CN101876555B - 一种月球车双目视觉导航系统标定方法 - Google Patents

Abstract

一种月球车双目视觉导航系统标定方法，利用测量系统对包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置进行测量得到控制点坐标、利用两个待标定相机分别对标定装置进行拍照，然后采用共线方程即可标定出两个待标定相机的内参数和两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；利用经纬仪测量系统配合标定装置标定出两个待标定相机各自的立方镜坐标系，利用各自的立方镜坐标系与两个待标定相机各自相对标定装置在各个位置的外参数实现对两个待标定相机各自外参数的标定。本发明从根本上解决了相机坐标系不能通过直接测量方法得到的问题，使相机坐标系具有可见性；同时本发明操作简单，标定精度高，工作效率高。

Description

一种月球车双目视觉导航系统标定方法

技术领域

本发明涉及一种月球车双目视觉导航系统标定方法，主要用于数字摄影测量、计算机视觉等领域。

背景技术

月球车双目视觉导航系统主要由两台数字相机、两个立方镜构成，如图1所示，两个立方镜分别固定在两相机上。月球车双目视觉导航主要依靠两台数字相机同时获取外部信息进而确定自身位置，其中包括视觉测量、地形匹配、路径规划等。在双目视觉导航系统中，系统综合标定是关键技术，精确的标定是保证正确导航的基础。所以，月球车双目视觉导航系统的标定精度直接决定后续的工作能否顺利进行。对月球车双目视觉导航系统的标定主要针对两台相机进行，对相机进行标定包括相机的内参数和相机在立方镜坐标系下的外参数，该相机属于大视场广角光学系统，畸变影响严重，对相机的标定属于难点问题。

对上述相机传统的标定方法一般采用转台加平行光管的方式，获取不同姿态对应的像素坐标，然后按照高阶二次曲面拟合算法进行待定系统最小二乘计算。这种标定方法特点是待定系数多、意义不明确，高阶二次方程容易产生拟合参数振荡，对于近距离相机(非无穷远目标成像)、双相机不太适宜。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种月球车双目视觉导航系统标定方法，本发明操作简单，标定精度高，工作效率高。

本发明的技术解决方案是：一种月球车双目视觉导航系统标定方法包括相机内参数的标定步骤和相机外参数的标定步骤为；

相机内参数的标定步骤为：

(1)建立包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置，得到该标定装置的坐标系，利用测量系统对标定装置上的回光反射测量标志与编码标志进行测量，得到标定装置上回光测量反射标志和编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标；

(2)利用两台待标定相机分别对步骤(1)中建立的标定装置进行至少四个位置的正直拍照，两台待标定相机对每个位置完成正直拍照后，将两台待标定相机旋转90°再次分别对标定装置的至少四个位置进行拍照，每张照片中至少包含四个编码标志点；

(3)利用步骤(1)得到的标定装置坐标系下的控制点坐标，分别对步骤(2)中左、右两个待标定相机拍摄的照片进行图像处理，得到控制点在两个待标定相机拍摄的像平面下的像点坐标，利用控制点坐标和两个像点坐标采用共线方程分别计算出两个待标定相机各自的内参数以及两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；

相机外参数的标定步骤为：

(a)利用经纬仪测量系统建立经纬仪测量系统坐标系，利用经纬仪测量系统对两个待标定相机上的立方镜分别进行准直，得到两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；

(b)利用经纬仪测量系统对标定装置中的回光测量反射标志和编码标志进行测量，得到回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；

(c)对回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和回光反射测量标志和编码标志在标定装置坐标系下的三维坐标进行公共点转化，得到标定装置坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标转换成两个立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标，建立两个待标定相机的立方镜坐标系；

(d)利用步骤(3)得到的两台待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数，根据两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标的公共坐标转化关系，分别标定出两台待标定相机各自在其立方镜坐标系下的外参数。

