CN103954458A - 一种非接触式四轮定位仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式四轮定位仪，其特征在于，包括举升机、侧拍摄系统、前拍摄装置和四轮定位分析装置；举升机包括两相对的支撑板，每一支撑板端部分别设有至少一个标记点；侧拍摄系统包括四个侧拍摄装置，侧拍摄装置可移动的设置于两支撑板的两侧，且分别与标记点对应；前拍摄装置设于举升机的前方；侧拍摄装置及前拍摄装置与所述四轮定位分析装置电性连接；其中四轮定位分析装置根据侧拍摄装置获取的支撑板侧面、标记点和轮毂的位置信息以及前拍摄装置获取的车和举升机的俯视图信息计算每个车轮的外倾角和每个前轮的前束角。本发明的非接触式四轮定位仪，仪器成本低，结构简单，测量方便，且测量结果精度高。

Description

一种非接触式四轮定位仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及汽车检测设备和技术领域，特别是一种非接触式四轮定位仪及其检测方法。

背景技术

现有技术中的非接触式四轮定位仪主要采用结构光三维重建方法和激光辅助测量方法。结构光式非接触式四轮定位虽然测量精度高，但是造价也很高。激光辅助式非接触式四轮定位仪，测量时需要在轮胎上打上激光点或线，然后通过测量激光点或线到参考面的距离，再应用三角测量法计算出各点线的距离，从而得出轮子的前束角和外倾角。激光辅助式非接触式四轮定位仪在静态测量时结果很理想，但是若做实时测量则测量方法很复杂，很难跟踪测量点，且激光容易伤害到人眼。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种非接触式四轮定位仪，仪器成本低，结构简单，测量方便，且测量结果精度高。具体的技术方案如下：

非接触式四轮定位仪，包括举升机、侧拍摄系统、前拍摄装置和四轮定位分析装置；举升机包括两相对的支撑板，每一支撑板端部分别设有至少1个标记点；侧拍摄系统包括4个侧拍摄装置，侧拍摄装置可移动的设置于两支撑板的两侧，且分别与标记点对应；前拍摄装置设于举升机的前方；侧拍摄装置及前拍摄装置与所述四轮定位分析装置电性连接；其中四轮定位分析装置根据侧拍摄装置获取的支撑板侧面、标记点和轮毂的位置信息以及前拍摄装置获取的车和举升机的俯视图信息计算每个车轮的外倾角和每个前轮的前束角。

优选的，每个侧拍摄装置至少包括1个摄像机；前拍摄装置至少包括1个摄像机。

优选的，非接触式四轮定位仪还包括用于支撑前拍摄装置和侧拍摄装置的支撑架。

优选的，支撑架底部均设有轮子。

优选的，举升机支撑板侧平面和顶部平面的平整度≤3mm/m²。

优选的，举升机支撑板侧平面和上表面的平整度≤1mm/m²。

一种非接触式四轮定位仪的检测方法，包括车、举升机、侧拍摄系统和前拍摄装置，举升机侧面上设有多个标记点，包括以下步骤：

步骤一、通过侧拍摄系统获得车和举升机的侧视图侧视图。

步骤二、根据车轮毂和轮胎的颜色差异，将侧视图用二值化方法处理，获得车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点。

步骤三、将车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点坐标根据公式 $Z_c\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{dx}}& 0& u_0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{dy}}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$ 将标准图像中的坐标转换成世界坐标，并根据车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点世界坐标拟合出轮毂侧平面方程和举升机侧平面方程；其中dx、dy、f、u_o、v_o为摄像机预设的内部参数，通过标定求出；Zc为常数，为目标离摄像机坐标系的距离；假设摄像机坐标系与世界坐标系重合，则R、t可直接去除。

步骤四、判断拟合结果是否合理；若是，则计算在举升机支撑平面上，轮毂侧平面与举升机侧平面投影线夹角获得外倾角；车面向前摄像装置，左右两边车轮伪前束角分别为α、β；计算在竖直方向垂直于举升机侧平面的平面上，轮毂侧平面与举升机侧平面投影线的夹角获得伪前束角α、β；若否则回到步骤一重新按步骤一至步骤四进行操作。

步骤五、通过前拍摄装置获得车和举升机的俯视图，再根据数字图像几何畸变的自动校正方法转换成标准俯视图。

步骤六、将标准俯视图根据结构对称和颜色对称的方式将结构对称点坐标设为x，颜色对称点坐标设为y，当x≈y时，对称中心的点坐标为(x+y)/2，将沿车身纵向的对称中线点连接拟合，形成车和举升机的对称中心线。

