适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法

本发明涉及偏振光导航，尤其涉及基于天空偏振信息的三维姿态测量方法。

背景技术：

1、导航系统是小型无人车辆的核心组成部分，常见的导航方式包括惯性导航（ins）、全球卫星导航（gnss）、视觉里程计（vo）、激光雷达里程计（lo）以及磁辅助姿态航向参考系统（ahrs）等。其中，ins具有完全自主性和高动态响应能力，但误差随时间累积；gnss在遮挡或电磁干扰环境下易失效；vo与lo对环境特征依赖性强，在弱纹理或动态场景中性能下降；磁辅助系统对磁场环境敏感，易受金属结构干扰。

2、受自然界沙蚁、候鸟等生物利用天空偏振光进行空间感知的启发，偏振光导航作为一种不依赖外部信号、具有良好环境适应性且能够提供稳定姿态参考的信息源而备受关注。其核心思想是利用太阳光在大气中散射形成的天空偏振模式进行姿态解算。通过偏振传感器获取天空偏振光的偏振信息，可反演得到观测方向与太阳方向之间的相对几何关系，进而估计太阳在载体坐标系下的方向矢量，结合导航坐标系中已知的太阳参考位置进行匹配，最终实现载体姿态的解算。

3、现有基于天空偏振信息的姿态测量方法主要依赖理想瑞利散射模型建立大气偏振模式。然而，在实际大气环境中，太阳光不仅发生瑞利散射，还会发生米氏散射和几何光学散射。受大气多次散射、气溶胶颗粒各向异性以及地面反射光引起的退偏效应共同作用，实际天空偏振模式中会出现多个中性点（如babinet、brewster、arago等），导致偏振分布偏离理想瑞利模型。特别是在太阳高度角变化过程中，多次散射效应会使太阳高度角的估计精度显著下降，进而影响三维姿态测量的准确性。现有方法虽然通过引入中性点信息或等效入射光模型进行了一定程度的补偿，但其应用多集中于航向测量领域，对于三维姿态测量中太阳高度角估计精度的提升仍显不足。因此，亟需研究一种能够适应太阳高度角变化、抑制多次散射干扰的偏振视觉姿态测量方法，以提高姿态测量的精度与鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明提出了适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法，解决了现有技术所存在的因大气多次散射导致太阳高度角估计精度下降，进而影响三维姿态测量精度的问题。

2、本发明所述的适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤s1：通过偏振视觉传感器采集同一场景的多方向偏振图像；采用偏振传输模型将多方向偏振图像进行转换，获得包含偏振角图像与偏振度图像的全天空偏振信息图像；

4、步骤s2：以瑞利散射模型为基础建立全天空大气偏振模式，作为偏振角与偏振度随太阳-观测几何分布的理论基准；

5、步骤s3：在像素坐标系下构建偏振角映射模型，将所述偏振角图像转换为像素坐标系下的偏振角aopp图像；基于偏振角aopp图像中偏振角沿太阳方位线的等值特性提取分离点的像素位置，并建立分离点高度角与太阳高度角之间的线性模型，标定其线性参数；

6、步骤s4：根据所述全天空偏振信息图像及所述全天空大气偏振模式，初步估计太阳矢量和中性点矢量；以所述初步估计的太阳矢量和中性点矢量为先验，引入berry大气偏振表征模型以补偿瑞利假设下的大气散射误差，并基于偏振角图像对太阳矢量与中性点矢量之间的夹角进行优化估计，得到优化后的夹角，并据此更新步骤s3中所述线性模型的线性参数；

7、步骤s5：根据步骤s3提取的分离点的像素位置计算其高度角，代入更新后的线性模型得到太阳高度角；同时，基于所述偏振角图像估计太阳方位角；由所述太阳高度角与所述太阳方位角共同构成最终估计的太阳矢量；基于最终估计的太阳矢量和优化后的夹角，获得最终估计的中性点矢量；以所述最终估计的太阳矢量与所述最终估计的中性点矢量构建太阳偏振子午面，并以所述太阳偏振子午面与所述最终估计的太阳矢量作为双特征矢量，通过双矢量定姿算法解算载体的三维姿态；所述三维姿态包括航向角、俯仰角与横滚角。

8、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s1中所述偏振传输模型基于mueller矩阵建立，通过将偏振图像中0°、45°、90°和135°四个方向的偏振响应代入mueller矩阵，求解入射光的stokes矢量，进而计算得到偏振角图像与偏振度图像。

9、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s2中以瑞利散射模型为基础建立的全天空大气偏振模式，通过定义相机坐标系、入射光坐标系和导航坐标系，建立太阳矢量与观测矢量之间的散射角关系，并推导偏振角与偏振度随太阳-观测几何分布的空间分布表达式；其中：

10、所述相机坐标系：采用计算机视觉和摄影测量领域的标准坐标系，以相机光心为原点，光轴为z轴的坐标系，用于描述图像像素与空间点的投影关系；

11、所述导航坐标系：采用导航领域的标准坐标系，以载体质心为原点，北向为x轴的东北天坐标系，用于描述载体在地理空间中的位置和姿态；

12、所述入射光坐标系：以观测点为原点，观测视线为z轴的坐标系，用于描述观测方向与太阳入射方向之间的几何关系。

13、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s3中所述偏振角映射模型通过建立像素坐标系下的偏振角aopp与入射光坐标系下的偏振角aop之间的投影关系实现；所述投影关系基于观测矢量的高度角和方位角，以及观测矢量在像素坐标系下的投影坐标确定。

