（航空宇航科学与技术专业论文）车载光电经纬仪在准动基座下的测量误差修正研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 光电经纬仪是现代靶场中获取外弹道数据和飞行状态的最基本的光学测量仪 器，广泛应用于航空、航天、武器试验等科研和军事领域。国内靶场上广泛装备 的光电经纬仪主要有两种：固定站式和机动站式。固定式经纬仪具有作用距离远、 测量精度高的优点，但其作用范围固定。随着新型武器试验大射程、机动性等要 求的提高，仅依靠固定式经纬仪完成测量任务存在很大困难。机动经纬仪正好弥 补了固定式经纬仪的这一缺点，可以在较大的地理范围灵活布站，满足靶场大范 围机动测量的需要。但是，机动经纬仪还必须运输到测量点后再安装到预先修建 的固定基座上，才能保证测量精度。如果能够使光电经纬仪直接在机动载体平台 上进行保角精度的跟踪测量，则将具有重要的意义。 本文以车载机动光电经纬仪在机动载体平台即准动基座平台下测量误差修正 作为应用背景，分析和研究了准动基座下经纬仪测量误差的原因，提出了误差修 正的方法和方案，重点研究了误差修正方法所涉及到的关键和核心理论位姿 估计算法，最后针对所提的修正方案和方法做了模拟验证实验，实验结果表明了 所提方法正确、方案可行有效，为后续的工程应用奠定了基础。 本文主要工作有： 1 ) 针对准动基座下光电经纬仪测量误差修正问题，分析得到准动基座平台的 旋转运动是造成测量误差的根本原因；提出了采用固接于平台的单像机同步拍摄 合作标志物的误差修正方法，并对误差修正原理作了详细介绍。 2 ) 针对修正方法中所涉及到的关键和核心问题位姿估计问题，研究了基 于点对应的位姿估计算法。在基于点对应的o i ( o r t h o g o n a li t e r a t i o n ) 即正交迭 代位姿估计算法基础上，做了算法的改进研究。实验表明改进算法能获得更高的 求解精度。 3 ) 为了获得更高精度的位姿参数，研究了基于直线对应的位姿估计算法。通 过将o i 算法扩展到直线对应，提出了l b o i ( l i n e b a s e do r t h o g o n a li t e r a t i o n a l g o r i t h m ) 即基于直线对应的正交迭代算法，并对算法作了较详细的实验分析。 仿真和实际实验表明，算法具有对初始值较不敏感、高精度、鲁棒性好等特点。 4 ) 设计了修正系统方案，并对方案进行了可行性研究。进行了数字仿真实验 和实物模拟验证实验，实验表明了修正方案可行，能够满足角度修正精度等要求。 本文提出的准动基座平台运动的测量方法进一步发展可适用于车载、舰载等 武器装备的平台运动及姿态测量：所提的位姿估计算法可直接用于移动机器人、 像机标定、物体跟踪等领域。 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep h o t o e l e c t r i ct h e o d o l i t ei st h eb a s i co p t i c a lm e a s u r e m e me q u i p m e n tt o g e t t r a j e c t o r yd a t aa n df l i g h tp a r a m e t e r si nt h ew e a p o ns h o o t i n gr a n g e s i ti sw i d e l yu s e di n t h ea e r o n a u t i c s ，w e 印o nt r i a l sa n dm a n yo t h e rs c i e n t i f i cr e s e a r c ha r e a s t h e r ea r e m a i n l yt w ok i n d so fp h o t o e l e c t r i ct h e o d o l i t ei nt h eh o m es h o o t i n gr a n g e s ，o n ei s f i x a t i o na n dt h eo t h e ri sm o v e m e n t t h em a i na t v a n t a g eo ft h ef i x a t i o ns y s t e mi sh i g h m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n df a r - f o n l lm e a s u r i n ga b i l i t y b u ti tc a nn o tf u l f i l lt h ed e m a n d s o fn e wk i n dw e 印o nt r i a l sb e c a u s eo fi t sl i m i t e dm e a s u r i n ga r e a w k l ew i t