[发明专利]基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法

权利要求书

1.一种基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）以移动机器人正方向为0度参考方向，采用偏振相机对移动机器人正上方的天空进行实时拍摄，经计算合成获取实时天空偏振分布伪色彩图像；

（2）对天空偏振分布伪色彩图像进行局部特征建模；

（3）对天空偏振分布伪色彩图像的局部特征进行稳定特征点的提取、特征匹配，获得天空偏振分布模型图之间的仿射变换关系；

（4）根据天空偏振分布模型图之间的仿射变换关系，计算移动机器人的位置和航向。

2.根据权利要求1所述的基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，其特征在于：以移动机器人正方向为0度参考方向，采用偏振方向分别为0度、45度和90度的三个偏振相机对移动机器人正上方的天空进行实时拍摄，根据三个偏振相机拍摄的图像，计算出移动机器人正上方天空的天空偏振度分布和天空偏振角分布；根据所述天空偏振度分布和天空偏振角分布创建天空偏振度分布伪色彩图像和天空偏振角分布伪色彩图像；将天空偏振度分布伪色彩图像与天空偏振角分布伪色彩图像进行合成，得到实时天空偏振分布伪色彩图像。

3.根据权利要求2所述的基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，其特征在于：所述偏振相机是在镜头前加装偏振片的相机，所述偏振方向指偏振片的偏振化方向。

4.根据权利要求1所述的基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，其特征在于：利用图像边缘提取方法对获取的实时天空偏振分布伪色彩图像进行边缘提取，得到天空偏振分布局部特征初图，通过选择性注意方法和稀疏化处理方法对天空偏振分布局部特征初图进行处理，得到天空偏振分布模式图，完成天空偏振分布伪色彩图像的局部特征建模。

5.根据权利要求1所述的基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，其特征在于：所述局部特征是指具有区域性分布差异的稳定特征。

6.根据权利要求1所述的基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，其特征在于：采用SIFT算法对实时天空偏振分布伪色彩图像的局部特征进行稳定特征点的提取，然后对所述稳定特征点进行特征匹配，获取当前时刻天空偏振分布模式图和上一个时刻天空偏振分布模式图之间的仿射变换关系。

7.根据权利要求6所述的基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，其特征在于：通过SIFT算法提取出稳定特征点A，所述稳定特征点A在前一时刻获取的天空偏振分布模式图中的坐标为A(x₁,y₁)，在当前时刻获取的天空偏振分布模式图中相匹配的坐标为A(x₂,y₂)，则前一时刻获取的天空偏振分布模式图与当前时刻获取的天空偏振分布模式图之间的仿射变换关系由式(1)表示：

式(1)中，t_x，t_y表征当前时刻天空偏振分布模式图与前一时刻天空偏振分布模式图之间的仿射变换关系，其中表示仿射变换的旋转角度，t_x表示仿射变换的横向位移，t_y表示仿射变换的纵向位移。

8.根据权利要求7所述的基于天空偏振分布模型匹配的导航定位方法，其特征在于：移动机器人的位置和航向以GPS坐标系进行定义，移动机器人在GPS坐标系中的位置和航向用(La,Lo,θ)表示，其中La为移动机器人所在位置的纬度，Lo为移动机器人所在位置的经度，θ为移动机器人的航向，所述航向以正北方向为0度方向、以逆时针为正；

假设上一时刻移动机器人在GPS坐标系中的位置和航向为(La₀,Lo₀,θ₀)，其中La₀为移动机器人上一时刻所在位置的纬度，Lo₀为移动机器人上一时刻所在位置的经度，θ₀为移动机器人上一时刻所在位置的GPS航向；上一时刻天空偏振分布模式图与当前时刻天空偏振分布模式图之间的仿射变换关系为t_x,t_y)，由公式(2)求解出移动机器人当前时刻的位置和航向(La₁,Lo₁,θ₁)：

其中La₁为移动机器人当前时刻所在位置的纬度，Lo₁为移动机器人当前时刻所在位置的经度，θ₁为移动机器人当前时刻所在位置的GPS航向，其中

R=s·cosγ-sinγ0sinγcosγ000r33]]>

R阵为天空偏振分布模式图坐标系与GPS坐标系之间的迁移矩阵，具有三个自由度的可调参数(s,γ，r₃₃)，这三个参数可由标定实验得出，当获取到R阵之后，通过将天空偏振分布模式图的匹配结果直接转换为移动机器人的位置和航向信息，实现基于天空偏振分布模型匹配的移动机器人导航定位。