專利名稱：一種月球車雙目視覺導航系統標定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種月球車雙目視覺導航系統標定方法，主要用于數字攝影測量、計算機視覺等領域。

背景技術：
月球車雙目視覺導航系統主要由兩臺數字相機、一個立方鏡與系統支架構成，如圖1所示，相機固定在支架兩端，位于兩相機中間位置固定立方鏡。月球車雙目視覺導航主要依靠兩臺數字相機同時獲取外部信息、進而確定自身位置，其中包括視覺測量、地形匹配、路徑規(guī)劃等。在雙目視覺導航系統中，系統綜合標定是關鍵技術，精確的標定是保證正確導航的基礎。所以，月球車雙目視覺導航系統的標定精度直接決定后續(xù)的工作能否順利進行。對月球車雙目視覺導航系統的標定主要針對兩臺相機進行，對相機進行標定包括相機的內參數和相機在立方鏡坐標系下的外參數，該相機屬于大視場廣角光學系統，畸變影響嚴重，對相機的標定屬于難點問題。
對上述相機傳統的標定方法一般采用轉臺加平行光管的方式，獲取不同姿態(tài)對應的像素坐標，然后按照高階二次曲面擬合算法進行待定系統最小二乘計算。這種標定方法特點是待定系數多、意義不明確，高階二次方程容易產生擬合參數振蕩，對于近距離相機(非無窮遠目標成像)、雙相機不太適宜。


發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提出一種月球車雙目視覺導航系統標定方法，本發(fā)明操作簡單，標定精度高，工作效率高。
本發(fā)明的技術解決方案是一種月球車雙目視覺導航系統標定方法，包括相機內參數的標定步驟和相機外參數的標定步驟為； 相機內參數的標定步驟為 (1)建立包含回光反射測量標志與編碼標志的標定裝置，得到該標定裝置的坐標系，利用測量系統對標定裝置上的回光反射測量標志與編碼標志進行測量，得到標定裝置上回光測量反射標志和編碼標志的三維坐標作為控制點坐標，然后將控制點坐標轉換到該標定裝置坐標系下，得到標定裝置坐標系下的控制點坐標； (2)利用兩臺待標定相機對步驟(1)中建立的標定裝置至少四個位置進行正直拍照，兩臺待標定相機對每個位置完成正直拍照后，將待標定相機旋轉90°再次對標定裝置進行至少四個位置的拍照，每張照片中至少包含四個編碼標志點； (3)利用步驟(1)得到的標定裝置坐標系下的控制點坐標，分別對步驟(2)中左、右兩個待標定相機拍攝的照片進行圖像處理，得到控制點在兩個待標定相機拍攝的像平面下的像點坐標，利用控制點坐標和像點坐標采用共線方程計算出兩個待標定相機的內參數以及單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素，根據單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素得到兩個待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數； 相機外參數的標定步驟為； (a)利用經緯儀測量系統建立經緯儀測量系統坐標系，利用經緯儀測量系統對立方鏡進行準直，得到立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標； (b)利用經緯儀測量系統對標定裝置中的回光測量反射標志和編碼標志進行測量，得到回光反射測量標志和編碼標志在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標； (c)對回光反射測量標志和編碼標志在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和回光反射測量標志和編碼標志在標定裝置坐標系下的三維坐標進行公共點轉化，得到標定裝置坐標系與經緯儀測量系統坐標系的轉換關系，利用此轉換關系將立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標轉換成立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標，建立立方鏡坐標系； (d)利用步驟(3)得到的兩臺待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數，根據立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標的公共坐標轉化關系，標定出兩臺待標定相機在立方鏡坐標系下的外參數。
