專利名稱：一種視覺-慣性組合導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航領(lǐng)域，特別涉及一種視覺-慣性組合導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
將航行載體從起始點引導(dǎo)到目的地的過程稱為導(dǎo)航。導(dǎo)航有多種技術(shù)途徑，如無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、紅外導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等。其中，慣性導(dǎo)航利用加速度計與陀螺儀計算航程，推知當(dāng)前位置和下一步目的地，自主性強、不易受干擾，是目前的主要導(dǎo)航方法。但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial NavigationSystem, INS)由于其固有的導(dǎo)航誤差積累，導(dǎo)航精度隨時間增長而降低，并且設(shè)備成本較高，因而不能完全滿足實際應(yīng)用的需要。

此外，視覺導(dǎo)航采用成像設(shè)備拍攝圖像，運用機器視覺等相關(guān)技術(shù)識別路徑，實現(xiàn)自動導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航因其應(yīng)用范圍廣，在理論上具有最佳引導(dǎo)柔性，近年來發(fā)展十分迅速。但視覺導(dǎo)航方法主要存在圖像匹配的精度較差、目標圖像中的像點定位有誤差、測量系統(tǒng)的標定誤差以及成像系統(tǒng)的空間分辨率有限的缺點，其應(yīng)用也受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種定位精度較高、可靠性較好的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，包括以下步驟:A.通過成像設(shè)備采集視覺圖像，對所述視覺圖像提取特征點/塊，并與參考圖像的對應(yīng)的參考點/塊進行匹配對匹配成功的所述特征點/塊進行分組，并根據(jù)每組匹配的所述特征點/塊確定航行載體的位置視覺估計值與姿態(tài)視覺估計值；C.將所述位置視覺估計值與所述姿態(tài)視覺估計值，與慣性測量單元所獲得的位置慣性估計值與姿態(tài)慣性估計值相融合，輸出所述視覺-慣性組合導(dǎo)航結(jié)果。在本發(fā)明的一個實施例中，所述視覺圖像為紅外或雷達的單目、雙目或多目圖像的一種或多種的組合。在本發(fā)明的一個實施例中，所述特征點/塊為SIFT點/塊(Scale-invariantfeature transform,尺度不變特征轉(zhuǎn)換特征點/塊)。在本發(fā)明的一個實施例中，所述參考圖像根據(jù)預(yù)設(shè)電子地圖、預(yù)設(shè)航行區(qū)域圖或航行過程中進行設(shè)定。在本發(fā)明的一個實施例中，所述參考點/塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定或航行過程進行設(shè)定。在本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟A中，所述與參考圖像的對應(yīng)的參考點/塊進行匹配，包括將滿足預(yù)設(shè)條件的所述特征點/塊距離的多個特征點/塊集合與滿足所述預(yù)設(shè)條件的所述參考點/塊距離的多個參考點/塊集合做比較，若集合內(nèi)半數(shù)及半數(shù)以上的點/塊匹配，則所述特征點/塊與所述參考點/塊匹配成功；若集合內(nèi)半數(shù)以下的點/塊匹配，則所述特征點/塊與所述參考點/塊匹配錯誤。在本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟A還包括消除匹配錯誤的所述特征點/塊。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟B中，所述對匹配成功的所述特征點/塊進行分組，包括根據(jù)逆聚類分組，并且分組結(jié)果中每組具有至少預(yù)設(shè)數(shù)目的所述特征點/塊。在本發(fā)明的一個實施例中，所述預(yù)設(shè)數(shù)目為4個。根據(jù)本發(fā)明實施例的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，利用視覺導(dǎo)航技術(shù)，修正慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度，實現(xiàn)航行載體的自主飛行能力。本發(fā)明適用于各種航空、航天飛行器和車船的導(dǎo)航，具有以下優(yōu)點( I)本發(fā)明通過對圖像中正確匹配的特征點/塊進行合理的分組，保證對航行載體的位置與狀態(tài)確定的精度。

