专利名称：一种月球车双目视觉避障系统标定方法
技术领域：
本发明涉及技术数字摄影测量、计算机视觉等领域的一种月球车双目视觉避障 系统标定方法。
背景技术：
月球车双目视觉避障是我国探月计划中使用的避障技术之一。月球车双目视觉 避障航系统主要由两台数字相机、一个立方镜与系统支架构成(图1)。相机固定在支 架两端，位于两相机中间位置固定立方镜。避障相机是通过视觉计算获得车体周围区域 三维地形信息为月面巡视探测器避障服务的立体视觉相机，依据立体视觉原理对左右图 像进行信息处理，获取物体的三维信息，然后计算物体在月球车坐标系下的位置，完成 月面三维场景恢复以实现准确的避障。在双目视觉避障系统中，系统综合标定是关键技 术，精确的标定是保证正确避障的基础。所以，月球车双目视觉避障系统的标定精度直 接决定后续的工作能否顺利进行，那么如何解决这一技术难题呢？

发明内容
针对上述情况，本发明之目的就是要提供一种月球车双目视觉避障系统标定方 法，可有效用于避障相机的内参数、相机对的相对外参数以及立方镜与左右避障相机之 间关系的综合标定，以解决相机标定精度不高的问题，使相机镜头标定精度问题上得到 了本质的提升。其解决的技术方案是，首先，对系统相机对内参数标定和基准镜坐标系综合标 定，得到两组坐标系的坐标值，再利用这两组坐标值进行公共点转换，用标定内参数的 相机再次对标定场进行照相，由避障相机用标定软件得到两台相机与标定场坐标系的关 系，方法是1.系统相机对内参数标定，对标定场进行精度标定，利用避障系统相机对标定 物进行照相，之后，计算左相机的内参数与标定场坐标系下相机外参数和计算右相机的 内参数与标定场坐标系下相机外参数，利用左右相机外参数进行计算，得到相机对的相 对外参数；2.基准镜坐标系综合标定，首先，建立经纬仪测量系统，确定经纬仪测量系统 坐标系，再对基准镜进行准直测量，得到基准镜坐标系在经纬仪测量系统坐标系下的系 参数，然后利用经纬仪测量系统测量标定场测量标志坐标，将经纬仪测量系统坐标系转 换到标定场坐标系下，得到基准镜坐标系在标定场系统坐标系下参数，之后计算相机在 立方镜坐标系下的坐标系参数，利用已经标定内参数的避障系统相机对标定场进行照 相，得到相机对在标定场下的坐标系参数；3.利用这两组坐标值进行公共点转换；4.利用标定内参数的相机再次对标定场进行照相，由避障相机用标定软件得到 两台相机与标定场坐标系的关系，标定过程完成。
本发明是利用标定场方法标定月球车双目视觉避障系统的相机内参数，利用经 纬仪测量系统配合标定场，标定出月球车双目视觉避障系统中的立方镜坐标系与相机外 参数的关系，具有标定速度快、精度高、方便、易操作，有效用于对月球车双目视觉避 障相机内外参数标定，解决了避障相机(鱼眼相机)标定精度不高的世界性难题，使相机 镜头标定精度得到了本质上的提高，是月球车双目视觉避障系统标定的一大创造。
四

图1为本发明的工艺流程图；图2为本发明的月球车双目视觉避障系统构成图；图3为本发明的相对方位元素图；图4为本发明的基准镜坐标系图。
五具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。由图1-图4所示，本发明在具体实施时由以下步骤实现，1.系统相机对内参数标定a.将已经布设由美国3M公司生产的反光材料(型号分别为7610)为原料制作 的直径为IOmm(或者直径为8mm)的圆形回光反射标志和编码标志的标定场放置在实验 室，使用V-STARS数字摄影测量系统对标定场测量标志进行测量，得到标志点在摄影测 量系统坐标系下坐标(X，Y，Z)，V-STARS数字摄影测量系统，由美国GSI公司生产， 包含一套V-STARS数字摄影软件、一台INCA3智能相机、一个自动定向棒、两根经过美 国NIST (美国国家标准与技术局)标定、长度为1096.mm的基准尺；b.在距离控制场(标定场)2米左右(2米士0.1米)使用避障相机对对控制场场 照相58张，其中前35张照片是水平放置避障相机拍摄得到的，后23张是避障相机旋转 90度后所拍摄的，每进行一个位置照相后要对相机进行水平移动，照相得到的相片中至 少每张相片中要包含四个以上的编码标志点；c.步骤a中已经测量得到的标定场控制点三维坐标(X，Y，Z)，利用市售的， 如郑州辰维科技有限公司研发的避障相机用标定软件对左避障相机得到的58张相片进行 图像处理，用光束法平差方法计算出左相机的内参数、以及每张相片相对于摄影测量系 统坐标系的外参数；d.