[發明專利]一種單目視覺慣性里程計系統及方法

有效

• 申請號: 201911031727.5
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號: CN110751123B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 李晨軒;張志彥;徐軼軻;王三舟;周軍;王濤;馬力超
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: G06V20/56
• 分類號: G06V20/56;G06V10/44;G06V10/75;G06T7/269;G06T7/73;G01C22/00
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所有限公司 11386
• 代理人: 李明里

本發明涉及一種單目視覺慣性里程計系統及方法，屬于移動載體的自主導航控制領域。本發明包括慣導模塊、單目視覺模塊、控制模塊和姿態輸出模塊。慣導模塊感應測量載體的運動信息，單目視覺模塊通過圖像幀獲取載體周圍環境信息?？刂颇K中的預處理模塊根據運動信息采用捷聯慣導算法解算得到載體的慣導信息，并根據單目視覺模塊提供的連續三幀圖像信息利用特征點匹配算法對圖像特征點進行粗匹配，得到粗匹配特征點組；REPF濾波器對得到的粗匹配特征點組進行精匹配得到最佳匹配點組，并利用全部最佳匹配點組解算得到載體的姿態信息。本發明具有尺度確定和計算復雜度低的優點，提高了里程計系統的導航精度和實時性。

技術領域

本發明涉及移動載體的自主導航控制技術領域，尤其涉及一種單目視覺慣性里程計系統及方法。

背景技術

近年來，單目視覺和慣導融合的里程計系統被廣泛應用于移動載體的自主導航控制領域，主要用于在缺乏絕對定位技術的場景中實現移動載體的導航定位以及利用自身的相對定位系統輔助移動載體的導航定位。因此提高里程計系統的定位精度和實時性是保障移動載體準確導航定位的關鍵。

目前，關于單目視覺和慣導融合的里程計系統技術方案可以分為兩類：一是單目視覺模塊和慣導模塊采用松耦合融合方式，分別讓單目視覺和慣導兩個模塊獨立運行，并進行單獨解算，然后將各自解算的結果進行融合；二是單目視覺模塊和慣導模塊采用緊耦合融合方式，充分考慮單目視覺和慣導兩個模塊之間的狀態關聯性，將視覺模塊的圖像特征放到狀態向量中，然后再解算姿態信息?，F有技術中，采用擴展卡爾曼濾波器將單目相機與IMU信息相融合的方法，但是其定位精度低，不便于應用于對定位精度較高的導航載體。針對上述問題發展的單目視覺和慣性緊耦合的方法，雖然提高了精度，但是計算復雜度高，對硬件設備資源要求高且不具備實時處理的能力。

現有技術存在以下缺點：一是單目視覺里程計尺度不確定性導致定位精度差；二是計算復雜度高，需要大型視覺識別系統設備，實時性差，不便于推廣應用。

發明內容

鑒于上述的分析，本發明旨在提供一種單目視覺慣性里程計系統及方法，以解決現有的里程計系統定位精度低和實時性差的問題。

一方面，本發明提出了一種單目視覺慣性里程計系統，包括：慣導模塊、單目視覺模塊、控制模塊和姿態輸出模塊。慣導模塊用于感應測量載體的運動信息；單目視覺模塊用于通過圖像幀獲取載體周圍環境信息；控制模塊包括預處理模塊和REPE(RANSAC-ExtendedKalman Particle Filter)濾波器；預處理模塊用于根據運動信息采用捷聯慣導算法解算得到載體的慣導信息，并根據單目視覺模塊提供的連續三幀圖像信息利用特征點匹配算法對圖像特征點進行粗匹配，得到粗匹配特征點組；REPF濾波器，用于基于解算的載體慣導信息對得到的粗匹配特征點組進行精匹配得到最佳匹配點組，并利用全部最佳匹配點組解算得到載體的姿態信息；姿態輸出模塊用于輸出控制模塊解算得到的姿態信息。

進一步的，慣導模塊包括固聯在載體上陀螺儀和加速度計，所述陀螺儀用于感應測量載體軸向的角速度，所述加速度計用于感應測量載體的線速度。

進一步的，單目視覺模塊提供的連續三幀圖像信息分別為當前幀數據、前一幀數據和前兩幀數據。

進一步的，預處理模塊執行下述流程得到粗匹配點：

利用Fast特征算法從單目視覺模塊提供的連續三幀圖像中分別提取特征點，并利用LK光流跟蹤進行特征點匹配；

從LK光流跟蹤得到的匹配特征點組中隨機選取八組匹配點組，并采用八點法估計得到單目視覺模塊相機的外參數，根據所述相機外參數及圖像間的對極幾何關系確定局內匹配點組數，保留匹配點組數最大的匹配點組以及與所述匹配點組數最大的匹配點組相匹配的匹配點組，剔除其它匹配點組，得到粗匹配點組。

進一步的，REPE濾波器執行下述流程得到最佳匹配點組：