[发明专利]仿昆虫复眼立体视觉的多通道视觉测距法

权利要求书

1.一种仿昆虫复眼立体视觉的多通道视觉测距法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立基于目标方向检测的仿复眼快速测距模型

建立多通道环形传感器双目测距装置，由两个环形传感器组成，每个环形传感器由N个子传感器呈夹角δ的环形排列而成，建立直角坐标系，原点位于两个环形传感器的中心点O₁和O₂中间，两个中心点O₁和O₂之间的连线为基线、间距为2a，坐标系中的一点P可由经过O₁、O₂的中心方位角分别为α、β的两直线的交点表示；当要检测坐标系空间内某一点P的位置时，由于基线已知，仅需获取两环形传感器的方位角α、β，结合三角测距法可获得P点的空间位置，建立基于目标方向检测的仿复眼快速测距模型如式(1)：

(2)确定基于环形传感器目标信号匹配测距模型的方位角，实现三角测距

步骤(1)中的环形传感器由等夹角δ环形分布的N个子传感器组成，δ为两相邻子传感器视轴中心线间的角度，在环形传感器视野范围内有一目标点P，将各子传感器t时刻采集的目标信号沿环形传感器视轴分布，目标处于信号最强烈的子传感器视轴方向，以信号最强原则确定目标方位角，即环形传感器中显示各子传感器t时刻采集的目标信号最强的子传感器的视轴方向作为目标在该环形传感器中的方位角α＝iδ；在多通道双目视觉传感器立体视觉测距中，两环形传感器以各自阵列中最强信号方向作为目标方向，确定各自方位角，实现三角测距；

(3)基于双目测距原理，实现两环形传感器在大视场范围内对与子传感器排列垂直面内的目标测距；

步骤(2)的具体步骤为：

(2-1)相邻夹角的不均匀性导致方位角的不准确性，环形传感器中各子传感器的安装及自身视角会导致相邻夹角的不均匀性，需要通过环形传感器的视轴标定方法来标定；

(2-2)由于目标位置的任意性，不能简单地以某子传感器视轴方向代表目标方位角，存在如下情况：第I种情况，目标位于编号为K的子传感器的视轴方向上，采用对应子传感器的视轴方向表征目标方位角；第II种情况，目标位于编号K与K+1的子传感器间靠近编号为K的子传感器视轴的一侧，采用其中某一个子传感器的视角方向来表征目标方位角，会导致目标方位角至少存在的角度误差；

步骤(2)中建立基于最大值法、加权平均法、多项式拟合法及高斯拟合法中任一种的信号最强目标方位角确定法，标定环形传感器中各子传感器视轴方向，具体为：

(a)最大值法

最大值法是比较t时刻环形传感器阵列中各子传感器信号间的大小，以最大信号值的子传感器的视轴方向表示目标所在环形传感器中的方位角，如式(2)所示：

其中，S_i(t)为编号为i的子传感器t时刻输出的信号值(i，j＝1,2,3……N)；为目标在环形传感器视觉系统中的方位角；δ_i、δ_j分别是编号为i或j的子传感器视轴方向；

(b)加权平均法

加权平均法将离散观测值细分，获得信号的趋势峰值，当目标峰值趋于整体信号对称中心或信号能量集中于峰值附件时，寻峰准确度高；如式(3)所示：

其中，S_i为编号为i的子传感器某时刻输出的信号值，δ_i为第i号子传感器的视轴方向；

(c)最小二乘拟合

根据采集信号的分布特性，采取最小二乘来近似获取阵列离散信号曲线分布函数，通过实验获得的函数S＝f(δ)在n个点δ₁,δ₂,δ₃……δ_n位置的子传感器信号值为S₁,S₂,S₃……S_n，要获得一个近似曲线表达式，求解最小二乘来近似获取阵列离散信号分布曲线的峰值，获取目标在环形传感器中的目标方位角，包括多项式拟合与高斯分布拟合；

(c-1)多项式拟合法

设信号输出观测值的多项式拟合模型为：

其中，m拟合多项式最大阶数，n+1为观测值总量；

根据最小二乘原理，使得观测值到拟合曲线的距离平方和最小：

基于已有观测值，将公式(5)转换为求解I＝I(a₀,a₁,Λ,a_m)的极值问题，由此可得：

将观测值代入式(6)，可得：

令：

根据模型唯一解，可得：

P＝(Z^TZ)^-1Z^TM (8)；

由此获得Q函数表达式，并通过一阶导数Q’＝0获得峰值对应角度大小；

(c-2)高斯拟合法

高斯拟合法是基于高斯正态函数的拟合，以t时刻为例，环形传感器各通道同步采用的目标信号分别为i＝1,2,3…N，其中i表示子传感器序号，服从高斯分布；其中，表示子传感器i在t₁时刻采集到目标的光强信号值，δ_i表示子传感器i在环形分布结构中的角度；构造信号输出观测值的高斯拟合模板函数：

其中，a、b、c为待定系数；且a为环形传感器阵列所检测到信号的高斯曲线峰值，b为峰值位置对应的角度值，c为半宽度信息；对式(9)两边取自然对数，优化为：

式中：

将实验离散信号数据带入公式(10)，得：

令：

则，根据最小二乘原理，可确定参数A、B、C的最小二乘解为

P＝(Z^TZ)^-1Z^TM (13)，

再结合式(11)，得到环形传感器检测到目标的视轴角度：

其中，步骤(2)中要实现环形传感器对目标方向角度的确定，需要检测阵列中各子传感器视轴方向，根据子传感器光电二极管具有的对称视角及感光特性，采集如下信号：①子传感器绕定位中心360°旋转的目标信号；②环形传感器在t时刻的环形传感器信号；③目标在子传感器视轴垂直面匀速直线运动的子传感器信号，分析信号分布曲线特征，确定相应算法；具体过程如下：

以环形传感器的中心为原点O，建立XOZ直角坐标系：环形传感器由子传感器以环形形式分布；1号子传感器视轴中心线方向与坐标系X轴正方向相同，按逆时针方向子传感器序号依次为i(i＝1，2，3，...，N表示环形传感器的编号)；当子传感器固定后，各子传感器有其固定的视轴方向，P_i(R1，δ_i)表示某一环形传感器的第i号子传感器的极坐标位置，R1为环形传感器所在固定结构的半径，δ_i为子传感器的视轴方向，D表示环形传感器旋转中心与线性激光发射器的间距，ω表示电动平台的旋转角速度，以竖直放置的一字型线性激光发射器模拟目标，激光线穿过旋转台旋转中心，使得激光线、环形传感器中心以及平台中心在同一直线内；当需要实现360°范围内环形传感器信号采集时，利用伺服电机控制旋转电动台带动环形传感器以角速度w顺时针方向旋转，同步利用多通道信号采集装置采集环形传感器的信号s，即可实现子传感器在360°范围内目标信号的采集；

针对子传感器在360°旋转过程中采集的信号，计算子传感器在水平方向上视轴方向；通过离散数据分析获取s^max对应t值，根据公式(15)即可计算得到编号为i子传感器视轴方向δ_i：

δ_i＝ω·t_i (15)；

利用公式(1)-(14)的计算方法分别对360°旋转过程中采集的环形传感器阵列信号进行相应的处理，分析与比较子传感器夹角与拟合算法对目标方位角定位精度的影响，提高环形传感器对目标方位角ε°定位精度。