所述的標定裝置包含標定框架、回光反射測量標志、編碼標志和環(huán)形光源；標定框架包括主框架、大小相同的左輔助框架和右輔助框架，其中主框架、左輔助框架與右輔助框架均為長方體結構，主框架、左輔助框架和右輔助框架三者的高度和寬度均相同，左輔助框架和右輔助框架與主框架之間的夾角均為鈍角，三個框架的長度之和l與標定相機距主框架的距離h之間的關系為l＝2htan(w)，主框架的長度和高度均等于標定相機距主框架的距離，在標定框架的前表面和后表面上交錯設置多列安裝條框，前表面或后表面兩列安裝條框之間的間距均為主框架長度的1/10-1/8，每列安裝條框上設置多個回光反射測量標志，兩個回光反射測量標志之間的距離為主框架長度的1/20-1/18，在每列回光反射測量標志中設置至少一個點狀編碼標志，環(huán)形光源由兩組LED光源組成設置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內安裝標定相機，每組環(huán)形光源包括六個均布的LED光源，w為導航系統相機視場角的一半。
本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是本發(fā)明針對雙目視覺導航系統的特點，利用測量系統對包含回光反射測量標志與編碼標志的標定裝置進行測量得到控制點坐標、利用待標定相機對標定裝置進行拍照，然后采用共線方程即可標定出待標定相機的內參數和待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數；利用經緯儀測量系統配合標定裝置標定出立方鏡坐標系，利用立方鏡坐標系與相機外參數的關系標定出待標定相機在立方鏡坐標系下的外參數。本發(fā)明使用外部標定裝置將待標定相機坐標系導出，然后使用立方鏡來表示相機坐標系，計算出相機坐標系與立方鏡坐標系的轉換關系，從根本上解決了相機坐標系不能通過直接測量方法得到的問題，使相機坐標系具有可見性；本發(fā)明充分利用了標定裝置大量控制點的已知信息，配合工業(yè)測量系統，改進了傳統相機外參數標定精度不高的問題，操作簡單，標定精度高，標定綜合相對精度可以達到1/1000，相機相對外參數標定精度可以達到1/3000，完成待標定相機內參數及相對外參數的標定，可在一個小時內完成，大大提高了工作效率。



圖1為月球車雙目視覺導航系統結構組成圖； 圖2為本發(fā)明標定方法的工作流程附圖； 圖3為標定裝置的結構組成示意圖； 圖4為標定裝置設計原理圖； 圖5為標定裝置中編碼標志的形狀圖； 圖6為標定裝置中編碼標志的設計原理圖； 圖7為本發(fā)明控制點在像平面上的像點坐標圖； 圖8為本發(fā)明相機外參數標定時的標定場示意圖。

具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述 本發(fā)明將待標定相機置于標定裝置正前方，待標定相機為兩個，中間由連接裝置相連接，待標定相機置于環(huán)形光源中，立方鏡位于待標定相機的中間位置。月球車雙目視覺導航系統標定方法，具體實施過程如下 如圖2所示，包括標定相機內參數的步驟和立方鏡坐標系與相機外參數的綜合標定步驟； 相機內參數的標定步驟為 (1)建立包含回光反射測量標志與編碼標志的標定裝置，得到該標定裝置的坐標系，利用測量系統對標定裝置上的回光反射測量標志與編碼標志進行測量，得到標定裝置上回光測量反射標志和編碼標志的三維坐標作為控制點坐標，然后將控制點坐標轉換到該標定裝置坐標系下，得到標定裝置坐標系下的控制點坐標； 如圖3所示，標定裝置主要由標定框架、回光反射測量標志4、編碼標志5和環(huán)形光源組成。