[发明专利]一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘

权利要求书

1.一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，其特征在于，包含数据采集单元和处理器：

所述数据采集单元，包括一个惯性测量单元和一个下视安装的摄像头，所述惯性测量单元用于采集载体在三维空间中的三轴角速度和加速度，所述摄像头用于采集载体下方的图像序列；

所述处理器，通过惯性测量单元采集的数据得到姿态角，通过摄像头采集的数据得到航向角，并对上述姿态角和航向角进行融合，得到载体最终的航向角；

处理器的融合计算采用紧耦合方式，具体为：

(1)通过惯性测量单元的测量数据估计出载体在垂直方向的运动，得到摄像头采集到的图像粗略的尺度预估计值，根据尺度预估计值设置图像中特征检测的阈值、金字塔的层数以及比例因子，实现特征点的稳定提取；

(2)利用摄像头采集图像的频率低于惯性测量单元这一性质，将前一次视觉解算的结果和两次视觉解算之间由惯性测量单元的测量数据计算得到的横滚角和俯仰角作为校正使用的姿态角，通过互补滤波对陀螺仪采集到的数据计算出的姿态角进行校正，最终得到载体的航向角。

2.根据权利要求1所述的一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，其特征在于，所述惯性测量单元固定安装在载体上，所述摄像头相对于载体采用下视安装，采集载体下方的俯视图像序列。

3.根据权利要求1所述的一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，其特征在于，所述惯性测量单元包括陀螺仪和加速度计，通过惯性测量单元采集的数据得到姿态角具体为：

(1)将陀螺仪的输出经过积分和校正后，求解微分方程并进行四元数更新得到姿态角；

(2)利用加速度计的输出计算横滚角和俯仰角；

(3)利用自适应的重力场互补滤波将陀螺仪和加速度计的计算结果进行融合得到初步的姿态角；所述自适应具体为：重力场互补滤波器的时间常数τ随重力加速度在载体坐标系中的分量和加速度计测量值的叉积e变化，即τ为关于e的分段单调增函数。

4.根据权利要求1所述的一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，其特征在于，所述通过摄像头采集的数据得到航向角具体为：

(1)对摄像头采集到的每张图像进行ORB特征检测，提取出ORB特征点；

(2)在摄像头采集到的相邻图像之间进行特征匹配和RANSAC野值剔除，得到匹配好的特征点对；

(3)根据匹配好的特征点对，在每张图像中利用PCA主元分析法得到一个主要的方向矢量；

(4)通过求解相邻图像中方向矢量的方向变化，得到摄像头的航向角增量，也即载体的航向角增量，将航向角增量累加后即可得到载体的航向角。

5.根据权利要求1所述的一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，其特征在于，还包括辅助测量装置，所述辅助测量装置为两轴或三轴稳定云台，用于安装摄像头，使得摄像头始终采集到的是地面的水平俯视图，图像采集平面不会随着载体的横滚角和俯仰角而变化。

6.根据权利要求1所述的一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，其特征在于，所述惯性测量单元的坐标系与载体坐标系一致，采用右手笛卡尔坐标系；初始状态时，载体水平放置，载体坐标系与摄像头坐标系的XY平面平行，Z轴在同一条直线上，方向相反。

7.根据权利要求1所述的一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，其特征在于，所述定向罗盘适用于无人机飞行任务，在悬停及电磁场干扰大的环境。