CN101825444A - 基于面结构光的车载路谱测试系统 - Google Patents

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本发明涉及一种基于面结构光的车载路谱测试系统。它包括相机、投影机、车体、数据采集及处理设备、惯导系统、GPS天线和时钟触发同步板。本系统通过移动的投影仪相机系统重复以上拍摄过程，就可以获得能够覆盖整个路面的多个三维点云，然后对所得到的三维点云结合惯导系统采集的数据进行坐标转换，将这些数据转换到统一的坐标系下，由于相邻的图像之间会有重叠，针对冗余信息通过相应的插值与滤波，即可获取更密集可靠的点云数据；将多幅图像扫描的点云拼接后，就能够得到完整的被测路面的高程三维数据。本发明为路面检测提供完善的方案，更真实地还原路面高程的同时可以降低采集频率，减少硬件成本。

Description

基于面结构光的车载路谱测试系统
技术领域
本发明属于路面检测系统，特别是一种基于面结构光的车载路谱测试系统。
背景技术
在路面检测工程中，一般在检测车上安装多个点激光测距仪或者线结构光三角测量系统来获取路面高程变化信息。点激光测距仪测量范围有限，而且采样点较少，只能给出粗略的路面纵剖面轮廓，在获取精准的路面三维数据方面有较大困难。
与点激光测距仪相比，线结构光三角测量系统解决了采集路面横剖面的问题。相邻激光线的检测结果按空间顺序排列，可以得到较全面的路面高程三维数据。但是采集过程中不可避免地存在遮挡现象，若仅使用单条激光线的话，就可能产生检测盲点。而且由于采样频率或某些外界因素影响，三维重构时会产生数据不连续或跳变等现象。
汽车动态性能测试一般要在试车场的典型路面上进行，将车辆行驶时的各项动态数据与已知道路状况相结合，得出被测车辆的性能参数，但是试车场价格昂贵且易受客观条件限制。如果能够在行驶过程中，同时记录下车辆的动态数据与经过的路面的信息，那么就可以摆脱固定的试车场，直接测得车辆在任意道路状况下所对应的动态性能参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于面结构光的车载路谱测试系统，主要解决上述现有检测系统和方法所存在的技术问题，本发明为路面检测提供完善的方案，更真实地还原路面高程的同时可以降低采集频率，减少硬件成本。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：它包括相机、投影机、车体、数据采集及处理设备、惯导系统、GPS天线和时钟触发同步板；其中：
所述的投影机固定在安装支架近车体尾端，投射出结构光条纹到路面上；
所述的相机固定在安装支架末端，拍摄经路面形变的光栅，相机控制端口连接时钟触发同步板接收触发时钟信号，传输端口连接到数据采集及处理设备，发送图像三维数据；
所述的惯导系统刚性固定在车体内，其GPS端口连接固定在车顶的GPS天线接收定位信号，控制端口连接时钟触发同步板接收触发时钟信号，其传输端口连接到数据采集及处理设备，发送惯导系统采集的行驶时车体本身颠簸倾斜量数据，用作惯性补偿；
所述的数据采集与处理设备同时采集相机数据与惯导系统数据，并显示路面三维数据，同时融合惯性数据，修正了车体颠簸倾斜影响，输出路面实际三维高程数据。
所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的相机和投影机构成一定角度，该角度在42°～55°范围内。
所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的惯导系统输出的是基于陀螺仪与GPS定位的汽车动态性能记录，包括速度、加速度、姿态角及空间位移。
所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的时钟触发同步板由编码器脉冲结合GPS时间信号作为脉冲输入，经由数字集成电路及单片机处理，给出同步的时钟脉冲信号，用于控制若干个设备。
所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：本系统通过移动的投影仪相机系统重复以上拍摄过程，就可以获得能够覆盖整个路面的多个三维点云，然后对所得到的三维点云结合惯导系统采集的数据进行坐标转换，将这些数据转换到统一的坐标系下，由于相邻的图像之间会有重叠，针对冗余信息通过相应的插值与滤波，即可获取更密集可靠的点云数据；将多幅图像扫描的点云拼接后，就能够得到完整的被测路面的高程三维数据。
所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：本系统的光栅图像处理流程如下：
将单帧图像内光栅条纹变化所映射的路面高程数据记录到矩阵Img_data_Z；
惯导系统数据补偿由车体倾斜及颠簸造成的测量偏差，并进行坐标转换，得到NED(北-东-地)坐标下的光栅条纹所映射的路面高程，记录于NED_XYZ；
相机连续拍摄过程中产生重叠区域，根据XY值匹配相应的Z值；NED_XYZ1，NED_XYZ2，NED_XYZ3重叠区域采样点明显增加，采用中值滤波消除点云的毛刺；
