專利名稱：一種月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航系統(tǒng)標定裝置，尤其涉及一種月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定
裝置。
背景技術(shù)：
月球車雙目視覺導(dǎo)航是我國探月計劃中使用的導(dǎo)航技術(shù)之一。月球車雙目視覺導(dǎo) 航系統(tǒng)主要由兩臺數(shù)字相機、一個立方鏡與系統(tǒng)支架構(gòu)成，相機固定在支架兩端，位于兩相 機中間位置固定立方鏡。由于月球車雙目視覺導(dǎo)航主要依靠兩個相機同時獲取外部信息、 進而確定自身位置的導(dǎo)航方法，主要包括視覺測量、地形匹配，路徑規(guī)劃等技術(shù)。在雙目視 覺導(dǎo)航系統(tǒng)中，對系統(tǒng)進行綜合標定是實現(xiàn)月球車雙目視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，精確的標定 是保證月球車雙目視覺正確導(dǎo)航的基礎(chǔ)，所以，月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的標定精度直接 決定后續(xù)的工作能否順利進行。月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定裝置是由一些空間坐標已 知、按照一定分布規(guī)律分布在空間的控制點組成，按照標定框架上面事先設(shè)計好的位置布 置測量工裝，利用工裝將回光反射數(shù)字編碼標志固定，使之對外界環(huán)境輕微變化自身變化 不敏感。因此，需要建立高精度、高穩(wěn)定性的標定場，以滿足月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定 和精度測試的要求。 傳統(tǒng)的標定方法使用平面的網(wǎng)格標定板，該方法存在以下不足方形網(wǎng)格圖像提 取精度不夠，不能完成對相機的高精度標定；隨著標定板尺寸變大，標定板的穩(wěn)定性變差， 標定過程中標定板不穩(wěn)定會導(dǎo)致標定精度下降，甚至?xí)疱e誤的結(jié)果；由于使用二維標 定板在標定計算的過程中缺少空間信息，會對相機外方位元素產(chǎn)生鏡像的結(jié)果，引起計算 錯誤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種月球車雙目視覺導(dǎo)航 系統(tǒng)標定裝置，該標定裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以用來標定相機的內(nèi)參數(shù)、立方鏡與相 機之間的關(guān)系。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，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1與標定相機距主框架的距離h之間的關(guān)系為1 = 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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內(nèi)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(dǎo)航系統(tǒng)相機視場角的一半。
， cr/z 所述回光反射測量標志的直徑為d = , d為回光反射測量標志直徑，c為像
素個數(shù)，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。所述回 光反射測量標志由直徑為50ym的玻璃微珠組成的回光反射膜或由微晶立方角體組成的 回光反射膜制作而成。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是 (1)本發(fā)明針對傳統(tǒng)二維標定板存在的不足，采用三維立體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免了 二維標定板在標定計算過程中由于缺少空間信息對相機外方位元素產(chǎn)生的鏡像引起計算 錯誤的問題，框架結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料，可以保證標定架的穩(wěn)定性與高精度，有利于標定過 程中保證控制網(wǎng)格精度。 (2)本發(fā)明在三維立體框架中安裝多列回光反射測量標志，回光反射測量標志采 用高反射性能的定向反光材料制作而成，相機對其攝影可以獲取高質(zhì)量"準二值影像"，從 而解決了網(wǎng)格標定標志數(shù)字圖像提取精度不高的問題，該標志數(shù)字圖像中心提取精度可達 0. 02像素。 (3)本發(fā)明在每一列回光反射測量標志中設(shè)置至少一個點狀編碼標志，實現(xiàn)對標 定場的自動識別，可以保證標定過程中實現(xiàn)自動化，可以消除人工干預(yù)產(chǎn)生的粗差或精度 影響。 (4)本發(fā)明的發(fā)光光源采用環(huán)形LED光源，亮度可調(diào)，均勻性高，可以提高標定精 度，并且可以長時間曝光或者頻閃曝光，特別適合回光反射標志使用。


圖1為本發(fā)明標定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明標定框架的設(shè)計原理圖； 圖3為本發(fā)明回光反射測量標志的分子結(jié)構(gòu)圖； 圖4為本發(fā)明編碼標志的結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明編碼標志的設(shè)計原理圖； 圖6為本發(fā)明環(huán)形光源的結(jié)構(gòu)圖； 圖7為采用標定相機對本發(fā)明進行拍攝的效果圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述 如圖1所示，該標定裝置主要包含標定框架、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(jié)構(gòu)，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1與相機距主框架1的距離h之間的關(guān)系為1 = 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(shè)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Ll的1/10-1/8，每列安裝條框6上設(shè)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(shè)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(shè)置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內(nèi)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(dǎo)航系統(tǒng)相機視場角的一半。
(1)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(shè)計過程中要考慮標定場空 間大小與相機標定系統(tǒng)的實際需求情況，使用材料為不銹鋼。標定框架要根據(jù)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(shè)計，拍攝時標定框架上測量 標志應(yīng)該布滿像平面。如圖2所示，對月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)相機，由于視場角(2"= 63° )，因此，標定框架尺寸的設(shè)計應(yīng)該以滿足視場角為標準，即1 = 2htan(w)，式中1為設(shè) 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2" =63° ，當h二3m 時，1 = 3. 6m，當h = 5m時，1 = 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(shè)計為鈍角。 對2"=63° ，當h二3m時，主框架的前表面或后表面上設(shè)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(shè)置一列安裝條框，當h = 5m時，1 = 6. 2m，每列的間 距為0. 5m，左右輔助框架各設(shè)置一列安裝條框。 