ht h e m o v e a b l ea b i l i t y ，t h em o v e m e n tp h o t o e l e c t r i ct h e o d o l i t e s y s t e mi sa b l et ot r a c ka n d m e a s u r eo b j e c t sb r o a d l ya n df l e x i b l y h o w e v e ri tm u s tb ec a r r i e dt ot h em e a s u r e m e n t s i t ea n df i x e do nas t i l ls o l i db a s e ，o n l yi nt h i sw a yc a ni to b t a i na c c u r a t em e a s u r e m e m r e s u l t s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt od e v e l o pan e wk i n do fp h o t o e l e c t r i ct h e o d o l i t es y s t e m w h i c hc a nm e a s u r ea c c u r a t e l yo nt h eq u a s i - m o v i n gv e h i c l ep l a t f o r m t h ec o r r e c t i o no fm e a s u r e m e n te r r o ro fv e h i c l ep h o t o e l e c t r i ct h e o d o l i t ew o r k i n g o nt h eq u a s i - m o v i n gb a s ei st a k e na st h eb a c k g r o u n do ft h i sd i s s e r t i o n t h er e a s o n so f m e a s u r e m e n te r r o r ，t h em e t h o d so fe r r o rc o r r e c t i o na n dt h es c h e m eo fe r r o rc o r r e c t i o n s y s t e ma r ei n v e s t i g a t e da n dp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 1 ep o s ee s t i m a t i o np r o b l e m w h i c hi so n eo ft h ek e yp r o b l e m so ft h ee r r o rc o r r e c t i o nm e t h o d si sm a i n l ys t u d i e d f i n a l l y ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e da c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e ds c h e m ea n d m e t h o d s t h ew h o l ew o r kh a sm a k e naf o u n d a t i o nf o rt h en e x tp r o j e c tw o r k t h em a i nc o n t e n t so ft h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s 1 ) t h ec a u s a t i o n sf o rm e a s u r e m e te r r o ro fv e h i c l ep h o t o e l e c t r i ct h e o d o l i t ew o r k i n g o nt h eq u a s i m o v i n gb a s ea r ea n a l y s i s e d i tc o n c l u d e dt h a tt h em a i ne r r o rc a u s a t i o ni s t h er o t a t i o no ft h eq u a s i - m o n v i n gb a s e b yu s i n gaf i x e dc a m e r ao nt h eq u a s i m o v i n g b a s e ，a ne r r o rc o r r e c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d ，a n