根据重复区域的点云分段拟合二维曲线并在未重叠区域做拉格朗日插值，最终得到完整密集的覆盖整个测量路面的三维点云数据NED_XYZ_TOTAL。
所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：外接的各类汽车性能测试传感器的控制端口连接到时钟触发同步板，受同步时钟信号控制，与路谱测试设备达到同步采集；传感器的传输端口连接到数据采集与处理设备，根据各自不同接口连接，传输车辆动态性能测试数据。
所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的传感器是加速度计、踏板力计、方向盘测试仪、车轮六分力传感器中的一种或几种。
藉由上述结构，本发明主要具有如下优点：
1、本发明使用面结构光技术，有效减少检测盲点与噪音。由此可以更真实、全面地还原路面状况。由于扩大了采集区域，相应的可以降低采样频率，降低对相机、陀螺仪或加速度计(用于惯性补偿)等硬件设备的要求。
2、本发明提供的精准的三维路面信息应用于车辙、裂缝以及道路平整度检测。
3、本发明为汽车测试仿真软件，比如虚拟试车场提供真实道路三维数据模板。
4、本发明同时记录下车辆行驶时的动态数据与经过的路面的信息，摆脱固定的试车场，直接测得车辆在任意道路状况下所对应的动态性能参数。在试车场外方便且廉价地实现汽车动态性能测试。
附图说明
图1是基于面结构光的路谱检测硬件系统逻辑图，包括相机1，投影机2，数据采集及处理设备5，惯导系统6，GPS天线7，时钟触发同步板8。
图2是基于面结构光的路谱检测软件系统，即数据采集与处理设备5的框架模块。
图3是惯导系统6与GPS天线7数据输出示意图。
图4是时钟触发同步板8的结构示意图。
图5是基于面结构光的路谱检测车结构示意图，包括相机1，投影机2，车体3，数据采集及处理设备5，惯导系统6，GPS天线7，时钟触发同步板8。
图6是面结构光三角测量系统结构示意图，光栅4为投影的条纹。
图7是行车过程中连续拍摄的光栅示意图，光栅4，4’，4”前后有重叠区域。
图8是面结构光成像数据的转换以及拼接流程图。
图9是基于面结构光的路谱测试系统用于汽车动态性能测试的平台搭建示意图以及各类传感器与路谱系统的连接关系图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于面结构光的车载路谱测试系统，以下结合各附图作进一步详细介绍。
先请参阅图1和图5，本发明系统包括相机1、投影机2、车体3、数据采集及处理设备5、惯导系统6、GPS天线7和时钟触发同步板8。该投影机2固定在安装支架9近车尾端，连接12V直流电源，投射出结构光条纹到路面上。该相机1固定在安装支架9末端，连接24V直流电源，拍摄经路面形变的光栅，相机1控制端口连接时钟触发同步板8接收触发时钟信号，传输端口用千兆网线连接到控制计算机PC(即数据采集及处理设备5)，发送图像三维数据。
投影机2投射光栅到待检测路面。时钟触发同步板8产生时钟信号触发相机1与惯导系统6同步采集数据。相机1通过千兆网传输到控制计算机(即数据采集及处理设备5)；惯导系统6接收GPS天线7的信号，同时测量汽车行驶过程中各种动态参数，通过CAN口也传输到控制计算机。
如图2所示，数据采集与处理设备5包括实时采集软件与后处理软件。实时采集的包括惯导数据、相机数据与时钟信号。后处理工作包括融合GPS/INS(全球定位系统/惯性导航系统)，对相机拍摄的三维数据做惯性补偿以及回放车辆行驶中记录的各种动态性能参数。
如图3所示，惯导系统6输出的是基于陀螺仪与GPS定位的汽车动态性能记录，包括速度、加速度、姿态角及空间位移等等。这些惯性数据都被应用于对相机数据做补偿。
如图4所示，时钟触发同步板8由编码器脉冲结合GPS时间信号作为脉冲输入，经由CPLD(EPM240T100C8，属于ALTERA公司)及单片机(MSP430F415，属于TI公司)处理，给出同步的时钟脉冲信号，用于控制若干个设备。
控制计算机(即数据采集与处理设备5)同时采集相机1数据与惯导系统6数据，在采集软件中实时显示路面三维数据；后处理软件中融合惯性数据，修正了车体颠簸倾斜等影响，输出路面实际三维高程数据。
如图6所示，面结构光三角测量系统中相机1和投影机2构成一定角度，一般在42°～55°范围内，需同时保证相应的测量范围与足够的高程变化分辨力。投影的结构光条纹(光栅4)经过路面形状的调制，由相机摄取变形的图案，包含了路面高程三维信息。
如图7所示，通过移动投影仪相机系统(即车辆行驶)重复以上拍摄过程，就可以获得能够覆盖整个路面的多个三维点云(光栅4，4’，4”等等)。对所得到的三维点云结合惯导系统6采集的数据进行坐标转换，可以将这些数据转换到统一的坐标系下。由于相邻的图像之间会有重叠，针对冗余信息通过相应的插值与滤波，即可获取更密集可靠的点云数据。将多幅图像扫描的点云拼接后，就能够得到完整的被测路面的高程三维数据。
如图8所示，光栅图像处理流程如下：
将单帧图像内光栅条纹变化所映射的路面高程数据记录到矩阵Img_data_Z。
惯导系统数据补偿由车体倾斜及颠簸造成的测量偏差，并进行坐标转换，得到NED(北-东-地)坐标下的光栅条纹所映射的路面高程，记录于NED_XYZ。
