基于平行光管的视觉导航设备基准校准方法

本技术涉及相机标定和基准校准，特别是涉及一种基于平行光管的视觉导航设备基准校准方法。

背景技术：

1、在视觉导航过程中，导航设备利用图像中目标的方位信息来调整机体的基准姿态，实现精确制导。为精确地确定图像目标在导航设备基准中的方位，需要对导航设备的相机进行高精度相机标定与基准校准。根据标定过程中使用的参照信息不同，将相机标定方法分为传统相机标定法、基于主动视觉的相机标定方法以及自标定方法。传统相机标定法使用几何信息已知的靶标作为标定板，如棋盘格标定板、实心圆标定板等，提取靶标中的特征角点，通过构建特征角点二维像素坐标与三维世界坐标的关系方程实现相机标定，该方法较为成熟、鲁棒性强、过程简单，不足在于标定精度依赖标定板的精度，且受环境影响较大。基于主动视觉的相机标定方法不需要标定板，利用已知的运动信息进行标定，例如控制相机或待测物进行特殊运动，通过运动约束实现相机标定，该方法鲁棒性强，不过系统成本较高、实验条件要求高。自标定方法通常基于图像间的几何约束关系进行相机标定，如极线约束，该方法可完成复杂环境的标定任务，但是计算成本高、精度依赖初值。目前的导航设备相机标定方法多采用传统相机标定法，通过多次对平面靶标采集图像实现内参数高精度标定，但现有校准方法存在耗时久，不适用于批量操作的问题。

2、目前位姿校准方法主要有惯导校准和视觉校准等。惯导系统通过加速度计和陀螺仪来感知物体的方向和姿态变化，但在使用惯导之前需要进行复杂的初始校准、而且惯导系统成本较高，易受电磁干扰，不适用于批量校准导航设备；视觉校准通过对目标进行光学成像，解算同名点三维空间坐标与二维像素坐标的对应关系获得姿态参数，其精度高，能够可视化。目前导航设备的基准校准主要通过视觉校准的方式，但是需要高精度转台提供基准与相机之间的角度变换关系，操作复杂、校准时间长且对高精度转台严重依赖。

3、综上所述，导航设备的相机标定和基准校准任务迫切需要一种校准精度高、操作简单、成本低、可实现批量操作的校准方法。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种校准精度高、操作简单、成本低且能够实现批量操作的基于平行光管的视觉导航设备基准校准方法。

2、一种基于平行光管的视觉导航设备基准校准方法，所述方法包括：

3、构建视觉导航设备基准校准系统；视觉导航设备基准校准系统包括固连校准设备的标定架、平行光管、放置待校准导航设备的基底、照明光源以及调平旋钮与调平透镜；

4、调节调平旋钮使基底与平行光管靶面平行，开启照明光源，通过测量设备获得平行光管靶面特征的方向向量并生成虚拟控制点；测量设备包括测角设备和已知内参的相机；

5、将待校准导航设备的基准面放置在基底上，控制待校准导航设备中的相机从平行光管出光口拍摄一幅靶面图像作为标定图像；对标定图像中星型标定图案进行特征提取，读取特征点的二维像素坐标并为每个特征点进行编号；

6、将特征点的二维像素坐标与虚拟控制点的三维坐标进行匹配建立第一对应关系，对第一对应关系进行待校准导航设备的相机标定，得到待校准导航设备的相机内参数；

7、利用编码标志图案的信息确定标定图案上每个特征点在靶标坐标系下的实际三维坐标与编号，通过实际三维点的编号与二维特征点编号的匹配，建立靶标坐标系下三维点坐标与图像坐标系下二维特征点坐标的第二对应关系，利用上述第二对应关系和待校准导航设备的相机内参数解算出待校准导航设备的相机相对于靶面的旋转矩阵；

8、根据平行光管靶面与基底平行，且导航设备的基准面与基底重合，则平行光管靶面与导航设备基准面平行，将待校准导航设备的相机相对于平行光管靶面的旋转矩阵转换为待校准导航设备的相机相对于导航设备基准面的旋转矩阵，即外参数，实现导航设备基准的校准。

9、在其中一个实施例中，开启照明光源，通过测量设备获得平行光管靶面特征的方向向量并生成虚拟控制点，包括：

10、平行光管靶面上有预先设定的星型标定图案和编码标志图案；根据特征检测算法对星型标定图案进行特征提取，得到星型标定图案中的特征点，并根据编码标志图案的信息为每个特征进行编号；

11、开启照明光源确保光源稳定，通过测量设备获得平行光管靶面特征的方向向量，为每个特征点生成随机距离，结合对应的特征点方向生成对应的虚拟控制点，虚拟控制点的三维坐标为随机距离乘以特征点的方向，保证虚拟控制点的编号与对应的特征编号一致。

12、在其中一个实施例中，将特征点的二维像素坐标与虚拟控制点的三维坐标进行匹配建立第一对应关系，包括：

13、将标定图像中的特征点的编号与虚拟控制点的编号进行匹配，确保每个特征点与相应的虚拟控制点一一对应，建立特征点的二维像素坐标与虚拟控制点的三维坐标之间的对应关系。

14、在其中一个实施例中，对第一对应关系进行相机标定，得到待校准导航设备的相机内参数，包括：

15、根据最小二乘法或其他优化算法对第一对应关系进行解算，得到待校准导航设备的相机内参数初值；利用光束法平差算法对相机内参数初值优化，得到待校准导航设备的相机内参数。

16、在其中一个实施例中，待校准导航设备的相机内参数包括等效焦距、主点坐标，径向畸变参数以及切向畸变系数。

17、在其中一个实施例中，利用上述第二对应关系和待校准导航设备的相机内参数解算出待校准导航设备的相机相对于靶面的旋转矩阵，包括:

18、根据第二对应关系以及待校准导航设备的相机内参数，利用绝对位姿估计算法求解得到待校准导航设备的相机相对于靶面的旋转矩阵。

19、在其中一个实施例中，平行光管用于辅助校准，操控标定架上的调平旋钮，当通过调平透镜观察到十字丝与中心重合时，则校准设备已调平完毕，即平行光管靶面与标定架的基底平行。

20、上述基于平行光管的视觉导航设备基准校准方法，本技术利用带特征图案的平行光管和具有平行结构的标定架进行导航设备基准校准。在获得了特征点对应的虚拟控制点后，只需要对平行光管靶面进行一次拍摄，就可以校准导航设备基准，流程简单，操作方便，根据平行光管产生平行光束的性质为导航设备的相机提供校准数据；同时设计的标定架具有独立光源，避免了由于光照变化对图像质量的影响，在复杂的光照条件下依然能够提供稳定、可控的校准环境，确保了图像特征点的清晰度和可检测性。利用平行光管靶面与导航设备基准面之间的平行关系，将相机与平行光管靶面位姿关系转化为相机与导航设备基准位姿关系，通过视觉校准方法实现基准校准。避免了对高精度转台的需要，节约了成本的同时大幅提高了校准效率。在实际使用中，通过测角设备、已知内参的相机等设备获得平行光管靶面特征的方向向量并生成虚拟控制点后，即可控制待校准导航设备中的相机拍摄一张靶面图像，实现导航设备中的相机内参标定以及基准校准。本技术标定精度高、校准速度快、成本低廉、可操作性强，适用于批量校准导航设备。整个校准过程步骤清晰、操作标准化、步骤可全自动化，便于使用者按照标准流程进行操作，即使非专业人员也能独立、快速的完成标定。