基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法及装置与流程

本申请属于机载惯性导航部件安装误差测量技术领域，具体涉及一种基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法及装置。

背景技术：

惯性导航部件为惯性组合导航系统的核心部件，用于实时测量、解算载机的姿态、加速度、速度、位置等导航参数，为保证其精度，惯性导航部件的安装面相对于载机基准的安装误差需控制在允许的误差范围之内，安装误差包括航向误差、俯仰误差、横滚误差。

现有技术中，利用象限仪测量俯仰误差和横滚误差，由于象限仪只能测量相对水平面的误差，因此，利用其测量俯仰误差和横滚误差时需先将载机调整至水平状态，过程繁琐；利用激光跟踪仪测量航向误差，在使用激光跟踪仪对航向误差进行测量时，需要借助精密加工的辅助工装测得机体坐标系下的纵向前后的两个孔位坐标，过程费时、费力。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法及装置，以克服或减轻上述至少一方面的缺陷。

本申请的技术方案是：

一方面提供一种基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法，包括以下步骤：

三维重建步骤：在同一坐标系下对惯性导航部件的安装面、惯性导航部件安装面上的航向特征以及载机基准进行三维重建；

误差计算步骤：基于三维重建的安装面、航向特征以及载机基准计算惯性导航部件安装误差。

根据本申请的至少一个实施例，三维重建步骤包括：

相机标定步骤：对第一相机及第二相机进行标定，得到第一相机及第二相机的内外参数；

图像获取步骤：基于第一相机获取第一图像，基于第二相机获取第二图像；其中，第一图像及第二图像中均包括安装面的图像以及载机基准的图像

特征提取步骤：提取第一图像中安装面图像的特征点，该特征点称为第一安装面特征点，以及提取第一图像中安装面图像上表征安装面航向特征的特征点，该特征点称为第一安装面航向特征点；提取第一图像中载机基准图像的特征点，该特征点称为第一载机基准特征点；提取第二图像中安装面图像的特征点，该特征点称为第二安装面特征点，以及提取第二图像中安装面图像上表征安装面航向特征的特征点，该特征点称为第二安装面航向特征点；提取第二图像中载机基准图像的特征点，该特征点称为第二载机基准特征点；

特征点匹配步骤：对第一安装面特征点及第二安装面特征点进行匹配，得到安装面匹配特征点；对第一安装面航向特征点及第二安装面航向特征点进行匹配，得到航向匹配特征点；对第一载机基准特征点及第二载机基准特征点进行匹配，得到载机基准匹配特征点；

坐标转化步骤：根据安装面匹配特征点在第一相机像素坐标系及第二相机像素坐标系下的像素坐标、航向匹配特征点在第一相机像素坐标系及第二相机像素坐标系下的像素坐标、载机基准匹配特征点在第一相机像素坐标系及第二相机像素坐标系下的像素坐标、内外参数，得到安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标、航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标、载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标；

三维坐标重建步骤：根据安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标对安装面进行三维重建；根据航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标对航向特征进行三维重建；根据载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标对载机基准进行三维重建；

其中，选定相机为第一相机或第二相机。

根据本申请的至少一个实施例，相机标定步骤包括利用棋盘靶标对第一相机及第二相机进行标定，得到第一相机的内部参数fp1，up1，vp1，dx1，dy1，第二相机的内部参数fp2，up2，vp2，dx2，dy2，以及外部参数rc1c2、tc1c2；其中，

