[发明专利]一种单目相机和惯性测量单元相对安装角标定方法

说明书

本发明公开了一种单目相机和惯性测量单元相对安装角标定方法，属于传感器标定领域，包括以下步骤：步骤一：转动测量组件，采集标定用数据；所述的测量组件包括单目相机和惯性测量单元；步骤二：从单目相机采集的图像中提取相对姿态信息；步骤三：利用非线性最小二乘法求解安装矩阵。利用本发明所提供的的方法能够不依赖于对绝对参考信息的测量，避免了因为绝对参考信息测量误差带来的标定误差；另外标定过程中数据采集时间短，标定结果精度高，可以满足单目相机和惯性测量单元组合配置在实际应用中的空间对准需求。

技术领域

本发明属于传感器标定领域，特别是涉及一种单目相机和惯性测量单元的测量组件中两者测量坐标系空间相对安装角的标定方法，涉及标定过程中的设备旋转方式，属于多传感器外参标定方法。

背景技术

基于单目相机和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)的传感器组合在导航、三维重建等领域得到了广泛的应用，所述IMU由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成。IMU输出带宽大，对高机动跟踪性好，短时计算精度高，可提供尺度信息，但长期计算积累误差巨大；由单目相机采集的图像信息获得的相对运动信息不存在积累误差，长期稳定性高，但受特征点匹配等因素影响，计算精度一般，且采样率低，载体做高机动时无法进行有效的运动恢复，单目相机无法提供尺度。两种传感器在测量特性上存在互补，将它们组合起来进行数据融合能够大大提升系统性能。

多传感器的数据融合首先要解决时空对准问题。对于空间对准来说，就是要将不同传感器测量数据统一到同一坐标系下，这就需要求取传感器之间的相对位姿关系。针对单目相机和IMU的组合，就是要求取单目相机坐标系和IMU载体系的相对安装角以及原点平移。

针对这一问题，已经有不少学者进行了研究，但大都需要依托绝对参考信息来进行衡量，例如引入重力测量来寻找水平面基准，或者引入靶标等。当重力无法准确测量或需要快速标定无法预置靶标时，这些方法将不再适用。

发明内容

本发明针对由单目相机和IMU两者固连组合而成的测量组件，即所涉及的测量组件在使用过程中不存在单目相机和IMU间相对位置和姿态变化，或由于震动造成的相对位置和姿态变化可以忽略不计。

本发明的目的是为了解决IMU和单目相机两者坐标系空间相对安装角的无依托标定问题，但同时也适用于有靶标的情况，提出一种基于单目相机和IMU的相对安装角标定方法，该方法对靶标无硬性要求，在需要快速标定时可避免前期的绝对参照靶标准备环节，同时规避了对靶标或重力矢量等绝对参考测量不准确时带来的标定误差，为特定应用的快速标定提供了实现方案。同时当存在绝对靶标时，本方法也同样适用。

本发明提供的所述单目相机与IMU相对安装角标定方法，是一种非线性优化标定方法，具体包括以下步骤：

步骤一：转动测量组件，采集标定用数据；所述的测量组件包括单目相机和IMU；

步骤二：从单目相机采集的图像中提取相对姿态信息；

步骤三：利用非线性最小二乘法求解安装矩阵，实现单目相机和IMU相对安装角的标定。

本发明的优点在于：

(1)所需的设备简单，必要的设备只包括单目相机和IMU组成的测量组件以及配套的数据采集装置和标定计算平台；

(2)提出的标定方法不依赖于绝对参考信息的测量，可省去前期准备时间，同时避免了绝对参考信息测量误差带来的标定误差；

(3)在特定的旋转条件下，只需很短的数据采集时间就可进行标定，且所谓的特定旋转实际上很容易进行；

(4)采用的代价函数引入了李代数的概念，关于旋转摄动的误差项模型易于线性化，使得常规的非线性最小二乘优化方法得以适用；

(5)标定结果精度高，可以满足单目相机和IMU组合配置在多种应用中的空间对准需求。