所述的标定装置包含标定框架、回光反射测量标志(4)、编码标志(5)和环形光源；标定框架包括主框架(1)、大小相同的左辅助框架(2)和右辅助框架(3)，其中主框架(1)、左辅助框架(2)与右辅助框架(3)均为长方体结构，主框架(1)、左辅助框架(2)和右辅助框架(3)三者的高度和宽度均相同，左辅助框架(2)和右辅助框架(3)与主框架(1)之间的夹角均为钝角，三个框架的长度之和l与标定相机距主框架的距离h之间的关系为l＝2htan(w)，主框架的长度和高度均等于标定相机距主框架的距离，在标定框架的前表面和后表面上交错设置多列安装条框(6)，前表面或后表面两列安装条框之间的间距均为主框架(1)长度的1/10-1/8，每列安装条框(6)上设置多个回光反射测量标志(4)，两个回光反射测量标志(4)之间的距离为主框架(1)长度的1/20-1/18，在每列回光反射测量标志(4)中设置至少一个点状编码标志(5)，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源，w为导航系统相机视场角的一半。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明针对双目视觉导航系统的特点，利用测量系统对包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置进行测量得到控制点坐标、利用两个待标定相机分别对标定装置进行拍照，然后采用共线方程即可标定出两个待标定相机的内参数和两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；利用经纬仪测量系统配合标定装置标定出两个待标定相机各自的立方镜坐标系，利用各自的立方镜坐标系与两个待标定相机各自相对标定装置在各个位置的外参数实现对两个待标定相机各自外参数的标定。本发明使用外部标定装置将待标定相机坐标系导出，然后使用立方镜来表示相机坐标系，计算出相机坐标系与立方镜坐标系的转换关系，从根本上解决了相机坐标系不能通过直接测量方法得到的问题，使相机坐标系具有可见性；本发明充分利用了标定装置大量控制点的已知信息，配合工业测量系统，改进了传统相机外参数标定精度不高的问题，物理意义明确，操作简单，标定精度高，可以直接获得立方镜坐标系下待标定相机的待标定参数，标定综合相对精度可以达到1/1000，相机相对外参数标定精度可以达到1/3000，完成待标定相机内参数及相对外参数的标定，可在一个小时内完成，大大提高了工作效率。

附图说明

图1为月球车双目视觉导航系统结构组成图；

图2为本发明标定方法的工作流程附图；

图3为标定装置的结构组成示意图；

图4为标定装置设计原理图；

图5为标定装置中编码标志的形状图；

图6为标定装置中编码标志的设计原理图；

图7为本发明控制点在像平面上的像点坐标图；

图8为本发明单个相机标定外参数时的标定场示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：

本发明将待标定相机置于标定装置正前方，待标定相机为两个，两个待标定相机之间相隔一定的距离，通常为200mm，两个立方镜分别位于待标定相机上。月球车双目视觉导航系统标定方法，具体实施过程如下：

如图2所示，包括标定相机内参数的标定步骤和立方镜坐标系与标定相机外参数的综合标定步骤；

标定相机内参数的标定步骤为：

(1)建立包含回光反射测量标志与编码标志的标定装置，得到该标定装置的坐标系，利用测量系统对标定装置上的回光反射测量标志与编码标志进行测量，得到标定装置上回光测量反射标志和编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标；

如图3所示，标定装置主要由标定框架、回光反射测量标志4、编码标志5和环形光源组成。标定框架包括主框架1、大小相同的左辅助框架2和右辅助框架3，其中主框架1、左辅助框架2与右辅助框架3均为长方体结构，主框架1、左辅助框架2和右辅助框架3的高度H和宽度M均相同，左辅助框架2和右辅助框架3与主框架1之间的夹角均为钝角，三个框架的长度之和l与相机距主框架1的距离h之间的关系为l＝2htan(w)，主框架1的长度L1和高度H均等于标定相机距主框架1的距离h，在标定框架的前表面和后表面上交错设置多列安装条框6，前表面或后表面两列安装条框之间的间距t均为主框架1长度L1的1/10-1/8，每列安装条框6上设置多个回光反射测量标志4，两个回光反射测量标志4之间的距离为主框架长度的1/20-1/18，在每列回光反射测量标志4中设置至少一个点状编码标志5，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源，w为导航系统相机视场角的一半。

