CN107449589B - 一种hud成像位置检测装置及方法 - Google Patents

一种hud成像位置检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种HUD成像位置检测装置，包括挡风玻璃固定部分(1)、HUD固定部分(2)、检测装置部分(3)、检测装置固定调节部分(4)，挡风玻璃固定部分(1)包括挡风玻璃(11)、挡风玻璃固定支架一(12)、挡风玻璃固定支架二(13)、挡风玻璃安装角度调节机构(14)，HUD固定部分(2)包括HUD装置(21)、多维度调节平台(22)、调节平台固定支架(24)，检测装置部分(3)包括检测镜头(31)、检测镜头调节机构(33)、检测镜头固定杆(32)，检测镜头固定杆(32)安装在检测装置固定调节部分(4)上；本发明实现了HUD成像位置检测，保证行车安全，消除成像位置偏差对HUD使用带来的影响。

Description

一种HUD成像位置检测装置及方法
[技术领域]
本发明涉及HUD检测技术领域，具体地说是一种HUD成像位置检测装置及方法。
[背景技术]
HUD(head up display)为抬头显示器，近些年HUD越来越多的出现在汽车上，为行车安全提供了很大的保障。随着HUD的技术逐渐成熟，产量逐渐扩大，HUD的检测设备是必不可少的。现有检测设备对一般光学系统的对比度、畸变、亮度等指标的检测是很成熟的。例如：专利号2016210632587，专利名称：一种HUD影像测试设备，该专利中介绍了一种HUD影像测试的设备，可以对HUD影像视野范围、像质、尺寸、色彩、亮度进行测试。
但HUD不同于镜头等光学系统，其应用的场合决定了它有一个更为重要的指标需要进行检测：成像位置。在实际装车过程中，挡风玻璃的安装角度偏差，HUD产品的安装位置偏差都会造成HUD成像位置发生偏移。成像位置偏差过大会严重影响HUD的使用效果。成像的位置过低会和汽车的前引擎盖重叠，驾驶员不能清晰看到车速、导航等重要信息，从而对行车安全造成威胁。而上述专利并不能对成像位置进行评估与检测，而缺少了这项指标评定的HUD必然存在隐患。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种HUD成像位置检测装置，能够实现HUD成像位置检测，保证了行车安全，消除了成像位置偏差对于HUD使用效果带来的影响。
为实现上述目的设计一种HUD成像位置检测装置，包括挡风玻璃固定部分1、HUD固定部分2、检测装置部分3、检测装置固定调节部分4，所述HUD固定部分2设置在挡风玻璃固定部分1的一侧，所述检测装置部分3、检测装置固定调节部分4均设置在挡风玻璃固定部分1的另一侧，所述挡风玻璃固定部分1包括挡风玻璃11、挡风玻璃固定支架一12、挡风玻璃固定支架二13、挡风玻璃安装角度调节机构14，所述挡风玻璃11安装在挡风玻璃固定支架一12上，所述挡风玻璃固定支架一12连接在挡风玻璃固定支架二13上，并通过挡风玻璃安装角度调节机构14调整角度，所述HUD固定部分2包括HUD装置21、多维度调节平台22、调节平台固定支架24，所述多维度调节平台22用于对HUD装置21的高度、水平方向角度进行调节，所述多维度调节平台22安装在调节平台固定支架24上，所述检测装置部分3包括检测镜头31、检测镜头调节机构33、检测镜头固定杆32，所述检测镜头31通过检测镜头调节机构33安装在检测镜头固定杆32上端处，所述检测镜头调节机构33用于对检测镜头31的俯仰角、水平角度、前后位置进行微调，所述检测镜头固定杆32下端安装在检测装置固定调节部分4上，并通过检测装置固定调节部分4进行横向及纵向的粗调节。
进一步地，所述检测装置部分3内部包括CCD芯片34、步进电机35、齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38、FPGA芯片，所述检测镜头31固定在外壳39的几何中心，所述外壳39安装在检测镜头固定杆32顶端，所述检测镜头31后端连接CCD芯片34，所述CCD芯片34与步进电机35相连，所述检测镜头31与CCD芯片34之间距离由步进电机35通过螺纹传动进行微调，所述步进电机35与FPGA芯片相连，所述检测镜头31与CCD芯片34之间距离通过FPGA芯片进行控制调节，并进行读数，所述齿轮一36用于控制检测镜头31俯仰角，所述齿轮二37用于控制检测镜头31前后位置的微调，所述齿轮三38用于控制检测镜头31水平角度的微调，所述齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38均由主板连接相应电机以控制传动。
