基于逆投影的多特征融合视觉定位方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113822934A(43)申请公布日2021.12.21(21)申请号202111068322.6(22)申请日2021.09.13(71)申请人中国人民解放军63920部队地址100094北京市海淀区北清路26号院(72)发明人刘传凯李东升谢剑锋王俊魁袁春强张济韬刘茜王晓雪何锡明胡晓东(74)专利代理机构北京中政联科专利代理事务所(普通合伙)11489代理人尹玮(51)Int.Cl.G06T7/73(2017.01)G06T5/00(2006.01)G06K9/46(2006.01)G06K9/62(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图3页(54)发明名称基于逆投影的多特征融合视觉定位方法(57)摘要基于逆投影的多特征融合视觉定位方法，该方法包括：1)在相机图像中提取空间目标正向投影形成的特征像素坐标；2)确定空间中有N个相机，其中N1个为静态相机；N2个为动态相机；根据相机位姿是否为固定参数设置合适的相机位姿或空间目标位姿作为算法初始迭代值；3)根据已知的相机位姿信息或目标位姿信息和目标特征的像素坐标在空间中重建特征的三维坐标；4)根据重建出的空间坐标利用已知的特征之间的固定约束建立相机对多类特征的相对测量的统一的位姿优化模型；5)利用非线性优化方法迭代求解位姿测量优化模型，获取空间目标或机械臂臂载相机自身的精确位姿信息，从而实现对机械臂逐步精确地引导控制，执行预定的工作程序和任务。CN113822934ACN113822934A权利要求书1/3页1.基于逆投影的多特征融合视觉定位方法，包括以下步骤：步骤一：在相机图像中提取目标特征的像素坐标，针对自然特征检测其轮廓像素坐标，针对人工设置的特征检测其标志点像素坐标；步骤二：确定空间中存在N个相机，其中共存在N1个为静态相机和N2个为动态相机；当测量情况属于相机位姿固定，需要测量图像中的特征在空间中的位姿情况下，设置合适的目标位姿X0,Ψ0作为算法初始迭代值；反之，当属于目标位姿固定，需要反求相机在空间中的位姿情况下，设置合适的相机位姿t0,θ0作为算法初始迭代值；步骤三：根据前述提取到的像素坐标，已知的目标位姿信息或相机位姿信息和相机或目标的位姿初始迭代值在空间中重建特征的三维坐标；步骤四：建立相机对自然特征和人工设置特征的相对测量的统一的测量优化模型；根据已知人工设置特征的相对位置和自然特征的几何形状特性构建误差方程；步骤五：迭代求解非线性误差函数，实现对目标的位姿信息或相机位姿信息的精确求解。2.根据权利要求1所述的一种基于逆投影的多特征融合视觉定位方法，其特征在于：所述重建特征的三维坐标，具体为：设第i个相机的相机坐标系在世界坐标系的位姿为Ri＝R(θi)表示相机i的坐标系相对于世界坐标系的旋转变换矩阵，N和M分别表示相机和观测点的数量；空间中任意一个观测点其在相机i的坐标系中坐标为投影T坐标uij＝(uij,vij)可以利用透视投影成像模型计算为：其中，分别表示对应的齐次坐标，表示从第j个观测点到第i个相机图像的透视投影变换，表示与投影坐标相关的畸变参数矩阵；根据空间中任意特征点的逆投影描述方式，任意目标特征点可表示为从相机光心出发指向空间目标特征点的方向向量,则可以计算为：其中,为连接相机光心与图像坐标uij校正后坐标u′ij的方向向量,令为u′ij的齐次坐标，则满足：T其中表示图像主点的坐标,Δuij＝[ΔuijΔvij0]表示畸变偏移,表示目标观测点在相机坐标系中的z坐标,vij计算为：2CN113822934A权利要求书2/3页sij是尺度因子,表示沿着vij方向伸展的长度；上述的表达可解释为以ti为起点,沿着vij方向伸展任意长度的点的集合；si＞0,则表示空间中以ti为起点，方向向量为vij的射线；将相机视场内的特征按照一定准则分为K组，其中人工设置特征和自然特征分别分在Kdr和K组；以特征的共面性作为准则，对si的表征计算如下：令第k组特征平面上某一特征点的空间坐标为该平面的法向为则：TT其中n0＝[001]，Ψk＝[ψk,κk,φk]表示该平面坐标系相对于世界坐标系的姿态角度，由此可得该平面的代数方程为其中zkj为在以为原点的局部坐标系中的坐标向量在方向上的投影分量；将公式(2)带入平面的代数方程可得：由此空间点世界坐标可计算为：3.根据权利要求1所述的一种基于逆投影的多特征融合视觉定位方法，其特征在于：所述构建的误差方程为：假设仅存在靶标和圆形目标两类特征，则逆投影误差函数写作：其中为第i个相机中靶标特征逆投影产生的误差，为第i个相机中圆形目标特征逆投影产生的误差，表示第k组特征平面中各个靶标点相对于参考位置的偏移量，rk表示圆形目标的半径；α表示联合靶标特征和