一種自主流動式三維形貌測量精度控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自主流動式三維形貌測量精度控制方法，所述控制方法包括以下步驟：根據(jù)慣性測量傳感器的誤差特性與規(guī)律建立誤差修正模型；以被測物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或點位所包含的先驗特征信息建立約束，計算誤差修正模型的最優(yōu)估計值；利用各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值修正慣性測量傳感器的累積誤差，得到慣性信息的最優(yōu)估計值。本發(fā)明在不引入其他測量信息的前提下，利用測量過程中的固有特征信息以及視覺測量高精度的特性，對慣性測量的累積誤差進行修正，使自主流動式三維形貌測量方法滿足精密測量的精度要求。
【專利說明】
一種自主流動式三維形貌測量精度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及精密測量方法與技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自主流動式三維形貌測量精 度控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自主流動式三維形貌測量方法以線陣高速圖像傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用運動條 件并結(jié)合慣性測量技術(shù)，在連續(xù)運動過程中進行流動式三維形貌測量，如車載隧道變形測 量、鐵路運行故障與缺陷檢測等。該方法最突出的特點是采用慣性測量方法獲取傳感器的 連續(xù)運動信息，從根本上改變了傳統(tǒng)的三維形貌測量方法依賴外部測量逐次步進式的工作 模式，實現(xiàn)了自主連續(xù)測量。
[0003] 發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點和不足：
[0004]慣性測量方法的主要缺點在于其誤差隨時間累計，長時間工作會引入較大誤差。 即使采用高性能的慣性測量器件，在長時間工作條件下也無法避免產(chǎn)生累積誤差，經(jīng)傳播 放大導致最終測量結(jié)果包含較大測量誤差。
[0005]因此，必須對慣性測量誤差進行修正，才能充分發(fā)揮視覺測量高精度與慣性測量 自主性的特點，體現(xiàn)自主流動式三維形貌測量方法的綜合優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種自主流動式三維形貌測量精度控制方法，本發(fā)明在不引入其他 測量信息的前提下，利用測量過程中的固有特征信息以及視覺測量高精度的特性，對慣性 測量的累積誤差進行修正，使自主流動式三維形貌測量方法滿足精密測量的精度要求，詳 見下文描述：
[0007] -種自主流動式三維形貌測量精度控制方法，所述控制方法包括以下步驟：
[0008] 根據(jù)慣性測量傳感器的誤差特性與規(guī)律建立誤差修正模型；
[0009] 以被測物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或點位所包含的先驗特征信息建立約束，計算誤差修正模型 的最優(yōu)估計值；
[0010] 利用各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值修正慣性測量傳感器的累積誤差，得到慣性信息的 最優(yōu)估計值。
[0011]所述以被測物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或點位所包含的先驗特征信息建立約束，計算誤差修正 模型的最優(yōu)估計值的步驟具體為：
[0012]以慣性測量信息的最優(yōu)解K為基準，比較慣性測量誤差修正模型與最優(yōu)解 fee的差異，通過最優(yōu)估計方法得到各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值。
[0013 ]所述慣性測量信息的最優(yōu)解欠1由以下步驟獲取：
[0014]控制由立體視覺傳感器和慣性測量傳感器組成的多元信息傳感器連續(xù)測量被測 物表面，通過圖像匹配、立體重構(gòu)得到在立體視覺傳感器的坐標系下被測物表面全部點的 集合A;
[0015] 在集合A中識別并提取含有已知特征的點構(gòu)成集合B;
[0016] 根據(jù)全局時鐘建立立體視覺傳感器和慣性測量傳感器的對應(yīng)關(guān)系，得到集合B中 的點對應(yīng)的慣性測量信息fct;
[0017] 利用集合B中的點修正慣性測量信息:的累積誤差，得到慣性測量信息的最優(yōu)解 / L °
[0018] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0019] 1、不需要外部測量信息，而是利用被測物表面固有特征等已知約束，通過信息融 合的方法修正了慣性測量誤差，有效控制自主流動式三維形貌測量的精度，使之滿足精密 測量的需求；
[0020] 2、本方法中視覺測量和慣性測量信息相互滲透，兩者取長補短，達到性能互補的 效果，形成兩種方法均不具備的功能與精度；
[0021] 3、采用本方法對慣性測量誤差進行修正后，對慣性測量傳感器的自身精度要求顯 著降低。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明提供的自主流動式三維形貌測量精度控制方法的流程圖；
[0023]圖2為本發(fā)明提供的自主流動式三維形貌測量精度控制方法的示意圖；
[0024]圖中：1:立體視覺傳感器;2:慣性測量傳感器;3:被測物表面所有點；4:包含的已 知特征信息的點。
[0025]圖3為慣性測量誤差修正的示意圖。