进一步地，所述检测装置固定调节部分4包括水平横向调节滑轨41、水平纵向调节滑轨42，所述水平纵向调节滑轨42安装在水平横向调节滑轨41上，并沿水平横向调节滑轨41作横向移动，所述检测镜头固定杆32下端连接在水平纵向调节滑轨42上，并沿水平纵向调节滑轨42作纵向移动。
进一步地，所述HUD装置21顶端设有带光阑25的上盖23，所述带光阑25的上盖23用于控制从HUD装置21出射光束的口径。
进一步地，所述光阑25的直径为5-10mm。
进一步地，所述外壳39外部安装有读数表盘，所述读数表盘与FPGA芯片电连接，所述读数表盘用于在测试前进行调整校对。
本发明还提供了一种利用上述HUD成像位置检测装置的检测方法，包括以下步骤：
1)成像角度检测
首先加工一个HUD装置的上盖，在通过上盖的主光线所在位置设置一个光阑，使得HUD装置只有光阑孔位出射光线；
然后用CCD芯片进行一次采样，CCD芯片采集到一个光斑的数据，并将数据信息传输给FPGA芯片，FPGA芯片对采集到的数据进行质心计算，质心算法公式如下：
其中，Iij为二维图像上每个像素点接收到的光强，得到该位置的坐标(xc，yc)后与中心点(0,0)进行比较，计算偏差，然后转动电机调整检测镜头调节机构，并再次计算质心坐标，继续调整，直至得到的坐标(xc，yc)与中心点(0,0)几乎重合，此时读出竖直方向旋转的角度，该角度即HUD产品的成像角度；
2)成像距离检测
将CCD芯片在当前位置进行一次采样，得到一幅图像后对图像进行分析，并对图像信息进行记录；
此时CCD芯片与螺纹均处于初始零位，控制步进电机转动，改变CCD芯片与检测镜头之间的距离，并记录步数、图像信息，如此反复，最终在螺纹全量程内得到N组数据，将这N组锐度、对比度的图像信息与步进距离绘制成图像，得出图像最清晰点的位置信息，此时的位置信息便是CCD芯片与检测镜头之间的距离；
对于检测镜头本身，已知其焦距及其他结构参数，则可计算出该透镜的主点的位置，并根据其结构参数以及CCD芯片与检测镜头之间的距离，得到此时的像距，由焦距和像距，根据高斯公式其中，l’为像距，f’为焦距，则可求出此时的物距l，该物距即为需要的成像距离；
3)成像位置计算与比较
根据步骤1)及步骤2)已测定的成像角度与成像距离，则可计算出成像的具体位置；
然后在实际汽车的空间布局上，即可看出该位置的像是否合适，最终得出HUD装置是否合格的结论。
进一步地，成像距离检测之前，先对步进电机的步数与螺纹的传动距离进行一次标定，以在测试时通过对步进电机步数的记录得到CCD芯片及相关螺纹移动的距离。
进一步地，成像距离检测过程中，HUD选用黑白格图片进行显示，便于进行图像算法处理。
本发明同现有技术相比，通过在检测前对检测装置的角度进行高精度自动化调整与检测，角度检测完成后继续对成像距离进行检测，最终得出HUD产品的成像位置信息(角度，距离)，并根据汽车结构数据给出判定结果，实现HUD成像位置检测，保证了行车安全，避免了挡风玻璃安装角度偏差以及HUD产品安装位置偏差，所造成的HUD成像位置发生偏移，消除了成像位置偏差对于HUD使用效果带来的影响；此外，本发明所述的检测系统由一个FPGA芯片进行控制，实现对数据采集，算法处理，以及对控制系统进行调节，自动化程度高，安全可靠，值得推广应用。
[附图说明]
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中挡风玻璃固定部分的结构示意图；
图3是本发明中HUD固定部分的结构示意图；
图4是本发明中检测装置部分的结构示意图；
图5是本发明中检测装置部分上部的放大结构示意图；
图6是本发明中检测装置固定调节部分的结构示意图；
图7是本发明中HUD装置的结构示意图；
图8是本发明成像角度的测量原理示意图；
图9是本发明中检测镜头处的局部结构示意图；
图10是本发明成像距离检测过程中HUD的黑白格显示图；
图11是本发明成像位置计算示意图；
图12是本发明的测试流程图；
