CN103217303A - 3d定位仪实现可移动测量的方法 - Google Patents
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Abstract
3D定位仪实现可移动测量的方法，通过夹装在后轮上的探测头，对置于前轮胎上反光靶和车体上的反光靶图形成像的变化来进行测量和计算的；传感器通过识别前轮胎上的反光靶点在车辆后退并旋转θ角度时与车体上的反光靶图形的变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后左轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，可随意变更测量场地。测量采用计算机加通讯模块和两只反光靶和两只带有摄像机的探测头组成，计算机通过USB端口和通讯模块连接，通过无线网络和两只探测头进行命令的发送和传输数据坐标系的动态建立，可实现移动测量，不受场地限制、识别精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于汽车保养、汽车维修行业车辆底盘维修检测仪器，特别是一种3D四轮定位仪实现可移动测量的方法。
背景技术
随着汽车工业的发展，车辆的普及，作为车辆底盘维修检测的仪器—四轮定位仪也在不断的技术更新，经历了拉线、激光、红外、PSD、CCD、到现在的V3D四轮定位仪。美国Jone Bean 先生曾发明一种3D四轮定位仪，是通过多点计算机视觉来测量和还原汽车悬挂系统的。通过分布在标杆基准点上的摄像机阵列，依托于标杆作为基准来建立坐标系，用已知校正架标校来定位坐标原点及量化单位，通过摄像机对安装在轮毂上的目标靶的识别，来还原轮毂的空间几何图形，并测量轮毂空间角度，进而完成对汽车悬挂系统的测量。该种3D四轮定位仪由于可视区域的限制，不能进行前后长轮距宽范围的车辆定位。它在摄象机CMOS像素固定的前提下，精度和视区是成反比例的，为了扩大测量范围势必要牺牲测量精度；其他3D模式采用的是有线通讯模式，将图像通过USB接口实时传输给计算机，由计算机来进行处理和运算。由于摄像机的COMS是高分辨率的，数据吞吐量大，如果采用无线方式，即使用WIFI带宽占用量也极大，且易于受到来自其他无线网络的干扰，很难完成测量或造成显示的测量结果严重延迟，实时性极差。
3D定位仪从诞生到发展，在测量结构上有了一定的进化，但是目前的主流还是与诞生时的设想没有多大变化，现有的3D四轮定位仪就其结构来说都是采用立柱加横杆的方式，摄像机固定在横杆上，横杆架在立柱上，立柱固定在地面上。目前已有的这种3D定位仪优点显现的同时，也暴露出明显的弊端：第一，其模型是依托摄像机固定物理位置分布来建立测量系的，因此要求位置和场地固定，不可移动，车辆要做四轮定位时只能在指定的区域内做，超出这个区域将无法完成四轮定位检测，无法做到在任何场地任何环境下都能工作；第二，由于光学识别的原因，不能使用4柱类举升机；由于光学识别距离和镜头屈光及像源的有效使用方面的影响，达不到测量精度；第三，此种结构的构思难以发展到大车定位仪上；第四，不能户外使用。
发明内容
为解决现有3D四轮定位仪存在的上述缺陷，本发明提供一种可实现方便和便携则摆脱连接电缆的束缚，采用无线通讯进行图像和数据传输、低功耗设计、电池供电，进而实现便携测量的 3D定位仪实现移动测量的方法。
本发明解决已有技术存在的问题，所采取的技术方案是：该3D定位仪坐标系的建立是通过夹装在后轮上的探测头，对置于前轮胎上反光靶和车体上的反光靶图形成像的变化来进行测量和计算的；传感器通过识别前轮胎上的反光靶点在车辆后退并旋转θ角度时与车体上的反光靶图形的变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后左轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，建立动态坐标系，由此可随意变更测量场地；被测量车辆前后轮距相对固定，摄象机置于安装在后轮的探测头内，在整个测量和测量推动过程中，与置于前轮上的目标靶之间相对位置固定，有效成像面积和焦距无变化，通过镜头的搭配，可以将前部的识别靶设计成150mm X 150mm小体积的靶，有效面积与测量距离的平方成反比例；测量采用计算机加通讯模块和两只反光靶和两只带有摄像机的探测头组成，计算机通过USB端口和通讯模块连接，通过无线网络和两只探测头进行命令的发送和传输数据。