dt h et h e o r yo fe r r o rc o r r e c t i o ni sg i v e n 2 ) t h ep o s ee s t i m a t i o ni so n eo ft h ek e ya n dc o r ep r o b l e m so ft h ee r r o rc o r r e c t i o n s c h e m e a l g o r i t h m sf o rt h i sp r o b l e mf r o mp o i n tc o r r e s p o n d e n c e sa r es t u d i e d b a s e do n t h eo r t h o g o n a li t e r a t i o n ( o i ) a l g o r i t h m ，am o d i f i e dm e t h o df r o m p o i n tc o r r e s p o n d e n c e s i sp r e s e n t e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em o d i f i e da l g o r i t h mi sm o r ea c c u r a t e 3 ) i ti sa d v a n t a g e o u st oc o m p u t ep o s ef r o ml i n ec o r r e s p o n d e n c e s t og e tam o r e a c c u r a t e r e s u l t ，a l g o r i t h m sb a s e d1 i n ec o r r e s p o n d e n c e sa r es t u d i e d a ni t e r a t i v e a l g o r i t h mn a m e dl b o i ( l i n e b a s e do r t h o g o n a li t e r a t i o na l g o r i t h m ) w h i c hi se x t e n d e d f r o mt h eo ia l g o r i t h mi s p r o p o s e d s y n t h e t i ca n dr e a le x p e r i m e n t sd a t as h o wt h e p r o p o s e da l g o r i t h mi sl e s ss e n s i t i v et oi n i t i a l i z a t i o n ，a c c u r a t ea n dr o b u s t 4 ) a ne r r o rc o r r e c t i o ns y s t e ms c h e m ei sd e s i g n e d as i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m i sb u i l t i nt h el a s tp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n d a t aa n dp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r e c o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s e n t e dm e t h o d sa n da l g o r i t h m sa r e s u i tf o re r r o rc o r r e c t i o n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t h ee l t o rc o r r e c t i o na n dt h eq u a s i m o v i n gr o a t i o nm e a s l i r e m e mm e t h o d si n t h i s d i s s e r t a t i nc a l lb ea p p l i e dt ot h em o v e m e n tm e a s u r i n go rp o s ec o m p u t i n go fv e h i c l ea n d v e s s e lw e a p o ns y s t e m t h ep r o p o s e dp o s ee s t i m a t i o na l g o r i t h m sc a nb ea p p l i e dt o m o b i l er o b o t s ，c a m e r ac a l i b r a