步骤七、以车和举升机中心线指向前摄像装置的方向为正方向，且以举升机中心线所在直线为Y轴，车面向前摄像装置左前轮指向右前轮的方向为X轴正方向，建立直角坐标系，计算车和举升机中心线的夹角，即车中心线与Y轴的夹角，获得补偿角δ。

步骤八、车面向前摄像装置，左右前车轮前束角分别为α’、β’，计算前束角，α’＝α-δ、β’＝β+δ；输出前束角和外倾角，结束流程。

优选的，在执行步骤二时，其具体的操作为：根据轮毂和轮胎颜色差异较大的特点，对侧视图进行二值化操作，即将图中像素点分为白色与黑色两类，从而将轮毂部分独立出来，对于图像中可能还存在的其他白色区域的干扰，通过区域生长法对图中各白色区域进行标记，并依此判断每个区域的外接矩形，如果外接矩形接近正方形，边长足够大，且位置位于图像中间区域，则该区域为轮毂区域，从而提取并获得轮毂区域的边缘点。

优选的，当进行步骤六时，分别保留对称中心点在水平方向投影沿车身纵向呈连续变化的点，并分别将对称中心点拟合成车身对称中心线和举升机对称中心线。

本发明通过前摄像装置和侧摄像系统拍摄获得图片，再由四轮定位分析软件对图片进行处理计算而获得汽车的外倾角和前束角，且前拍摄装置和侧拍摄系统中各个拍摄装置均独立提供数据使四轮定位分析装置完成外倾角和前束角的数据计算，仪器成本低，结构简单，测量方便，且测量结果精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为非接触式四轮定位仪结构示意图；

图2为四轮定位分析软件的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，非接触式四轮定位仪包括举升机1、侧拍摄系统2、前拍摄装置3和四轮定位分析装置4。举升机1包括两个支撑板11，支撑板相背的侧面四个角上设有标记点(未示出)。所述标记点可以支撑板侧面顶部菱角上的颜色标记，也可以是在侧面上任意位置圆形或者其他形状的标记点，标记点的颜色与支撑板11的区别明显。支撑板侧面和上表面的平整度≤3mm/m²，优选≤1mm/m²。侧拍摄系统2包括4个侧拍摄装置21和4个侧拍摄装置支撑支架22。4个侧拍摄装置21分别设置于4个侧拍摄装置支撑支架22上，每个侧拍摄装置支撑支架22底部设有轮子23，可通过移动摄像机支撑支架22而将其放置于举升机1侧边的任意位置。前拍摄装置3还包括前拍摄装置支撑支架31，前拍摄装置3设置于前拍摄装置支撑支架32上，前拍摄装置支撑支架31可移动的设置于举升机1的前方正中间。一般小汽车的高度为1400mm～1600mm之间，前拍摄装置支撑支架31高度大于小汽车的高度，即前拍摄装置支撑支架31高度大于1400mm。每个侧拍摄装置至少包括1个摄像机；前拍摄装置至少包括1个摄像机。本实施例中四轮定位分析装置4包括电脑(未示出)、四轮定位分析软件、显示器41和键盘42。四轮定位分析装置4设置于前拍摄装置支撑支架31上。前拍摄装置和侧面拍摄系统均与四轮定位分析装置电性连接，但前拍摄装置和各个侧拍摄装置均相互独立，无相互电性连接。

本发明中的非接触式四轮定位仪采用机器视觉，即通过各个侧摄像装置21获得各个车轮毂和相对应的支撑板11侧面的平面方程，再经过前摄像装置3获得车和举升机的对称中心线方程，从而计算出各个车轮的外倾角和两个前轮的前束角。由于各个摄像装置之间获取的数据来源无相互影响，从而减少数据计算的影响因素，简化外倾角和前束角的获得流程，且对各个摄像装置的要求降低。

如图2所示，非接触式四轮定位仪检测方法的原理如下：

步骤一、通过侧拍摄系统获得车和举升机的侧视图。

4个侧拍摄装置和前拍摄装置根据四轮定位分析软件的命令采集车和举升机的侧面图像，采集到的每个侧面图像需包括完整的轮毂、轮胎圆环、标记点和局部支撑板侧面。采集到侧面图像后传输给四轮定位分析软件。

步骤二、根据车轮毂和轮胎的颜色差异，将侧视图用二值化方法处理，获得车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点。