對2 " = 80° ，當h = 3m時，1 = 5m，主框架的前表面或后表面上設(shè)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(shè)置2列安裝條框，當h = 5m時，1 = 8. 4m， 每列的間距為0. 5m，左右輔助框架各設(shè)置2列安裝條框。 (2)回光反射測量標志，在月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定中，要求高精度的測量結(jié) 果。使用標定場本身的特征作為測量特征或傳統(tǒng)的網(wǎng)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(dǎo)航系統(tǒng)標定中需要多測站來實現(xiàn)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(chǎn)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(dǎo)航系統(tǒng)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(shè)，在 月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)的7610回光 反射材料)制作而成，如圖3所示，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(chǎn)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(shè)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(yīng)該為0》5 Pixel,才能夠保證圖像提取精度。
(7 r / 下面對需要的回光反射測量標志尺寸進行計算乂 = 了 ，其中d為回光反射測量標志直徑，c為像素個數(shù)，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(dǎo)航系統(tǒng)相機f = 17. 6mm，r = 0. 015mm， d應(yīng)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(shè)計回光反射測 量標志尺寸的為lOmrn。 (3)編碼標志，編碼標志是一種自身帶有數(shù)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(xiàn)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(xiàn)標定像片的自動拼接，作為后方交會控制點數(shù)據(jù)。 根據(jù)立體視覺相機標定對人工測量標志具有一定數(shù)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(jù)點在平面上不同的分布而構(gòu)成數(shù)字編碼。
如圖4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5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(shù)字的 點，這三個編碼分布在20個設(shè)計位置上(可以根據(jù)實際要求增加或減少位置數(shù))，每個編碼 點根據(jù)設(shè)計坐標不同分別賦予一個唯一的數(shù)字，解碼的過程通過恢復(fù)編碼點的位置信息而 得到點的數(shù)字標識，通過編碼點的數(shù)字標識實現(xiàn)對編碼標志的解碼。實際應(yīng)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。
點狀編碼標志采用十進制編碼原理是利用每一個編碼點的數(shù)字標識數(shù)作為數(shù)字 2的冪產(chǎn)生一個數(shù)字，所有三個編碼點產(chǎn)生的數(shù)字之和為該編碼標志的編碼。三個編碼點對 應(yīng)于圖5中的位置代號為3、10、11，因此，此編碼標志的數(shù)字編碼為m = 23+2 211 = 3080。 從編碼原理可見，由此產(chǎn)生的編碼在使用時會產(chǎn)生編碼不連續(xù)現(xiàn)象和編碼號很大的情況， 需要在數(shù)據(jù)庫中制作一個對應(yīng)表，使用直接查表的方法對編碼號進行簡單的排列。編碼數(shù) 量也是編碼標志要求的一個方面，此類編碼的編碼數(shù)量可以由組合來求出，根據(jù)任意兩個 編碼點不能相鄰的原則會產(chǎn)生至少400個編碼標志，能滿足立體視覺相機標定的要求。
(4)光源設(shè)計 根據(jù)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。如圖6所示，環(huán)形光源由兩組LED 光源組成設(shè)置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內(nèi)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(diào)，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(jié)束后關(guān)閉光源，兩組環(huán)形光源水平 角可調(diào)，可調(diào)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(xiàn)在100 230之
間；環(huán)狀光源環(huán)內(nèi)徑大于等于64毫米用于安裝標定相機。 采用標定相機對本發(fā)明進行拍攝后的圖像如圖7所示，圖中每一列回光反射測量 標志中包含2個編碼標志。 本發(fā)明未詳細描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
權(quán)利要求
一種月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定裝置，其特征在于包含標定框架、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(jié)構(gòu)，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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置在標定框架的前方位置，每組環(huán)形光源內(nèi)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(dǎo)航系統(tǒng)相機視場角的一半。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定裝置，其特征在于所述，回光反射測量標志的直徑為"=了，d為回光反射測量標志直徑，c為像素個數(shù)，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。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)標定裝置，其特征在于所述 回光反射測量標志由直徑為50ym的玻璃微珠組成的回光反射膜或由微晶立方角體組成 的回光反射膜制作而成。
全文摘要
一種月球車雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)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，在標定框架的前表面和后表面上交錯設(shè)置多列安裝條框，每列安裝條框上設(shè)置多個回光反射測量標志，在每列回光反射測量標志中設(shè)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(shè)置在標定框架的前方位置。本發(fā)明采用三維立體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了二維標定板存在的不足，在三維立體框架中安裝多列回光反射測量標志，解決了網(wǎng)格標定標志數(shù)字圖像提取精度不高的問題，每一列回光反射測量標志中設(shè)置至少一個點狀編碼標志，實現(xiàn)對標定場的自動識別，環(huán)形LED光源可以提高標定精度。
文檔編號G01C25/00GK101699223SQ200910236680
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者盧欣, 史廣清, 李春艷, 王立, 石霄亮, 范生宏 申請人:北京控制工程研究所