同步骤C可得到右避障相机的内参数、以及58张相片相对于摄影测量系统坐 标系的外参数；e.由于步骤c已得到58张相片相对于摄影测量坐标系的外参数，步骤d也已得 到58张照片相对于摄影测量坐标系的外参数，利用相机支架在同一位置时左右相机拍得 的照片的外参数，可得到右避障相机相对于左避障相机的相对参数，对在58个位置得到 的相对参数求平均，即可得到右相机相对于左相机的相对参数；相机的内参数包括径向畸变、偏心畸变、像平面内畸变和内方位元素不准确引 起的畸变的总和，这些内部参数所引起的像点坐标偏差称之为像点的系统误差，写成下 式
权利要求
1.一种月球车双目视觉避障系统标定方法，其特征是，对系统相机对内参数标定和 基准镜坐标系综合标定，得到两组坐标系的坐标值，再利用这两组坐标值进行公共点转 换，用标定内参数的相机再次对标定场进行照相，由避障相机用标定软件得到两台相机 与标定场坐标系的关系，方法是(1)系统相机对内参数标定是，对标定场进行精度标定，利用避障系统相机对标定物 进行照相，之后，计算左相机的内参数与标定场坐标系下相机外参数和计算右相机的内 参数与标定场坐标系下相机外参数，利用左右相机外参数进行计算，得到相机对的相对 外参数；(2)基准镜坐标系综合标定是，首先，建立经纬仪测量系统，确定经纬仪测量系统坐 标系，再对基准镜进行准直测量，得到基准镜坐标系在经纬仪测量系统坐标系下的系参 数，然后利用经纬仪测量系统测量标定场测量标志坐标，将经纬仪测量系统坐标系转换 到标定场坐标系下，得到基准镜坐标系在标定场系统坐标系下参数，之后计算相机在立 方镜坐标系下的坐标系参数，利用已经标定内参数的避障系统相机对标定场进行照相， 得到相机对在标定场下的坐标系参数；(3)利用这两组坐标值进行公共点转换；(4)利用标定内参数的相机再次对标定场进行照相，由避障相机用标定软件得到两台 相机与标定场坐标系的关系。
2.根据权利要求1所说的月球车双目视觉避障系统标定方法，其特征是，所说的系统 相机对内参数标定包括，避障相机内参数、相对参数的标定，方法是(1)将直径为8-lOmm的圆形回光反射标志和编码标志的标定场放置在实验室，用 V-STARS数字摄影测量系统对标定场测量标志进行测量，得到标志点在摄影测量系统坐 标系下坐标(X，Y，Z)；(2)在距离标定场2士0.1米使用避障相机对对控制场场照相58张，其中前35张照片 是水平放置避障相机拍摄得到的，后23张是避障相机旋转90度后所拍摄的，每进行一个 位置照相后要对相机进行水平移动，照相得到的相片中至少每张相片中要包含四个以上 的编码标志点；(3)对步骤(1)中测量得到的标定场控制点三维坐标(X，Y，Z)，利用避障相机用 标定软件对左避障相机得到的58张相片进行图像处理，用光束法平差方法计算出左相机 的内参数以及每张相片相对于摄影测量系统坐标系的外参数；(4)对步骤(1)中测量得到的标定场控制点三维坐标(X，Y，Z)，利用避障相机用 标定软件对右避障相机得到的58张相片进行图像处理，用光束法平差方法计算出右相机 的内参数以及每张相片相对于摄影测量系统坐标系的外参数；(5)对步骤(3)、步骤(4)分别得到的58张相片相对于摄影测量坐标系的外参数，利 用相机支架在同一位置时左右相机拍得的照片的外参数，得到右避障相机相对于左避障 相机的相对参数，对在58个位置得到的相对参数求平均，即得到右相机相对于左相机的 相对参数；所说的基准镜坐标系综合标定，方法是(1)利用SMN工业测量系统建立经纬仪测量坐标系，对立方镜进行准直测量，并计 算得到立方镜坐标系在经纬仪测量系统下的参数(Xtl, Y0, Z0, Rx, Ry, Rz)，其中X。，Y0, Ztl为平移参数，Rx，Ry, Rz为旋转参数，对立方镜准直测量的过程中应当注意，为 了保证测量精度，立方镜准直测量至少测量8次，该工业测量系统包括一套SMN测量软 件，两台TM5005电子经纬仪、一台NET05全站仪，一根经过标定的、长度为1007.8毫 米的基准尺一根；所说的准直测量是，利用SMN工业测量系统，用两台电子经纬仪对基准镜进行测 量，确定基准镜坐标系的原点，用全站仪对基准镜进行测量，确定基准镜坐标系的方 向，最终建立基准镜坐标系；(2)利用经纬仪测量系统对标定场的人工测量标志进行测量，得到人工测量标志在经 