探测头系统采用32位的MCU处理器为主控单元，采用触摸按键为输入，1024×768的液晶显示器为输出，采用可编程门阵列FPGA处理器采集摄像头的图像数据同时将图像数据进行压缩处理，主频设为200MHZ，以实现每秒钟8帧图像数据的采集，采用512M的SDRAM存储芯片用于存储图像数据，FPGA与MCU之间采用FIFO总线进行数据的快速传输，同时MCU将收到的图像数据进行分析、运算，同时还采集CCD传感器、霍尔相位传感器和G传感器的数值通过内部运算转变为角度、位移信号，通过WIFI+ZIGBEE无线通讯网路将图像信号、角度、位移信号发送出去，电脑PC机通过USB端口与WIFI+ZIGBEE无线通讯网络模块相连接，接收探测头发送来的数据，经过处理后在显示器上显示输出车辆底盘的各个角度数据。
3D定位仪实现可移动测量的方法有三种模式
模式一，采用三只摄像机，其中后右的探测头上安装两只摄像机，后左的探测头上安装一只摄像机和一个反光靶，将两个反光靶安装到车辆的前轮上，将两个探测头安装车辆的后轮上，后左的探测头上的摄像机监测前左轮上的反光靶，后右轮上的探测头监测前右轮上的反光靶，同时还监测后左轮探测头上的反光靶，车辆在转动一定的角度时，探测头上的摄像机通过观测反光靶上的图像变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后右轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，以此为基准测量车辆底盘悬架的参数。
模式二，采用三只摄像机，其中后左的探测头上安装两只摄像机，后右的探测头上安装一只摄像机和一个反光靶，将两个反光靶安装到车辆的前轮上，将两个探测头安装车辆的后轮上，后右轮上的探测头监测前右轮上的反光靶，后左轮上的探测头上的摄像机监测前左轮上的反光靶，同时还监测后右轮探测头上的反光靶；车辆在转动一定的角度时，探测头上的摄像机通过观测反光靶上的图像变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后左轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，以此为基准测量车辆底盘悬架的参数。
模式三，后左后右探测头采用摄像机+CCD的方式，每只探测头的前端安装有摄像头，用于监测前轮上的反光靶；探测头的后端装有CCD用于后左后右探测头位置的相互监控，从而确定测量坐标系进行测量。
本发明有益效果是：坐标系的动态建立，可实现移动测量，不受场地限制识别精度高，可扩展做其他特种车辆或大车定位仪；无线数据图像传输，实时测量；小体积、微功耗、电池供电实现便携；抗拒环境光干扰能力强。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2探测头系统框图；
图3是测试方法1的示意图；
图4是测试方法2的示意图；
图5是测试方法3的示意图。
具体实施方式
便携式3D定位仪坐标系的建立是通过夹装在后轮上的探测头，对置于前轮胎上反光靶和车体上的反光靶图形成像的变化来进行测量和计算的。传感器通过识别前轮胎上的反光靶点在车辆后退并旋转θ角度时与车体上的反光靶图形的变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后左轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，由此可随意变更测量场地。由于被识别点与传感器之间距离相对固定，因此识别有效成像像素>50%总像素。