14、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s3中所述提取分离点的像素位置的方法包括：

15、步骤s3.1：以所述偏振角aopp图像的主点为种子点，对所述偏振角aopp图像应用区域生长算法，得到太阳方位区域的特征图像；

16、步骤s3.2：对所述太阳方位区域的特征图像进行形态学击中击不中变换，得到分离点区域的特征图像；

17、步骤s3.3：计算所述分离点区域的特征图像的质心，得到分离点在像素坐标系下的坐标，即所述分离点的像素位置。

18、进一步的，提供一个优选实施方式，所述步骤s4包括：

19、步骤s4.1：利用偏振角aopp图像的感兴趣区域内的偏振信息，初步估计相机坐标系下的太阳矢量；所述感兴趣区域定义为以所述偏振角aopp图像的主点为圆心、半径为预设值的圆形区域，所述主点为相机光轴与图像平面的交点；

20、步骤s4.2：基于所述偏振度图像定位所述全天空偏振信息图像中的中性点位置，检测并提取偏振度图像中的中性点矢量，得到初步估计的中性点矢量；所述中性点矢量包括babinet中性点和arago中性点；

21、步骤s4.3：将所述初步估计相机坐标系下的太阳矢量和所述初步估计的中性点矢量作为先验约束，构建berry大气偏振表征模型；所述berry大气偏振表征模型通过复数形式的偏振信息描述全天空大气偏振模式，考虑大气多次散射和气溶胶的影响；

22、步骤s4.4：通过最小化所述berry大气偏振表征模型生成的仿真偏振角图像与所述偏振角图像之间的残差，对太阳矢量与中性点矢量之间的夹角进行优化估计。

23、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s4.4中所述最小化的残差通过如下优化函数实现：

24、；

25、其中，其中，表示在观测方位角和观测高度角处基于berry大气偏振表征模型生成的仿真偏振角图像得到的偏振角值；表示在观测方位角和观测高度角处的偏振角图像的偏振角值；分别表示初步估计的太阳方位角、太阳高度角、babinet中性点高度角以及arago中性点高度角；分别表示最终估计的太阳方位角、太阳高度角、babinet中性点高度角以及arago中性点高度角；则babinet中性点与太阳矢量之间的夹角为，arago中性点与太阳矢量之间的夹角为。

26、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s5中所述通过双矢量定姿算法解算载体的三维姿态包括：

27、步骤s5.1：基于太阳偏振子午面结合所述最终估计的太阳矢量，构建相机坐标系下的正交基；

28、步骤s5.2：根据所述太阳偏振子午面在所述导航坐标系下的表达形式，结合所述最终估计的太阳矢量构建所述导航坐标系下的正交基；

29、步骤s5.3：根据所述相机坐标系下的正交基与所述导航坐标系下的正交基之间的旋转变换关系，解算得到载体的航向角、俯仰角和横滚角。

30、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s3中所述分离点高度角与太阳高度角之间的线性模型表示为：

31、；

32、其中，为分离点高度角，为太阳高度角，和为线性参数；所述线性参数和在步骤s4中根据优化后的太阳矢量与中性点矢量之间的夹角进行更新

33、进一步的，提供一个优选实施方式，步骤s4.2中基于所述偏振度图像定位所述全天空偏振信息图像中的中性点位置的方法包括：对偏振度图像中偏振度值小于预设阈值的低偏振度区域进行椭圆拟合，将拟合椭圆的几何中心作为中性点位置。

34、本发明有以下有益效果：

35、1.本发明所述的适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法，通过构建像素坐标系下的偏振角模型，并提出基于区域生长与形态学击中击不中变换的分离点提取方法，有效克服了大气多次散射导致的偏振模式畸变问题，可以显著提高在不同太阳高度角条件下的太阳高度角估计精度。

36、2.本发明所述的适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法，通过揭示分离点高度角与太阳高度角之间的线性约束关系，并结合berry大气偏振表征模型对中性点矢量与太阳矢量夹角进行优化估计，动态确定了线性参数，可以在太阳高度角动态变化过程中保持稳定的估计性能，解决了传统固定参数模型适应性差的问题。

37、3.本发明所述的适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法，通过将优化后的高精度太阳矢量估计结果代入三维姿态解算模型，有效修正了基于瑞利假设产生的系统误差，可以显著降低三维姿态测量过程中的累积误差，提升载体在复杂大气环境下的姿态测量鲁棒性。

38、4.本发明所述的适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法，通过搭建包含光纤惯导与gnss组合导航系统的多传感器实景测试平台进行验证，实验数据表明其在典型工况下的太阳高度角估计rmse较现有技术降低至0.32°和0.56°，且姿态测量误差显著减小，验证了该方法在实际工程应用中的可行性与有效性。

39、本发明所述的适应太阳高度角变化的偏振视觉姿态测量方法，适用于小型无人机、自动驾驶车辆及户外移动机器人在复杂大气环境和大姿态角变化下的高精度自主三维姿态测量场景。