(2)本發(fā)明用前述多組確定的航行載體的位置與狀態(tài)的均值，與慣導(dǎo)系統(tǒng)進行融合，可以進一步減小航行載體狀態(tài)的誤差，提高對慣性器件漂移誤差的修正效果。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中，圖I是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法的流程圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。相反，本發(fā)明的實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。下面參考附圖I描述根據(jù)本發(fā)明實施例的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法。如圖I所示，視覺-慣性組合導(dǎo)航方法包括以下步驟步驟A，通過成像設(shè)備采集視覺圖像，對視覺圖像提取特征點/塊，并與參考圖像的對應(yīng)的參考點/塊進行匹配。具體地，車載/機載的成像設(shè)備采集到的視覺圖像可為紅外或雷達的單目、雙目或多目圖像的一種或多種的組合。特這點/塊可為SIFT點/塊(Scale-invariant featuretransform，尺度不變特征轉(zhuǎn)換特征點/塊)。參考圖像根據(jù)預(yù)設(shè)電子地圖、預(yù)設(shè)航行區(qū)域圖或航行過程中進行設(shè)定。參考圖像中的參考點/塊同樣根據(jù)預(yù)先設(shè)定或航行過程進行設(shè)定。視覺圖像的特征點/塊和參考圖像的參考點/塊進行匹配的過程具體包括將滿足預(yù)設(shè)條件的特征點/塊距離的多個特征點/塊集合與滿足預(yù)設(shè)條件的參考點/塊距離的多個參考點/塊集合做比較。若集合內(nèi)半數(shù)及半數(shù)以上的點/塊匹配，則特征點/塊與參考點/塊匹配成功；若集合內(nèi)半數(shù)以下的點/塊匹配，則特征點/塊與參考點/塊匹配錯誤。優(yōu)選地，還進一步包括步驟消除匹配錯誤的特征點/塊。及時消除匹配錯誤的特征點/塊，可減少后續(xù)流程中的數(shù)據(jù)計算量。
例如，針對采集圖像中匹配的每個特征點/塊，記為a，選取距離最近的多個特征點/塊，作為集合A ；a在參考圖像中對應(yīng)的特征點/塊a’，也選取距離最近的多個特征點/土夾，作為集合A’；如果A和A’中達不到半數(shù)以上的特征點/塊匹配，則視為a與a’為錯誤匹配點，予以剔除。步驟B，對匹配成功的特征點/塊進行分組，并根據(jù)每組匹配的特征點/塊確定航行載體的位置視覺估計值與姿態(tài)視覺估計值。對匹配的特征點/塊以某種依據(jù)進行分組，每組至少預(yù)設(shè)數(shù)目的特征點/ ±夾，以保證足夠數(shù)目的特征點/塊進行航行載體的狀態(tài)估計。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，分組的依據(jù)是“逆聚類”，即以特征點/塊的距離的倒數(shù)作為聚類的指標。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，預(yù)設(shè)數(shù)目為4個。隨后，根據(jù)分組后的特征點/塊組，確定航行載體的位置視覺估計值和姿態(tài)視覺估計值。具體的，根據(jù)透視投影原理，即已知平面目標的幾個點和它們之間的幾何尺寸，通過對應(yīng)的像點位置以及它們在圖像中的幾何尺寸可以解算出相機坐標系 和著陸平臺坐標系間的位置和姿態(tài)；最后，通過對相機坐標系到無人機機體坐標系的轉(zhuǎn)換，進而航行載體的位置視覺估計值和姿態(tài)視覺估計值。步驟C，將位置視覺估計值與姿態(tài)視覺估計值，與慣性測量單元所獲得的位置慣性估計值與姿態(tài)慣性估計值相融合，輸出視覺-慣性組合導(dǎo)航結(jié)果。具體地，可以將視覺方法與慣性測量單元輸出的位置信息進行信息融合，以它們的差值作為狀態(tài)的觀測值，用卡爾曼濾波器估計出慣性測量單元的漂移誤差，然后校正慣性測量單元在輸出參數(shù)，得到融合后的導(dǎo)航參數(shù)。此過程中，用前一步多組航行載體的姿態(tài)估計的均值作為視覺導(dǎo)航的測量。根據(jù)本發(fā)明實施例的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，利用視覺導(dǎo)航技術(shù)，修正慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度，實現(xiàn)航行載體的自主飛行能力。