標定框架包括主框架1、大小相同的左輔助框架2和右輔助框架3，其中主框架1、左輔助框架2與右輔助框架3均為長方體結構，主框架1、左輔助框架2和右輔助框架3的高度H和寬度M均相同，左輔助框架2和右輔助框架3與主框架1之間的夾角均為鈍角，三個框架的長度之和l與相機距主框架1的距離h之間的關系為l＝2htan(w)，主框架1的長度L1和高度H均等于標定相機距主框架1的距離h，在標定框架的前表面和后表面上交錯設置多列安裝條框6，前表面或后表面兩列安裝條框之間的間距t均為主框架1長度L1的1/10-1/8，每列安裝條框6上設置多個回光反射測量標志4，兩個回光反射測量標志4之間的距離為主框架長度的1/20-1/18，在每列回光反射測量標志4中設置至少一個點狀編碼標志5，環(huán)形光源由兩組LED光源組成設置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內安裝標定相機，每組環(huán)形光源包括六個均布的LED光源，w為導航系統相機視場角的一半。
標定框架，標定框架作為標定裝置的主要作用是承載人工測量標志(包括編碼標志)，并能夠長時間的保持穩(wěn)定，標定過程中作為標定場，設計過程中要考慮標定場空間大小與相機標定系統的實際需求情況，使用材料為不銹鋼。標定框架要根據標定時攝影距離與相機的成像模型和測量標志在圖像上的分布狀態(tài)進行設計，拍攝時標定框架上測量標志應該布滿像平面。如圖4所示，對月球車雙目視覺導航系統相機，由于視場角(2ω＝63°)，因此，標定框架尺寸的設計應該以滿足視場角為標準，即l＝2htan(w)，式中l(wèi)為設計標定框架總長度，h為標定相機與標定框架之間的攝影距離。對2ω＝63°，當h＝3m時，l＝3.6m，當h＝5m時，l＝6.2m。如果標定框架采用直線形式，對標定場空間距離要求很大，因此本發(fā)明標定框架中的主框架與左右輔助框架之間有一定的角度，這樣可以大大增強標定框架的穩(wěn)定性，為了便于標定相機的拍攝，左輔助框架、右輔助框架與主框架1之間的夾角均設計為鈍角。對2ω＝63°，當h＝3m時，主框架的前表面或后表面上設置的安裝條框為9列，每列的間距為0.3m，左右輔助框架各設置一列安裝條框，當h＝5m時，l＝6.2m，每列的間距為0.5m，左右輔助框架各設置一列安裝條框。對2ω＝80°，當h＝3m時，l＝5m，主框架的前表面或后表面上設置的安裝條框為9列，每列的間距為0.3m，左右輔助框架各設置2列安裝條框，當h＝5m時，l＝8.4m，每列的間距為0.5m，左右輔助框架各設置2列安裝條框。
回光反射測量標志，在月球車雙目視覺導航系統標定中，要求高精度的測量結果。使用標定場本身的特征作為測量特征或傳統的網格標定板達不到高精度測量的要求。由于月球車雙目視覺導航系統標定中需要多測站來實現對標定場的人工測量標志攝影，從不同角度進行攝影時會產生不同的圖像，要通過在標定場上增加具有明顯特征的回光反射測量標志來輔助標定過程的完成。月球車雙目視覺導航系統標定中使用回光反射測量標志，一方面可以保證和提高測量精度和可靠性，另一方面回光反射測量標志很容易布設，在月球車雙目視覺導航系統標定現場利用回光反射測量標志作為被測點或控制點可以提高被測物體成像點的辨認和識別，并能夠實現自動化測量，提高標定效率。
回光反射測量標志由具有回光反射材料的反射膜(美國3M公司生產的7610回光反射材料)制作而成，這種回光反射膜由直徑大約50um的玻璃微珠或微晶立方角體組成，每個微珠具有貓眼或反射棱鏡功能，將反射光由入射光的方向反射回去。在特定位置光源，如環(huán)形閃光燈的照射下，回光反射測量標志通過低強度曝光就可以產生高對比度的圖像，這種標志的效率是同等光照條件下普通白色標志效率的100～1000倍以上。在標定過程中，相機離標定框架的距離在2m左右，為了保證測量精度，需要對回光反射測量標志尺寸進行設計。在圖象處理與分析過程中，回光反射測量標志在像片上成像的尺寸應該為

才能夠保證圖像提取精度。下面對需要的回光反射測量標志尺寸進行計算其中d為回光反射測量標志直徑，c為像素個數，r為像素大小，h為標定相機距主框架的距離，f為相機焦距，式中c≥5。對月球車雙目視覺導航系統相機f＝17.6mm，r＝0.015mm，d應該大于8.5mm，考慮標定過程中以保障標定精度為前提，同時顧及操作的方便性，本發(fā)明設計回光反射測量標志尺寸的為10mm。