fp1为第一相机的焦距；up1、vp1是第一相机图像中心点的像素坐标；dx1，dy1分别为第一相机像素在图像平面x轴和y轴上的物理尺寸；

fp2为第二相机的焦距；up2、vp2是第二相机图像中心点的像素坐标；dx2，dy2分别为第二相机像素在图像平面x轴和y轴上的物理尺寸；

rc1c2、tc1c2表示第一相机坐标系与第二相机坐标系的相对位置关系，rc1c2为旋转矩阵、tc1c2为平移向量。

根据本申请的至少一个实施例，坐标转化步骤包括：

像素及图像坐标转化步骤：根据安装面匹配特征点在第一相机像素坐标系下的像素坐标及up1，vp1，dx1，dy1，得到安装面匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标；根据航向匹配特征点在第一相机像素坐标系下的像素坐标及up1、vp1、dx1、dy1，得到航向匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标；根据载机基准匹配特征点在第一相机像素坐标系下的像素坐标及up1、vp1、dx1、dy1，得到载机基准匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标；根据安装面匹配特征点在第二相机像素坐标系下的像素坐标及up2、vp2、dx2、dy2，得到安装面匹配特征点在第二相机图像坐标系下的图像坐标；根据航向匹配特征点在第二相机像素坐标系下的像素坐标及up2、vp2、dx2、dy2，得到航向匹配特征点在第二相机图像坐标系下的图像坐标；根据载机基准匹配特征点在第二相机像素坐标系下的像素坐标及up2、vp2、dx2、dy2，得到载机基准匹配特征点在第二相机图像坐标系下的图像坐标；

图像及相机坐标转化步骤：根据安装面匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标、其在第二相机图像坐标系下的图像坐标、以及fp1、fp2、rc1c2、tc1c2，得到安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标；根据航向匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标、其在第二相机图像坐标系下的图像坐标、以及fp1、fp2、rc1c2、tc1c2，得到航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标；根据载机基准匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标、其在第二相机图像坐标系下的图像坐标、以及fp1、fp2、rc1c2、tc1c2，得到载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标。

根据本申请的至少一个实施例，三维坐标重建步骤包括：

安装面三维重建步骤：根据安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标，采用多元素拟合方法对惯性导航部件的安装面进行三维重建；

航向特征三维重建步骤：根据航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标，采用多元素拟合方法对航向特征进行三维重建；

载机基准三维重建步骤：根据载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标，采用多元素拟合方法对载机基准进行三维重建。

根据本申请的至少一个实施例，误差计算步骤包括：

俯仰误差计算步骤：基于三维重建的安装面及三维重建的载机基准，计算惯性导航安装面与载机基准间的俯仰误差；

横滚误差计算步骤：基于三维重建的安装面及三维重建的载机基准，计算惯性导航安装面与载机基准间的横滚误差；

航向误差计算步骤：基于三维重建的航向特征及三维重建的载机基准，计算惯性导航安装面与载机基准间的俯仰误差。

根据本申请的至少一个实施例，俯仰误差为xz交线与三维重建的载机基准x轴的夹角；xz交线为三维重建的惯性导航安装面与三维重建的载机基准的xz平面的交线。

根据本申请的至少一个实施例，横滚误差为俯仰误差为yz交线与三维重建的载机基准y轴的夹角；yz交线为三维重建的惯性导航安装面与三维重建的载机基准的yz平面的交线。

根据本申请的至少一个实施例，航向误差三维重建的航向特征与三维重建的载机基准的x轴的夹角。

另一方面提供一种基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测装置，包括：

三维重建模块，用于在同一坐标系下对惯性导航部件的安装面、惯性导航部件安装面上的航向特征以及载机基准进行三维重建；

误差计算模块：基于三维重建安装面、航向特征以及载机基准计算惯性导航部件安装误差。

本申请至少存在以下有益技术效果：提供了一种基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法，其利用在同一坐标系下三维重建的惯性导航部件安装面、惯性导航部件安装面上的航向特征以及载机基准对惯性导航部件的安装误差进行计算，使用该方法检测惯性导航部件的安装误差简单快捷，准确性高。此外，还提供了一种基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测装置。

附图说明

图1是本申请实施例提供的基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法的原理示意图；

图2是本申请实施例提供的基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法的流程图。

其中：

101：第一相机坐标系；103：第二相机坐标系；104：载机基准；105：世界坐标系；106：惯性导航部件的安装面；107：惯性导航部件的安装面上的航向特征；108：第一相机图像坐标系；109：第二相机图像坐标系；110：第一相机图像的像素坐标系；111：第二相机图像的像素坐标系；