标定框架，标定框架作为标定装置的主要作用是承载人工测量标志(包括编码标志)，并能够长时间的保持稳定，标定过程中作为标定场，设计过程中要考虑标定场空间大小与相机标定系统的实际需求情况，使用材料为不锈钢。标定框架要根据标定时摄影距离与相机的成像模型和测量标志在图像上的分布状态进行设计，拍摄时标定框架上测量标志应该布满像平面。如图4所示，对月球车双目视觉导航系统相机，由于视场角(2ω＝63°)，因此，标定框架尺寸的设计应该以满足视场角为标准，即l＝2htan(w)，式中l为设计标定框架总长度，h为标定相机与标定框架之间的摄影距离。对2ω＝63°，当h＝3m时，l＝3.6m，当h＝5m时，l＝6.2m。如果标定框架采用直线形式，对标定场空间距离要求很大，因此本发明标定框架中的主框架与左右辅助框架之间有一定的角度，这样可以大大增强标定框架的稳定性，为了便于标定相机的拍摄，左辅助框架、右辅助框架与主框架1之间的夹角均设计为钝角。对2ω＝63°，当h＝3m时，主框架的前表面或后表面上设置的安装条框为9列，每列的间距为0.3m，左右辅助框架各设置一列安装条框，当h＝5m时，l＝6.2m，每列的间距为0.5m，左右辅助框架各设置一列安装条框。对2ω＝80°，当h＝3m时，l＝5m，主框架的前表面或后表面上设置的安装条框为9列，每列的间距为0.3m，左右辅助框架各设置2列安装条框，当h＝5m时，l＝8.4m，每列的间距为0.5m，左右辅助框架各设置2列安装条框。

回光反射测量标志，在月球车双目视觉导航系统标定中，要求高精度的测量结果。使用标定场本身的特征作为测量特征或传统的网格标定板达不到高精度测量的要求。由于月球车双目视觉导航系统标定中需要多测站来实现对标定场的人工测量标志摄影，从不同角度进行摄影时会产生不同的图像，要通过在标定场上增加具有明显特征的回光反射测量标志来辅助标定过程的完成。月球车双目视觉导航系统标定中使用回光反射测量标志，一方面可以保证和提高测量精度和可靠性，另一方面回光反射测量标志很容易布设，在月球车双目视觉导航系统标定现场利用回光反射测量标志作为被测点或控制点可以提高被测物体成像点的辨认和识别，并能够实现自动化测量，提高标定效率。

回光反射测量标志由具有回光反射材料的反射膜(美国3M公司生产的7610回光反射材料)制作而成，这种回光反射膜由直径大约50um的玻璃微珠或微晶立方角体组成，每个微珠具有猫眼或反射棱镜功能，将反射光由入射光的方向反射回去。在特定位置光源，如环形闪光灯的照射下，回光反射测量标志通过低强度曝光就可以产生高对比度的图像，这种标志的效率是同等光照条件下普通白色标志效率的100～1000倍以上。在标定过程中，相机离标定框架的距离在2m左右，为了保证测量精度，需要对回光反射测量标志尺寸进行设计。在图象处理与分析过程中，回光反射测量标志在像片上成像的尺寸应该为

才能够保证图像提取精度。下面对需要的回光反射测量标志尺寸进行计算： $d=\frac{\mathrm{crl}}{f},$ 其中d为回光反射测量标志直径，c为像素个数，r为像素大小，h为标定相机距主框架的距离，f为相机焦距，式中c≥5。对月球车双目视觉导航系统相机：f＝17.6mm，r＝0.015mm，d应该大于8.5mm，考虑标定过程中以保障标定精度为前提，同时顾及操作的方便性，本发明设计回光反射测量标志尺寸的为10mm。