图中：1、挡风玻璃固定部分 11、挡风玻璃 12、挡风玻璃固定支架一 13、挡风玻璃固定支架二 14、挡风玻璃安装角度调节机构 2、HUD固定部分 21、HUD装置 22、多维度调节平台 23、上盖 24、调节平台固定支架 25、光阑 3、检测装置部分 31、检测镜头 32、检测镜头固定杆 33、检测镜头调节机构 34、CCD芯片 35、步进电机 36、齿轮一 37、齿轮二 38、齿轮三 39、外壳 4、检测装置固定调节部分 41、水平横向调节滑轨 42、水平纵向调节滑轨。
[具体实施方式]
如附图所示，本发明提供了一种HUD成像位置检测装置，包括挡风玻璃固定部分1、HUD固定部分2、检测装置部分3、检测装置固定调节部分4，HUD固定部分2设置在挡风玻璃固定部分1的一侧，检测装置部分3、检测装置固定调节部分4均设置在挡风玻璃固定部分1的另一侧，挡风玻璃固定部分1包括挡风玻璃11、挡风玻璃固定支架一12、挡风玻璃固定支架二13、挡风玻璃安装角度调节机构14，挡风玻璃11安装在挡风玻璃固定支架一12上，挡风玻璃固定支架一12连接在挡风玻璃固定支架二13上，并通过挡风玻璃安装角度调节机构14调整角度，HUD固定部分2包括HUD装置21、多维度调节平台22、调节平台固定支架24，多维度调节平台22用于对HUD装置21的高度、水平方向角度进行调节，多维度调节平台22安装在调节平台固定支架24上，检测装置部分3包括检测镜头31、检测镜头调节机构33、检测镜头固定杆32，检测镜头31通过检测镜头调节机构33安装在检测镜头固定杆32上端处，检测镜头调节机构33用于对检测镜头31的俯仰角、水平角度、前后位置进行微调，检测镜头固定杆32下端安装在检测装置固定调节部分4上，并通过检测装置固定调节部分4进行横向及纵向的粗调节。
其中，检测装置部分3包括CCD芯片34、步进电机35、齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38、FPGA芯片，检测镜头31固定在外壳39的几何中心，外壳39安装在检测镜头固定杆32顶端，检测镜头31后端连接CCD芯片34，CCD芯片34与步进电机35相连，检测镜头31与CCD芯片34之间距离由步进电机35通过螺纹传动进行微调，步进电机35与FPGA芯片相连，检测镜头31与CCD芯片34之间距离通过FPGA芯片进行控制调节，并进行读数，齿轮一36用于控制检测镜头31俯仰角，齿轮二37用于控制检测镜头31前后位置的微调，齿轮三38用于控制检测镜头31水平角度的微调，齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38均由主板连接相应电机以控制传动；外壳39外部安装有读数表盘，读数表盘与FPGA芯片电连接，读数表盘用于在测试前进行调整校对。
本发明中，检测装置固定调节部分4包括水平横向调节滑轨41、水平纵向调节滑轨42，水平纵向调节滑轨42安装在水平横向调节滑轨41上，并沿水平横向调节滑轨41作横向移动，检测镜头固定杆32下端连接在水平纵向调节滑轨42上，并沿水平纵向调节滑轨42作纵向移动。HUD装置21顶端设有带光阑25的上盖23，带光阑25的上盖23用于控制从HUD装置21出射光束的口径，光阑25的直径为5-10mm。
如附图1所示，整个测试系统共分为四个部分：挡风玻璃固定部分，HUD固定部分，检测装置部分，检测装置固定及调节部分。如附图2所示，挡风玻璃固定部分包含挡风玻璃、挡风玻璃固定支架一、挡风玻璃固定支架二、挡风玻璃安装角度调节机构。如附图3所示，HUD固定部分包含有HUD装置、带光阑的上盖、多维度调节平台、调节平台固定支架，该多维度调节平台可以对HUD的高度、水平方向角度进行调节，使HUD能够正确安装在理论设计位置；带光阑的上盖可以控制从HUD出射光束的口径，从而提高测试精度。如附图4所示，检测装置部分包含有检测镜头、检测镜头固定杆、检测镜头调节机构，该检测镜头调节机构可以对检测镜头进行俯仰角、水平角度、前后位置的微调，其调节全部由电机控制，外部也安装有读数表盘，便于机构在测试前进行调整校对。
如附图5所示，在检测部分，检测镜头固定在外壳的几何中心，后端紧接CCD芯片，CCD芯片由步进电机及相关螺纹带动，实现前后的调节。通过FPGA芯片的控制对检测镜头和CCD芯片之间的距离进行调节改变，并进行读数。齿轮一控制测试部分俯仰角的改变，齿轮二控制测试部分前后的微调，齿轮三控制测试部分水平角度的微调，以上调节机构件均由主板连接相关电机部件直接进行控制传动。如附图6所示，检测装置固定及调节部分包含有水平横向调节滑轨、水平纵向调节滑轨，从而测试部分整体可以通过该部分进行一个粗调节，使测试部分整体位置处于工作区域附近。本发明整体由一个FPGA芯片进行控制，对数据采集，算法处理，以及对控制系统进行调节，其整个测试流程如附图12所示。