編碼標志，編碼標志是一種自身帶有數字編碼信息的人工測量標志。編碼標志可以通過圖像處理等方法進行自動識別，實現立體視覺相機標定過程中人工測量標志的自動匹配，作為不同像片之間的公共點實現標定像片的自動拼接，作為后方交會控制點數據。根據立體視覺相機標定對人工測量標志具有一定數量的要求，使用點狀編碼標志作為標定過程中的人工測量標志，點狀編碼標志是根據點在平面上不同的分布而構成數字編碼。如圖5所示，點狀編碼標志由8個大小相同的圓形標志點組成，其中五個點為模板點，如圖6中帶有字母的點A、B、C、D、E，這五個帶字母的點定義了編碼標志的坐標系，其中E點為定位點；另外三個回光反射標志點用來描述編碼，稱為編碼點，如圖5中帶有數字的點，這三個編碼分布在20個設計位置上(可以根據實際要求增加或減少位置數)，每個編碼點根據設計坐標不同分別賦予一個唯一的數字，解碼的過程通過恢復編碼點的位置信息而得到點的數字標識，通過編碼點的數字標識實現對編碼標志的解碼。實際應用時為了在圖像處理過程中容易對編碼標志進行識別與定位，三個編碼點中任意兩個點都不能相鄰。
光源設計，根據回光反射測量標志材料的反光特性，標定過程中需要使用主動發(fā)光的光源進行配合，才能夠進行高精度標定。標定中使用環(huán)狀光源。環(huán)形光源由兩組LED光源組成設置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內安裝標定相機，每組環(huán)形光源包括六個均布的LED光源。環(huán)形光源中的LED光源具有以功能與特點光源亮度可調，可以頻閃和長亮，當采集照片的時候提前開啟光源，采集傳輸結束后關閉光源，兩組環(huán)形光源水平角可調，可調范圍為0°～15°；其照明距離0.5m-3m；照明范圍3m處5m＊5m；照度均勻性大于85％；光譜白光；光強3m處采集圖像標志的單個像素亮度實現在100～230之間；環(huán)狀光源環(huán)內徑大于等于64毫米用于安裝標定相機。
(2)利用兩臺待標定相機對步驟(1)中建立的標定裝置至少四個位置進行正直拍照，兩臺待標定相機對每個位置完成正直拍照后，將待標定相機旋轉90°再次對標定裝置進行至少四個位置的拍照，每張照片中至少包含四個編碼標志點； (3)利用步驟(1)得到的標定裝置坐標系下的控制點坐標，分別對步驟(2)中左、右兩個待標定相機拍攝的照片進行圖像處理，如圖7所示，得到控制點在兩個待標定相機拍攝的像平面下的像點坐標，控制點P經過S投影到像平面上的像點為p，光軸SO與像平面垂直，O稱為主點，SO間的距離稱為主距，記為f，利用控制點坐標和像點坐標采用共線方程計算出兩個待標定相機的內參數以及單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素，根據單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素得到兩個待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數； 共線方程為 上式中a1～c3為相機旋轉矩陣的參數 a1＝cos(RY)＊cos(RZ)； a2＝-cos(RY)＊sin(RZ)； a3＝sin(RY)； b1＝sin(RX)＊sin(RY)＊cos(RZ)+cos(RX)＊sin(RZ)； b2＝-sin(RX)＊sin(RY)＊sin(RZ)+cos(RX)＊cos(RZ)； b3＝-sin(RX)＊cos(RY)； c1＝-cos(RX)＊sin(RY)＊cos(RZ)+sin(RX)＊sin(RZ)； c2＝cos(RX)＊sin(RY)＊sin(RZ)+sin(RX)＊cos(RZ)； c3＝cos(RX)＊cos(RY)； 上式中RX，RY，RZ為其中一個待標定相機在標定裝置坐標系下的三個旋轉角；X、Y、Z為在標定裝置坐標系下的控制點坐標；Xs、Ys、Zs為待標定相機在標定裝置坐標系下的坐標；f為相機焦距，x、y為控制點在相機拍攝的像平面下的像點坐標。
相機的內方位元素(x0，y0，f)和光學系統畸變系數(K1，K2，K3，P1，P2，b1，b2)定義為相機的內部參數。
像點的系統誤差，根據小孔成像原理，控制點、鏡頭中心和像點三點是共線的。事實上由于各種干擾因素的存在，使得像點在焦平面上相對其理論位置存在偏差(Δx，Δy)。此時，共線方程要成立必須考慮像點的實際偏差值。干擾成像的因素主要有光學系統的徑向畸變和偏心畸變、像平面不平畸變和像平面內比例及正交畸變，但如果采用的內方位元素(x0，y0，f)不準確，則從數學上來說也會干擾共線方程的成立。