本發(fā)明主要對機載成像進行多重視覺測量，減小圖像配準、像點定位誤差等帶來的影響，提高慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差的修正效果。本發(fā)明適用于各種航空、航天飛行器和車船的導(dǎo)航，具有以下優(yōu)點(I)本發(fā)明通過對圖像中正確匹配的特征點/塊進行合理的分組，保證對航行載體的位置與狀態(tài)確定的精度。(2)本發(fā)明用前述多組確定的航行載體的位置與狀態(tài)的均值，與慣導(dǎo)系統(tǒng)進行融合，可以進一步減小航行載體狀態(tài)的誤差，提高對慣性器件漂移誤差的修正效果。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，包括以下步驟 A.通過成像設(shè)備采集視覺圖像，對所述視覺圖像提取特征點/塊，并與參考圖像的對應(yīng)的參考點/塊進行匹配； B.對匹配成功的所述特征點/塊進行分組，并根據(jù)每組匹配的所述特征點/塊確定航行載體的位置視覺估計值與姿態(tài)視覺估計值； C.將所述位置視覺估計值與所述姿態(tài)視覺估計值，與慣性測量單元所獲得的位置慣性估計值與姿態(tài)慣性估計值相融合，輸出所述視覺-慣性組合導(dǎo)航結(jié)果。
2.如權(quán)利要求I所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述視覺圖像為紅外或雷達的單目、雙目或多目圖像的一種或多種的組合。
3.如權(quán)利要求I所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述特征點/塊為尺度不變特征轉(zhuǎn)換特征點/塊。
4.如權(quán)利要求I所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述參考圖像根據(jù)預(yù)設(shè)電子地圖、預(yù)設(shè)航行區(qū)域圖或航行過程中進行設(shè)定。
5.如權(quán)利要求I所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述參考點/塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定或航行過程進行設(shè)定。
6.如權(quán)利要求I所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述與參考圖像的對應(yīng)的參考點/塊進行匹配，包括 將滿足預(yù)設(shè)條件的所述特征點/塊距離的多個特征點/塊集合與滿足所述預(yù)設(shè)條件的所述參考點/塊距離的多個參考點/塊集合做比較，若集合內(nèi)半數(shù)及半數(shù)以上的點/塊匹配，則所述特征點/塊與所述參考點/塊匹配成功；若集合內(nèi)半數(shù)以下的點/塊匹配，則所述特征點/塊與所述參考點/塊匹配錯誤。
7.如權(quán)利要求I所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述步驟A還包括消除匹配錯誤的所述特征點/塊。
8.如權(quán)利要求I所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述步驟B中，所述對匹配成功的所述特征點/塊進行分組，包括根據(jù)逆聚類分組，并且分組結(jié)果中每組具有至少預(yù)設(shè)數(shù)目的所述特征點/塊。
9.如權(quán)利要求8所述的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)數(shù)目為4個。
全文摘要
本發(fā)明提出一種視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，包括步驟通過成像設(shè)備采集視覺圖像，對視覺圖像提取特征點/塊，并與參考圖像的對應(yīng)的參考點/塊進行匹配；對匹配成功的特征點/塊進行分組，并根據(jù)每組匹配的特征點/塊確定航行載體的位置視覺估計值與姿態(tài)視覺估計值；將位置視覺估計值與姿態(tài)視覺估計值，與慣性測量單元所獲得的位置慣性估計值與姿態(tài)慣性估計值相融合，輸出視覺-慣性組合導(dǎo)航結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明實施例的視覺-慣性組合導(dǎo)航方法，利用視覺導(dǎo)航技術(shù)，修正慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度，實現(xiàn)航行載體的自主飛行能力。
文檔編號G01C21/00GK102768042SQ20121024087
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者劉宇馳, 戴瓊海 申請人:清華大學(xué)