[發明專利]單目視覺和慣性傳感器融合的遠距離測距系統及方法

在審

• 申請號: 201910916404.8
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110617814A
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: 鄒旭東;肖麟慧;李志天;楊伍昊;熊興崟;劉云飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所;中國科學院大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01C3/00
• 代理公司: 11021 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 吳夢圓

本公開提供一種單目視覺和慣性傳感器融合的遠距離測距系統及方法，所述系統包括：單目視覺SLAM模塊，包括單目相機，用于采集視覺圖像數據；IMU模塊，用于獲得IMU模塊的IMU位姿數據；以及尺度估計模塊，將所述視覺圖像數據和IMU位姿數據進行融合，實現尺度估計和定位建圖，獲得具備真實尺度的地圖信息，完成待測目標的距離測距。所述測距方法包括：步驟S1：通過單目相機采集視覺圖像數據，并進行視覺定位和重投影構建地圖；步驟S2：在步驟S1所構建的地圖中標注出待測距的目標物體；步驟S3：對所構建的地圖構建的地圖進行尺度估計；以及步驟S4：根據尺度估計結果，對構建的地圖進行尺度縮放，從而獲得具備真實尺度的地圖信息，獲得待測目標距離數據。

技術領域

本公開涉及同步定位與建圖、測繪測控技術領域，尤其涉及一種單目視覺和慣性傳感器融合的遠距離測距系統及方法。

背景技術

測距技術傳統上是利用傳感器主動的發射物理信息到目標物體之后反射回來，利用發射和接受的時間差或者相位差來進行距離測量。隨著科學技術的不斷發展，目前已經涌現了激光測距、微波雷達測距、超聲波測距和紅外測距等基本原理類似的技術，這些技術具有應用廣泛、測量精度高等優點，此外，各種測距技術還具有自身的物理屬性優勢，比如紅外測距具備紅外線的傳播不擴散、折射率小等優點。這些測距技術都是利用自身發射模塊發出物理信息，進而發射到待測物體反射回來被接受模塊接受，之后通過獲得的時間差或者相位差等根據距離公式實現精準測距。這類測距技術雖然精準穩定，但是都需要有特定的傳感器設備，通常而言這些設備價格昂貴而且不便攜帶，難以在現有的大眾化設備中進行普及。

同步定位與建圖技術(Simultaneous Localization and Mapping，簡稱SLAM)，是設備在未知環境和未知位置下，根據搭載的特定傳感器的輸入信息，增量式地構建全局一致性的環境地圖的同時進行位置定位的間題。視覺SLAM(Visual SLAM)是使用單目相機、雙目相機、GB-D相機等視覺傳感器構建的SLAM系統。視覺SLAM與人眼類似，通過主動或者被動接受環境光的方式實現對周圍環境的信息感知，同時基于多視圖幾何原理對圖像中的特征點進行三維空間還原，從而構建一個與真實環境一致的三維地圖。單目視覺SLAM具有成本低、體積小、實時性較高、可獲取的信息豐富可靠等優點，在最近十年間取得了飛速的發展。但是因為單目相機在多視圖幾何投影理論上從三維空間投影到二維像素成像平面，損失了一個維度的信息，從而缺失了3D點的深度信息，從而最終構建出一致性地圖不具有尺度信息。因此，單目解決方案中都沒有絕對尺度，都無法獲得所建地圖的絕對尺度信息。這一缺陷限制了單目在現實場景下機器人的應用，也限制了定位和建圖的應用。

單目視覺慣性系統(monocular visual inertial system，monocular VINS)是指結合了視覺和慣性測量單元IMU(Inertial Measurement Unit，簡稱IMU)實現定位、建圖和導航的系統技術。依據IMU自身的慣性物理量可以還原出真實的軌跡，因此，可以通過低成本慣性測量單元輔助單目視覺系統解決尺度問題。目前低成本的移動設備上基本都配備了單目相機和IMU。基于單目視覺的SLAM系統可以解決測量和定位的問題，IMU可以解決單目視覺的尺度估計問題，這兩種設備的結合滿足了測距系統的基本物理要求，但目前缺少完善的技術方案將視覺信息和慣性信息進行快速有效的融合，從而難以實現基于低成本硬件的遠距離測距。

公開內容

(一)要解決的技術問題

基于上述問題，本公開提供了一種單目視覺和慣性傳感器融合的遠距離測距系統及方法，以緩解現有技術中缺少完善的技術方案將視覺信息和慣性信息進行快速有效的融合，難以實現基于低成本硬件的遠距離測距等技術問題。

(二)技術方案