由于车轮的轮胎与轮毂之间的颜色差异较为明显，且轮毂都为规则的圆形，图像数据转换模块通过对侧视图进行二值化操作，即将图中像素点分为白色与黑色两类，从而将轮毂部分独立出来。对于图像中可能还存在的其他白色区域的干扰，通过区域生长法对图中各白色区域进行标记，并依此判断每个区域的外接矩形，如果外接矩形接近正方形，边长足够大，且位置位于图像中间区域，则该区域为轮毂区域，从而提取并获得轮毂区域的边缘点。相同的原理，由于举升机侧面标记点和举升机侧面的颜色差异明显，通过二值化操作提取举升机侧面标记点。

步骤三、将车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点坐标根据公式 $Z_c\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{dx}}& 0& u_0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{dy}}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$ 将标准图像中的坐标转换成世界坐标，并根据车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点世界坐标拟合出轮毂侧平面方程和举升机侧平面方程；其中dx、dy、f、u_o、v_o为摄像机预设的内部参数，通过标定求出；Zc为常数，为目标离摄像机坐标系的距离；假设摄像机坐标系与世界坐标系重合，则R、t在方程等式的两边相等，可直接去除。

步骤四、判断轮毂侧平面方程和举升机侧平面方程拟合结果是否合理；若是，则计算在举升机支撑平面上，轮毂侧平面与举升机侧平面投影线夹角，即轮侧毂平面法向量与举升机侧面法向量的夹角，从而获得外倾角；车面向前摄像装置，左右两边车轮伪前束角分别为α、β；计算在竖直方向垂直于举升机侧平面的平面上，轮毂侧平面与举升机侧平面投影线的夹角获得伪前束角α、β；若否则回到步骤一重新按步骤一至步骤四进行操作。当进行拟合平面时，每次随机抽取80％的点进行平面拟合，共拟合N次(N>10)，如果N次拟合的结果方差较小，或者结果相似则表示拟合成功，如果N次拟合的结果方差较大，则表示拟合失败。

步骤五、通过前拍摄装置获得车和举升机的俯视图，再根据数字图像几何畸变的自动校正方法转换成标准俯视图。

前摄像装置设置于车正前方偏上位置，由于拍摄角度导致拍摄获得的俯视图与标准俯视图之间存在摄像装置坐标系的空间旋转差异。为了解决上述问题，转换成标准俯视图时，分别输入举升机四个角点的实际位置信息，再通过数字图像几何畸变的自动校正方法将俯视图转换成标准俯视图，保证后续步骤计算结果的准确性。

步骤六、将标准俯视图根据结构对称和颜色对称的方式将结构对称点坐标设为x，颜色对称点坐标设为y，当x≈y时，对称中心的点坐标为(x+y)/2，将沿车身纵向的对称中线点连接拟合，形成车和举升机的对称中心线。

将汽车车顶及举升机顶部的对称性分为结构对称和颜色对称。数据处理模块根据步骤二获得的标准俯视图上的坐标信息以及颜色信息，并进行对称性检验分析，找出标准俯视图上垂直于车身和举升机纵向的每一行的对称中心点，然后对获得的所有对称中心点进行判别。具体的判别方法为假设基于结构对称性得到每一行对称中心位置坐标值为x，基于颜色对称性得到每一行的对称中心位置坐标值为y，当同一行的x与y值较为接近时，可认为该行的对称中心位置的可信度较高，该行的对称中心位置取值为(x+y)/2；从沿车身纵向即竖直方向看，对称中心的位置应呈现出连续变化，分析每行对称中心位置在水平方向上的投影，筛选保留呈现出连续变化的对称中心点，并将分布离散的对称中心点去除，然后对保留的对称中心点进行拟合，最终找出车身和举升机的对称中心线。

步骤七、以车和举升机中心线指向前摄像装置的方向为正方向，且以举升机中心线所在直线为Y轴，车面向前摄像装置左前轮指向右前轮的方向为X轴正方向，建立直角坐标系，计算车和举升机中心线的夹角，即车中心线与Y轴的夹角，获得补偿角δ。