编码标志，编码标志是一种自身带有数字编码信息的人工测量标志。编码标志可以通过图像处理等方法进行自动识别，实现立体视觉相机标定过程中人工测量标志的自动匹配，作为不同像片之间的公共点实现标定像片的自动拼接，作为后方交会控制点数据。根据立体视觉相机标定对人工测量标志具有一定数量的要求，使用点状编码标志作为标定过程中的人工测量标志，点状编码标志是根据点在平面上不同的分布而构成数字编码。如图5所示，点状编码标志由8个大小相同的圆形标志点组成，其中五个点为模板点，如图6中带有字母的点A、B、C、D、E，这五个带字母的点定义了编码标志的坐标系，其中E点为定位点；另外三个回光反射标志点用来描述编码，称为编码点，如图5中带有数字的点，这三个编码分布在20个设计位置上(可以根据实际要求增加或减少位置数)，每个编码点根据设计坐标不同分别赋予一个唯一的数字，解码的过程通过恢复编码点的位置信息而得到点的数字标识，通过编码点的数字标识实现对编码标志的解码。实际应用时为了在图像处理过程中容易对编码标志进行识别与定位，三个编码点中任意两个点都不能相邻。

光源设计，根据回光反射测量标志材料的反光特性，标定过程中需要使用主动发光的光源进行配合，才能够进行高精度标定。标定中使用环状光源。环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组环形光源内安装标定相机，每组环形光源包括六个均布的LED光源。环形光源中的LED光源具有以功能与特点：光源亮度可调，可以频闪和长亮，当采集照片的时候提前开启光源，采集传输结束后关闭光源，两组环形光源水平角可调，可调范围为0°～15°；其照明距离：0.5m-3m；照明范围：3m处5m＊5m；照度均匀性：大于85％；光谱：白光；光强：3m处采集图像标志的单个像素亮度实现在100～230之间；环状光源环内径大于等于64毫米用于安装标定相机。

(2)利用两台待标定相机分别对步骤(1)中建立的标定装置进行至少四个位置的正直拍照，两台待标定相机对每个位置完成正直拍照后，将两台待标定相机旋转90°再次分别对标定装置的至少四个位置进行拍照，每张照片中至少包含四个编码标志点；

(3)利用步骤(1)得到的标定装置坐标系下的控制点坐标，分别对步骤(2)中左、右两个待标定相机拍摄的照片进行图像处理，如图7所示，得到控制点在两个待标定相机拍摄的像平面下的像点坐标，控制点P经过S投影到像平面上的像点为p，光轴SO与像平面垂直，O称为主点，SO间的距离称为主距，记为f，利用控制点坐标和两个像点坐标采用共线方程分别计算出两个待标定相机各自的内参数以及两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；

共线方程为：

$\left.\begin{array}{c}x=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\\ y=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\end{array}\right\}$

上式中a₁～c₃为相机旋转矩阵的参数：

a₁＝cos(RY)＊cos(RZ)；

a₂＝-cos(RY)＊sin(RZ)；

a₃＝sin(RY)；

b₁＝sin(RX)＊sin(RY)＊cos(RZ)+cos(RX)＊sin(RZ)；

b₂＝-sin(RX)＊sin(RY)＊sin(RZ)+cos(RX)＊cos(RZ)；

b₃＝-sin(RX)＊cos(RY)；

c₁＝-cos(RX)＊sin(RY)＊cos(RZ)+sin(RX)＊sin(RZ)；

c₂＝cos(RX)＊sin(RY)＊sin(RZ)+sin(RX)＊cos(RZ)；

c₃＝cos(RX)＊cos(RY)；

上式中RX，RY，RZ为其中一个待标定相机在标定装置坐标系下的三个旋转角；X、Y、Z为在标定装置坐标系下的控制点坐标；Xs、Ys、Zs为待标定相机在标定装置坐标系下的坐标；f为相机焦距，x、y为控制点在相机拍摄的像平面下的像点坐标。

相机的内方位元素(x₀，y₀，f)和光学系统畸变系数(K₁，K₂，K₃，P₁，P₂，b₁，b₂)定义为相机的内部参数。

像点的系统误差，根据小孔成像原理，控制点、镜头中心和像点三点是共线的。事实上由于各种干扰因素的存在，使得像点在焦平面上相对其理论位置存在偏差(Δx，Δy)。此时，共线方程要成立必须考虑像点的实际偏差值。干扰成像的因素主要有光学系统的径向畸变和偏心畸变、像平面不平畸变和像平面内比例及正交畸变，但如果采用的内方位元素(x₀，y₀，f)不准确，则从数学上来说也会干扰共线方程的成立。

