[发明专利]一种单目视觉位姿估计装置及方法

说明书

本发明一种单目视觉位姿估计装置及方法，包括：圆形平面反射镜、锥形反射镜、CCD相机以及目标平面；所述的圆形平面反射镜、锥形反射镜以及CCD相机同轴。所述估计方法为：确定锥形反射镜的锥角大小约束；选取β和θ，使得该单目视觉位姿估计装置产生的光程差大；确定圆形平面反射镜所在平面与CCD相机镜头所在平面的距离d和锥形反射镜母线最小长度M_min；计算机首先将图像灰度化，然后采用平滑滤波及梯度算法识别出图像的清晰区域在何处；根据已知的相机焦距f、锥形成像靶面上的检测出的清晰的像素点距离镜头中心的距离pix_distance(x*,y*)及其横坐标x*、纵坐标y*；根据透镜成像原理及几何关系得出传感器的位姿信息。

技术领域

本发明涉及一种单目视觉位姿估计装置及方法，属于航空航天导航领域。

背景技术

微型无人机的导航能力，是其实现各种任务和应用的基础和关键。目前的无人机装备了各种导航设备，如全球卫星定位系统(GPS)、气压高度计、惯性测量单元(IMU)、激光测距仪、雷达扫描仪等，但对于微型无人机而言，这些设备将不再适用，原因在于：

1)微型无人机多工作于超低空环境或室内环境，由于地形的散射、遮蔽等因素，GPS的测高功能将大打折扣，有的地方根本就没有GPS信号；

2)气压高度计无法获得对地高度，而且易受气象条件影响；

3)单独的微机电IMU漂移快，常用于微小型无人机的MPU6050的零漂高达0.15度/秒，必须辅以其它信息予以修正；

4)激光测距仪和雷达扫描仪质量、体积、功耗都比较大，无法在微型无人机上使用。

在这种情况下，被动式的机载视觉将是解决微型无人机的导航问题的一种可行方法。

根据摄像机数目的不同，机载视觉定位方法可以分为多目视觉定位、双目视觉定位、单目视觉定位。对于微型无人机来说，其质量/体积/功率(MVP)都比较小，考虑到摄像机的基线长度、自身尺寸以及安装位置等因素的制约，飞行平台不宜安装多台视觉成像设备，一般只安装一台，即形成单目视觉。

将单目视觉测量技术应用于微型无人机导航，其优势体现在如下几个方面：

第一，单目视觉传感器是被动式的，不会产生电磁辐射，故隐蔽性好，适合军事应用；

第二，单目视觉传感器的计算量小，这就降低了算法的复杂度，机载处理器可实时在线运算，提高了微型无人机的实际应用价值；

第三，单目视觉传感器的重量轻，体积小。

尽管单目视觉无法像GPS一样提供绝对位置(经纬度)，但它可以提供载体相对于环境的飞行高度和飞行姿态，这对于在复杂环境中执行任务的微小型无人机而言更具有现实意义。因此，利用单目视觉技术进行微小型无人机导航具有重要研究价值，设计出具有优良性能的单目视觉传感器和导航算法是一项具有科学意义和应用前景的工作。

现有的单目视觉位姿估计方法的本质，是将三维实景投影成二维平面图像来进行位姿估计，投影过程中丢失了深度信息，因而需要多帧图像或者先验知识来重建深度信息。计算负担大，实时性不易保障。因此，本发明试图通过改变单目视觉传感器的结构来寻求突破。

发明内容

(一)发明的目的

本发明的目的是提供一种单目视觉位姿估计装置及方法，以简便、高效、实时地估计飞行器的高度、滚转角、俯仰角。

(二)技术方案

一种单目视觉位姿估计装置，包括：

圆形平面反射镜、锥形反射镜、CCD相机以及目标平面。