CN104483144B

CN104483144B - 一种鲁棒的基于机器视觉的汽车3d四轮定位参数检测方法

Info

Publication number: CN104483144B
Application number: CN201410794607.1A
Authority: CN
Inventors: 殷春平; 林麒; 吴了泥
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Guangzhou Chemaju Technology Development Co.,Ltd.
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2034-12-18
Also published as: CN104483144A

Abstract

一种鲁棒的基于机器视觉的汽车3D四轮定位参数检测方法，涉及汽车四轮定位参数的检测方法。在车轮运动过程中，利用摄像机拍摄安装于轮毂上的标定板，经过图像处理获得运动前后四个车轮上标定板与摄像机之间的位姿参数关系，利用获得的位姿参数关系求解出运动补偿角，并通过运动补偿角校正标定板与摄像机之间的位姿矩阵；利用校正后的位姿矩阵求解表示车轮平面、旋转轴、车身坐标系轴的参数，进而根据四轮定位参数的几何定义求出四轮定位参数。操作简单，可快速准确求出四轮定位的主要参数。由于带有运动补偿算法，具有强的抗干扰性，即便是在如轮胎磨损，方向盘没有回正，车轮不在测试台同一平面等多种复杂测试工况下均可准确测得四轮定位数据。

Description

一种鲁棒的基于机器视觉的汽车3D四轮定位参数检测方法

技术领域

本发明涉及汽车四轮定位参数的检测方法，尤其是涉及一种鲁棒的基于机器视觉的汽车3D四轮定位参数检测方法。

背景技术

汽车车轮定位参数主要包括：前束角、外倾角、前轮总前束、后轮总前束和推进角。

汽车车轮定位参数作为汽车检测一项重要内容，其准确度直接影响着汽车的安全性能、操纵稳定性。随着计算机、摄像头和光学传感器的不断发展，传统机械式、红外式、激光式四轮定位仪被逐渐淘汰，基于机器视觉的四轮定位产品具有非接触、操作简便、速度快等优点。

目前，大部分汽车车轮定位参数检测的研究主要论述了相机标定模型或定位参数的几何模型，很难做到多次重复的高精度测量，也很少提到如何建立车身坐标系，如何对定位参数的高精度测量和补偿等问题的解决。这也导致市面上很多汽车四轮定位产品测量准确度和精度都不高；尤其是轮胎严重磨损、方向盘未回正、车轮不在测试台同一平面等多种复杂测试工况下出现数据重复度差等缺点。

中国专利CN101294872公开一种汽车四轮定位参数检测数学模型，首先检测安装在车轮轮毂上随其运动的反光板及其图像上的特征点，对特征点进行配准优化，计算反光板及其图像间的最优单应性矩阵，然后根据摄像机内参数矩阵和单应性矩阵计算旋转矩阵并优化旋转矩阵，最后从旋转矩阵中分解出车轮旋转轴线和主销轴线的方向余弦，从而求出四轮定位参数。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种鲁棒的基于机器视觉的汽车3D四轮定位参数检测方法。

本发明包括以下步骤：

1)在车轮运动过程中，利用摄像机拍摄安装于轮毂上的标定板，经过图像处理获得运动前后四个车轮上标定板与摄像机之间的位姿参数关系；

2)利用步骤1)获得的位姿参数关系求解出运动补偿角，并通过运动补偿角校正标定板与摄像机之间的位姿矩阵；

3)利用校正后的位姿矩阵求解表示车轮平面、旋转轴、车身坐标系轴的参数，进而根据四轮定位参数的几何定义求出四轮定位参数。

在步骤3)中，所述四轮定位参数包括：车轮前束角、车轮外倾角、前轮总前束、后轮总前束和推进角等。

按照四轮定位参数的定义，车轮前束角和车轮外倾角满足以下数学公式：

其中，(y_{v_1},y_{v_2},y_{v_3})，(z_{v_1},z_{v_2},z_{v_3})分别为车身坐标系y_v轴，z_v＝轴在摄像机坐标系下的向量，(n₁,n₂,n₃)为车轮平面的法向量，也是旋转平面的法向量。

