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专利号: 2020101589803
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-10-10
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于视觉惯性导航系统的激光测距仪,其特征在于:其包括用于进行空间定位和姿态检测的视觉惯性导航系统、激光测距系统以及保护外壳,所述视觉惯性导航系统用于对测距仪进行空间定位,所述激光测距系统用于测量被测目标到测距仪的距离,之后结合激光测距系统进行测量时的空间定位信息和激光测距系统返回的测量值计算出被测目标点的世界坐标;

所述视觉惯性导航系统包括一个具有固定基线的双目相机以及一个惯性测量单元,所述惯性测量单元位于双目相机的中心处,所述视觉惯性导航系统上开设有四个安装孔用于与保护外壳之间进行固定;

所述激光测距系统包括两个一字激光和一个激光测距模块,两个一字激光平行放置于保护外壳的上部和其中一个侧部,所述激光测距模块固定在保护外壳上,且激光测距模块的位置处在两个一字激光的交线上,从而保证激光测距模块的测定线与两个一字激光发射的激光面的交线处于共线;

所述一字激光上设置有用于轴向固定的圆环形的槽,所述圆环形的槽与保护外壳上的环形凸起相嵌合,一字激光的两侧分别开有一个用于周向固定的长键;

在激光测距时,首先求得视觉惯性导航系统与激光测距模块之间的标定,得到两者之间相对的旋转矩阵 和偏置矩阵 之后确定世界坐标系相对于地面的旋转矩阵 以及世界坐标系的位置,计算得到的两个被测目标相对于世界坐标系的位置,从而确定两个被测目标间的距离;

基于所述的基于视觉惯性导航系统的激光测距仪进行激光测距的方法,其包括以下步骤:

S1、对视觉惯性导航系统与激光测距模块之间进行标定得到相对的旋转矩阵 和偏置矩阵

步骤S1中,在标定板上选取三个角点,三个角点相对于标定板左上角的位置为(c1,d1,

0)、(c2,d2,0)、(c3,d3,0),双目相机经过角点检测求得三个角点在图像中的像素坐标,之后通过P3P算法,得到标定板相对于双目相机的空间姿态 与之后确定两个一字激光在标定板上的投影位置,两个投影位置的交点即为激光测距模块的测量点,通过霍夫变换求得交点在双目相机中的像素坐标点为[xcv,ycv],基于交点与标定板共面,设交点相对于标定板左上角的位置为(c4,d4,0),利用上面P3P算法得到的标定板相对于相机的空间姿态Rp与Tp,进一步得到交点相对于相机的空间坐标为结合相机模型的相机坐标系到像素平面坐标系的公式可以得到:

求解方程组可以得到:

从而得到交点相对于相机的空间位置[xc,yc,zc],之后使用测光测距仪所返回的测量值Zvv,建立式 需测量3组以上交点通过最小二乘法,求得视觉惯性导航系统与激光测距模块之间的标定,从而得到相对的旋转矩阵 和偏置矩阵

S2、确定测距仪初始放置平面的世界坐标系相对于地面的旋转矩阵

步骤S2中,将测距仪放于第一位置,并静止放于工作面,以此处作为测量时的世界坐标系的位置,通过加速度计测得此时三轴的加速度为aw=[ax,ay,az],以当地的重力加速度ag=[0,g,0]为基准,由 求出世界坐标系相对于地面的旋转矩阵S3、确定第一个被测目标的相对于世界坐标系的位置:将测距仪由第一位置移动至第二位置,通过两个一字激光调整测距仪姿态使两个一字激光的交点处对准第一被测目标,测试读出激光测距模块返回的距离为Zv1=[0,0,Z1],通过双目和惯性测量单元使用视觉惯性导航系统计算出测距仪在第一位置相对于第二位置时的位移 和姿态 从而计算出第一被测目标相对于世界坐标系的位置S4、确定第二个被测目标的相对于世界坐标系的位置:将测距仪由第二位置移动至第三位置处,通过两个一字激光笔调整测距仪姿态使两个一字激光的交点处对准第二被测目标,测试读出激光测距模块返回的距离为Zv2=[0,0,Z2],通过双目和惯性测量单元使用视觉惯性导航系统计算出测距仪在第三位置相对于第二位置时的位移 和姿态 从而计算出第二被测目标相对于世界坐标系的位置S5、根据上述计算得到的两个被测目标相对于世界坐标系的位置,求得在世界坐标系中第二被测目标相对于第一被测目标的空间位置BA=B-A,由S2得到的测距仪初始放置平面相对于地面的姿态 求得在以地面为基准的情况下第二被测目标相对于第一被测目标的空间位置 第二被测目标和第一被测目标之间的距离lengthAB=|BA|=|BAw|。

2.根据权利要求1所述的基于视觉惯性导航系统的激光测距仪,其特征在于:所述保护外壳包括前盖和后盖,所述前盖前方开设有一个长方形的槽,用于放置激光测距模块。

3.根据权利要求2所述的基于视觉惯性导航系统的激光测距仪,其特征在于:所述前盖上部和一个侧部分别设置有一个用于固定一字激光的半圆形槽,所述半圆形槽设置所述环形凸起,半圆形槽的上方开有一个用于放置一字激光的长键的键槽。

4.根据权利要求2所述的基于视觉惯性导航系统的激光测距仪,其特征在于:所述前盖内部设置有四个用于与视觉惯性导航系统进行定位的凸起,所述前盖下方设置有与外部设备固定的安装孔。

5.根据权利要求1所述的基于视觉惯性导航系统的激光测距仪,其特征在于:两个一字激光的激光面相互垂直。