102：第一相机坐标系与第二相机坐标系的相对位置关系，旋转矩阵rc1c2、平移向量tc1c2；

112：世界坐标系与第一相机坐标系的相对关系，旋转矩阵r、平移矩阵t。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图1至图2对本申请做进一步详细说明。

本申请基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法，其利用两个相机，即第一相机、第二相机，均于一张图像中获取惯性导航部件的安装面及载机基准的图像，其后对两个相机获得的图像进行处理提取特征点，将提取的特征点的在两相机像素坐标下的像素坐标转化为两相机图像坐标系下的图像坐标，根据提取的特征点在两相机坐标下的图像坐标及相关参数得到在其中一个相机坐标系下的三维坐标，利用该三维坐标对惯性导航部件安装面、惯性导航部件的安装面的航向特征及载机基准进行三维重建，最终根据三维重建的导航部件的安装面、惯性导航部件的安装面的航向特征及载机基准计算惯性导航部件的安装误差，该方法基于计算机视觉技术，其中，对相机的成像模型以第一相机为例进行说明，如图1所示：

上述模型表示三维空间中的p点透视投影到图像平面的过程，其中，

(xw,yw,zw,1)^t为三维空间点p在世界坐标系ow-xwywzw下的其次坐标；

(xc1,yc1,zc1,1)^t为三维空间点p在第一相机坐标系oc1-xc1yc1zc1下的齐次坐标；

(up1,vp1,1)^t为图像点p1在第一相机像素坐标系o1-up1vp1下的齐次像素坐标；

(xp1,yp1,1)^t为图像点p1第一相机图像坐标系op1-xp1yp1下的齐次图像坐标；

图像点p1为oc1p与图像平面的交点，其是三维空间点p在第一相机图像中的成像点；

r、t表示世界坐标系ow-xwywzw与第一相机坐标系oc1-xc1yc1zc1的转换关系，其中，r为旋转矩阵、t为平移向量；

fp1，up1，vp1，dx1，dy1为第一相机的内部参数，可通过相机的标定确定，其中，

dx1，dy1分别是第一相机每个像素在图像平面x轴和y轴上的物理尺寸；

up1，vp1是第一相机图像中心点op1的像素坐标；

fp1为第一相机的焦距；

此外，oc1为第一相机光心，oc1zc1为第一相机光轴，op1为第一相机光轴与图像平面的交点，oc1xc1//op1xp1，oc1yc1//op1yp1。

第二相机的成像模型与第一相机的成像模型相同。

tc1c2＝(tx,ty,tz,1)^t

(xc2,yc2,zc2)^t＝rc1c2(xc1,yc1,zc1)^t+tc1c2

上述为三维空间点p在第一相机坐标系oc1-xc1yc1zc1下的三维坐标(xc1,yc1,zc1)与其在第二相机坐标系oc2-xc2yc2zc2下的三维坐标(xc2,yc2,zc2)的计算关系式，其中，

(xp2,yp2)为图像点p2第二相机图像坐标系下的图像坐标；

图像点p2为三维空间点p在第二相机图像中的成像点；

rc1c2、tc1c2表示第一相机与第二相机间的相对位置变换关系，可通过对第一相机及第二相机的标定确定，其中，rc1c2为旋转矩阵、tc1c2平移向量。

本实施例提供的基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测方法，包括以下步骤：

三维重建步骤：在同一坐标系下对惯性导航部件的安装面、惯性导航部件安装面上的航向特征以及载机基准进行三维重建；

误差计算步骤：基于三维重建的安装面、航向特征以及载机基准计算惯性导航部件安装误差。

在一些可选的实施例中，三维重建步骤包括：

相机标定步骤：对第一相机及第二相机进行标定，得到第一相机及第二相机的内外参数；进行该步骤时需先完成对第一相机及第二相机的布置，确保第一相机及第二相机均能够同时拍摄到安装面的图像以及载机基准的图像，且在标定完成后需保持第一相机、第二相机与惯性导航安装面及载机基准间相对位置关系不变，以进行图像获取步骤；

