[發明專利]仿昆蟲復眼立體視覺的多通道視覺測距法

有效

• 申請號: 201910904356.0
• 申請日: 2019-09-24
• 公開（公告）號: CN110645956B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 邢強;高文靜;顧俊;楊預立
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G01C3/00
• 分類號: G01C3/00;G01C3/02
• 代理公司: 北京科家知識產權代理事務所(普通合伙) 11427
• 代理人: 徐思波

1.一種仿昆蟲復眼立體視覺的多通道視覺測距法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)建立基于目標方向檢測的仿復眼快速測距模型

建立多通道環形傳感器雙目測距裝置，由兩個環形傳感器組成，每個環形傳感器由N個子傳感器呈夾角δ的環形排列而成，建立直角坐標系，原點位于兩個環形傳感器的中心點O₁和O₂中間，兩個中心點O₁和O₂之間的連線為基線、間距為2a，坐標系中的一點P可由經過O₁、O₂的中心方位角分別為α、β的兩直線的交點表示；當要檢測坐標系空間內某一點P的位置時，由于基線已知，僅需獲取兩環形傳感器的方位角α、β，結合三角測距法可獲得P點的空間位置，建立基于目標方向檢測的仿復眼快速測距模型如式(1)：

(2)確定基于環形傳感器目標信號匹配測距模型的方位角，實現三角測距

步驟(1)中的環形傳感器由等夾角δ環形分布的N個子傳感器組成，δ為兩相鄰子傳感器視軸中心線間的角度，在環形傳感器視野范圍內有一目標點P，將各子傳感器t時刻采集的目標信號沿環形傳感器視軸分布，目標處于信號最強烈的子傳感器視軸方向，以信號最強原則確定目標方位角，即環形傳感器中顯示各子傳感器t時刻采集的目標信號最強的子傳感器的視軸方向作為目標在該環形傳感器中的方位角α＝iδ；在多通道雙目視覺傳感器立體視覺測距中，兩環形傳感器以各自陣列中最強信號方向作為目標方向，確定各自方位角，實現三角測距；

(3)基于雙目測距原理，實現兩環形傳感器在大視場范圍內對與子傳感器排列垂直面內的目標測距；

步驟(2)的具體步驟為：

(2-1)相鄰夾角的不均勻性導致方位角的不準確性，環形傳感器中各子傳感器的安裝及自身視角會導致相鄰夾角的不均勻性，需要通過環形傳感器的視軸標定方法來標定；

(2-2)由于目標位置的任意性，不能簡單地以某子傳感器視軸方向代表目標方位角，存在如下情況：第I種情況，目標位于編號為K的子傳感器的視軸方向上，采用對應子傳感器的視軸方向表征目標方位角；第II種情況，目標位于編號K與K+1的子傳感器間靠近編號為K的子傳感器視軸的一側，采用其中某一個子傳感器的視角方向來表征目標方位角，會導致目標方位角至少存在的角度誤差；

步驟(2)中建立基于最大值法、加權平均法、多項式擬合法及高斯擬合法中任一種的信號最強目標方位角確定法，標定環形傳感器中各子傳感器視軸方向，具體為：

(a)最大值法

最大值法是比較t時刻環形傳感器陣列中各子傳感器信號間的大小，以最大信號值的子傳感器的視軸方向表示目標所在環形傳感器中的方位角，如式(2)所示：

其中，S_i(t)為編號為i的子傳感器t時刻輸出的信號值(i，j＝1,2,3……N)；為目標在環形傳感器視覺系統中的方位角；δ_i、δ_j分別是編號為i或j的子傳感器視軸方向；

(b)加權平均法

加權平均法將離散觀測值細分，獲得信號的趨勢峰值，當目標峰值趨于整體信號對稱中心或信號能量集中于峰值附件時，尋峰準確度高；如式(3)所示：

其中，S_i為編號為i的子傳感器某時刻輸出的信號值，δ_i為第i號子傳感器的視軸方向；

(c)最小二乘擬合

根據采集信號的分布特性，采取最小二乘來近似獲取陣列離散信號曲線分布函數，通過實驗獲得的函數S＝f(δ)在n個點δ₁,δ₂,δ₃……δ_n位置的子傳感器信號值為S₁,S₂,S₃……S_n，要獲得一個近似曲線表達式，求解最小二乘來近似獲取陣列離散信號分布曲線的峰值，獲取目標在環形傳感器中的目標方位角，包括多項式擬合與高斯分布擬合；

