[发明专利]一种基于特征线的运动目标位姿光学测量方法

摘要

一种基于特征线的运动目标位姿光学测量方法。它涉及视觉测量中的一种运动目标位姿测量技术，它解决了传统的监测系统测量精度低和稳定性差，以及对于特征点装配位置要求高的缺点。利用目标上两条不平行的直线的光学测量方法。提出了基于直线的位置姿态求取公式。使用该发明方法对位姿测量误差进行了仿真分析，同时给出了实际的测量误差。该发明方法对摄像机模型没有限制，且由于增加了带测量的测量基线，所以减少了位置姿态参数的测量精度对光学系统的依赖，实验结果表明，该方法可满足运动目标相对位置姿态的高精度测量的需求。

主权项

一种基于特征线的运动目标位姿光学测量方法，其特征在于它的测量过程如下：在运动目标上安装特征点，首次设运动目标上存在不平行的两条直线L1和L2，P1、P2、P3和P4分别为直线上的点，其中点P1和P3位于直线L1上，点P2和P4位于直线L2上，所述的P1、P2、P3和P4四个点为特征点，定义所述四个特征点在目标坐标系和测量坐标系中的坐标分别为Pmi，Pgi，其中i＝1，2，3，4；目标坐标系与运动目标固连，其原点Om取在运动目标的质心上，则Pmi的值为定值；测量坐标系随运动目标的运动而变化，测量坐标系是确定运动目标的质心在空间的坐标位置及其在空间的姿态的参考基准，其中空间的坐标位置是三个方向的平动：X方向位置、Y方向位置和Z方向位置，空间的姿态是绕三个方向轴的转动：俯仰角、偏航角和滚转角，则Pgi的值是测量值，是未知值；在任意时刻，同一特征点在目标坐标系和测量坐标系中的坐标均满足如下关系：Pgi＝CgmPmi+Tmgo   i＝1，2，3，4                公式一式中Cgm——目标坐标系相对于测量坐标系的旋转矩阵Cmg的逆；Tmgo——目标坐标系原点在测量坐标系中的位置向量；把公式一中i＝1和i＝3时的等式两边分别作差，再把公式一中i＝2和i＝4时的等式两边也分别作差，可得：Pg(j+2)‑Pgj＝Cgm(Pm(j+2)‑Pmj)  j＝1，2        公式二对其两端向量进行归一化，如下式所示： P g ( j + 2 ) - P gj | P g ( j + 2 ) - P gj | = C gm ( P m ( j + 2 ) - P mj ) | C gm ( P m ( j + 2 ) - P mj ) | j＝1，2公式三又因为旋转矩阵Cgm为正交阵，所以公式三可进一步表示为： P g ( j + 2 ) - P gj | P g ( j + 2 ) - P gj | = C gm P m ( j + 2 ) - P mj | P m ( j + 2 ) - P mj | j＝1，2公式四定义 A gj = Δ P g ( j + 2 ) - P gj | P g ( j + 2 ) - P gj | A mj = Δ P m ( j + 2 ) - P mj | P m ( j + 2 ) - P mj | j＝1，2公式五则，公式四更简洁、直观地表示为：Agj＝CgmAmj j＝1，2               公式六因为旋转矩阵Cgm是正交阵，所以对于向量Ag1和Ag2，如下关系也成立：Ag1×Ag2＝(CgmAm1)×(CgmAm2)＝Cgm(Am1×Am2)          公式七依据四个特征点不共线的条件，可知公式七两边均为非零向量，对公式七两端进行归一化： A g 1 × A g 2 | A g 1 × A g 2 | = C gm A m 1 × A m 2 | A m 1 × A m 2 | 公式八同理定义 B g = Δ A g 1 × A g 2 | A g 1 × A g 2 | B m = Δ A m 1 × A m 2 | A m 1 × A m 2 | 公式九把Bg和Bm代入公式八，可得：Bg＝CgmBm              公式十把公式六和公式十两端的向量组合成矩阵，并定义 D g = Δ ( A g 1 , A g 2 , B g ) D m = Δ ( A m 1 , A m 2 , B m ) 则公式六和公式十可用一个矩阵等式表示为：Dg＝CgmDm             公式十一由Dg和Dm的构造方法，以及四个特征点不重合且不共线的条件可知：Dg和Dm均满秩，因此，可以通过公式十二求取目标坐标系相对于测量坐标系的旋转矩阵Cmg： C mg = C gm - 1 = ( D g D m - 1 ) - 1 公式十二分别求取P1和P3所在直线L1与P2和P4所在直线L2的交点或公垂线的中点在目标坐标系中的坐标Xm和在测量坐标系中的坐标Xg；把Cgm、Xm和Xg代入公式十三，就可以求得目标坐标系相对于测量坐标系的位置向量Tmgo，用显式可表示为：Tmgo＝Xg‑CgmXm                 公式十三将求得的旋转矩阵Cmg和位置向量Tmgo带入到公式一中，根据Pmi的值就能够得到Pgi的值，即得到测量结果。