步骤八、车面向前摄像装置，左右前车轮前束角分别为α’、β’，计算前束角，α’＝α-δ、β’＝β+δ；输出前束角和外倾角，结束流程。

本发明通过前摄像装置和侧摄像系统拍摄获得图片，再由四轮定位分析软件对图片进行处理计算而获得汽车的外倾角和前束角，且前拍摄装置和侧拍摄系统中各个拍摄装置均独立提供数据使四轮定位分析装置完成外倾角和前束角的数据计算，仪器成本低，结构简单，测量方便，且测量结果精度高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式四轮定位仪，其特征在于，包括举升机、侧拍摄系统、前拍摄装置和四轮定位分析装置；举升机包括两相对的支撑板，每一支撑板端部分别设有至少1个标记点；侧拍摄系统包括4个侧拍摄装置，侧拍摄装置可移动的设置于两支撑板的两侧，且分别与标记点对应；前拍摄装置设于举升机的前方；侧拍摄装置及前拍摄装置与所述四轮定位分析装置电性连接；其中四轮定位分析装置根据侧拍摄装置获取的支撑板侧面、标记点和轮毂的位置信息以及前拍摄装置获取的车和举升机的俯视图信息计算每个车轮的外倾角和每个前轮的前束角。

2.根据权利要求1所述非接触式四轮定位仪，其特征在于，每个侧拍摄装置至少包括1个摄像机；前拍摄装置至少包括1个摄像机。

3.根据权利要求1所述非接触式四轮定位仪，其特征在于，还包括用于支撑前拍摄装置和侧拍摄装置的支撑架。

4.根据权利要求3所述非接触式四轮定位仪，其特征在于，支撑架底部均设有轮子。

5.根据权利要求1所述非接触式四轮定位分析仪，其特征在于，举升机支撑板侧平面和顶部平面的平整度≤3mm/m²。

6.根据权利要求4所述非接触式四轮定位分析仪，其特征在于，举升机支撑板侧平面和上表面的平整度≤1mm/m²。

7.一种非接触式四轮定位仪的检测方法，包括车、举升机、侧拍摄系统和前拍摄装置，其特征在于，举升机侧面上设有多个标记点，包括以下步骤：

步骤一、通过侧拍摄系统获得车和举升机的侧视图；

步骤二、根据车轮毂和轮胎的颜色差异，将侧视图用二值化方法处理，获得车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点；

步骤三、将车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点坐标根据公式 $Z_c\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{dx}}& 0& u_0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{dy}}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$ 将标准图像中的坐标转换成世界坐标，并根据车轮毂边缘像素点和举升机侧面标记点世界坐标拟合出轮毂侧平面方程和举升机侧平面方程；其中dx、dy、f、u_o、v_o为摄像机预设的内部参数，通过标定求出；Zc为常数，为目标离摄像机坐标系的距离；假设摄像机坐标系与世界坐标系重合，则R、t可直接去除；

步骤四、判断拟合结果是否合理；若是，则计算在举升机支撑平面上，轮毂侧平面与举升机侧平面投影线夹角获得外倾角；车面向前摄像装置，左右两边车轮伪前束角分别为α、β；计算在竖直方向垂直于举升机侧平面的平面上，轮毂侧平面与举升机侧平面投影线的夹角获得伪前束角α、β；若否则回到步骤一重新按步骤一至步骤四进行操作；

步骤五、通过前拍摄装置获得车和举升机的俯视图，再根据数字图像几何畸变的自动校正方法转换成标准俯视图；

步骤六、将标准俯视图根据结构对称和颜色对称的方式将结构对称点坐标设为x，颜色对称点坐标设为y，当x≈y时，对称中心的点坐标为(x+y)/2，将沿车身纵向的对称中线点连接拟合，形成车和举升机的对称中心线；

步骤七、以车和举升机中心线指向前摄像装置的方向为正方向，且以举升机中心线所在直线为Y轴，车面向前摄像装置左前轮指向右前轮的方向为X轴正方向，建立直角坐标系，计算车和举升机中心线的夹角，即车中心线与Y轴的夹角，获得补偿角δ；

步骤八、车面向前摄像装置，左右前车轮前束角分别为α’、β’，计算前束角，α’＝α-δ、β’＝β+δ；输出前束角和外倾角，结束流程。

8.根据权利要求6所述非接触式四轮定位仪的检测方法，其特征在于，在执行步骤二时，其具体的操作为：根据轮毂和轮胎颜色差异较大的特点，对侧视图进行二值化操作，即将图中像素点分为白色与黑色两类，从而将轮毂部分独立出来，对于图像中可能还存在的其他白色区域的干扰，通过区域生长法对图中各白色区域进行标记，并依此判断每个区域的外接矩形，如果外接矩形接近正方形，边长足够大，且位置位于图像中间区域，则该区域为轮毂区域，从而提取并获得轮毂区域的边缘点。

9.根据权利要求6所述非接触式四轮定位仪的检测方法，其特征在于，当进行步骤六时，分别保留对称中心点在水平方向投影沿车身纵向呈连续变化的点，并分别将对称中心点拟合成车身对称中心线和举升机对称中心线。