3D四轮定位仪由于被测量车辆前后轮距相对固定，摄象机置于安装在后轮的探测头内，因此在整个测量和测量推动过程中，与置于前轮上的目标靶之间相对位置固定，有效成像面积和焦距无变化，在采用同样像素的CMOS传感器时，其成像稳定性、像素有效使用面积、测量精度等均优于其他3D模式。而且通过镜头的搭配，可以将前部的识别靶设计成150mm X 150mm小体积的靶，当应用于大车定位时，可实现多标靶变换，标靶依然在可视区域范围内而不脱靶，有效面积与测量距离的平方成反比例。
便携式3D四轮定位仪采用在传感器内进行图像数据处理和识别，然后将图像数据转化为有效的矢量数据来进行压缩和传输，利用低成本、低功耗方式即可实现高速可靠的图形数据无线传输和实时测量。
便携式3D四轮定位仪标靶体积小、探测头体积小、摄像头数量少，因而整体体积缩小很
多。它通过内部功耗管理、图像曝光灯节能管理、休眠唤醒模式，再搭配12V 3000mAh的锂电池，可以完成12个小时的连续工作。移动平台的控制可使用平板电脑（如iPad, iPhone）、移动PC或笔记本等显示，很好的利用客户现有资源，即降低了使用成本，也真正脱离了供电电源，完全实现移动和便携
便携式3D四轮定位仪的测量角度与地平面呈现±10度的夹角（处于这个角度的日光强度很弱），而光靶的有效面积又占据可视面积的50%以上，定向性好，因此更容易克服光干扰的问题。
便携式是相对于现有3D四轮定位仪而言，是采用其他传感器辅佐来动态建立3D测量所依托的坐标系（属于自建立坐标），摄像机依托此坐标来进行3D测量，可以实现定位仪的移动；如要实现方便和便携则需要摆脱连接电缆的束缚，我们采用无线通讯进行图像和数据传输、低功耗设计、电池供电，进而实现便携测量。
如图1所示，系统采用计算机加通讯模块和两只反光靶和两只带有摄像机的探测头组成。计算机通过USB端口和通讯模块连接，通过无线网络和两只探测头进行命令的发送和传输数据 ；
探测头的组成系统框图如图2示，系统采用32位的MCU处理器为主控单元，采用触摸按键为输入，1024×768的液晶显示器为输出，采用可编程门阵列FPGA处理器采集摄像头的图像数据同时将图像数据进行压缩处理，主频设为200MHZ，以实现每秒钟8帧图像数据的采集，采用512M的SDRAM存储芯片用于存储图像数据，FPGA与MCU之间采用FIFO总线进行数据的快速传输。同时MCU将收到的图像数据进行分析、运算，同时还采集CCD传感器、霍尔相位传感器和G传感器的数值通过内部运算转变为角度、位移信号，最后通过WIFI+ZIGBEE无线通讯网路将图像信号、角度、位移信号发送出去。电脑PC机通过USB端口与WIFI+ZIGBEE无线通讯网络模块相连接，接收探测头发送来的数据，经过处理后在显示器上显示输出车辆底盘的各个角度数据，这些数据作为车辆底盘的测量数据为维修人员提供调整车辆的参考。
此种方式系统的工作场地不是固定的，可以随着车辆而随时改变工作地点。其系统构成共有三种模式：如图所示，其中：1、反光靶 2、后右探测头 3、后左探测头
模式一
这种模式系统采用3只摄像机，其中后右的探测头上安装两只摄像机，后左的探测头上安装一只摄像机和一个反光靶。将两个反光靶安装到车辆的前轮上，将两个探测头安装车辆的后轮上，后左的探测头上的摄像机监测前左轮上的反光靶，后右轮上的探测头监测前右轮上的反光靶，同时还监测后左轮探测头上的反光靶。车辆在转动一定的角度时，探测头上的摄像机通过观测反光靶上的图像变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后右轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，以此为基准测量车辆底盘悬架的参数。
模式二
只摄像机，其中后左的探测头上安装两只摄像机，后右的探测头上安装一只摄像机和一个反光靶。将两个反光靶安装到车辆的前轮上，将两个探测头安装车辆的后轮上，后右轮上的探测头监测前右轮上的反光靶，后左轮上的探测头上的摄像机监测前左轮上的反光靶，同时还监测后右轮探测头上的反光靶。车辆在转动一定的角度时，探测头上的摄像机通过观测反光靶上的图像变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后左轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，以此为基准测量车辆底盘悬架的参数。
