方位角和俯仰角(称之为计算值)，则理论上计算值和测量值是近似相等的。根据这个原理，则可以利用最优化的思想，构建一个目标函数，将上述描述位姿偏差的六个量设为待求值，上述问题转换为了如何求出一组最优的解，使得目标函数值最小的问题。
[0021]2、本专利技术在光电传感设备位姿校准时采用粒子群算法，利用计算机运算，将光电设备位姿偏差估计的求解过程转换成类似鸟群觅食行为中的个体间的协作与竞争，也是基于“种群”和“进化”的概念，实现复杂空间最优解的搜索。
附图说明
[0022]图1是通过仿真实现本专利技术方法的流程图。
[0023]图2是本专利技术方法的仿真实验结果。
具体实施方式
[0024]以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的详细说明。
[0025]一种基于粒子群优化的光电传感设备的位姿偏差估计方法，包括以下步骤：
[0026]步骤1，以光电传感设备的实测位置为原点建立理想的东北天坐标系；光电传感设备的真实位姿相对于理想的东北天坐标系的偏差包括位移偏差和角度偏差，其中，位移偏差为(Δx,Δy,Δz)，Δx,Δy,Δz分别表示X、Y、Z轴的位移偏差，角度偏差为(Δθx,Δθy,Δθz)，Δθx,Δθy,Δθz分别表示绕X、Y、Z轴的旋转角度；
[0027]步骤2，在光电传感设备的周围空间中设置多个特征点，测量各特征点的实测位置；通过光电传感设备对各特征点进行观测，得到光电传感设备观测到的各特征点的方位角与俯仰角；
[0028本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子群优化的光电传感设备的位姿偏差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以光电传感设备的实测位置为原点建立理想的东北天坐标系；光电传感设备的真实位姿相对于理想的东北天坐标系的偏差包括位移偏差和角度偏差，其中，位移偏差为(Δx,Δy,Δz)，Δx,Δy,Δz分别表示X、Y、Z轴的位移偏差，角度偏差为(Δθx,Δθy,Δθz)，Δθx,Δθy,Δθz分别表示绕X、Y、Z轴的旋转角度；步骤2，在光电传感设备的周围空间中设置多个特征点，测量各特征点的实测位置；通过光电传感设备对各特征点进行观测，得到光电传感设备观测到的各特征点的方位角与俯仰角；步骤3，设计如下目标函数：式中，N为特征点的数量；对于特征点i，为根据粒子群中的一个粒子计算出来的光电传感设备相对于特征点i的方位角，θ
i1
为光电传感设备对特征点i观测到的方位角，为根据粒子群中的一个粒子计算出来的光电传感设备相对于特征点i的俯仰角，θ
i2
为光电传感设备对特征点i观测到的俯仰角；δ
azi
为位置测量设备在经纬度方向上的固有误差，δ
pit
为高程测量设备测量高程的误差；r
i
为特征点i与理想东北天坐标系原点的距离；δ
θ1
和δ
θ2
分别为光电传感设备测量方位角和俯仰角的固有误差；步骤4，设置种群规模N、粒子维度D、迭代次数T、惯性权重w、学习因子c1,c2，以及粒子位置边界中的位移偏移量边界范围、角度偏移量边界范围、粒子速度边界范围；步骤5，按照粒子位置边界大小，利用随机函数，初始化粒子位置X

【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪汰，杨宏文，虞华，黄紫橙，赵飞，
申请(专利权)人：中华通信系统有限责任公司长沙分公司，
类型：发明
国别省市：