径向畸变，光学系统径向畸变使像点沿径向产生偏差，径向畸变是对称的，对称中心与主点并不完全重合，但通常将主点视为对称中心。

径向畸变可用下述奇次多项式表示：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_r=K_1\stackrel{\‾}{x}{r}^2+K_2\stackrel{\‾}{x}{r}^4+K_3\stackrel{\‾}{x}{r}^6+...\\ \mathrm{\Δ}{y}_r=K_1\stackrel{\‾}{y}{r}^2+K_2\stackrel{\‾}{y}{r}^4+K_3\stackrel{\‾}{y}{r}^6+...\end{array}\right\}$

上式中：x＝(x-x₀)，y＝(y-y₀)，r²＝x²+y²，K1、K2、K3为径向畸变系数。

偏心畸变，透镜组中心偏离主光轴而产生偏心畸变，偏心畸变使像点既产生径向偏差又产生切向偏差，其表达式如下：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_d=P_1(r^2+2{\stackrel{\‾}{x}}^2)+2P_2\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}\\ \mathrm{\Δ}{y}_d=P_2(r^2+2{\stackrel{\‾}{y}}^2)+2P_1\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}\end{array}\right\}$

上式中P1、P2为偏心畸变系数。

像平面畸变，由于像素的采样时钟不同步造成的A/D转换和信号转移误差则会引起像点在像平面内的平面畸变，通常可以简化成像素的长宽尺度比例因子和像平面x轴与y轴不正交所产生的畸变，其表达式如下：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_m=b_1\stackrel{\‾}{x}+b_2\stackrel{\‾}{y}\\ \mathrm{\Δ}{y}_m=0\end{array}\right\}$

上式中b1、b2为像平面内畸变系数。

内方位元素误差，如果采用的内方位元素(x₀，y₀，f)不准确，则也会使像点坐标产生偏差，干扰共线方程的成立。如果主距有误差Δf，则相应的像点坐标偏差为： $\mathrm{\Δ}{x}_f=\frac{\stackrel{\‾}{x}}{f}\·\mathrm{\Δf},$ $\mathrm{\Δ}{y}_f=\frac{\stackrel{\‾}{y}}{f}\·\mathrm{\Δf}$

加上主点的误差(x₀，y₀)，则内方位元素误差所引起的像点偏差可以表示为：

$\mathrm{\Δ}{x}_n=-x_0-\frac{\stackrel{\‾}{x}}{f}\·\mathrm{\Δf},$ $\mathrm{\Δ}{y}_n=-y_0-\frac{\stackrel{\‾}{y}}{f}\·\mathrm{\Δf}$

综上所述，任一像点的系统性误差是径向畸变、偏心畸变、像平面内畸变和内方位元素不准确引起的畸变的总和，这些内部参数所引起的像点坐标偏差称之为像点的系统误差，由下式表示：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}^{\′}=\mathrm{\Δ}{x}_r+\mathrm{\Δ}{x}_d+\mathrm{\Δ}{x}_m+\mathrm{\Δ}{x}_n\\ \mathrm{\Δ}{y}^{\′}=\mathrm{\Δ}{y}_r+\mathrm{\Δ}{y}_d+\mathrm{\Δ}{y}_m+\mathrm{\Δ}{y}_n\end{array}\right\}$

考虑像点系统误差的影响，实际像点的共线条件方程式可以写成：

$\left.\begin{array}{c}x+\mathrm{\Δ}{x}^{\′}=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\\ y+\mathrm{\Δ}{y}^{\′}=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\end{array}\right\}$

对共线条件方程线性化，可写成如下矩阵形式：

V＝A₁X₁+A₂X₂+A₃X₃-L

上式中：V为像点坐标残差；X₁、X₂和X₃分别为外方位元素、控制点坐标和内参数，A₁、A₂和A₃分别为相应参数的系数阵；L为像点坐标与近似值计算坐标的差值。

其中，内参数X₃包括内方位元素和光学系统畸变参数：

X₃＝f(x₀，y₀，f，K₁，K₂，K₃，P₁，P₂，b₁，b₂)