图像获取步骤：基于第一相机获取第一图像，基于第二相机获取第二图像；其中，第一图像中包括安装面的图像以及载机基准的图像；第二图像中包括安装面的图像以及载机基准的图像；

特征提取步骤：提取第一图像中安装面图像的特征点，该特征点称为第一安装面特征点，以及提取第一图像中安装面图像上表征安装面航向特征的特征点，该特征点称为第一安装面航向特征点；提取第一图像中载机基准图像的特征点，该特征点称为第一载机基准特征点；提取第二图像中安装面图像的特征点，该特征点称为第二安装面特征点，以及提取第二图像中安装面图像上表征安装面航向特征的特征点，该特征点称为第二安装面航向特征点；提取第二图像中载机基准图像的特征点，该特征点称为第二载机基准特征点；

特征点匹配步骤：对第一安装面特征点及第二安装面特征点进行匹配，得到安装面匹配特征点；对第一安装面航向特征点及第二安装面航向特征点进行匹配，得到航向匹配特征点；对第一载机基准特征点及第二载机基准特征点进行匹配，得到载机基准匹配特征点；

坐标转化步骤：根据安装面匹配特征点在第一相机像素坐标系及第二相机像素坐标系下的像素坐标、航向匹配特征点在第一相机像素坐标系及第二相机像素坐标系下的像素坐标、载机基准匹配特征点在第一相机像素坐标系及第二相机像素坐标系下的像素坐标、内外参数，得到安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标、航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标、载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标；

三维坐标重建步骤：根据安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标对安装面进行三维重建；根据航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标对航向特征进行三维重建；根据载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标对载机基准进行三维重建；

其中，选定相机为第一相机及第二相机中的任一一个；

对于特征点匹配步骤，本领域技术人员容易理解的是，将第一安装面特征点中与第二安装面特征点中没有匹配关系的特征点剔除，或将第二安装面特征点中与第一安装面中没有匹配关系的特征点剔除即可得到安装面匹配特征点；获取航向匹配特征点及载机基准匹配特征点亦为类似的过程；

在一些可选的实施例中，相机标定步骤包括利用棋盘靶标对第一相机及第二相机进行标定，得到第一相机的内部参数fp1，up1，vp1，dx1，dy1，第二相机的内部参数fp2，up2，vp2，dx2，dy2，以及外部参数rc1c2、tc1c2；其中，

内外参数包括：第一相机的内部参数、第二相机的内部参数以及外部参数；

fp1为第一相机的焦距；up1、vp1是第一相机图像中心点的像素坐标；dx1，dy1分别为第一相机像素在图像平面x轴和y轴上的物理尺寸；

fp2为第二相机的焦距；up2、vp2是第二相机图像中心点的像素坐标；dx2，dy2分别为第二相机像素在图像平面x轴和y轴上的物理尺寸；

rc1c2、tc1c2表示第一相机坐标系与第二相机坐标系的相对位置关系，rc1c2为旋转矩阵、tc1c2为平移向量。

在一些可选的实施例中，坐标转化步骤包括：

像素及图像坐标转化步骤：根据安装面匹配特征点在第一相机像素坐标系下的像素坐标及up1，vp1，dx1，dy1，得到安装面匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标；根据航向匹配特征点在第一相机像素坐标系下的像素坐标及up1、vp1、dx1、dy1，得到航向匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标；根据载机基准匹配特征点在第一相机像素坐标系下的像素坐标及up1、vp1、dx1、dy1，得到载机基准匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标；根据安装面匹配特征点在第二相机像素坐标系下的像素坐标及up2、vp2、dx2、dy2，得到安装面匹配特征点在第二相机图像坐标系下的图像坐标；根据航向匹配特征点在第二相机像素坐标系下的像素坐标及up2、vp2、dx2、dy2，得到航向匹配特征点在第二相机图像坐标系下的图像坐标；根据载机基准匹配特征点在第二相机像素坐标系下的像素坐标及up2、vp2、dx2、dy2，得到载机基准匹配特征点在第二相机图像坐标系下的图像坐标；