徑向畸變，光學系統徑向畸變使像點沿徑向產生偏差，徑向畸變是對稱的，對稱中心與主點并不完全重合，但通常將主點視為對稱中心。
徑向畸變可用下述奇次多項式表示 上式中x＝(x-x0)，y＝(y-y0)，r2＝x2+y2，K1、K2、K3為徑向畸變系數。
偏心畸變，透鏡組中心偏離主光軸而產生偏心畸變，偏心畸變使像點既產生徑向偏差又產生切向偏差，其表達式如下 上式中P1、P2為偏心畸變系數。
像平面畸變，由于像素的采樣時鐘不同步造成的A/D轉換和信號轉移誤差則會引起像點在像平面內的平面畸變，通?？梢院喕上袼氐拈L寬尺度比例因子和像平面x軸與y軸不正交所產生的畸變，其表達式如下 上式中b1、b2為像平面內畸變系數。
內方位元素誤差，如果采用的內方位元素(x0，y0，f)不準確，則也會使像點坐標產生偏差，干擾共線方程的成立。如果主距有誤差Δf，則相應的像點坐標偏差為 加上主點的誤差(x0，y0)，則內方位元素誤差所引起的像點偏差可以表示為 綜上所述，任一像點的系統性誤差是徑向畸變、偏心畸變、像平面內畸變和內方位元素不準確引起的畸變的總和，這些內部參數所引起的像點坐標偏差稱之為像點的系統誤差，由下式表示 考慮像點系統誤差的影響，實際像點的共線條件方程式可以寫成 對共線條件方程線性化，可寫成如下矩陣形式 V＝A1X1+A2X2+A3X3-L 上式中V為像點坐標殘差；X1、X2和X3分別為外方位元素、控制點坐標和內參數，A1、A2和A3分別為相應參數的系數陣；L為像點坐標與近似值計算坐標的差值。
其中，內參數X3包括內方位元素和光學系統畸變參數 X3＝f(x0，y0，f，K1，K2，K3，P1，P2，b1，b2) 相應的系數矩陣A3為 待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數包括三個平移參量(ΔXs，ΔYs，ΔZs)和三個旋轉參量RX，RY，RZ。
標定相機外參數的標定步驟為； (a)如圖8所示，利用經緯儀測量系統建立經緯儀測量系統坐標系，利用經緯儀測量系統對立方鏡進行準直，得到立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標； (b)利用經緯儀測量系統對標定裝置中的回光測量反射標志和編碼標志進行測量，得到回光反射測量標志和編碼標志在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標； (c)對回光反射測量標志和編碼標志在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和回光反射測量標志和編碼標志在標定裝置坐標系下的三維坐標進行公共點轉化，得到標定裝置坐標系與經緯儀測量系統坐標系的轉換關系，利用此轉換關系將立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標轉換成立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標，建立立方鏡坐標系； (d)利用步驟(3)得到的兩臺待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數，根據立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標的公共坐標轉化關系，標定出兩臺待標定相機在立方鏡坐標系下的外參數。
實施例 先對待標定相機的內參數進行標定的步驟 (1)建立包含由美國3M公司生產的反光材料(型號分別為7610)為原料制作的直徑為10mm(或者直徑為8mm)的圓形回光反射測量標志和編碼標志的標定裝置放置在實驗室內，即可以得到代表該標定裝置相對位置的三維坐標，使用鄭州辰維科技有限公司研發(fā)的工業(yè)測量系統或者使用V-STARS數字攝影測量系統對標定裝置中的回光反射測量標志和編碼標志進行測量，得到標定裝置上回光測量反射標志和編碼標志的三維坐標作為控制點坐標，然后將控制點坐標轉換到該標定裝置坐標系下，得到標定裝置坐標系下的控制點坐標。該工業(yè)測量系統包括一套由鄭州辰維科技有限公司研發(fā)的SMN測量軟件一套，兩臺由瑞士徠卡公司生產的兩臺TM5005電子經緯儀、一臺日本索佳公司生產的NET05全站儀，一根經過標定的、長度為1007.8毫米的基準尺一根。V-STARS數字攝影測量系統，由美國GSI公司生產，包含一套V-STARS數字攝影軟件、一臺INCA3智能相機、一個自動定向棒、兩根經過美國NIST(美國國家標準與技術局)標定、長度為1096.mm的基準尺。