[0026]圖中：5:包含慣性測量誤差的測量結(jié)果;6:修正慣性測量誤差后的測量結(jié)果。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0028] 實施例1
[0029] -種自主流動式三維形貌測量精度控制方法，本發(fā)明實施例利用視覺測量與慣性 測量兩者誤差性能互補的特點，采用數(shù)據(jù)融合方法將性能各異的兩種測量信息有機結(jié)合， 參見圖1，該方法包括以下步驟：
[0030] 101:根據(jù)慣性測量傳感器2的誤差特性與規(guī)律建立誤差修正模型；
[0031] 102:以被測物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或點位所包含的先驗特征信息建立約束，計算誤差修正 模型的最優(yōu)估計值；
[0032] 103:利用各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值修正慣性測量傳感器2的累積誤差，得到慣性 信息的最優(yōu)估計值，對測量結(jié)果進行誤差修正與全局優(yōu)化。
[0033] 其中，步驟102中的以被測物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或點位所包含的先驗特征信息建立約束， 計算誤差修正模型的最優(yōu)估計值的步驟具體為：
[0034] 以慣性測量信息的最優(yōu)解為基準，比較慣性測量誤差修正模型與最優(yōu)解 fc:的差異，通過最優(yōu)估計方法得到各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值。
[0035] 進一步地，慣性測量信息的最優(yōu)解由以下步驟獲?。?br>[0036] 控制由立體視覺傳感器和慣性測量傳感器組成的多元信息傳感器連續(xù)測量被測 物表面，通過圖像匹配、立體重構(gòu)得到在立體視覺傳感器的坐標系下被測物表面全部點的 集合Α;
[0037] 在集合Α中識別并提取含有已知特征的點構(gòu)成集合Β;
[0038] 根據(jù)全局時鐘建立立體視覺傳感器和慣性測量傳感器的對應(yīng)關(guān)系，得到集合B中 的點對應(yīng)的慣性測量信息
[0039] 利用集合B中的點修正慣性測量信息的累積誤差，得到慣性測量信息的最優(yōu)解 J L w 〇
[0040] 綜上所述，本發(fā)明實施例在不引入其他測量信息的前提下，利用測量過程中的固 有特征信息以及視覺測量高精度的特性，對慣性測量的累積誤差進行修正，使自主流動式 三維形貌測量方法滿足精密測量的精度要求。
[0041 ] 實施例2
[0042]下面結(jié)合圖2和圖3對實施例1中的方案進行詳細介紹，詳見下文描述：
[0043] 201:參見圖2,基于線陣圖像傳感的立體視覺傳感器1和慣性測量傳感器2在全局 時鐘驅(qū)動下同步采集數(shù)據(jù)；
[0044] 具體實現(xiàn)時，測量前，預(yù)先標定得到立體視覺傳感器1的參數(shù)、以及立體視覺傳感 器1和慣性測量傳感器2的轉(zhuǎn)換關(guān)系/Γ
[0045] 其中，立體視覺傳感器1的參數(shù)包括:線陣相機的內(nèi)參數(shù)和相機間的外方位參數(shù)。 立體視覺傳感器1和慣性測量傳感器2的轉(zhuǎn)換關(guān)系具體為兩者坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩陣/1? 和平移向量/Γ (其中，V表示立體視覺傳感器1的坐標系，I表示慣性測量傳感器2的坐標系； C為轉(zhuǎn)換關(guān)系;R為旋轉(zhuǎn)矩陣;T為平移向量。
[0046] 202:控制由立體視覺傳感器1和慣性測量傳感器2組成的多元信息傳感器連續(xù)測 量被測物表面，通過圖像匹配、立體重構(gòu)得到在立體視覺傳感器1的坐標系下被測物表面全 部點的集合A;
[0048] 其中，< 為第η個時鐘對應(yīng)的在立體視覺傳感器1的坐標系下的kn個點;η為全局 時鐘序號;kn為第η個時鐘下的點的個數(shù);Ν為總的時鐘個數(shù)。
[0049] 203:在集合Α中識別并提取球形目標表面的點構(gòu)成集合Β;
[0050]其中，在被測物表面存在多個球形目標，如圖2中4所示。以其中一個球形目標為 例，半徑為R，球心為0。在集合A中識別并提取該球形目標表面的點構(gòu)成集合B;
[0052]其中，為包含已知特征信息的時鐘m對應(yīng)的在立體視覺傳感器1的坐標系下的 km個點;Μ為包含已知特征信息的時鐘總數(shù);1^為每個第m個時鐘下的點的個數(shù)。
[0053] 204:根據(jù)全局時鐘建立立體視覺傳感器1和慣性測量傳感器2的對應(yīng)關(guān)系，得到集 合B中的點對應(yīng)的慣性測量信息fC：;
[0054]由于該慣性測量信息fC：：含有累計誤差，經(jīng)誤差傳遞，最終測量結(jié)果也包含較大測 量誤差，如圖3中5所示。
[0055]因此，根據(jù)步驟203中描述的球形目標建立約束，對含有誤差的慣性測量信息進行 優(yōu)化，建立目標函數(shù)：
[0057]其中，為第m個時鐘下慣性測量傳感器2相對于初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
[0058]利用最優(yōu)化方法(例如：高斯牛頓法、L-M法等，該些方法為本領(lǐng)域公知的方法，本 發(fā)明實施例對具體的求解方法和求解步驟不做贅述)求解該大型非線性方程組，得到慣性 測量信息的最優(yōu)解及球心位置的最優(yōu)解〇'
[0059] 其中，將慣性測量傳感器2的輸出沐：：作為欠^的初值;球心0的初值通過集合B中 的點進行空間球擬合得到或根據(jù)數(shù)模等其他參考信息直接確定，具體確定步驟為本領(lǐng)域技 術(shù)人員所公知，本發(fā)明實施例對此不做贅述。
