[发明专利]一种基于四旋翼无人机的单目相机尺度估计方法

摘要

一种基于四旋翼无人机的单目相机尺度估计方法，包括以下步骤：1)获取图像及IMU参数信息；2)提取二维图像特征点并进行特征匹配；3)求解相机的外参矩阵；4)融合IMU信息，估计单目相机的尺度，本发明提出一种针对四旋翼飞行器的地图构建问题的简单且运算量低的单目摄像机尺度估计方法，为四旋翼无人机地图构建提供了有效的尺度因子。

主权项

1.一种基于四旋翼无人机的单目相机尺度估计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)获取图像及IMU参数信息；2)提取二维图像特征点并且进行特征匹配；3)求解相机外参矩阵；4)融合IMU信息，估计单目相机的尺度，过程如下：首先根据采集到的IMU参数信息和通过视觉计算得到的无人机的运动姿态，即位置P和旋转矩阵R，根据两者参数估计步骤4)中单目相机的尺度因子，包括以下步骤：4.1)视觉和IMU参数时域上的同步比较陀螺仪的参时间戳和由视觉获取的角速度时间戳，选取最小平方差的偏移值为最优的时间偏移量to，将较小的时间戳加上获取的最优的时间偏移量，实现视觉和IMU在时间上的同步；其中，由视觉获取的角速度是根据相机的外参矩阵中的旋转矩阵变换而来。角速度由ω_x、ω_y和ω_z组成，其变换关系为：其中，表示世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵；表示在相机标系下的视觉角速度；4.2)视觉和IMU参数频域上的同步由4.1)获取的基于视觉的角速度与从陀螺仪读出的角速度分别在两个坐标系下，即相机坐标系和IMU坐标系。因此，需要求解相机坐标系与IMU坐标系的旋转矩阵用于视觉与IMU参数在频域上的同步，的计算公式如下：其中，为在相机坐标系下的陀螺仪零偏；t_o为最优的时间戳偏移量；4.3)相机坐标系下重力加速度的估计采用比较视觉和IMU获取的加速度值进行尺度的估计，由于地球的重力加速度gw不能直接通过相机观测到，所以不能直接比较视觉和IMU的加速度值，进而需要估计相机坐标系下的gw：其中，表示相机坐标系下的加速度，可由视觉获取的位置坐标二次积分获取；表示IMU坐标系下加速度计的读数；表示经过旋转变换后的在相机坐标系下的加速度；s表示单目相机的初始尺度因子；表示加速度计的零偏，s和的计算公式如下：4.4)单目相机尺度因子的估计在频域中估计单目的尺度，通过傅里叶变换将时域中的相机坐标系下的视觉和IMU的加速度变换到频域中AV(f)，AI(f)：其中，F{.}表示傅立叶变化。通过最小化视觉和IMU加速度的幅值估计在频域中的单目相机尺度：‖gw‖2＝9.8    (10)其中，fmax设置为默认值1.2。至此，即可估计出单目相机的尺度。