下面结合具体实施例对本发明的检测方法作以下进一步说明：
(1)成像角度检测方法
对角度进行调整方法，首先加工一个特殊的HUD装置21上盖23，在通过上盖23的主光线所在位置设置一个光阑25，使得HUD只有该孔位可以出射光线。该光阑25的直径要在5-10mm之间，此做法有效的限制了出光量，对于后续的光线采集与计算提高了精度与准确性；
然后用CCD进行一次采样，CCD芯片采集到一个光斑的数据(像素坐标信息，能量幅值信息)，将该信息传输给FPGA芯片，芯片对采集到的数据进行质心计算。
质心算法公式如下：
其中Iij为二维图像上每个像素点接收到的光强。得到该位置的坐标(xc，yc)后与中心点(0,0)进行比较，计算偏差，然后转动电机调整检测装置的调节机构并再次计算质心坐标，继续调整，直到(xc，yc)与(0,0)几乎重合，此时读出竖直方向旋转的角度(与0角度基准位置比较)，该角度就是HUD装置21的成像角度。
(2)成像距离检测方法
检测装置部分3角度调整好以后开始进行成像距离的检测。
在测试之前需要对步进电机的步数与螺纹的传动距离进行一次标定，这样在测试时可以通过对步进电机步数的记录得到CCD芯片34及相关螺纹移动的准确距离。
检测镜头31与CCD芯片34之间由步进电机35通过螺纹传动进行微调，达到改变CCD与镜头之间距离的目的；
检测过程中HUD选用黑白格图片进行显示，便于进行图像算法处理。采用如附图10所示。
CCD芯片34在当前位置进行一次采样，得到一幅图像后对图像进行分析，得到图像锐度，对比度等信息，并对信息进行记录。此时CCD芯片与螺纹均处于初始零位。控制步进电机35转动，改变CCD与镜头之间的距离并记录步数，图像信息，如此反复。最终在螺纹全量程内得到N组数据，将这N组锐度，对比度信息与步进距离绘制成图像，得出图像最清晰点的位置信息。此时的位置信息便是检测镜头31与CCD芯片34之间的距离d。对于镜头本身，我们是已知他的焦距f’以及其他的结构参数，我们可以计算出该透镜的主点H的位置，并且可以根据其结构参数和d得到此时的像距l’，知道了f’和像距l’，根据高斯公式可以求出此时的物距l，l便是我们需要的成像距离。
(3)成像位置计算与比较
根据已经测定的成像角度与成像距离，可以算出成像的具体位置(如附图11所示)：
h＝l*sinα
D＝l*cosα
在实际汽车的空间布局上可以看出该位置的像是否合适，最终给出HUD是否合格的结论。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种HUD成像位置检测装置，其特征在于：包括挡风玻璃固定部分(1)、HUD固定部分(2)、检测装置部分(3)、检测装置固定调节部分(4)，所述HUD固定部分(2)设置在挡风玻璃固定部分(1)的一侧，所述检测装置部分(3)、检测装置固定调节部分(4)均设置在挡风玻璃固定部分(1)的另一侧，所述挡风玻璃固定部分(1)包括挡风玻璃(11)、挡风玻璃固定支架一(12)、挡风玻璃固定支架二(13)、挡风玻璃安装角度调节机构(14)，所述挡风玻璃(11)安装在挡风玻璃固定支架一(12)上，所述挡风玻璃固定支架一(12)连接在挡风玻璃固定支架二(13)上，并通过挡风玻璃安装角度调节机构(14)调整角度，所述HUD固定部分(2)包括HUD装置(21)、多维度调节平台(22)、调节平台固定支架(24)，所述多维度调节平台(22)用于对HUD装置(21)的高度、水平方向角度进行调节，所述多维度调节平台(22)安装在调节平台固定支架(24)上，所述检测装置部分(3)包括检测镜头(31)、检测镜头调节机构(33)、检测镜头固定杆(32)，所述检测镜头(31)通过检测镜头调节机构(33)安装在检测镜头固定杆(32)上端处，所述检测镜头调节机构(33)用于对检测镜头(31)的俯仰角、水平角度、前后位置进行微调，所述检测镜头固定杆(32)下端安装在检测装置固定调节部分(4)上，并通过检测装置固定调节部分(4)进行横向及纵向的粗调节；所述检测镜头调节机构(33)