t i o na n do b j e c tt r a c k i n g ，e t c k e yw o r d s ：v e h i c l ep h o t o e l e c t r i ct h e o d o l i t e ，q u a s i - m o v i n gb a s e ， m e a s u r e m e n te r r o rc o r r e c t i o n ，p o s ee s t i m a t i o n ，p o i n t c o r r e s p o n d e n c e s ， l i n ec o r r e s p o n d e n c e s ，o r t h o g o n a li t e r a t i o na l g o r i t h m 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 空间目标不同距离下平台位置晃动对测角修正的影响1 7 表3 1 0 i 算法与修正算法实际实验数据3 7 表4 1 三直线情形仿真实验结果数据4 9 表4 2 l b o i 算法实际实验数据及像机内参、参考位姿值5 1 表5 1 系统组成5 3 表5 2 像机仿真标定实验数据5 6 表5 3 像机姿态解算仿真实验结果数据5 8 表5 4 测角修正模拟实验结果数据6 4 表5 5 平台运动测量左、右像机内参标定值( 图像大小1 2 8 0 x 1 0 2 4 像素，主点、焦 距单位为像素) 6 5 表5 6 直接采用基于点对应的o i 位姿估计算法求解位姿参数结果数据6 5 表5 7 按5 8 式间接求解( 龆，磁：) 实验结果6 6 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 国内靶场两种不同工作方式的光电经纬仪2 图1 3 基于点特征对应的位姿估计问题成像模型4 图1 4 机器人视觉伺服系统基本结构【2 6 1 5 图1 5 某机器人视觉伺服系统【27 。5 图1 6 人脸( 头部) 跟踪【2 9 j 6 图1 7 增强现实的几个例子【3 2 j 7 图2 1 光电经纬仪结构副3 5 j 9 图2 2 光电经纬仪三轴间关系示意图l o 图2 3 平台坐标系和地理坐标系的建立1 1 图2 4 空间目标在地理坐标系和平台坐标系下的几何关系1 1 图2 5 系统方案原理示意图1 3 图2 6w e n g 像机标定方法标定流程1 6 图2 7 平台旋转运动解算对测角修正精度的影响j 。1 9 图2 8 平台运动解算数值模拟精度分析2 0 图3 1 透视投影模型2 l 图3 2 弱透视投影模型2 3 图3 3 平行透视投影模型。2 5 图3 4 透视投影模型两点间的基本几何关系2 9 图3 5 透视投影模型中图像空间残差和物体空间残差的几何示意3 3 图3 6 基于点对应的实际实验图像3 6 图4 1 基于2 d 3 d 直线对应位姿估计问题像机模型3 9 图4 2 实际成像中2 d 3 d 直线对应几何关系4 2 图4 3 仿真实验参考模型经透视投影模型成像图例4 7 图4 4 三直线情形仿真实验模型成像4 8 图4 5 一般情形仿真实验实验一结果。5 0 图4 6 一般情形仿真实验实验二结果5 0 图4 7 基于直线对应位姿估计实际实验51 图5 1 系统方案流程5 3 图5 2 合作标志物仿真示意5 4 图5 3 沿靶面对角线方向与沿其水平和竖直方向对应的视角关系5 4 图5 4 v s t k 同步触发装置5 5 图5 5 软件系统中测角误差修j 下流程5 5 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 6 像机姿态解算仿真实验3 d 模型在几种不同姿态参数下成像。5 7 图5 7 主像机模拟光电经纬仪空间定位原理5 9 图5 8 平台运动前后主、副像机与目标点、合作标志物之间的关系6 0 图5 9 单像机测量平台运动原理6 1 图5 1 0 系统方案实物仿真实验坐标系建立及其之间的关系6 2 图5 1 l 系统测角修正模拟实验设备组成6 3 图5 1 2 主、副像机相对位姿标定6 3 图5 1 3 系统测角修正模拟实验某时刻主、副像机拍摄图像( 大小均为1 2 8 0 x 1 0 2 4 像素) ( b 中圆圈中间十字丝为所观测目标点) 6 4 图5 1 4 平台运动测量模拟实验系统6 5 图5 1 5 平台运动测量模拟实验某时刻左、右像机获得的标志物图像6 5 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 主萤光壑经绫戗查壅叠基座王鲍型量送差堡垂珏究 糊黼馘：蛆 魄州7 纠月知日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) = = 捣弼端 储指导教师摊：掣丛趔魄0 7 年月扣 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 本章首先介绍了本文研究工作的背景，概述了国内外光电经纬仪发展、应用 等现状，以及研究车载光电经纬仪在准动基座下测量误差修正的意义。