前轮总前束满足：∠z_vo_vE_{_front}＝∠z_vo_vE₁+∠z_vo_vE₂；

后轮总前束满足：∠z_vo_vE_{_rear}＝∠z_vo_vE₃+∠z_vo_vE₄；

推进角满足：Propulsion_angle＝∠z_vo_vF₄--∠z_vo_vF₃；

其中，∠z_vo_vE₁，∠z_vo_vE₂，∠z_vo_vE₃，∠z_vo_vE₄分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的前束角；∠z_vo_vF₁，∠z_vo_vF₂，∠z_vo_vF₃，∠z_vo_vF₄分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的外倾角。

为更理解上述求解方案，先做原理及步骤推导如下：

1、在汽车前后运动一小段过程中，利用已标定好的摄像机拍照，获取反映摄像机与固定在轮毂的标定板之间的位姿关系所对应的齐次矩阵^cH_wij。其中，^cH_wij表示第i个标定板第j次相对于相机坐标系的位姿齐次矩阵，也即第i个车轮在第j次相对于相机坐标系的位姿齐次矩阵，i＝1，2，3，4；j＝1，2。

2、根据位姿齐次矩阵定义，将^cH_wij分解成表示姿态与位置的参数矩阵^cR_wij，^cT_wij，

其中，^cT_wij为3×1矩阵，表示第i个车轮中心在第j个位置时在摄像机坐标系中的三维坐标。R为3×3矩阵，表示第i个车轮坐标系在第j个位置时相对于摄像机坐标系的旋转矩阵。

3、求解车身坐标系o-x_vy_vz_v。根据最小二乘法拟合出四个车轮中心^cT_wij所组成面法的线向量y_v＝(y_{v_1},y_{v_2},y_{v_3})，也即车身坐标系y_v轴。并以前后轴中点连线为z_v＝(z_{v_1},z_{v_2},z_{v_3})轴，再利用右手法则，求出向量x_v，构建出车身坐标系o-x_vy_vz_v。

已知^cT_wij＝[^cx_wij，^cy_wij，^cz_wij]，设车身水平面方程为y_{v_1}X+y_{v_2}Y+y_{v_3}Z＝0

求向量y_v

求向量z_v

z_v＝y_v×[(^cT_w31+^cT_w41-^cT_w11-^cT_w21)/2]×y_v＝(z_{v_1}，z_{v_2}，z_{v_3}) (3)

求向量x_v

x_v＝y_v×z_v (4)

4、求解推车过程中的运动偏差角θ。

在推车测量过程中，理想状态①直线运动至状态②，由于方向盘没回正、车辆的轮胎磨损或测试台不平等多种原因，导致汽车推进线与车体中心线不重合，使得运动状态由状态①变化至状态③，从而该推车过程不是理想的直线运动，而是一种复杂的曲线运动。

对于整个车体轴距来讲，汽车移动距离小，所以这个推车过程的运动轨迹可以看简化成一个和理想直线轨迹偏差θ角的斜线，推车过程也就近似为一个绕车身法向量o_vy_v旋转θ角的运动，计算时只需将状态③时的车体绕法向量o_vy_v逆时针旋转θ角就能补偿到理想状态②。

求向量z’_v，θ。

z’_v＝y_v×[(^cT_w32+^cT_w42-^cT_w12-^cT_w22)/2]×y_v (5)

θ＝arcos<z_v，z’_v> (6)

5、运动补偿在第2个位置时每个车轮的姿态，以左后轮为例。

其数学关系满足

其中，^cH_w33为摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c相对标定板坐标系o_w33-x_w33y_w33z_w33(状态③)的齐次矩阵，^cH_w32为o_c-x_cy_cz_c相对标定板坐标o_w33-x_w32y_w32z_w32(状态②)的齐次矩阵，(Ox，Oy，Oz)为车体中点o_v3的坐标，R_l表示绕轴y_v旋转θ的矩阵。