相应的系数矩阵A₃为：

$A_3=\left(\begin{array}{cccccccccc}-1& 0& -\stackrel{\‾}{x}/f& \stackrel{\‾}{x}{r}^2& \stackrel{\‾}{x}{r}^4& \stackrel{\‾}{x}{r}^6& (2{\stackrel{\‾}{x}}^2+r^2)& 2\stackrel{\‾}{x}\underset{\‾}{\overset{\‾}{y}}& \stackrel{\‾}{x}& \stackrel{\‾}{y}\\ 0& -1& -\stackrel{\‾}{y}/f& \stackrel{\‾}{y}{r}^2& \stackrel{\‾}{y}{r}^4& \stackrel{\‾}{y}{r}^6& 2\stackrel{\‾}{x}\underset{\‾}{\overset{\‾}{y}}& (2{\stackrel{\‾}{y}}^2+r^2)& 0& 0\end{array}\right)$

待标定相机在标定装置坐标系下的外参数包括三个平移参量(ΔX_s，ΔY_s，ΔZ_s)和三个旋转参量RX，RY，RZ。

标定相机外参数的标定步骤为；

(a)如图8所示，利用经纬仪测量系统建立经纬仪测量系统坐标系，利用经纬仪测量系统对两个待标定相机上的立方镜分别进行准直，得到两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；

(b)利用经纬仪测量系统对标定装置中的回光测量反射标志和编码标志进行测量，得到回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；

(c)对回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和回光反射测量标志和编码标志在标定装置坐标系下的三维坐标进行公共点转化，得到标定装置坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标转换成两个立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标，建立两个待标定相机的立方镜坐标系；

(d)利用步骤(3)得到的两台待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数，根据两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标的公共坐标转化关系，分别标定出两台待标定相机各自在其立方镜坐标系下的外参数。最后将标定好的相机安装在月球双目视觉导航系统中，其相隔的距离为200mm。

将标定好的相机分别装在月球车上，使其之间的基线距离满足导航系统的工作要求。

实施例

先对待标定相机的内参数进行标定的步骤：

(1)建立包含由美国3M公司生产的反光材料(型号分别为：7610)为原料制作的直径为10mm(或者直径为8mm)的圆形回光反射测量标志和编码标志的标定装置放置在实验室内，即可以得到代表该标定装置相对位置的三维坐标，使用郑州辰维科技有限公司研发的工业测量系统或者使用V-STARS数字摄影测量系统对标定装置中的回光反射测量标志和编码标志进行测量，得到标定装置上回光测量反射标志和编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标。该工业测量系统包括一套由郑州辰维科技有限公司研发的SMN测量软件一套，两台由瑞士徕卡公司生产的两台TM5005电子经纬仪、一台日本索佳公司生产的NET05全站仪，一根经过标定的、长度为1007.8毫米的基准尺一根。V-STARS数字摄影测量系统，由美国GSI公司生产，包含一套V-STARS数字摄影软件、一台INCA3智能相机、一个自动定向棒、两根经过美国NIST(美国国家标准与技术局)标定、长度为1096.mm的基准尺。

(2)在距离标定场5米左右位置使用导航系统中的两台待标定相机对标定场4个位置分别正直拍照，对每个位置完成正直拍照后，将待标定相机旋转90°再次对标定装置进行四个位置的拍照，4个位置共得到照相32张，每个位置均拍摄4张照片。

(3)利用步骤(1)得到的标定装置坐标系下的控制点坐标，分别对步骤(2)中左、右两个待标定相机拍摄的照片进行图像处理，得到控制点在两个待标定相机拍摄的像平面下的像点坐标，利用控制点坐标和两个像点坐标采用共线方程分别计算出两个待标定相机各自的内参数以及两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；

对待标定相机的外参数进行标定的步骤：

(a)利用利用SMN工业测量系统建立经纬仪测量系统坐标系，利用经纬仪测量系统对两个待标定相机上的立方镜分别进行准直，得到两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；对立方镜准直测量的过程中应当注意，为了保证测量精度，立方镜准直测量至少测量8次。

(b)利用SMN工业测量系统对标定装置中的回光测量反射标志和编码标志进行测量，得到回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；该步骤需要注意的是使用经纬仪测量标定场控制点至少测量4个以上。

