CN110672094B - 一种分布式pos多节点多参量瞬间同步标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，将主POS及子IMU安装在悬臂梁两端对应的安装节点上，分别定义为主节点和子节点，将两个靶标分别粘贴在主POS和子IMU一侧的表面，定义主POS表面的靶标为主节点靶标；子IMU表面的靶标为子节点靶标，首先基于手眼标定模型标定出无公共视场的第一相机和第二相机的位姿关系；第一相机和第二相机分别拍摄主节点靶标和子节点靶标，实时测量主节点靶标和子节点靶标分别在第一相机和第二相机坐标系中的位姿，将靶标坐标系通过第一标定板、第二标定板和IMU的已知尺寸信息转换到IMU坐标系下；实时计算主节点和子节点之间的相对位置和姿态。该***具有精度高、非接触式测量的特点。

Description

一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法

技术领域

本发明涉及分布式POS测量领域，具体涉及一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，适用于测量载机存在弹性变形，即动态情况下，分布式POS***精度检校。

背景技术

位置姿态测量***(position and orientation system，POS)由惯性测量单元(Inertial measurement Unit,IMU)、导航计算机***(POS Computer System，PCS)和GPS(Global Positioning System)组成。POS可以为高分辨率航空遥感***提供高精度的运动导航信息，通过运动误差补偿提高遥感载荷成像质量，是实现高分辨率成像的关键。

我国在单POS成像方面取得了不错的成绩，实现了高分辨率二维成像。随着机载对地观测***的不断发展，二维成像需求逐渐向三维成像转变，这就要求机载分布式阵列天线SAR、柔性多基线干涉SAR以及其他多个或多种载荷安装在飞机不同位置，采用传统的单一POS无法实现各载荷高精度位置姿态测量以及各载荷数据的时间统一。分布式POS在多载荷、三维成像方面起着至关重要的作用。分布式POS包括主POS和多个子IMU，其中高精度主POS安装在机腹下面的吊舱中，并作为主节点，子IMU安装在机翼上每个成像载荷处，并作为子节点。主、子节点分别测量各节点处的位置和姿态数据，利用传递对准技术将主节点高精度的导航数据传递给子节点，实现子节点处的高精度导航信息，进而对多个成像载荷完成高精度的运动补偿。分布式POS测量精度是决定分布式POS性能的关键指标，对分布式POS进行有效的精度检校是本领域亟待解决的关键技术之一。

目前，公开的文献中单POS的标校方法较多，如空中三角测量法，转台标校法。针对分布式POS的标校方法相对较少。

朱庄生，袁学忠.一种分布式POS的精度检校方法和装置：CN.(申请号CN201810153914.X；公开号CN108106637A)的内容是利用两个没有公共视场的两个相机，分别测量粘贴在分布式POS表面的靶标，进行分布式POS的标校工作，两个相机之间的关系标定利用了两个固连的平面靶标，以靶标运动前后两个靶标平面上两个单位矢量的夹角不变为约束条件标定两个相机之间的姿态关系，利用靶标运动前后，靶标上的两个点的距离不变为约束条件标定两个相机之间的位置关系，该方法操作起来很复杂，且计算过程中利用的点的个数有限，很难达到高精度。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，操作简单，易于实现，只需要多次移动相机，整个计算过程利用手眼标定即可完成；且具有精度高、非接触式测量、抗干扰能力强的特点，通过扩展多个子节点和多个相机，可实现分布式POS多节点多参量瞬间同步标校。

本发明技术解决方案：一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，包括步骤：

利用两个标定板，标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；

将另外两个靶标别放置在主节点和子节点处，分别称作主节点靶标和子节点靶标，并分别置于每个相机的视野中，调整相机之间角度使得所述相机能够拍摄到所述靶标；

第一相机和第二相机分别拍摄主节点靶标和子节点靶标，测量主节点和子节点分别在相机坐标系中的位姿；

计算出所述主子节点和所述子节点之间相对位置和姿态；

检校分布式POS***的精度。

优选地，标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系，具体包括：

将第一相机和第二相机通过三脚架刚性固连；

第一相机和第二相机分别拍摄各自对应的标定板，各获取一幅图像，多次变换相机位置，通过相机移动前后，第一相机和第二相机之间的位姿关系不变为约束条件标定出所述第一相机和第二相机之间的位姿关系。