R_l根据四元数法理论，有

参数q₀、q₁、q₂、q₃为矢量y_v的四元数因子，表示为：

其中，(y_v1,y_v2,y_v3)是轴y_v的方向向量。

6、求解运动补偿后的车轮平面运动关系矩阵^w33H_w31。

即求o_w31-x_w33y_w31z_w31与坐标系o_w33-x_w33y_w33z_w33之间相对关系矩^w33H_w31，

由此可将^w33H_w31分解成矩阵R，T。其中T为3×1矩阵，表示车轮的平移运动。R为3×3矩阵，表示车轮的旋转运动。

7、求解车轮平面旋转轴n

假设车轮旋转轴的方向向量为n＝(n₁，n₂，n₃)，旋转角度为φ，根据旋转向量法，R又可表示为

进一步求出旋转轴的方向向量n和绕轴旋转的角度。

其中，R_ij(i，j＝1,2,3)表示矩阵R行列中的元素。

8、求解车轮平面方程，即旋转平面方程平面ABCD的方程

即n₁X+n₂Y+n₃Z＝0 (13)

9、求解车轮前束角∠z_vo_vE和外倾角∠z_vo_vF

根据平面与向量之间的几何关系，可求得∠z_vo_vE和∠z_vo_vF分别如下：

10、求解四轮定位的其他参数。

同理重复步骤1～9，求出汽车其他车轮前束角和外倾角。左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的前束角分别由∠z_vo_vE₁，∠z_vo_vE₂，∠z_vo_vE₃，∠z_vo_vE₄表示。外倾角分别由∠z_vo_vF₁，∠z_vo_vF₂，∠z_vo_vF₃，∠z_vo_vF₄表示。

则前轮总前束∠z_vo_vE_{_front}＝∠z_vo_vE₁+∠z_vo_vE₂； (15)

则后轮总前束∠z_vo_vE_{_rear}＝∠z_vo_vE₃+∠z_vo_vE₄； (16)

推进角Propulsion_angle＝∠z_vo_vF₄--∠z_vo_vF₃。 (17)

为了求解四轮定位参数，先根据四轮定位参数的定义，确定其与车轮平面(即车轮旋转平面)、旋转轴、车身坐标系之间的几何关系，然后求解四轮定位参数。采用本发明操作简单，可以快速准确的求出四轮定位的主要参数。且由于带有运动补偿算法，具有强的抗干扰性，即便是在如轮胎磨损，方向盘没有回正，车轮不在测试台同一平面等多种复杂测试工况下均可准确测得四轮定位数据。

附图说明

图1为汽车运动与坐标系之间的关系。

图2为运动补偿示意图。

图3为车轮前束角与外倾角的几何模型。

具体实施方式

现将本发明的具体实施方式叙述如下。

本发明的选择一个普通典型事例和任选车轮(左后车轮)，结合附图详述如下：

参见图1～3，在本发明是一种基于机器视觉的汽车3D四轮定位参数检测方法，具体步骤和公式详述如下：

其中^cT_wij为3×1矩阵，表示第i个车轮中心在第j个位置时在摄像机坐标系中的三维坐标。R为3×3矩阵，表示第i个车轮坐标系在第j个位置时相对于摄像机坐标系的旋转矩阵。

3、求解车身坐标系o-x_vy_vz_v。

根据最小二乘法拟合出四个车轮中心^cT_wij所组成面法的线向量y_v＝(y_{v_1},y_{v_2},y_{v_3})，也即车身坐标系y_v轴。并以前后轴中点连线为z_v＝(z_{v_1},z_{v_2},z_{v_3})轴，再利用右手法则，求出向量x_v，构建出如图1所示车身坐标系o-x_vy_vz_v。

求向量y_v

求向量z_v

求向量x_v

x_v＝y_v×z_v (4)

