[發明專利]立體視覺結合陀螺儀風洞模型位姿測量方法

有效

• 申請號: 201410446062.5
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104165750B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 劉巍;李肖;賈振元;馬鑫;尚志亮;王爭取;魯文博
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種立體視覺結合陀螺儀風洞模型位姿測量方法，其特征是，該測量方法采用立體視覺與陀螺儀相結合的方式實現風洞環境投放物模型位姿的高精度測量；采用陀螺儀測量模型滾轉角度信息，利用編碼標記點直接顯示二進制滾轉角度值，左、右高速攝像機進行運動視場內投放物模型編碼標記點序列圖像采集；經圖像處理后，根據各編碼標記點位置信息求取投放物模型俯仰、滾轉和位置信息，通過編碼標志點二進制解碼獲得模型滾轉參數；投放物模型位姿參數求解具體步驟如下：

1.投放物模型及標志點布局

在投放物模型2上布置標志點，根據投放物模型直徑大小，標志點設有數組，每一組含有相同數量的標志點；每組標志點等距按行分布于待測類圓投放物模型圓周表面上，并且各標志點中心連線與投放物模型的軸線平行；標志點分為編碼標志點4和常亮標志點5，編碼標志點4用于滾轉角的編碼，常亮標志點5保證在每一滾轉角度下都可以進行位姿求解；編碼標志點4由安裝于投放物模型內部的單軸角速率陀螺儀3控制，利用單軸角速率陀螺儀3測量的滾轉角度參數控制各編碼標志點4的亮暗以完成編碼；編碼時，編碼標志點4亮記為1，不亮記為0；

2.高速序列圖像采集與圖像處理

采用已標定好的左、右高速攝像機1、1’進行高速序列圖像采集，通過像素坐標系下的坐標與三維空間點的坐標的誤差最小化函數對相機參數進行迭代求精；最小化函數方程為：

min(Σi=1mΣj=1m||mi,j-m(K,Ri,ti,Mj)||2)---(1)]]>

式中，m_i,j為像素坐標系下的坐標，m(K,Ri,t_i,M_j)表示三維空間點的坐標經過初始估計的相機參數投影變換到像素坐標系下的坐標；

利用灰度重心法求取投放物模型左右圖像標記點中心像面坐標，公式如下：

u‾=Σu,v∈Ωu×f(u,v)Σu,v∈Ωf(u,v)---(2)]]>

v‾=Σu,v∈Ωv×f(u,v)Σu,v∈Ωf(u,v)---(3)]]>

其中：f(u,v)是像面坐標為(u,v)的像素點的灰度值，Ω是目標所在區域的集合，即為整個標志點，是所提取標志點的中心坐標；隨后采用改進的八點歸一化算法計算左、右高速攝像機的基本矩陣F；基本矩陣滿足下面的關系：

m'^T?Fm＝0???(4)

其中：m_i(u_i,v_i,1)^T，m_i'＝(u_i',v_i',1)^T為三維空間點對應匹配點在左右圖像上的像面齊次坐標；假設給定一個對應點的集合{m_i,m_i'|i＝1,2,…,n}，n≥7，當使用n對對應點時，方程(4)可以改寫成如下形式：

U_nf＝0???(5)

其中：f＝[F₁₁,F₁₂,F₁₃,F₂₁,F₂₂,F₂₃,F₂₄,F₂₅,F₂₆]^T；

Un=u1u1′v1u1′u1′u1v1′v1v1′v1′u1v11u2u2′v2u2′u2′u2v2′v2v2′v2′u2v21...........................unun′vnun′un′unvn′vnvn′vn′unvn1n×9---(6)]]>

方程(4)是一個齊次方程組，并且，F在相差一個比例因子的情況下，應該有8個獨立變量；但是，因為F還滿足det(F)＝0，因此，在F的9個未知變量中只有7個獨立變量；如果，給定n≥8組匹配點，F矩陣即可確定；