优选地，相机移动前后，第一相机和第二相机之间的位姿关系不变为约束条件标定出第一相机和第二相机之间的位姿关系，具体包括步骤：

对于第一相机，初始时刻第一相机和第一标定板之间的位姿关系为A₀，第一相机移动K次，每次移动第一相机和第一标定板之间的位姿记作A_k(k＝1…K)，则相对于初始时刻第一相机的摆放位置，第一相机的位姿为T₁ ^k(k＝1…K)。对于第二相机，初始时刻第二相机和第二标定板之间的位姿为B₀，第二相机移动K次，每次移动第二相机和第二标定板之间的位姿记作B_k(k＝1…K)，则相对于初始时刻第二相机的摆放位置，第二相机的位姿为

其中，A_k包括旋转R_k和平移t_k关系，

相机移动前后，以第一相机和第二相机之间的位姿关系不变为约束条件，有如下公式：

其中，T₃表示第一相机和第二相机之间的位姿关系。该方程为经典的手眼标定模型。

优选地，第一相机和第二相机分别拍摄主节点靶标和子节点靶标之前还包括步骤：

将主POS和子IMU分别安装在悬臂梁的两端，分别定义为主节点和子节点，将两个靶标分别粘贴在主POS和子IMU一侧的表面，定义主POS表面的靶标为主节点靶标；子IMU表面的靶标为子节点靶标。

本发明与现有技术相比所能达到的技术效果为：

本发明针对分布式POS精度检校的问题，首先标定出无公共视场的两个相机的相对位姿关系，然后测量主子节点分别在第一相机和第二相机坐标系中的位姿，最后计算出主子节点相对位姿，对分布式POS测量精度进行标校。视觉测量具有非接触、高频率、高精度、可实时测量的特点，通过两个标定板，多次移动两个固连的相机，基于手眼标定模型标定多相机的位姿关系，该方法避免了传统的利用经纬仪或者全站仪三维坐标测量***对相机进行全局标定操作过于繁琐、工作效率低的缺点。通过扩展相机的数量，可实现对更多子节点的分布式POS进行位姿精度检校，同时也可用于实际工程中大型结构件的形变、震动等的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的分布式POS的精度检校方法一个实施例的硬件***组成示意图；

图2为本发明一个实施例的相机标定示意图；

图3为本发明分布式POS的精度检校方法的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，该方法包括步骤：标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系；第一相机和第二相机分别拍摄主节点靶标和子节点靶标，测量主节点靶标和子节点靶标分别在相机坐标系中的位姿；将第一相机和第二相机测量的位姿数据统一到一个测量基准坐标系，计算出主节点和子节点相对位置和姿态，进而完成分布式POS***的标校工作。

如图1、图2所示，作为一种可实施方式，本发明的***基本组成包括第一相机、第二相机、第一标定板、第二标定板、连杆、相机三脚架、主节点靶标、子节点靶标、主POS、子IMU、和分布式***安装结构。如图1所示，主IMU安装在悬臂梁中间作为主节点；子IMU安装在结构上待测节点处，作为子节点；主节点靶标和子节点靶标分别粘贴在主、子IMU表面；两个相机分别拍摄主、子靶标。图2为无重叠视场的相机标定示意图，第一标定板和第二标定板通过一连杆固连，第一、第二标定板采用陶瓷材质，并刻有棋盘格或者圆点特征点图案，特征点间距已知。

如图3所示，下面列举本发明分布式POS的精度标校方法的一个实施例，其具体实施步骤如下：

步骤S11：将主POS及两个子IMU分别安装在柔性结构架的对应安装节点上，视觉靶标(主节点靶标和子节点靶标)分别和IMU的一面刚性固连。每个相机拍摄一个靶标。

步骤S12：另将第一标定板和第二标定板通过一连杆刚性固连，并预先第一相机、第二相机分别拍摄第一标定和第二标定板，各获取一幅图像，相机移动前后，以第一相机和第二相机之间的位姿关系不变为约束条件标定出第一相机和第二相机之间的位姿关系。

对于第一相机，初始时刻第一相机和第一标定板之间的位姿关系为A₀，第一相机移动K次，每次移动第一相机和第一标定板之间的位姿记作A_k(k＝1…K)，则相对于初始时刻第一相机的摆放位置，第一相机的位姿为T₁ ^k(k＝1…K)。对于第二相机，初始时刻第二相机和第二标定板之间的位姿为B₀，第二相机移动K次，每次移动第二相机和第二标定板之间的位姿记作B_k(k＝1…K)，则相对于初始时刻第二相机的摆放位置，第二相机的位姿为

