[发明专利]一种基于视觉系统成像的外参数标定方法

说明书

本发明公开了一种基于视觉系统成像的外参数标定方法，首先采用两台高精度经纬仪，测量标定架内部的各个靶标在标定架坐标系下的三维坐标；在固定待测相机的相机工装上设置多个转换靶标，并在标定架内选定对应的多个转换靶标；对标定架进行多角度序列成像；提取标定架内靶标点的图像坐标；根据图像坐标和世界三维坐标，获得待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的旋转和平移参数精确值；进而采用最小二乘坐标转换算法求解得到待测相机的投影中心坐标系到基准镜坐标系的旋转和平移参数。该方法能够解决经纬仪不能瞄准到相机投影中心的问题，也能克服张正友标定板法估计出的外参数不是航天器总装和任务实施中需要参数的问题。

技术领域

本发明涉及航天相机标定技术领域，尤其涉及一种基于视觉系统成像的外参数标定方法。

背景技术

在航天领域，近年来随着我国探月工程、行星探测工程的不断推进，我国先后研制了结构复杂的嫦娥三号探测器、嫦娥四号探测器、嫦娥五号探测器、火星探测器。为了更好的对地外星体进行探测并实施任务，探测器上通常会装备视觉系统。例如玉兔2号月球车上安装的工程相机包括：一对双目导航相机、一对双目避障相机；安装的科学相机包括：一对双目全景相机。依据任务的不同，这些相机采用不同的设计、可能是单目相机、也可能是双目相机，在探测器整体上的安装位置也不同。相机在集成到整器(指探测器整体)上以后，为了完成后续的在轨任务，需要得到相机投影中心到其基准镜的旋转和平移(X,Y,Z)参数，如图1所示为现有技术中某深空探测器上安装的相机的单机示意图，基准镜是用于在整器精测时，便于经纬仪瞄准，以测量出单机在整器上的准确安装位置。

目前在航天器总装集成过程中，一般采用经纬仪系统来准确测量相机或其它设备在整器上的安装位置，但是视觉系统是一种复杂的光学系统，经纬仪测量的方法是，通过测量员在经纬仪目镜中找到需要瞄准的目标，通常是基准镜的十字丝。但是对于视觉系统来说，没法找到瞄准目标，因为相机的投影中心是位于镜头内部的一个虚拟点位，在空间中并不存在实体，而经纬仪测量必须要找到一个可以瞄准的实体目标，因此现有技术妥协的方法是将基准镜的十字丝的位置代替作为视觉系统在整器上的安装位置，但这样处理是不准确的。

现有技术中另一种标定相机的方法是张正友棋盘格标定法，该方法广泛应用于计算机视觉领域和光学领域，具体是使用标定板搭建标定场景，通过变换标定板的位置与姿态(一般变换10～20次)，同时相机对标定板成像拍摄标定图像。测试结束后，已知标定板严格的格网尺寸，使用后处理算法估计出相机的外参数。该方法标定出的外参数是相机投影中心到标定板坐标系的旋转和平移参数，因为该方法是将世界坐标系定义在标定板左下第一个角点上，而估计出的立体外参数是右相机坐标系到左相机坐标系的旋转和平移参数，但在航天器研制任务中，这并不是所想要的外参数，因此该方法无法得到相机到整器坐标系下的外参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于视觉系统成像的外参数标定方法，该方法能够解决经纬仪不能瞄准到相机投影中心的问题，也能克服张正友标定板法估计出的外参数不是航天器总装和任务实施中需要参数的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于视觉系统成像的外参数标定方法，所述方法包括：

步骤1、首先采用两台高精度经纬仪，配合标准尺采用多测回的前方交会测量法，测量标定架内部的各个靶标在标定架坐标系下的三维坐标；其中，所述标定架为钨钢材质且变形小的控制场，内部由92个靶标构成，每个靶标的精确三维坐标是相对固定的；

步骤2、在固定待测相机的相机工装上设置多个转换靶标，并在所述标定架内选定对应个数的转换靶标，通过所述高精度经纬仪测量所述相机工装上设置的多个转换靶标在基准镜坐标系下的三维坐标；

步骤3、利用所述待测相机对所述标定架进行多角度序列成像；

步骤4、在步骤3所得到的图像中提取所述标定架内靶标点的图像坐标；