[發明專利]一種視覺跟蹤組件安裝參數標定裝置和方法

有效

• 申請號: 202010198399.4
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111489399B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 彭慧伶;孫長庫;王鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 天津創智睿誠知識產權代理有限公司 12251
• 代理人: 王海濱

1.一種視覺跟蹤組件安裝參數的標定裝置，其特征在于：標定裝置包括相機安裝支架(1)、目標安裝支架(2)、二維轉臺(3)、數據采集模塊(4)、標定計算機(5)；

相機安裝支架(1)用于固定跟蹤相機，使其光軸在固定參考坐標系中朝向合適的方向；

被跟蹤目標通過目標安裝支架(2)固定在二維轉臺(3)上，在被跟蹤目標上安裝有靶標；

數據采集模塊(4)用于采集二維轉臺的姿態數據和視覺跟蹤系統的姿態數據；

標定計算機(5)用于控制二維轉臺(3)的轉動姿態、接收數據采集模塊(4)采集的數據并進行視覺跟蹤組件安裝參數的計算；

控制二維轉臺(3)轉動N個位置，使相機能夠對靶標進行成像；

在二維轉臺(3)的每個轉動位置處，利用數據采集模塊(4)采集二維轉臺(3)的姿態數據和視覺跟蹤系統輸出的姿態數據，并將采集的數據發送給標定計算機(5)；

標定計算機(5)采用擴展卡爾曼濾波算法將視覺跟蹤組件的安裝參數標定轉換為狀態估計，以待標定的視覺跟蹤組件安裝參數作為狀態變量，將二維轉臺輸出的姿態數據進行轉換，以得到的姿態矩陣元素作為量測向量，利用視覺跟蹤系統姿態解算數據和上一時刻的狀態變量構造一階線性化的量測矩陣；

視覺跟蹤組件安裝參數標定的方法如下：

首先，定義4個右手正交坐標系，包括運動目標坐標系、靶標坐標系、相機坐標系和世界坐標系，其中靶標在運動目標上的安裝參數用運動目標坐標系與靶標坐標系之間的旋轉矩陣T_om表示，靶標坐標系與相機坐標系之間的旋轉矩陣T_mc通過視覺跟蹤系統給出，相機在工作環境中的安裝參數用相機坐標系與世界坐標系之間的旋轉矩陣T_cw表示，運動目標在工作環境中的運動姿態由運動目標坐標系與世界坐標系之間的旋轉矩陣T_ow表示，由二維轉臺(3)給出，姿態矩陣存在如下關系式：

T_om·T_mc·T_cw＝T_ow?(1)

將視覺跟蹤組件的安裝參數用歐拉角參數描述，系統的狀態向量為：

X＝[r_om,p_om,a_om,r_cw,p_cw,a_cw]^T?(2)

其中，a_om、p_om和r_om分別表示運動目標坐標系相對于靶標坐標系的方位角、俯仰角和橫滾角，a_cw、p_cw和r_cw分別表示相機坐標系相對于世界坐標系的方位角、俯仰角和橫滾角；

在二維轉臺轉動期間視覺跟蹤組件安裝參數均保持不變，并加入過程噪聲表示未知或未建模的系統誤差，建立如下系統方程：

X(k+1)＝X(k)+w(k)?(3)

式中w(k)為二維轉臺第k個位置處的零均值和標準差為σ_w的高斯白噪聲；

令視覺跟蹤系統解算的方位角、俯仰角和橫滾角分別為[a_mc,p_mc,r_mc]，則其對應的旋轉矩陣為：

利用小角度近似對式(5)、式(6)進行簡化計算，得：

將二維轉臺輸出的方位角、俯仰角和橫滾角轉換得到的姿態矩陣元素組成9維量測向量，則量測方程為如下非線性方程：

對上式求量測向量Y(k)對于狀態向量X(k)的一階導數，整理后得到量測方程為：

Y(k)＝H(k)X(k)+v(k)?(10)

式中v(k)為二維轉臺的第k個位置測量數據中存在的零均值和標準差為σ_v的高斯白噪聲，以表示姿態測量中存在的未知或未建模隨機誤差；

利用視覺跟蹤系統姿態解算數據和上一時刻的狀態變量，進行一階線性化得到量測矩陣：

在每個位置的姿態測量向量為：