包括CCD芯片(34)、步进电机(35)、齿轮一(36)、齿轮二(37)、齿轮三(38)、FPGA芯片，所述检测镜头(31)固定在外壳(39)的几何中心，所述外壳(39)安装在检测镜头固定杆(32)顶端，所述检测镜头(31)后端连接CCD芯片(34)，所述CCD芯片(34)与步进电机(35)相连，所述检测镜头(31)与CCD芯片(34)之间距离由步进电机(35)通过螺纹传动进行微调，所述步进电机(35)与FPGA芯片相连，所述检测镜头(31)与CCD芯片(34)之间距离通过FPGA芯片进行控制调节，并进行读数，所述齿轮一(36)用于控制检测镜头(31)俯仰角，所述齿轮二(37)用于控制检测镜头(31)前后位置的微调，所述齿轮三(38)用于控制检测镜头(31)水平角度的微调，所述齿轮一(36)、齿轮二(37)、齿轮三(38)均由主板连接相应电机以控制传动；
其检测方法，包括以下步骤：
1)成像角度检测
首先加工一个HUD装置的上盖，在通过上盖的主光线所在位置设置一个光阑，使得HUD装置只有光阑孔位出射光线；
然后用CCD芯片进行一次采样，CCD芯片采集到一个光斑的数据，并将数据信息传输给FPGA芯片，FPGA芯片对采集到的数据进行质心计算，质心算法公式如下：
其中，Iij为二维图像上每个像素点接收到的光强，得到该位置的坐标(xc，yc)后与中心点(0,0)进行比较，计算偏差，然后转动电机调整检测镜头调节机构，并再次计算质心坐标，继续调整，直至得到的坐标(xc，yc)与中心点(0,0)几乎重合，此时读出竖直方向旋转的角度，该角度即HUD产品的成像角度；
2)成像距离检测
将CCD芯片在当前位置进行一次采样，得到一幅图像后对图像进行分析，并对图像信息进行记录；
此时CCD芯片与螺纹均处于初始零位，控制步进电机转动，改变CCD芯片与检测镜头之间的距离，并记录步数、图像信息，如此反复，最终在螺纹全量程内得到N组数据，将这N组锐度、对比度的图像信息与步进距离绘制成图像，得出图像最清晰点的位置信息，此时的位置信息便是CCD芯片与检测镜头之间的距离；
对于检测镜头本身，已知其焦距及其他结构参数，则可计算出透镜的主点的位置，并根据其结构参数以及CCD芯片与检测镜头之间的距离，得到此时的像距，由焦距和像距，根据高斯公式其中，l’为像距，f’为焦距，则可求出此时的物距l，该物距即为需要的成像距离；
3)成像位置计算与比较
根据步骤1)及步骤2)已测定的成像角度与成像距离，则可计算出成像的具体位置；
然后在实际汽车的空间布局上，即可看出该位置的像是否合适，最终得出HUD装置是否合格的结论。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述检测装置固定调节部分(4)包括水平横向调节滑轨(41)、水平纵向调节滑轨(42)，所述水平纵向调节滑轨(42)安装在水平横向调节滑轨(41)上，并沿水平横向调节滑轨(41)作横向移动，所述检测镜头固定杆(32)下端连接在水平纵向调节滑轨(42)上，并沿水平纵向调节滑轨(42)作纵向移动。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述HUD装置(21)顶端设有带光阑(25)的上盖(23)，所述带光阑(25)的上盖(23)用于控制从HUD装置(21)出射光束的口径。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述光阑(25)的直径为5-10mm。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述外壳(39)外部安装有读数表盘，所述读数表盘与FPGA芯片电连接，所述读数表盘用于在测试前进行调整校对。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：成像距离检测之前，先对步进电机的步数与螺纹的传动距离进行一次标定，以在测试时通过对步进电机步数的记录得到CCD芯片及相关螺纹移动的距离。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：成像距离检测过程中，HUD选用黑白格图片进行显示，便于进行图像算法处理。
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