(2)在距離標定場2米左右位置使用導航系統中的兩臺待標定相機對標定場4個位置分別正直拍照，對每個位置完成正直拍照后，將待標定相機旋轉90°再次對標定裝置進行四個位置的拍照，4個位置共得到照相32張，每個位置均拍攝4張照片。
(3)利用步驟(1)得到的標定裝置坐標系下的控制點坐標，分別對步驟(2)中左、右兩個待標定相機拍攝的照片進行圖像處理，如圖7所示，得到控制點在兩個待標定相機拍攝的像平面下的像點坐標，利用控制點坐標和像點坐標采用共線方程計算出兩個待標定相機的內參數以及單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素，根據單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素得到兩個待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數。
對待標定相機的外參數進行標定的步驟 (a)利用SMN工業(yè)測量系統建立經緯儀測量系統坐標系，對立方鏡進行準直測量，并計算得到立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標。對立方鏡準直測量的過程中應當注意，為了保證測量精度，立方鏡準直測量至少測量8次。
(b)SMN工業(yè)測量系統對標定裝置中的回光測量反射標志和編碼標志進行測量，得到經緯儀系統坐標系下德控制點的三維坐標，該步驟需要注意的是使用經緯儀測量標定場控制點至少測量4個以上。
(c)對回光反射測量標志和編碼標志在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和回光反射測量標志和編碼標志在標定裝置坐標系下的三維坐標進行公共點轉化，得到標定裝置坐標系與經緯儀測量系統坐標系的轉換關系，利用此轉換關系將立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標轉換成立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標，建立立方鏡坐標系； (d)利用步驟(3)得到的兩臺待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數，根據立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標的公共坐標轉化關系，標定出兩臺待標定相機在立方鏡坐標系下的外參數。對待標定相機的外參數的標定過程至少重復8次以上，取平均值作為導航系統標定的最后標定結果。
本發(fā)明未詳細描述內容為本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.一種月球車雙目視覺導航系統標定方法，其特征在于包括相機內參數的標定步驟和相機外參數的標定步驟為；
相機內參數的標定步驟為
(1)建立包含回光反射測量標志與編碼標志的標定裝置，得到該標定裝置的坐標系，利用測量系統對標定裝置上的回光反射測量標志與編碼標志進行測量，得到標定裝置上回光測量反射標志和編碼標志的三維坐標作為控制點坐標，然后將控制點坐標轉換到該標定裝置坐標系下，得到標定裝置坐標系下的控制點坐標；
(2)利用兩臺待標定相機對步驟(1)中建立的標定裝置至少四個位置進行正直拍照，兩臺待標定相機對每個位置完成正直拍照后，將待標定相機旋轉90°再次對標定裝置進行至少四個位置的拍照，每張照片中至少包含四個編碼標志點；