模式三
此种模式的后左后右探测头采用摄像机+CCD的方式，每只探测头的前端安装有摄像头，用于监测前轮上的反光靶；探测头的后端装有CCD用于后左后右探测头位置的相互监控，从而确定测量坐标系进行系统测量。
Claims (4)
1.3D定位仪实现可移动测量的方法，其特征在于：该3D定位仪坐标系的建立是通过夹装在后轮上的探测头，对置于前轮胎上反光靶和车体上的反光靶图形成像的变化来进行测量和计算的；传感器通过识别前轮胎上的反光靶点在车辆后退并旋转θ角度时与车体上的反光靶图形的变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后左轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，建立动态坐标系，由此可随意变更测量场地；
被测量车辆前后轮距相对固定，摄象机置于安装在后轮的探测头内，在整个测量和测量推动过程中，与置于前轮上的目标靶之间相对位置固定，有效成像面积和焦距无变化，通过镜头的搭配，可以将前部的识别靶设计成150mm X 150mm小体积的靶，有效面积与测量距离的平方成反比例；
测量采用计算机加通讯模块和两只反光靶和两只带有摄像机的探测头组成，计算机通过USB端口和通讯模块连接，通过无线网络和两只探测头进行命令的发送和传输数据，
探测头系统采用32位的MCU处理器为主控单元，采用触摸按键为输入，1024×768的液晶显示器为输出，采用可编程门阵列FPGA处理器采集摄像头的图像数据同时将图像数据进行压缩处理，主频设为200MHZ，以实现每秒钟8帧图像数据的采集，采用512M的SDRAM存储芯片用于存储图像数据，FPGA与MCU之间采用FIFO总线进行数据的快速传输，同时MCU将收到的图像数据进行分析、运算，同时还采集CCD传感器、霍尔相位传感器和G传感器的数值通过内部运算转变为角度、位移信号，通过WIFI+ZIGBEE无线通讯网路将图像信号、角度、位移信号发送出去，电脑PC机通过USB端口与WIFI+ZIGBEE无线通讯网络模块相连接，接收探测头发送来的数据，经过处理后在显示器上显示输出车辆底盘的各个角度数据。
2.根据权利要求1所述的3D定位仪实现可移动测量的方法，其特征在于：
实现可移动的测量模式一，采用三只摄像机，其中后右的探测头上安装两只摄像机，后左的探测头上安装一只摄像机和一个反光靶，将两个反光靶安装到车辆的前轮上，将两个探测头安装车辆的后轮上，后左的探测头上的摄像机监测前左轮上的反光靶，后右轮上的探测头监测前右轮上的反光靶，同时还监测后左轮探测头上的反光靶，车辆在转动一定的角度时，探测头上的摄像机通过观测反光靶上的图像变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后右轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，以此为基准测量车辆底盘悬架的参数。
3.根据权利要求1所述的3D定位仪实现可移动测量的方法，其特征在于：实现可移动的测量模式二，采用三只摄像机，其中后左的探测头上安装两只摄像机，后右的探测头上安装一只摄像机和一个反光靶，将两个反光靶安装到车辆的前轮上，将两个探测头安装车辆的后轮上，后右轮上的探测头监测前右轮上的反光靶，后左轮上的探测头上的摄像机监测前左轮上的反光靶，同时还监测后右轮探测头上的反光靶；车辆在转动一定的角度时，探测头上的摄像机通过观测反光靶上的图像变化来测定旋转轴与同心轴之间的角度夹角，并依据同心轴建立坐标系，以后左轮外轮辕所在平面与同心轴交点为坐标零点，以此为基准测量车辆底盘悬架的参数。
4.根据权利要求1所述的3D定位仪实现可移动测量的方法，其特征在于：实现可移动的测量模式三，后左后右探测头采用摄像机+CCD的方式，每只探测头的前端安装有摄像头，用于监测前轮上的反光靶；探测头的后端装有CCD用于后左后右探测头位置的相互监控，从而确定测量坐标系进行测量。
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