4、求解推车过程中的运动偏差角θ

求向量z’_v，

z’_v＝y_v×[(^cT_w32+^cT_w42-^cT_w12-^cT_w22)/2]×y_v (5)

θ＝arcos<z_v，z’_v> (6)

其数学关系满足

R_l根据四元数法理论，有

参数q₀、q₁、q₂、q₃为矢量y_v的四元数因子，表示为：

其中(y_v1,y_v2,y_v3)是轴y_v的方向向量。

6、求解运动补偿后的车轮平面运动关系矩阵^w33H_w31。

由此可将^w33H_w31分解成矩阵R，T。其中T为3×1矩阵，表示车轮的平移运动。R为3×3矩阵，表示车轮的旋转运动，

7、求解车轮平面旋转轴n

假设车轮旋转轴的方向向量为n＝(n₁，n₂，n₃)，旋转角度为φ，根据旋转向量法，R又可表示为：

进一步求出旋转轴的方向向量n和绕轴旋转的角度。

其中R_ij(i，j＝1,2,3)表示矩阵R行列中的元素。

8、求解车轮平面方程，即旋转平面方程平面ABCD的方程

即n₁X+n₂Y+n₃Z＝0 (13)

9、求解车轮前束角∠z_vo_vE和外倾角∠z_vo_vF

10、求解四轮定位的其他参数。

同理，重复步骤1～9，，求出汽车其他车轮前束角和外倾角。左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的前束角分别由∠z_vo_vE₁，∠z_vo_vE₂，∠z_vo_vE₃，∠z_vo_vE₄表示。外倾角分别由∠z_vo_vF₁，∠z_vo_vF₂，∠z_vo_vF₃，∠z_vo_vF₄表示。

则前轮总前束∠z_vo_vE_{_front}＝∠z_vo_vE₁+∠z_vo_vE₂； (15)

则后轮总前束∠z_vo_vE_{_rear}＝∠z_vo_vE₃+∠z_vo_vE₄； (16)

推进角Propulsion_angle＝∠z_vo_vF₄--∠z_vo_vF₃。 (17)。

Claims

1.一种鲁棒的基于机器视觉的汽车3D四轮定位参数检测方法，本方法可较快速准确的求出四轮定位的主要参数，且由于带有运动补偿算法，具有较强的抗干扰性，即便是在如轮胎磨损，方向盘没有回正，车轮不在测试台同一平面多种复杂测试工况下均可准确测得四轮定位数据，其特征在于包含以下步骤：

1)在汽车前后运动一小段过程中，利用已标定好的摄像机拍照，获取反映摄像机与固定在轮毂的标定板之间的位姿关系所对应的位姿齐次矩阵^cH_wij，其中，^cH_wij表示第i个标定板第j次相对于相机坐标系的位姿齐次矩阵，也即第i个车轮在第j次相对于相机坐标系的位姿齐次矩阵，i＝1，2，3，4；j＝1，2；

2)根据位姿齐次矩阵的定义，将^cH_wij分解成表示姿态与位置的参数矩阵^cR_wij，^cT_wij；

其中

^cT_wij为3×1矩阵，表示第i个车轮中心在第j个位置时在摄像机坐标系中的三维坐标；

^cR_wij为3×3矩阵，表示第i个车轮坐标系在第j个位置时相对于摄像机坐标系的旋转矩阵；

3)求解车身坐标系o-x_vy_vz_v：根据最小二乘法拟合出四个车轮中心^cT_wij所组成面法的线向量y_v＝(y_{v_1},y_{v_2},y_{v_3})，也即车身坐标系y_v轴，并以前后轴中点连线为z_v＝(z_{v_1},z_{v_2},z_{v_3})轴，再利用右手法则，求出向量x_v，构建出车身坐标系o-x_vy_vz_v；