纬仪测量系统坐标系下的三维坐标(XI，Yl, Zl),此时人工测量标志具有两组坐标值， 一组在标定场坐标系下(X，Y，Z)，一组在经纬仪测量系统坐标系下(XI，Yl, Zl);(3)利用这两组坐标值进行公共点转换，得到一个关于标定场坐标系与经纬仪测量系 统坐标系的转换关系，利用此转换关系，将经纬仪测量系统坐标系与立方镜坐标系转换 到标定场坐标系下；所说的公共点转换是，将反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标和测得这些点的 摄影测量坐标系下的坐标进行点对点坐标转换，两坐标系之间有三个平移参数和三个旋 转参数，记为t=(Xo，Y0, Z0, εχ, εγ, εζ),其中XQ，Y0, Ztl为平移参数，ε x， ey，ε z为旋转参数，设反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标为(X，Y，Z)，在摄 影测量坐标系下的坐标为(X，y，ζ),设计坐标系与测量坐标系之间的转换关系为Mfaly=a2,ζ,a3YXY-Y0Xz-zO Ja2 b2 c2 b3 c3\ y /给定近似值利用迭代最小二乘计算可求坐标转换参数t，其中 ai C3为相机旋转矩阵的参数 =cos (RY) X cos (RZ)； a2 = -cos (RY) X sin (RZ)； a3 = sin (RY)；bi = sin (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +cos (RX) X sin (RZ)； b2 = -sin (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +cos (RX) X cos (RZ)； b3 = -sin (RX) X cos (RY)；C1 = -COS (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +sin (RX) X sin (RZ)； C2 = cos (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +sin (RX) X cos (RZ)； C3 = cos (RX) X cos (RY)；
3.根据权利要求1或2所说的月球车双目视觉避障系统标定方法，其特征是，所说的 相机的内参数包括，径向畸变、偏心畸变、像平面内畸变和内方位元素不准确引起的畸 变的总和，这些内部参数所引起的像点坐标偏差称之为像点的系统误差，写成下式 Δχ' = Δχ,. + Axd + Axm + Axn 1 Ay = Ayr + Ayd + Aym + Ayn J 其中Δχ'，Δγ'为像点的系统误差；Δ χΓ, Δ %为径向畸变；Axd, Ayd为偏心畸变；Axm, Aym为像平面内畸变；Δxn, Ayn为内方位元素不准确引起的畸变。顾及到像点系统误差的影响，则实际像点的共线条件方程式可以写成
4.根据权利要求2所说的月球车双目视觉避障系统标定方法，其特征是，所说的光束 法平差，是以每条空间光线为一单元，利用三点共线条件列出误是方程式，三点共线条 件，即是指在摄影时，测量点、相应像点和相机中心点是在同一条直线之上的； 由共线条件出发，对每个像点列出下列两个关系公式
全文摘要
本发明涉及月球车双目视觉避障系统标定方法，可有效用于避障相机的内参数、相机对的相对外参数以及立方镜与左右避障相机之间关系的综合标定，以解决相机标定精度不高的问题，方法是，系统相机对内参数标定，得到相机对的相对外参数；基准镜坐标系综合标定，得到基准镜坐标系在经纬仪测量系统坐标系下的系参数，然后将经纬仪测量系统坐标系转换到标定场坐标系下，得到基准镜坐标系在标定场系统坐标系下参数，利用已经标定内参数的避障系统相机对标定场进行照相，得到相机对在标定场下的坐标系参数；利用这两组坐标值进行公共点转换；利用相机再次对标定场进行照相，由标定软件得到两台相机与标定场坐标系的关系，本发明标定速度快、精度高、方便、易操作。
文档编号G01C11/00GK102012236SQ20101029123
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者卢欣, 张丽华, 李春艳, 王京海, 王立, 范生宏, 范钦红 申请人:郑州辰维科技股份有限公司