[发明专利]一种机载相机-惯性测量单元相对位姿在线标定方法

说明书

本公开提供了一种机载相机‑惯性测量单元相对位姿在线标定方法，所述方法包括机载相机位姿参数获取过程、机载惯性测量单元位姿参数获取过程和视觉惯性紧耦合处理过程；其中机载相机位姿参数获取过程包括：视频采集、图像增强处理、同时定位与地图重建、相机位姿参数输出；机载惯性测量单元位姿参数获取过程包括：加速度计、陀螺参数采集、位姿解算、惯性测量单元位姿参数输出；并且视觉惯性紧耦合处理过程包括：构建量测信息、非线性卡尔曼滤波、相机与惯性测量单元相对位姿输出。

技术领域

本发明涉及组合导航领域，具体涉及一种机载相机-惯性测量单元相对位姿在线标定方法。

背景技术

视觉/惯性相对位置和姿态数据是视觉/惯性组合导航系统设计过程中不可或缺的重要信息。由于视觉传感器和惯性传感器分别安装在载体平台的不同位置，仅凭载体平台结构设计数据很难精确地反映出不同传感器之间的相对位置和姿态的变换关系。现有的传感器之间相对位置标定技术可分为两类：地面人工标定和在线自动标定。由于传统的地面人工标定技术对测量设备(如全站仪)的依赖性很强，每次标定时间较长，且容易引入人为观测误差；另外，各类传感器在使用过程中不可避免地遇到振动和碰撞导致安装位置变动，影响飞行器位姿估计精度，故需要定期标定校对，维护成本较高。

由此推动了在线标定技术的发展，近年来许多国外学者针对微型多旋翼无人机平台提出相机与IMU的自标定技术，并集成在SLAM与IMU构成的组合导航系统中，用于低空、有回路、街区或室内环境下的导航定位。但是，由于现有算法在使用环境上的局限性，不能直接用于固定翼飞机(如商用飞机)在线标定相机/IMU相对位姿。

发明内容

本发明的目的：为满足多旋翼无人机起降、固定翼飞机进近着陆和舰载机着舰等应用，实现飞行器与着陆平台之间相对位姿估计，使其具备低成本、强实时、高精度和高可靠的特性。

本发明的技术方案：

通过本发明的机载相机-惯性测量单元相对位姿在线标定方法实现上述目的，所述方法包括机载相机位姿参数获取过程、机载惯性测量单元位姿参数获取过程和视觉惯性紧耦合处理过程；其中机载相机位姿参数获取过程包括：视频采集、图像增强处理、同时定位与地图重建、相机位姿参数输出；机载惯性测量单元位姿参数获取过程包括：加速度计、陀螺参数采集、位姿解算、惯性测量单元位姿参数输出；并且视觉惯性紧耦合处理过程包括：构建量测信息、非线性卡尔曼滤波、相机与惯性测量单元相对位姿输出。

在上述机载相机-惯性测量单元相对位姿在线标定方法中，视觉惯性紧耦合处理包括如下过程：

(1)定义系统状态：

其中

惯性测量单元在世界坐标系中的位置；

惯性测量单元在世界坐标系中的姿态；

惯性测量单元在世界坐标系中的速度；

b_ω：惯性测量单元的角速度矢量；

b_a：惯性测量单元的加速度矢量；

L：视觉空间的尺度因子；

惯性测量单元到相机的旋转矩阵；

惯性测量单元到相机的平移向量；

(2)建立系统状态方程：

(3)构建量测方程：

飞机在地面滑行阶段启动机载相机，经机载相机位姿参数获取过程输出相机位姿参数，将相机位姿参数作为视觉量测信息构建系统量测方程：