(c-1)多項式擬合法

設信號輸出觀測值的多項式擬合模型為：

其中，m擬合多項式最大階數，n+1為觀測值總量；

根據最小二乘原理，使得觀測值到擬合曲線的距離平方和最小：

基于已有觀測值，將公式(5)轉換為求解I＝I(a₀,a₁,Λ,a_m)的極值問題，由此可得：

將觀測值代入式(6)，可得：

令：

根據模型唯一解，可得：

P＝(Z^TZ)^-1Z^TM (8)；

由此獲得Q函數表達式，并通過一階導數Q’＝0獲得峰值對應角度大小；

(c-2)高斯擬合法

高斯擬合法是基于高斯正態函數的擬合，以t時刻為例，環形傳感器各通道同步采用的目標信號分別為i＝1,2,3…N，其中i表示子傳感器序號，服從高斯分布；其中，表示子傳感器i在t₁時刻采集到目標的光強信號值，δ_i表示子傳感器i在環形分布結構中的角度；構造信號輸出觀測值的高斯擬合模板函數：

其中，a、b、c為待定系數；且a為環形傳感器陣列所檢測到信號的高斯曲線峰值，b為峰值位置對應的角度值，c為半寬度信息；對式(9)兩邊取自然對數，優化為：

式中：

將實驗離散信號數據帶入公式(10)，得：

令：

則，根據最小二乘原理，可確定參數A、B、C的最小二乘解為

P＝(Z^TZ)^-1Z^TM (13)，

再結合式(11)，得到環形傳感器檢測到目標的視軸角度：

其中，步驟(2)中要實現環形傳感器對目標方向角度的確定，需要檢測陣列中各子傳感器視軸方向，根據子傳感器光電二極管具有的對稱視角及感光特性，采集如下信號：①子傳感器繞定位中心360°旋轉的目標信號；②環形傳感器在t時刻的環形傳感器信號；③目標在子傳感器視軸垂直面勻速直線運動的子傳感器信號，分析信號分布曲線特征，確定相應算法；具體過程如下：

以環形傳感器的中心為原點O，建立XOZ直角坐標系：環形傳感器由子傳感器以環形形式分布；1號子傳感器視軸中心線方向與坐標系X軸正方向相同，按逆時針方向子傳感器序號依次為i(i＝1，2，3，...，N表示環形傳感器的編號)；當子傳感器固定后，各子傳感器有其固定的視軸方向，P_i(R1，δ_i)表示某一環形傳感器的第i號子傳感器的極坐標位置，R1為環形傳感器所在固定結構的半徑，δ_i為子傳感器的視軸方向，D表示環形傳感器旋轉中心與線性激光發射器的間距，ω表示電動平臺的旋轉角速度，以豎直放置的一字型線性激光發射器模擬目標，激光線穿過旋轉臺旋轉中心，使得激光線、環形傳感器中心以及平臺中心在同一直線內；當需要實現360°范圍內環形傳感器信號采集時，利用伺服電機控制旋轉電動臺帶動環形傳感器以角速度w順時針方向旋轉，同步利用多通道信號采集裝置采集環形傳感器的信號s，即可實現子傳感器在360°范圍內目標信號的采集；

針對子傳感器在360°旋轉過程中采集的信號，計算子傳感器在水平方向上視軸方向；通過離散數據分析獲取s^max對應t值，根據公式(15)即可計算得到編號為i子傳感器視軸方向δ_i：

δ_i＝ω·t_i (15)；

利用公式(1)-(14)的計算方法分別對360°旋轉過程中采集的環形傳感器陣列信號進行相應的處理，分析與比較子傳感器夾角與擬合算法對目標方位角定位精度的影響，提高環形傳感器對目標方位角ε°定位精度。