其中，A_k包括旋转R_k和平移t_k关系，

相机移动前后，以第一相机和第二相机之间的位姿关系不变为约束条件，有如下公式：

其中，T₃表示第一相机和第二相机之间的位姿关系。将上式展开得：

上述方程组利用李群李代数的理论可求出R₃和t₃，

其中R₃代表第一相机和第二相机之间的旋转矩阵，t₃代表第一相机和第二相机之间的平移矢量。

步骤S13：标定好相对关系的第一相机和第二相机，分别拍摄主节点靶标和子节点靶标。通过单目视觉完成对单个靶标的位姿测量，然后经过机械加工结构将靶标坐标系转换到IMU坐标系下，计算相机和IMU的位姿关系，并将所有的子节点位姿转换到基准坐标系下，基准坐标系即主POS所在的坐标系，统一坐标系后，获取主子节点间的相对位姿，实现主子节点间相对位姿测量，完成分布式POS***的标校。

综上，本发明公开的一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，首先标定没有共公共视场的两个相机之间的关系，通过单目视觉完成对单个靶标的位姿测量，然后经过第一标定板、第二标定板和IMU的已知尺寸信息将靶标坐标系转换到IMU坐标系下，最后获取主子节点间的相对位姿，最后对分布式POS进行精度标校。使用视觉测量手段实现位姿测量，并利用相机移动前后相机之间位姿关系不变的约束条件标定两相机位姿，克服了传统方法利用经纬仪或者全站仪等其他三维坐标测量***对相机进行全局标定操作繁琐、工作量大的缺点；本次发明的标校方法具有精度高、抗干扰能力强的特点，通过扩展子节点数量和相机，可在地面完成对分布式POS多节点多参量瞬间同步标校。

Claims (2)

1.一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，第一相机和第二相机分别拍摄第一标定板和第二标定板，多次变化相机位置，基于手眼标定模型标定出无公共视场的第一相机和第二相机之间的相对位姿关系；

第二步，第一相机和第二相机分别拍摄主节点靶标和子节点靶标，主节点靶标、子节点靶标分别粘贴在主POS和子IMU的表面，通过单目视觉完成主靶标和子靶标分别在第一相机坐标系和第二相机坐标系下的位姿测量；

第三步，经过第一标定板、第二标定板和IMU的已知尺寸信息将靶标坐标系转换到IMU坐标系下，计算第一相机和第二相机分别和主POS、子IMU的相对位姿关系，最后获取主节点和子节点间的相对位姿，通过扩展相机，实现多个节点间的相对位置和姿态的实时测量，完成多节点瞬间同步标校；

所述第一步中，标定出无公共视场的第一相机和第二相机的相对位姿关系，具体包括：

(1)将第一标定板和第二标定板通过一连杆刚性固连，第一相机和第二相机通过三脚架刚性固连；第一标定板和第二标定板采用陶瓷材质，并刻有棋盘格或者圆点特征点图案，特征点间距已知；

(2)第一相机和第二相机分别拍摄所述第一标定板和第二标定板，各获取一幅图像，计算出标定板和相机之间的相对位姿，多次变换相机位置，通过相机移动前后，第一相机和第二相机相对位姿关系不变的约束条件，利用手眼标定模型标定出第一相机和第二相机之间的相对位姿关系。

2.根据权利要求1所述的一种分布式POS多节点多参量瞬间同步标校方法，其特征在于，所述步骤(2)中，第一相机和第二相机相对位姿关系不变的约束条件标定出第一相机和第二相机之间的位姿关系，具体包括步骤：

对于第一相机，初始时刻第一相机和第一标定板之间的位姿关系为A₀，第一相机移动K次，K≥20，每次移动，第一相机和第一标定板之间的位姿记作A_k，k＝1…K，则相对于初始时刻第一相机的摆放位置，第一相机的位姿为T₁ ^k，对于第二相机，初始时刻第二相机和第二标定板之间的位姿为B₀，第二相机移动K次，每次移动第二相机和第二标定板之间的位姿记作B_k，则相对于初始时刻第二相机的摆放位置，第二相机的位姿为

其中，A_k包括旋转R_k和平移t_k关系，

相机移动前后，以第一相机和第二相机之间的位姿关系不变为约束条件，有如下公式：

其中，T₃表示第一相机和第二相机之间的位姿关系，通过解该方程计算第一相机和第二相机之间的位姿关系。

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