在求得F矩陣后，利用左、右高速攝像機獲取的數字圖像之間極線約束關系進行標志點中心匹配；并對左右圖像對應匹配點進行三維重建以得到標志點中心在世界坐標系下的三維坐標值，重建公式如下：

xi=zXi′f1yi=zYi′f1zi=f1(f2ty-Yi′′tz)Y1(r7Xi′+r8Yi′+r9f1)-f2(r4Xi′+r5Yi′+r6f1)---(7)]]>

其中：x_i'，x_i′′分別為對應匹配標志點中心的像面坐標；x_i'＝(X_i',Y_i')，X_i'，Y_i'分別為x_i'在像面坐標系下的橫、縱坐標；x_i′′＝(X_i′′,Y_i′′)，X_i′′，Y_i′′分別為x_i‘'在像面坐標系下的橫、縱坐標；(x_i,y_i,z_i)為由兩對應匹配點x_i'、x_i‘'重建獲得的空間標記點的三維坐標；f₁、f₂分別對應左、右高速攝像機的焦距；r1r2r3r4r5r6r7r8r9]]>為從左高速攝像機變換到右高速攝像機的旋轉矩陣，[t_x?t_y?t_z]是右攝像機相對于左攝像機的平移矩陣；

3.位姿求解俯仰角、偏航角及位置信息求解

在完成圖像標志點序列圖像處理后，基于重建信息進行直線擬合完成投放物模型的俯仰角、偏航角與位置參數的求解；

設通過空間直線擬合得到的直線方程為：

x-x0m=y-y0n=z-z0p---(8)]]>

其中，(x₀,y₀,z₀)為空間直線上一點；(m,n,p)為空間直線的方向數；將公式(8)改寫為一般形式：

x=mp(z-z0)+x0=az+by=np(z-z0)+y0=cz+d---(9)]]>

令a=mp;b=x0-mpz0;c=np;d=y0-npz0;]]>

利用重建的標志點中心的三維坐標分別對上面兩個方程進行數據擬合，使得

Qx=Σi=1m[xi-(azi-b)]2Qy=Σi=1m[yi-(czi-d)]2---(10)]]>

最小，得到最優參數[a?b?c?d]，進而得到直線的擬合參數[m?n?p?x₀?y₀?z₀]；然后求直線與平面的夾角以及直線中點相對于坐標系中的位置獲得投放物模型俯仰角、偏航角與位置信息；具體如下：

取任意平面的法向量為(A,B,C)，則空間直線與該平面的夾角公式為：

令XOY坐標平面的法向量為(0,0,1)；則所求空間直線與XOY坐標平面的夾角為：

sinα=|p|m2+n2+p2---(12)]]>

α即為所求投放物模型的俯仰角；

令YOZ坐標平面的法向量為(1,0,0)；則所求空間直線與YOZ坐標平面的夾角為：

sinβ=|m|m2+n2+p2---(13)]]>

β為所求投放物模型的偏航角；擬合直線的中點O(x₁,y₁,z₁)代表投放物模型的位置信息；

2)投放物模型滾轉角度求解

設根據求解要求被測投放物模型表面有M+2個標志點，其中M個編碼標志點4用于滾轉角度編碼，每個編碼標志點在編碼過程中用二進制1表示亮，0表示不亮，另外2個標志點為常亮標志點5；為便于識別兩個常亮標志點5分別位于模型的頭尾兩側，各相鄰標志點之間的距離為d；設在t時刻有N(N≤M)個編碼標志點4變亮，利用左、右高速攝像機經特征提取、匹配與重建得到標志點中心的三維信息(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)…(x_n,y_n,z_n)，然后按順序約束依次計算各重建的編碼標志點與模型尾部最近的常亮標志點的實際距離記為D_i(i＝1，2…且i≤N)；計算

Di=(xi-x′)2+(yi-y′)2+(zi-z′)2D1d=n1Di-Di-1d=ni,(i=2···)---(14)]]>

則在第一個編碼點之前有n₁-1個編碼標志點不亮記為0；在第i和第i-1個亮編碼標志點之間有n_i-1個不亮編碼標志點，記為0，按此種方式，并用二進制1和0按順序對編碼標志點進行解碼；最后將二進制換算成十進制得到投放物模型的滾轉信息。