同时还介 绍了位姿估计问题的基本概念和应用。最后对本文内容结构作了说明。 1 1 准动基座下光电经纬仪测量误差修正的背景和意义 1 1 1 国内外靶场光电经纬仪发展及应用概况 光电经纬仪在现代靶场中是获取外弹道数据和飞行状态的最基本的光学测量 仪器。它具有测量精度高、直观性强、性能稳定可靠、不受“黑障区 和地面杂 波干扰影响等优点，因而成为导弹、运载火箭飞行试验的初始段和再入段测量中 的主要测量设备之一，广泛应用于航空、航天、武器试验等科研和军事领域i l 】。 自六十年代，我国自行设计制造了第一台光学电影经纬仪，经过近四十年的 不懈努力，国内现在应用于靶场的光电经纬仪已广泛采用了大规模集成电路和微 处理机等先进技术，具有变焦距捕获电视、红外、测量电视、程序引导等跟踪手 段，具有跟踪精度高、作用距离远等特点【2 】。然而，跟国际上先进的光学测量设备 相比在精密跟踪、激光雷达等方面尚具有不少差距。 国际上，自1 9 3 7 年光电经纬仪的前身电影经纬仪出现以来，目前美国、 法国等发达国家的靶场所应用的光电经纬仪系统设备无论在种类、数量还是在功 能、性能等方面都要优于国内靶场的测量系统。使用的光波波段有紫外、可见光、 红外；除了大量使用的陆基型光电测控系统外，还有舰载、机载、星载设备；作 用距离有近至几百米、几公里，远至几百公里到上千公里，还有几万公里的深空 监视系统等；测角精度高达2 到1 0 秒不等；使用的新技术除了红外跟踪器、电视 跟踪器、激光测距仪外，还有k a 频段测距雷达、x 频段连续波测距雷达等p j 。 1 1 2 车载光电经纬仪准动基座测量误差修正的意义 国内靶场上广泛装备的光电经纬仪主要有两种：固定站式和机动站式。固定 站式常见形式是固定塔台式，机动站式常见形式是车载式( 如图1 1 所示) 。固定 式经纬仪具有作用距离远、测量精度高的优点，但其作用范围固定。随着新型武 器试验大射程、机动性等要求的提高，仅依靠固定式经纬仪完成测量任务存在很 大困难。机动经纬仪正好弥补了固定式经纬仪的这一缺点，可以在较大的地理范 围灵活布站，对目标进行跟踪测量，满足靶场大范围机动测量的需要。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a 固定塔台式光电经；仪b 下载移动式光电经纬仪 图1 1 围内靶场两种小j 可工作方式的光电经纬仪 然而，目6 仃在围内靶场应用中，除了在远洋航天测量船上布站测量时，光电 经纬仪工作在系泊状态的准动基座上外，几乎所有的光电经纬仪，无论是固定式， 还是车载机动式，都是布放在地面牢靠的地基环上，在静止基座状态下使用i4 1 。这 种地基基座采用钢筋混疑土结构，修建费时费力，尤其是车载式在测量时，还需 把光电经纬仪系统从车载平台上抬下安装到静止基座上，经过1 2 天调试后才能 进行保角精度的测量。随着我国武器装备的发展，靶场测量对光电经纬仪等跟踪 测量设备的要求越米越高，单纯靠这种固定布站测量的方式已经不能满足靶场试 验的要求。因此，研制能在准动或动基座下进行精确测量的新型光电经纬仪系统 已成为靶场试验的迫切需要1 4 1 。 本文关注的是车载光电经纬仪系统在准动基座下的测量误差修正研究。如果 光电经纬仪直接在车载平台准动基座下工作，由于没有同定的基座，加上载车可 能停在各种路况的地面上，在工作尤其是在高速跟踪测量状态下，经纬仪质心容 易与转轴不重合，此时产生的偏心力矩会使基座平台发生运动。如果不消除这种 平台运动的影响，则测量结果：i 哿- d h 入由此造成的误差，大大降低经纬仪的测量精 度。这也是目前车载光电经纬仪通常只作为实况纪录设备而不能作为高精度的测 量设备的主要原因。 囚此，对于准动基座下的车载光电经纬仪系统，如果能够高精度地修正由于 基座平台运动带来的测量误差，则可以使车载光电经纬仪获得高精度的测量结果， 能够有效提高目前靶场光学测量的灵活性、扩大测量区域。 1 1 3 国内外准动及动基座光电经纬仪的发展概况 在国内，对准动及动基座光电经纬仪系统的研究几近空白4 1 。长春光学精密机 械与物理研究所于2 0 0 5 年研制的g j 一11 0 1 和1 5 0 ( 改造) 光电经纬仪都属于车载 式光电经纬仪，经纬仪虽能直接在车载平台上进行跟踪测量，却也不能保证测量 精度瞪1 。 国外现代靶场中获取外弹道数据和飞行状态的测量手段多采用车载式结构。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 采用先进的方法，对车载平台进行实时测量，为整个系统提供反馈数据，能实现 精密跟踪和测量【6 j 。美国c g c ( c o n t r a v e sg o e r gc o r p o r a t i o n ) 公司于2 0 世纪8 0 年代初就研制成功k i n e t o 高精度车载式跟踪测量系统。