因为^cT_wij为3×1矩阵，故写成^cT_wij＝[^cx_wij，^cy_wij，^cz_wij]，

设车身水平面方程为y_{v_1}X+y_{v_2}Y+y_{v_3}Z＝0

求向量y_v

求出y_{v_1},y_{v_2},y_{v_3}

求向量z_v

z_v＝y_v×[(^cT_w31+^cT_w41-^cT_w11-^cT_w21)/2]×y_v＝(z_{v_1}，z_{v_2}，z_{v_3})

求向量x_v

x_v＝y_v×z_v

4)求解推车过程中的运动偏差角θ：

在推车测量过程中，初始状态直线运动至理想状态，由于方向盘没回正、车辆的轮胎磨损或测试台不平多种原因，导致汽车推进线与车体中心线不重合，使得初始状态变化至实际状态，从而该推车过程不是理想的直线运动，而是一种复杂的曲线运动；

对于整个车体轴距来讲，汽车移动距离小，所以这个推车过程的运动轨迹可以看简化成一个和理想直线轨迹偏差θ角的斜线，推车过程也就近似为一个绕车身法向量o_vy_v旋转θ角的运动，计算时只需将实际状态时的车体绕法向量o_vy_v逆时针旋转θ角就能补偿到理想状态；

求向量z’_v，θ：

z’_v＝y_v×[(^cT_w32+^cT_w42-^cT_w12-^cT_w22)/2]×y_v

θ＝arcos<z_v，z’_v>

5)利用运动补偿角校正在第2个位置时每个车轮的姿态，以左后轮为例，

其数学关系满足

其中，^cH_w33为摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c相对标定板坐标系o_w33-x_w33y_w33z_w33在实际状态时的位姿齐次矩阵，^cH_w32为o_c-x_cy_cz_c相对标定板坐标o_w33-x_w32y_w32z_w32在理想状态时的位姿齐次矩阵，(Ox，Oy，Oz)为车体中点O_v3的坐标，R_l表示绕轴y_v旋转θ的矩阵；

R_l根据四元数法理论，有

参数q₀、q₁、q₂、q₃为矢量y_v的四元数因子，表示为：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>q</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>q</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>q</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>q</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mn>3</mn> </mrow> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，(y_v1,y_v2,y_v3)是轴y_v的方向向量；

6)求解运动补偿后的车轮平面运动关系矩阵^w33H_w31：

即求坐标系o_w31-x_w33y_w31z_w31与坐标系o_w33-x_w33y_w33z_w33之间相对位姿齐次矩阵^w33H_w31，

由此可将^w33H_w31分解成矩阵R，T，其中T为3×1矩阵，表示车轮的平移运动，R为3×3矩阵，表示车轮的旋转运动；

7)求解车轮平面旋转轴n：

假设车轮旋转轴的方向向量为n＝(n₁，n₂，n₃)，旋转角度为根据旋转向量法，R又可表示为

进一步求出旋转轴的方向向量n和绕轴旋转的角度

其中，R_ij(i，j＝1,2,3)表示矩阵R行列中的元素；

8)求解车轮平面方程：即旋转平面方程平面ABCD的方程n₁X+n₂Y+n₃Z＝0；

9)求解车轮前束角∠z_vo_vE和外倾角∠z_vo_vF：

根据平面与向量之间的几何关系，可求得∠z_vo_vE和∠z_vo_vF数学关系分别如下，

10)求解四轮定位的其他参数：

同理重复步骤1)～9)求出其他车轮前束角和外倾角：左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的前束角分别由∠z_vo_vE₁，∠z_vo_vE₂，∠z_vo_vE₃，∠z_vo_vE₄表示，外倾角分别由∠z_vo_vF₁、∠z_vo_vF₂、∠z_vo_vF₃、∠z_vo_vF₄表示，

前轮总前束∠z_vo_vE_{_front}＝∠z_vo_vE₁+∠z_vo_vE₂；

后轮总前束∠z_vo_vE_{_rear}＝∠z_vo_vE₃+∠z_vo_vE₄；

推进角Propulsion_angle＝∠z_vo_vF₄--∠z_vo_vF₃。