[发明专利]一种结合惯性陀螺仪的摄像机视觉实时定位系统及定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及计一种摄像机视觉实时定位系统及定位方法，特别涉及一种结合惯性陀螺仪的摄像机视觉实时定位系统及定位方法。

背景技术

摄像机定位就是确定摄像机相对于已确定的世界坐标系的相对位置的过程。

摄像机定位过程中涉及如图1所示的4个坐标系，分别为像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系。

1)像素坐标系Ouv：原点O位于CCD图像平面的左上角，u轴和v轴分别与CCD图像平面像素行和列平行，(u,v)表示图像阵列中像素点的位置。

2)图像坐标系Oxy：原点(即主点O)定义在相机光轴与CCD图像平面的交点，x,y轴分别与u,v轴平行。Pu(xu,yu)表示针孔模型下物点P的理想图像坐标，Pd(xd,yd)是由相机镜头畸变引起的偏离Pu(xu,yu)的实际图像坐标。

3)相机坐标系OcXcYcZc：原点Oc定义在相机镜头的光心，Xc,Yc轴分别平行于x,y轴，Zc轴与相机的主光轴重合。相机的有效焦距为f，物点P在相机坐标系下的三维坐标用(xc,yc,zc)表示。

4)世界坐标系OwXwYwZw:根据具体坏境来定。(xwywzw)表示物点P在世界坐标系下的三维坐标。

现有的摄像机定位技术主要有通过视觉的定位方法，通过红外线的定位方法，以及通过无线射频技术的定位方法等。但是存在以下的缺陷

1)通过畸变很小的摄像机进行视觉定位，通过直接求解一次方程组获得摄像机的方位，虽速度较快，但由于镜头视野较小，不能获得足够的定位信息，而且误差无法有效控制。

2)红外定位和无线射频技术等方法则容易受到外界设备的干扰，难以保证定位的精度和可靠性，而且不能应用于较大的场景之中。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中摄像机定位方法存在的镜头视野较小，不能获得足够的定位信息，而且误差无法有效控制；并且红外定位和无线射频技术等方法则容易受到外界设备的干扰，难以保证定位的精度和可靠性，而且不能应用于较大的场景之中等问题，提供了一种结合惯性陀螺仪的摄像机视觉实时定位系统及定位方法。

技术方案：为了实现以上目的，本发明公开了一种结合惯性陀螺仪的摄像机视觉实时定位系统，包括：上位机、通信传输模块、广角镜头摄像机、惯性陀螺仪以及标定板；所述广角镜头摄像机、惯性陀螺仪分别通过通信传输模块与上位机通信；所述广角镜头摄像机一侧设有用于广角镜头摄像机标定的标定板。所述广角镜头摄像机能够增加摄像机镜头的视野，能够拍摄到更大的范围，适用于较大的场景之中。所述惯性陀螺仪能够实时获取其姿态，用以辅助摄像机的定位，从而保证定位的精度。同时所述实时定位系统不受外界设备的干扰，保证了定位的抗干扰性和可靠性。

所述标定板至少为4个。所述定位板面向广角镜头摄像机的镜头分散布置，保证广角镜头摄像机能够尽量多的定位板，保证了定位的精度。

本发明还公开了一种结合惯性陀螺仪的摄像机视觉实时定位方法，包括以下步骤：

S1：对所述广角镜头摄像机进行标定,获取广角镜头摄像机的内参矩阵A以及径向畸变参数k1、k2和切向畸变参数p1、p2；

S2:安置所述标定板，并对标定板进行定位；

S3：将标定板的位置输入到所述上位机；

S4:惯性陀螺仪校准；

S5:将广角镜头摄像机与惯性陀螺仪固连；

S6：实时计算并存储广角镜头摄像机当前的位置和方向信息；步骤S6具体包含以下步骤：

S61开启广角镜头摄像机，拍摄带有定位板信息的图像；

S62在图像中识别并确定标定板位置；

S63如果是第一次计算广角镜头摄像机当前的位置和方向信息，不考虑镜头的畸变，计算世界坐标系到摄像机坐标系的平移向量，并将结果作为世界坐标系到摄像机坐标系的平移向量T的初值；否则，将上一次的利用步骤S6的计算结果作为T的初值；

S64通过惯性陀螺仪，对广角镜头摄像机的姿态进行测量，并将结果作为世界坐标系到摄像机坐标系的旋转向量R的初值；

S65考虑镜头的畸变，对外参矩阵[R,T]进行优化，获取并保存外参矩阵[R,T]的精确值；

S66根据内参矩阵A以及外参矩阵[R,T]实时计算广角镜头摄像机当前的位置和方向信息。

本发明所述一种结合惯性陀螺仪的摄像机视觉实时定位方法，通过广角镜头摄像机拍摄更大范围的图像、至少4个标定板提供更多的视觉信息、惯性陀螺仪的实时姿态输入优化结果等，提供了一种大范围、全方位、高精度、强抗干扰的摄像机定位方法。