9 0 年代初，c g c 公司又 为美国靶场改造了1 0 0 多台老式光电经纬仪，经改造的老式光电经纬仪机动性好、 适应性强、测量精度高，其功能相当于一台新的光电经纬仪，且更经济实用1 3 】。 1 2 位姿估计问题概述 位姿估计问题是本文所提修正方案中所涉及到的一个关键和核心问题之一， 高精度、鲁棒地求解位姿参数是系统前期标定、获取准动基座平台运动等方案步 骤的基本前提。因此有必要在此对位姿估计问题作简单的介绍。 1 2 1 位姿估计问题的基本概念及应用 位姿估计( p o s ee s t i m a t i o n ) 问题是摄影测量学、计算机视觉、机器人等学科 中一个重要的问题，也是一个较为古老的问题。它最早出现在摄影测量文献上， 其渊源可追朔到1 8 4 1 年德国数学家、摄影测量学家g n m e r t 提出“三点空间求解 问题 或称“三点透视定位估计问题”【7 1 。近十几年，由于计算机视觉、机器人 等学科快速发展，位姿估计问题成为许多理论研究和工程实践所要解决的核心问 题，重新引起了许多学者的关注和研究，并提出了许多新的解决方法和算法。 1 2 1 1 位姿估计问题定义 如图1 3 所示，定义空间参考坐标系e ：o x y z ( 通常建立在参考物体上， 又称物体坐标系) 、像机坐标系c ：d c 一咒乙，其中原点d c 为像机光心、z c 轴与 光轴重合。设参考物体上某点在e 系坐标为= ( ，y o ，z o ) r ，在c 系坐标为 = ( ，儿，乙) 7 ，则两坐标系间存在的固定的转换关系： = r p o + t ( 1 1 ) 其中r 为三阶旋转矩阵，丁为平移向量。这种固定的转换关系也可以用一个四阶矩 阵m 表示： z = m p ( 1 2 ) 其中z = ( x c , y c , z c , 1 ) r 、爿= ( x o , y o , z o , 1 ) r 、m = ，； 。所谓“位姿”就是指 姿态r 和位置丁的总称。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 3 基于点特征对应的位姿估计i 司题成像模型 按照以上的表述，位姿估计问题通常这样定义【8 9 j ：设即个三维空间特征点在 e 系中坐标只( x ，z ，互) ( 待1 ，2 n ) 已知。通过已知内参( 包括等效焦距、主点 坐标、像差系数等) 的摄像机拍摄获得一幅包含这些特征点的图像，即获得对应 的图像坐标t = ( u i ，v ) r ( f _ 1 ，2 n ) ，从中求得e 系与c 系间的位姿关系。上述 定义是基于点特征对应，实际上，还可以从其他的特征对应中求解位姿。许多学 者研究从直线( 如文献 i o - 1 4 】) 、轮廓、曲线、角( 如文献【1 5 】) 等特征对应中求解 位姿，最近几年研究的热点是不需要先验知识的实时位姿估计【l6 ，1 。7 1 。 由于位姿是个相对的概念，因此，根据所关注对象的不同，位姿估计又称为 像机位姿估计( c a m e r ap o s ee s t i m a t i o n ) i l8 1 、像机定位( c a m e r al o c a t i o n d e t e r m i n a t i o n ) 1 4 1 或物体定位( o b j e c tp o s ed e t e r m i n a t i o n ) 【1 2 1 9 1 等等。所谓位姿 在像机标定中则指像机的外参数，因此，位姿估计有时称为像机外参标定( e x t r i n s i c c a m e r ac a l i b r a t i o n ) 1 2 0 1 。 在摄影测量学、计算机视觉一些文献中，位姿估计问题也称为“p n p 问题” ( p e r s p e c t i v e n p o i n t p r o b l e m ：n 点透视问题) 瞄，2 1j 。实际上，p i l p 问题并不完全 与位姿估计问题等同，它仅是基于点特征对应的位姿估计问题。p i l p 问题最早由 f i s h l e r 与b o l l e s 等于1 9 8 1 年提出，并首次给了较好的解法【2 引。目前研究者比较关 心的是p 3 p 、p 4 p 、p 5 p 问题。 1 2 1 2 位姿估计问题分类 从广义上讲，根据特征对应类型的不同，位姿估计可以分为三类1 1 0 , 2 3 ：二维 二维特征对应( 2 d 2 d ) 位姿估计、二维三维特征对应( 2 d 3 d ) 位姿估计、三维 三维特征对应位姿估计。第一类位姿估计均是基于二维图像信息，其在计算机视 觉中实际上是运动分析和由运动重建结构问题，即从两幅或多幅视图中估计像机 或物体的运动；第二类位姿估计是基于二维图像信息和三维空间信息，此类位姿 估计典型例子是基于模型的位姿估计( m o d e l b a s e dp o s ee s t i m a t i o n ) 2 4 】，即由三 维模型及其图像确定像机与模型之间的位姿，它的典型应用是移动机器人导航与 定位：第三类位姿估计的求解信息均是三维数据，这类位姿估计的例子是基于三 维特征对应的运动分析。