一种利用十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法，将相机与十字结构光传感器同向放置，根据物体表面的直线特征调整测量装置，使十字结构光与物体表面的一条直线有两个交点，测量时通过处理器对相机捕获的图像进行处理计算，得到物体于相机之间的相对位置和姿态信息。本发明实现了在相机对缺乏平行约束条件的非合作目标位姿的测量，大大简化了计算，提高了运算效率，满足室内微小型载体的载重要求。
【专利说明】一种利用十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及位姿测量领域，具体是一种利用十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法。
【背景技术】
[0002]利用视觉进行位姿测量具有精度高、非接触和低成本等优点，根据测量所需的相机数一般可分为单目视觉测量和多目视觉测量。单目视觉测量由于结构简单、测量灵活，仅使用一台相机即可得到目标相对于相机的三维姿态和三维位移数据，得到了广泛的研究和应用。
[0003]目前，国内外对视觉位姿测量进行了大量并且深入的研究，视觉位姿测量可以分为对合作目标的测量和对非合作目标的测量，其中，合作测量算法已经较为成熟，比较成熟的算法是利用目标物体上N个特征点在物体坐标系下的位置关系进行求解，即PNP问题，而非合作视觉测量算法却无法事先获得特征点在物体坐标系下的坐标。非合作视觉测量算法的相关公开文献较少，大部分研究方法都是致力于将非合作问题转化为合作问题来处理，这样的方法在实际应用中有一定的局限性。目前部分直接进行非合作视觉测量的算法需要利用激光测距仪辅助获得位置和姿态信息，否则只能获得物体的姿态信息，由于激光测距仪重量与尺寸较大，不适合应用在室内微小型载体上进行自主导航；有专利利用单幅图像上具有平行四边形几何约束的四个特征点实现物体的空间定位；有论文针对无法获取大型非合作航天器完整特征图像的情况进行位姿求解，利用线结构光辅助获得航天器平行边上的四个特征点，同样利用平行约束条件进行位姿求解，以上两种方法在无法获得平行约束时无法进行位姿解算。总的来说，目前对非合作目标进行视觉位姿测量的方法存在计算量较大、辅助设备尺寸重量大以及需要平行约束条件，并不完全满足室内微小型载体视觉导航的要求。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决室内微小型载体视觉导航时的位姿测量问题，提出了十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法，实现了在相机对缺乏平行约束条件的非合作目标位姿的测量，满足室内微小型载体的载重要求，同时计算量小，大大增加了计算效率。
[0005]一种利用十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤:
[0006]I)建立相机坐标系C-XJJ。、图像坐标系o-uv、十字结构光坐标系L-X1Y1Zi以及物体坐标系Otj-XtjYtjZtj,其中相机坐标系、图像坐标系与通常的定义一致；十字结构光坐标系的原点为十字结构光发出点，Z1轴与十字结构光两平面的交线重合，方向与光线射出方向一致，X1轴、Y1轴分别沿两个垂直光线平面与Z1轴构成右手系；物体坐标系原点位于物体表面某一线段的端点，X0轴与该线段重合指向另一端点，Z。轴垂直物体表面向外，Y0轴与X。轴、Z0轴构成右手系；
[0007]2)定义物体坐标系相对相机坐标系的旋转关系R与平移关系T，其中R表示物体坐标系先绕X。轴逆时针转动Y角，再绕Y。轴逆时针转动Θ角，最后绕Z。轴逆时针转动ψ
角，即
【权利要求】
1.一种利用十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤: 1)建立相机坐标系C-XJJ。、图像坐标系ο-UV、十字结构光坐标系L-X1Y1Z1以及物体坐标系Otj-XtXZtj,其中相机坐标系、图像坐标系与通常的定义一致；十字结构光坐标系的原点为十字结构光发出点，Z1轴与十字结构光两平面的交线重合，方向与光线射出方向一致，X1轴、Y1轴分别沿两个垂直光线平面与Z1轴构成右手系；物体坐标系原点位于物体表面某一线段的端点，X。轴与该线段重合指向另一端点，Z。轴垂直物体表面向外，Y0轴与X。轴、Z。轴构成右手系； 2)定义物体坐标系相对相机坐标系的旋转关系R与平移关系T，其中R表示物体坐标系先绕X。轴逆时针转动Y角，再绕Y。轴逆时针转动Θ角，最后绕Z。轴逆时针转动Ψ角，
2.根据权利要求1所述的利用十字结构光辅助的单目视觉位姿测量方法，其特征在于:所述的单点三角测距法为安装时获得4轴与平面XwOwZw的夹角λ与 轴与平面XwOwZw的夹角由结构光坐标系与相机坐标系之间的旋转关系可知Al； = 4A；tanφ+Ze4 tmA + d f从而得到十字结构光在物体表面投影上任意一点在相机坐标系下的坐标:
【文档编号】G01C11/00GK103791889SQ201410015892
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】王云舒, 曾庆化, 刘建业, 顾姗姗, 陈维娜, 万骏炜, 赵继, 居后鸿, 孟骞, 王焕浩 申请人:南京航空航天大学