(3)利用步驟(1)得到的標定裝置坐標系下的控制點坐標，分別對步驟(2)中左、右兩個待標定相機拍攝的照片進行圖像處理，得到控制點在兩個待標定相機拍攝的像平面下的像點坐標，利用控制點坐標和像點坐標采用共線方程計算出兩個待標定相機的內參數以及單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素，根據單個待標定相機相對于標定裝置各個位置的外方位元素得到兩個待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數；
相機外參數的標定步驟為；
(a)利用經緯儀測量系統建立經緯儀測量系統坐標系，利用經緯儀測量系統對立方鏡進行準直，得到立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標；
(b)利用經緯儀測量系統對標定裝置中的回光測量反射標志和編碼標志進行測量，得到回光反射測量標志和編碼標志在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標；
(c)對回光反射測量標志和編碼標志在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和回光反射測量標志和編碼標志在標定裝置坐標系下的三維坐標進行公共點轉化，得到標定裝置坐標系與經緯儀測量系統坐標系的轉換關系，利用此轉換關系將立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標轉換成立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標，建立立方鏡坐標系；
(d)利用步驟(3)得到的兩臺待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數，根據立方鏡在經緯儀測量系統坐標系下的三維坐標和立方鏡在標定裝置坐標系下的三維坐標的公共坐標轉化關系，標定出兩臺待標定相機在立方鏡坐標系下的外參數。
2.根據權利要求1所述的一種月球車雙目視覺導航系統標定方法，其特征在于所述的標定裝置包含標定框架、回光反射測量標志(4)、編碼標志(5)和環(huán)形光源；標定框架包括主框架(1)、大小相同的左輔助框架(2)和右輔助框架(3)，其中主框架(1)、左輔助框架(2)與右輔助框架(3)均為長方體結構，主框架(1)、左輔助框架(2)和右輔助框架(3)三者的高度和寬度均相同，左輔助框架(2)和右輔助框架(3)與主框架(1)之間的夾角均為鈍角，三個框架的長度之和l與標定相機距主框架的距離h之間的關系為l＝2h tan(w)，主框架的長度和高度均等于標定相機距主框架的距離，在標定框架的前表面和后表面上交錯設置多列安裝條框(6)，前表面或后表面兩列安裝條框之間的間距均為主框架(1)長度的1/10-1/8，每列安裝條框(6)上設置多個回光反射測量標志(4)，兩個回光反射測量標志(4)之間的距離為主框架(1)長度的1/20-1/18，在每列回光反射測量標志(4)中設置至少一個點狀編碼標志(5)，環(huán)形光源由兩組LED光源組成設置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內安裝標定相機，每組環(huán)形光源包括六個均布的LED光源，w為導航系統相機視場角的一半。
全文摘要
一種月球車雙目視覺導航系統標定方法，針對雙目視覺導航系統的特點，利用測量系統對包含回光反射測量標志與編碼標志的標定裝置進行測量得到控制點坐標、利用待標定相機對標定裝置進行拍照，然后采用共線方程即可標定出待標定相機的內參數和待標定相機在標定裝置坐標系下的外參數；利用經緯儀測量系統配合標定裝置標定出立方鏡坐標系，利用立方鏡坐標系與相機外參數的關系標定出待標定相機在立方鏡坐標系下的外參數。本發(fā)明充分利用了標定裝置大量控制點的已知信息，配合工業(yè)測量系統，改進了傳統相機外參數標定精度不高的問題，操作簡單，標定精度高，完成待標定相機內參數及相對外參數的標定，可在一個小時內完成，大大提高了工作效率。
文檔編號G01C25/00GK101726318SQ20091023685
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權日2009年11月4日
發(fā)明者陳繼華, 李春艷, 范生宏, 范欽紅, 陳小婭, 王立, 盧欣 申請人:北京控制工程研究所