基于多视图几何的视觉辅助惯导组合导航关键技术研究

摘要

本文以环境未知条件下的视觉辅助惯导组合导航为基本背景，针对目前视觉辅助惯导组合导航中实时性和环路导航(导航轨迹中有环形回路)的问题，结合视觉辅助惯导组合导航的特点以及多视图几何理论来研究基于多视图几何的图像辅助惯导组合导航的滤波方法，目的是提高组合导航系统的速度以及导航的性能(特别是环路导航)。本文主要工作和创新如下：
　　(1)从空间几何的角度推导了适用于图像与惯导的组合导航的多视图几何的约束方程，并且理论证明了它与从对极几何角度得到的多视图几何约束方程之间的关系。
　　在研究基于多视图几何的图像与惯导的组合导航系统观测方程的基础上，从空间几何的角度推导了一组适用于组合导航滤波的观测方程，即多视图几何的约束方程。首先分析并推导了基于双视图几何的约束方程，并且理论证明了它与由对极几何推导得到双视图几何约束方程是等价的；然后分析并推导了基于三视图几何的约束方程，并且理论证明了它与由对极几何推导得到三视图几何约束方程之间是必要不充分的关系，揭示了它们之间的内在关系。
　　(2)提出了一种基于双视图几何的图像辅助惯导的IEKF滤波方法。
　　由于惯导系统的导航误差随着时间的增加逐渐累积，因此它无法单独进行长时间的导航，而摄像机的低成本和高自主性，使得基于视觉辅助惯导的组合导航系统正逐渐成为一种极具潜力的导航模式。基于扩展卡尔曼滤波(EKF)成熟的理论基础以及在工程实际中的广泛应用，EKF滤波方法目前是绝大多数组合导航系统中首选的滤波方法，因此文中利用两幅具有重叠区域图像，推导了一种基于双视图几何的图像辅助惯导的IEKF滤波方法，并且通过仿真，分析了其滤波性能，仿真结果表明，相比纯惯性导航，该方法可以对载体某些状态进行很好的估计(如天向相对位置，天向速度等状态)，同时还能抑制沿着载体运动方向的状态的发散(如东向和北向相对位置等状态)。
　　(3)提出了一种基于多视图几何的图像辅助惯导的IEKF滤波策略。
　　针对导航过程中具有重叠区域的图像既可能有两幅，也可能有三幅的情况(特别是对于导航轨迹中有环形回路的导航)，因此文中首先详细推导了基于三视图几何的图像辅助惯导的IEKF滤波方法中协方差矩阵通用的计算方法，仿真结果表明，该方法可以很好的估计载体的相对位置和速度等状态，而且特别适合解决环路导航的问题；然后结合实际的图像和惯导信息，提出了一种基于多视图几何的图像与惯导的IEKF滤波策略，实验结果表明，相比纯惯性导航，该滤波策略可以更好的估计运载体的相对位置，为实际系统的设计提供了一定的理论依据。
　　(4)提出了一种基于三视图几何的图像辅助惯导的UKF滤波方法。
　　由于对于某些高精度的导航系统，IEKF滤波方法可能不再适用，因此文中在分析UKF优点的前提下，基于三幅具有重叠区域图像，推导了一种基于三视图几何的图像辅助惯导的UKF滤波方法，相比IEKF方法中协方差矩阵计算的难点，该方法无需计算相应的协方差矩阵，而且仿真结果表明，该方法虽然在运算量比IEKF滤波方法要大，但其滤波性能比IEKF要好。
　　(5)提出了一种基于多视图几何的图像辅助惯导的UKF滤波策略。
　　针对实际的图像和惯导信息，文中提出了一种基于多视图几何的图像与惯导的UKF滤波策略，实验结果表明，虽然UKF计算量比IEKF要大，但UKF滤波策略可以更好的估计运载体的相对位置，因此，对于以导航精度为第一指标的导航系统而言，UKF滤波策略是一种可供选择的方法，从而为实际系统的设计提供理论依据。

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中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 相关技术的研究现状

1.2 论文的主要工作及创新点

1.3 论文的组织结构

第二章 捷联惯性导航系统

2.1 常用坐标系

2.2 捷联惯性导航算法

2.3 捷联惯导系统误差分析

2.4 捷联惯导系统初始对准

2.5 本章小结

第三章 摄像机模型和多视图几何

3.1 射影几何[8]

3.2 摄像机成像模型[154]

3.3 特征点提取与匹配

3.4 多视图几何

3.5 本章小结

第四章 基于多视图几何的图像与惯导的IEKF滤波

4.1 卡尔曼滤波(KF)

4.2 扩展卡尔曼滤波(EKF)

4.3 基于双视图几何的图像与惯导的IEKF滤波

4.4 基于三视图几何的图像与惯导的IEKF滤波

4.5 基于多视图几何约束的图像与惯导的IEKF滤波

4.6 本章小结

第五章 基于多视图几何的图像与惯导的UKF滤波

5.1 UKF

5.2 基于双视图几何的图像与惯导的UKF滤波

5.3 基于三视图几何的图像与惯导的UKF滤波

5.4 基于多视图几何约束的图像与惯导的UKF滤波

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 双视图几何雅可比矩阵的推导

附录B 三视图几何雅可比矩阵的推导[140]

附录C 协方差矩阵的计算