[0060] 205:根據(jù)慣性測量傳感器2的誤差特性與傳播規(guī)律建立慣性測量誤差修正模型， 此處，采用15項主要誤差；
[0062]其中，.. .δ15為慣性測量傳感器2的主要誤差項，具體誤差項為本領(lǐng)域技術(shù) 人員所公知，例如：俯仰角誤差;32為橫滾角誤差本發(fā)明實施例對此不做贅述；4|<^為 |€； ;的誤差修正量。
[0063] 進一步地，慣性測量傳感器2的誤差特性與傳播規(guī)律為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本 發(fā)明實施例對此不做贅述。
[0064] 本發(fā)明實施例采用了 15項主要誤差為例進行說明，具體實現(xiàn)時，根據(jù)實際應(yīng)用中 的需要確定誤差的數(shù)量，本發(fā)明實施例對此不做限制。
[0065] 206:步驟204和205本質(zhì)上是兩種不同原理、不同性質(zhì)的測量方法對同一信息源作 測量；
[0066]
[0067] 因此，以步驟204中的慣性測量信息的最優(yōu)解;C；：為基準，比較^，與的差異， 通過最優(yōu)估計方法(例如:卡爾曼濾波等，該些方法為本領(lǐng)域公知的方法，本發(fā)明實施例對 具體的求解方法和求解步驟不做贅述)得到各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值δΛδ/，.. .δ15'
[0068] 207:利用各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值修正慣性測量傳感器2的累積誤差，得到慣性 信息的最優(yōu)估計值。
[0069] ；C； = ^+AX(0,,0;,...0")(//= 1.2..,^)
[0070] 進而得到點集A中全部點的最優(yōu)估計值，如圖3中6所示。
[0071] 其中，K為所有時鐘下慣性測量傳感器2相對于初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；為 fct的誤差修正量;的最優(yōu)估計值。
[0072] 本發(fā)明實施例僅以其中一個球形特征約束為例，實際應(yīng)用時可以利用多種特征建 立多個約束共同修正慣性測量誤差。
[0073] 綜上所述，本發(fā)明實施例在不引入其他測量信息的前提下，利用測量過程中的固 有特征信息以及視覺測量高精度的特性，對慣性測量的累積誤差進行修正，使自主流動式 三維形貌測量方法滿足精密測量的精度要求。
[0074] 本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0075] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例 序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0076] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種自主流動式Ξ維形貌測量精度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括W下 步驟： 根據(jù)慣性測量傳感器的誤差特性與規(guī)律建立誤差修正模型； W被測物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或點位所包含的先驗特征信息建立約束，計算誤差修正模型的最 優(yōu)估計值； 利用各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值修正慣性測量傳感器的累積誤差，得到慣性信息的最優(yōu) 估計值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自主流動式Ξ維形貌測量精度控制方法，其特征在于，所 述W被測物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或點位所包含的先驗特征信息建立約束，計算誤差修正模型的最優(yōu) 估計值的步驟具體為： ^慣性測量信息的最優(yōu)解/"<：；：為基準，比較慣性測量誤差修正模型,0^；,,與最優(yōu)解,0<,的 差異，通過最優(yōu)估計方法得到各誤差參數(shù)的最優(yōu)估計值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自主流動式Ξ維形貌測量精度控制方法，其特征在于，所 述慣性測量信息的最優(yōu)解由W下步驟獲?。?控制由立體視覺傳感器和慣性測量傳感器組成的多元信息傳感器連續(xù)測量被測物表 面，通過圖像匹配、立體重構(gòu)得到在立體視覺傳感器的坐標系下被測物表面全部點的集合 A; 在集合A中識別并提取含有已知特征的點構(gòu)成集合B; 根據(jù)全局時鐘建立立體視覺傳感器和慣性測量傳感器的對應(yīng)關(guān)系，得到集合B中的點 對應(yīng)的慣性測量信息 利用集合帥的點修正慣性測量信息識:的累積誤差，得到慣性測量信息的最優(yōu)解托:。
【文檔編號】G01B11/24GK106091980SQ201610416659
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月13日 公開號201610416659.4, CN 106091980 A, CN 106091980A, CN 201610416659, CN-A-106091980, CN106091980 A, CN106091980A, CN201610416659, CN201610416659.4
【發(fā)明人】邾繼貴, 楊凌輝, 孫博, 任永杰, 林嘉睿, 王麗君
【申請人】天津大學