随着立体视觉系统和距离传感器的开发和进入实用，三 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 维数据能比较容易直接得到，三维数据的信息远高于二维图像，因此，基于此类 位姿估计算法的三维运动估计可以大为简化且得到更为鲁棒的解1 2 5 】； 本文主要关注2 d 3 d 特征对应位姿估计问题，如没有特殊说明，文中的位姿 估计均指2 d 3 d 特征对应位姿估计。 1 2 2 位姿估计的应用 在摄影测量、计算机视觉、机器人等领域，位姿估计是经常遇到的一个重要 问题。例如视觉伺服系统、移动机器人导航与定位、物体识别和跟踪、增强现实、 像机标定、机器人手眼标定等理论和技术所要解决的核心问题之一即是位姿估计。 下面对几种典型应用作简要介绍。 1 2 2 1 机器人视觉伺服 视觉伺服是机器人研究领域的热点之一。视觉伺服系统的一般结构如图1 4 所 示，其中摄像机作为视觉传感器感知机器人与周围环境之间的相对位姿关系，通 过对所感知回来的图像做相应得处理以获得必要的反馈信息；视觉控制器依据期 望的设定值及反馈信息按照一定的控制规律产生机器人的运动控制指令，控制机 器人实现给定任务【2 6 1 。一般可以将视觉伺服系统分为基于位置的视觉伺服 ( p o s i t i o n b a s e dv i s u a ls e r v o i n g ) 和基于图像特征的视觉伺服( i m a g e b a s e dv i s u a l s e r v o i n g ) 。在基于位置的伺服系统中( 如图1 5 所示) ，核心问题就是根据目标 特征及其在像平面的投影恢复目标相对于像机坐标系的位置和姿态，位姿估计算 法的鲁棒性和实时性是此类系统的关键。 图1 4 机器人视觉伺服系统基本结构 2 6 1图1 5 某机器人视觉伺服系纠2 7 1 1 2 2 2 移动机器人导航与定位 导航和定位是移动机器人研究的两个重要问题。一种常见的移动机器人导航 与定位方法是基于导航信号的陆标导航。所谓陆标导航即事先将环境中的一些特 殊景物作为陆标，机器人在知道这些陆标在环境中的坐标、形状等特征前提下， 通过对陆标的探测来确定自身的位置和姿态。同时将全局路线分解为陆标与陆标 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 间的片断，不断地对陆标探测来完成导航。根据陆标的不同，可以分为人工陆标 导航和自然陆标导航。人工陆标导航是机器人通过对认为放置的特殊标志的识别 事先导航，自然陆标导航不改变工作环境，是机器人通过对工作环境中的自然特 征的识别完成导航【2 8 1 。这种陆标导航所要解决的核心问题即根据探测图像信息以 及先验环境信息确定当前机器人在其作业环境中位置和姿态，也就是位姿估计问 题。 1 2 2 3 人脸( 头部) 跟踪 瑟 酾 缪醚 幽 圈 图1 6 人脸( 头部) 跟踪【2 圳 近年来，随着对人类行为科学、人机交互技术的研究，以及在计算机动画设 计、视频会议或远程教育系统、自动身份验证、视觉监视系统等应用领域的需求， 计算机人脸分析受到了广泛的重视和研列3 0 ，3 l j ，是计算机视觉和模式识别领域中 一大热点问题。人脸( 头部) 跟踪作为人脸分析的子课题，为后续分析提供人脸 的运动参数，其可分为2 维平面人脸跟踪和3 维人脸跟踪。其中3 维人脸跟踪可 以得到人脸的姿态等信息，受到更多的重视。基于特征点的跟踪方法是3 维人脸 跟踪的一种重要方法，主要思想是利用特征点的三维信息和二维图像信息之间的 约束而获得人脸的姿态等参数。文献【2 9 j 介绍了基于“p n p 问题”算法的人脸跟踪 系统，其具有高鲁棒、高精度的特点。 1 2 2 4 增强现实 增强现实( a u g m e n t e dr e a l i t y ，简称a r ) 是一个典型的交叉学科，涉及到诸 如信号处理、计算机图形和图像处理、计算机视觉、人机界面、计算机网络、分 布式计算、信息获取和信息可视化等各个领域，是近年来国内外研究的热点，具 有非常广泛的应用前景【3 2 ，3 3 】。所谓增强现实就是将计算机生成的虚拟对象与真实 世界结合起来，构造出具有虚实结合的虚拟空间。图1 7 为增强现实的几个例子。 第6 页 蠢黼囵臣，昏囵 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a 图中房屋为虚拟体，其他为现实环境。 b 图中管道为虚拟体，厂房等其他为现实 环境。 图1 7 增强现实的几个例子【3 2 1 c 图中赛车为现实物体，所加的解释圈标 为虚拟体。 跟踪和定位技术是增强现实的一项关键和核心技术，其目的是将虚拟物体合 并到现实世界中的准确位置。