图像及相机坐标转化步骤：根据安装面匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标、其在第二相机图像坐标系下的图像坐标、以及fp1、fp2、rc1c2、tc1c2，得到安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标；根据航向匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标、其在第二相机图像坐标系下的图像坐标、以及fp1、fp2、rc1c2、tc1c2，得到航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标；根据载机基准匹配特征点在第一相机图像坐标系下的图像坐标、其在第二相机图像坐标系下的图像坐标、以及fp1、fp2、rc1c2、tc1c2，得到载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标。

对于上述像素及图像坐标转化步骤中，由安装面匹配特征点、航向匹配特征点以及载机基准匹配特征点的在第一相机及第二相机像素坐标系下的像素坐标，分别得到其在第一相机及第二相机图像坐标系下的图像坐标，具体过程本领域技术人员可参照第一相机成像模型中三维空间点p在第一相机图像中的成像点p1在第一相机像素坐标系o1-up1vp1下的齐次像素坐标(up1,vp1,1)^t与其在第一相机图像坐标系op1-xp1yp1下的齐次图像坐标(xp1,yp1,1)^t之间的转化模型：

对于上述图像及相机坐标转化步骤中，由安装面匹配特征点、航向匹配特征点以及载机基准匹配特征点在第一相机及第二相机图像坐标系下图像坐标，分别得到其在选定相机坐标系下的三维坐标，具体过程本领域技术人员可参照三维空间点p在第一相机坐标系oc1-xc1yc1zc1下的三维坐标(xc1,yc1,zc1)与其在第二相机坐标系oc2-xc2yc2zc2下的三维坐标(xc2,yc2,zc2)的计算关系式：

tc1c2＝(tx,ty,tz,1)^t

(xc2,yc2,zc2)^t＝rc1c2(xc1,yc1,zc1)^t+tc1c2。

在一些可选的实施例中，三维坐标重建步骤包括：

安装面三维重建步骤：根据安装面匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标，采用多元素拟合方法对惯性导航部件的安装面进行三维重建；

航向特征三维重建步骤：根据航向匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标，采用多元素拟合方法对航向特征进行三维重建；

载机基准三维重建步骤：根据载机基准匹配特征点在选定相机坐标系下的三维坐标，采用多元素拟合方法对载机基准进行三维重建。

采用多元素拟合方法对安装面、航向特征及载机基准进行三维重建，可提高其三维重建的准确性。

在一些可选的实施例中，误差计算步骤包括：

俯仰误差计算步骤：基于三维重建的安装面及三维重建的载机基准，计算惯性导航安装面与载机基准间的俯仰误差；

横滚误差计算步骤：基于三维重建的安装面及三维重建的载机基准，计算惯性导航安装面与载机基准间的横滚误差；

航向误差计算步骤：基于三维重建的航向特征及三维重建的载机基准，计算惯性导航安装面与载机基准间的航向误差。

在一些可选的实施例中，俯仰误差为xz交线与三维重建的载机基准x轴的夹角；

xz交线为三维重建的惯性导航安装面与三维重建的载机基准的xz平面的交线。

在一些可选的实施例中，横滚误差为俯仰误差为yz交线与三维重建的载机基准y轴的夹角；

yz交线为三维重建的惯性导航安装面与三维重建的载机基准的yz平面的交线。

在一些可选的实施例中，航向误差三维重建的航向特征与三维重建的载机基准的x轴的夹角。

另一方面提供一种基于计算机视觉的惯性导航部件安装误差检测装置，包括：

三维重建模块，用于在同一坐标系下对安装面、安装面上的航向特征以及载机基准进行三维重建；

误差计算模块：基于三维重建的安装面、航向特征以及载机基准计算惯性导航部件安装误差。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。