(c)对回光反射测量标志和编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和回光反射测量标志和编码标志在标定装置坐标系下的三维坐标进行公共点转化，得到标定装置坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标转换成两个立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标，建立两个待标定相机的立方镜坐标系；

(d)利用步骤(3)得到的两台待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数，根据两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标的公共坐标转化关系，分别标定出两台待标定相机各自在其立方镜坐标系下的外参数。对每个待标定相机的外参数的标定过程至少重复8次以上，取平均值作为导航系统标定的最后标定结果。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种月球车双目视觉导航系统标定方法，其特征在于：包括相机内参数的标定步骤和相机外参数的标定步骤为：

相机内参数的标定步骤为：

(1)建立包含回光反射测量标志与点状编码标志的标定装置，得到该标定装置的坐标系，利用测量系统对标定装置上的回光反射测量标志与点状编码标志进行测量，得到标定装置上回光反射测量标志和点状编码标志的三维坐标作为控制点坐标，然后将控制点坐标转换到该标定装置坐标系下，得到标定装置坐标系下的控制点坐标；

(2)利用两台待标定相机分别对步骤(1)中建立的标定装置进行至少四个位置的正直拍照，两台待标定相机对每个位置完成正直拍照后，将两台待标定相机旋转90°再次分别对标定装置的至少四个位置进行拍照，每张照片中至少包含四个点状编码标志；

(3)利用步骤(1)得到的标定装置坐标系下的控制点坐标，分别对步骤(2)中左、右两个待标定相机拍摄的照片进行图像处理，得到标定装置坐标系下的控制点坐标在两个待标定相机拍摄的像平面下的像点坐标，利用标定装置坐标系下的控制点坐标和标定装置坐标系下的控制点坐标在两个待标定相机拍摄的像平面下的像点坐标采用共线方程分别计算出两个待标定相机各自的内参数以及两个待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数；

相机外参数的标定步骤为：

(a)利用经纬仪测量系统建立经纬仪测量系统坐标系，利用经纬仪测量系统对两个待标定相机上的立方镜分别进行准直，得到两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；

(b)利用经纬仪测量系统对标定装置中的回光反射测量标志和点状编码标志进行测量，得到回光反射测量标志和点状编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；

(c)对回光反射测量标志和点状编码标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标、回光反射测量标志和点状编码标志在标定装置坐标系下的三维坐标进行公共点转化，得到标定装置坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标转换成两个立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标，建立两个待标定相机的立方镜坐标系；

(d)利用步骤(3)得到的两台待标定相机相对于标定装置在各个位置的外参数，根据两个立方镜在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标和立方镜在标定装置坐标系下的三维坐标的公共坐标转化关系，分别标定出两台待标定相机各自在其立方镜坐标系下的外参数。

2.根据权利要求1所述的一种月球车双目视觉导航系统标定方法，其特征在于：所述的标定装置包含标定框架、所述的回光反射测量标志(4)、所述的点状编码标志(5)和环形光源；标定框架包括主框架(1)、大小相同的左辅助框架(2)和右辅助框架(3)，其中主框架(1)、左辅助框架(2)与右辅助框架(3)均为长方体结构，主框架(1)、左辅助框架(2)和右辅助框架(3)三者的高度和宽度均相同，左辅助框架(2)和右辅助框架(3)与主框架(1)之间的夹角均为钝角，三个框架的长度之和l与待标定相机距主框架的距离h之间的关系为l＝2htan(w)，主框架的长度和高度均等于待标定相机距主框架的距离，在标定框架的前表面和后表面上交错设置多列安装条框(6)，前表面或后表面两列安装条框之间的间距均为主框架(1)长度的1/10-1/8，每列安装条框(6)上设置多个所述的回光反射测量标志(4)，两个所述的回光反射测量标志(4)之间的距离为主框架(1)长度的1/20-1/18，在每列所述的回光反射测量标志(4)中设置至少一个所述的点状编码标志(5)，环形光源由两组LED光源组成设置在标定框架的前方位置，每组LED光源内安装待标定相机，每组LED光源包括六个均布的LED光源，w为导航系统相机视场角的一半。

Images