a r 跟踪定位系统必须能够实时地检测观察者在场景 中的位置、姿态甚至运动的方向等参数，为后续的虚拟显示提供信息。目前，最 为常见的是基于视频检测的跟踪定位方法 3 2 , 3 4 】。 1 3 本文主要内容 本文以车载光电经纬仪准动基座平台下测量误差修正作为应用背景，分析和 研究了准动基座下经纬仪测量误差的原因、误差修正的方法和方案，以及对误差 修正方法所涉及到的关键和核心理论位姿估计问题作了研究。最后针对所提 的修正方案和算法，搭建了模拟实验系统，进行了模拟实验验证，为进一步研究 车载光电经纬仪精密测量系统打下了基础。主要内容有： 1 ) 针对准动基座下光电经纬仪测量误差修正，分析了测量误差的原因，指出 准动基座平台的旋转运动是造成测量误差的根本原因；提出了采用固接于平台的 单像机同步拍摄合作标志物的误差修正方法，并对误差修正原理作了详细介绍。 2 ) 针对修正方法中所涉及到的关键和核心问题位姿估计问题，研究了基 于点对应的位姿估计算法。在基于点对应的o i 位姿估计算法基础上，作了算法的 改进研究。实验表明改进算法能获得更高的求解精度； 3 ) 为了获得更高精度的位姿参数，研究了基于直线对应的位姿估计算法。通 过将o i 算法扩展到直线对应，提出了l b o i 算法，并对算法作了较详细的实验分 析。仿真和实际实验表明，算法具有对初始值较不敏感、高精度、鲁棒性好等特 点。 4 ) 设计了修正系统方案，并对方案进行了可行性研究。进行了数字仿真实验 和实物模拟验证实验，实验表明了修正方案可行，能够满足角度修正精度等要求。 本文主要内容是第- n 第五章，各章安排如下： 第二章首先简单介绍了光电经纬仪的结构和工作原理，之后分析了准动基座 下光电经纬仪测量误差的原因；在2 3 节，针对两类测量误差分别给出了修正方法 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 以及系统整体误差修正方案；最后对方案所涉及到的关键理论和技术作了说明。 第三章首先介绍了基于点对应求解位姿估计问题的基本理论，如投影模型、 旋转矩阵的表达等，然后综述了基于点对应位姿估计算法，并分别介绍了一种六 点以下和六点以上的解析算法以及o i 迭代算法；最后，在o i 算法基础上作了改 进算法研究，并给出了实验分析。 第四章首先介绍了基于直线对应的像机模型和基本方程，然后对国内外有关 算法作了概述，最后将0 i 算法扩展到直线对应，提出了l b o i 迭代算法。为验证 算法的性能，分别作了仿真实验和实际实验分析。 第五章首先给出了系统方案设计，之后设计了系统仿真实验和实物模拟实验， 并对实验方法、原理、结果等作了说明和分析。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章车载光电经纬仪准动基座测量误差修正方案 车载光电经纬仪在准动基座下的测量结果带有由准动基座运动造成的误差， 如何对着这种误差进行修正是本章所关注的内容。本章分析了测量误差的原因， 给出了相应的修正方法和方案，并对误差修正原理进行了详细的说明。 2 1 光电经纬仪系统简介 2 1 1 光电经纬仪结构组成 光电经纬仪由电影经纬仪发展而来，一般主要由跟踪机架、成像系统、测角 系统、激光跟踪测量系统、微机控制和处理系统等组成。新型的光电经纬仪除了 电影经纬仪原有的瞄准望远镜和主摄影镜头外，还增加了红外测量镜头、捕获电 视镜头、视频测量镜头以及激光测距设备【3 5 1 ，如图2 1 所示。 正视图侧视图 l 、瞄准望远镜2 、主摄影镜头3 、红外测量镜头4 、捕获电视镜头5 、视频测量镜头 6 、激光测距7 、座椅8 、操作台及单杆9 、摄影机1 0 、外转台l l 、方位限位减速器 图2 1 光电经纬仪结构图【3 5 】 2 1 2 光电经纬仪工作原理 光电经纬仪对目标的跟踪依赖于经纬仪机架。机架为三轴( 垂直轴、水平轴、 视准轴) ，三轴互相垂直，如图2 2 所示。水平轴和视准轴可以绕垂直轴在水平面 内旋转。望远镜装于水平轴上，其主光轴为视准轴，并与水平轴垂直，可绕水平 轴在垂直平面内旋转。在垂直轴和水平轴上装有轴角编码器( 或光学码盘) 。视 准轴绕垂直轴旋转的角度值由安装在垂直轴上的轴角编码器给出( 相对于某一基 准方位) ，称为方位角；视准轴绕水平轴旋转的角度由安装在水平轴上的轴角编 码器给出( 水平面为零基准) ，称为高低角。这样，只要视准轴瞄准目标就能得 到光轴指向目标的方位角和高低角i j 引。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 2 光电经纬仪三轴间关系示意图 2 2 准动基座下光电经纬仪测量误差修正 2 - 2 1 测量误差的原因 载车不加固定时经纬仪基座平台为准动基座，在这种情况下经纬仪的测量结 果包含由准动基座运动造成的误差。分析准动基座下测量误差的成因是进行测量 误差修正的基本前提。 静止基座下光电经纬仪的测量精度很大程度上决定于轴系的精度【3 7 1 。基座运 动造成轴系随基座平台整体运动，使得经纬仪不再满足