相机连续拍摄过程中产生重叠区域，根据XY值匹配相应的Z值。NED_XYZ1，NED_XYZ2，NED_XYZ3重叠区域采样点明显增加，采用中值滤波消除点云的毛刺。
根据重复区域的点云分段拟合二维曲线并在未重叠区域做拉格朗日插值，最终得到完整密集的覆盖整个测量路面的三维点云数据NED_XYZ_TOTAL。
如图9所示，作为一个可扩展的系统，可兼容各类汽车性能测试的传感器，比如加速度计、踏板力计、方向盘测试仪、车轮六分力传感器等，为外部测试设备提供多种接口。记录路面三维信息的同时，同步采集车辆其他待测性能参数。后处理阶段同步回放输出路面谱与各类传感器测试数据。
外接的各类汽车性能测试传感器的控制端口连接到时钟触发同步板8，受同步时钟信号控制，与路谱测试设备达到同步采集。传感器的传输端口连接到控制计算机(即数据采集与处理设备5)，根据各自不同接口连接，传输车辆动态性能测试数据。后处理软件中以同步触发时钟信号为基准，重现路面三维高程数据与相应采样点的车辆动态性能测试数据。
作为一种实施例，本系统选用索尼VPL-CX71投影机与施克Ranger E相机构成面结构光测量系统，德国GeneSys公司的ADMA陀螺仪结合Novatel公司GPS天线用于系统的惯性补偿。数据采集及处理由控制计算机完成，选用Core 2 Duo 3.0GHz的CPU，2G内存。
综上所述仅为本发明的较佳实例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：它包括相机(1)、投影机(2)、车体(3)、数据采集及处理设备(5)、惯导系统(6)、GPS天线(7)和时钟触发同步板(8)；其中：
所述的投影机(2)固定在安装支架(9)近车体(3)尾端，投射出结构光条纹到路面上；
所述的相机(1)固定在安装支架(9)末端，拍摄经路面形变的光栅，相机(1)控制端口连接时钟触发同步板(8)接收触发时钟信号，传输端口连接到数据采集及处理设备(5)，发送图像三维数据；
所述的惯导系统(6)刚性固定在车体内，其GPS端口连接固定在车顶的GPS天线(7)接收定位信号，控制端口连接时钟触发同步板(8)接收触发时钟信号，其传输端口连接到数据采集及处理设备(5)，发送惯导系统(6)采集的行驶时车体(3)本身颠簸倾斜量数据，用作惯性补偿；
所述的数据采集与处理设备(5)同时采集相机(1)数据与惯导系统(6)数据，并显示路面三维数据，同时融合惯性数据，修正了车体颠簸倾斜影响，输出路面实际三维高程数据。
2.根据权利要求1所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的相机(1)和投影机(2)构成一定角度，该角度在42°～55°范围内。
3.根据权利要求1所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的惯导系统(6)输出的是基于陀螺仪与GPS定位的汽车动态性能记录，包括速度、加速度、姿态角及空间位移。
4.根据权利要求1所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的时钟触发同步板(8)由编码器脉冲结合GPS时间信号作为脉冲输入，经由数字集成电路及单片机处理，给出同步的时钟脉冲信号，用于控制若干个设备。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：本系统通过移动的投影仪相机系统重复以上拍摄过程，就可以获得能够覆盖整个路面的多个三维点云，然后对所得到的三维点云结合惯导系统(6)采集的数据进行坐标转换，将这些数据转换到统一的坐标系下，由于相邻的图像之间会有重叠，针对冗余信息通过相应的插值与滤波，即可获取更密集可靠的点云数据；将多幅图像扫描的点云拼接后，就能够得到完整的被测路面的高程三维数据。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：本系统的光栅图像处理流程如下：
将单帧图像内光栅条纹变化所映射的路面高程数据记录到矩阵Img_data_Z；
惯导系统数据补偿由车体倾斜及颠簸造成的测量偏差，并进行坐标转换，得到NED(北-东-地)坐标下的光栅条纹所映射的路面高程，记录于NED_XYZ；
相机连续拍摄过程中产生重叠区域，根据XY值匹配相应的Z值；NED_XYZ1，NED_XYZ2，NED_XYZ3重叠区域采样点明显增加，采用中值滤波消除点云的毛刺；
根据重复区域的点云分段拟合二维曲线并在未重叠区域做拉格朗日插值，最终得到完整密集的覆盖整个测量路面的三维点云数据NED_XYZ_TOTAL。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：外接的各类汽车性能测试传感器的控制端口连接到时钟触发同步板(8)，受同步时钟信号控制，与路谱测试设备达到同步采集；传感器的传输端口连接到数据采集与处理设备(5)，根据各自不同接口连接，传输车辆动态性能测试数据。
8.根据权利要求7所述的基于面结构光的车载路谱测试系统，其特征在于：所述的传感器是加速度计、踏板力计、方向盘测试仪、车轮六分力传感器中的一种或几种。
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