CN109883326A - 一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法、系统及介质，本发明采用相机与结构光发生器集成一体的手持测量装置，手持测量装置对准轮胎投射结构光并拍摄轮胎图像，计算机系统处理轮胎图像找出手持测量装置内相机坐标系下的轮胎切平面和轴心，配合全局相机或地面标志将各个轮胎的切平面和轴心位置信息统一到全局坐标系，基于车轮正常位置和转过相应角度的车轮切平面信息完成对车辆的四轮定位检测。本发明能够解决现有方法操作过程复杂，准确度易受影响，组件多成本高不能移动，占用空间大等问题，具有检测操作过程简单、监测准确度高且稳定可靠，测量依赖设备少且成本低，能随意移动，占用空间小，能够适应多种测量空间大小的优点。

Description

一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及汽车四轮定位技术，具体涉及一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法、系统及介质，可通过手持摄像测量采集数据来实现汽车的四轮定位。

背景技术

当今社会的汽车保有量已具相当规模并持续增加，相应的对汽车检测的需求也持续增长；人们对汽车各项参数检查的精确性、便捷性和快速性等的关注也对汽车检测技术提出了更高的要求。四轮定位参数的检测作为车辆检测的一项重要内容，对整车的安全性与可靠性的影响举足轻重，它主要包括：前束角(车轮中心线与车辆几何中心线之间的夹角)、外倾角(车轮旋转平面与车辆纵向垂直面的夹角)、主销内倾角(在汽车横向平面内转向结主销轴线与铅轴线的夹角)和主销后倾角(在汽车纵向垂直平面内转向结主销轴线与铅垂线的夹角)等。

现有四轮定位参数的检测技术一般采用如下两种方法：一种是在汽车四个车轮的轮毂上安装夹具，在夹具上安装标定板，然后用举升机将汽车举到一定高度，再旋转方向盘，通过摄像头测试标定盘相应转过的角度测出定位参数。但是，这种检测技术存在下述技术问题：由于测量头在车轮的位置准确度全靠夹具保证，如果测量头定位不准，则测得的四轮定位参数值就不准，因此夹具安装的精度将直接影响测量的结果。并且夹具结构设计要求能适用于不同材料、不同规格的轮辋，既要卡牢不变形，又要保证测量头与车轮的同轴度，还必须进行轮辋失圆补偿。该方法要求高，操作复杂，无法实现快速测量。另一种是在汽车四个车轮的对面安装包含结构光投射器、相机及立体标志的组件，各组件内的结构光、相机、立体标志之间的位姿关系预先标定好，各组件之间的位姿关系利用立体标志通过全局标定的方式给出。通过分析计算相机拍摄的投射于轮胎上的结构光图样，得出各个车轮的切平面和法向量，旋转车轮得出不同旋转角度下的车轮切平面和法向量，利用各参量间的关系最终得出四轮定位参数。但是，这种检测技术存在下述技术问题：为了拍摄结构光图样，以及关联各组件位姿以统一到全局坐标系下，该方法一般需要六台相机，各组件必须严格按要求固定位置并标定相互关系，存在结构复杂，所需组件多，组件不能随意移动等问题，且相机固定位置一般离轮胎较近，必须采用短焦镜头，此时引入的像差较大，会影响测量的精度。

综上所述，现有技术的车辆四轮定位参数检测时检测操作过程复杂，准确度易受影响，测量系统组件多成本高，不能随意移动，占用空间大，不能适应多种测量空间大小等问题，如何克服上述问题来实现汽车的四轮定位，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：为了克服现有技术中在对车辆进行四轮定位参数检测时，检测操作过程复杂，准确度易受影响，测量系统组件多成本高，不能随意移动，占用空间大，不能适应多种测量空间大小等问题，提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法、系统及介质，本发明可以通过手持摄像测量采集数据，采用相机与结构光发生器集成一体的手持测量装置，配合全局相机或地面标志来完成对车辆的四轮定位检测，具有检测操作过程简单、监测准确度高且稳定可靠，测量依赖设备少且成本低，能随意移动，占用空间小，能够适应多种测量空间大小的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种摄像测量式汽车三维四轮定位装置，包括手持测量装置、第一类相机以及计算机系统，所述手持测量装置中设有第二类相机、结构光发生器，且所述手持测量装置的外壳上设有立体标志，所述第一类相机的视场覆盖测量区域，且所述立体标志位于第一类相机的视场中，所述结构光发生器的结构光照射区域位于第二类相机的视场内，所述第一类相机、第二类相机分别与计算机系统通信连接。

本发明还提供一种前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法，实施步骤包括：以第一类相机的第一类相机坐标系作为全局坐标系、立体标志的坐标系作为立体标志坐标系、第二类相机的坐标系作为第二类相机坐标系，通过第一类相机拍摄立体标志并提取其位置姿态信息，通过立体标志获取立体标志坐标系、全局坐标系之间的转换关系；通过手持测量装置的第二类相机拍摄结构光发生器投射于目标轮胎上的结构光图案的特征点信息，提取车轮的轮毂轮辋信息得到第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；结合第二类相机和立体标志的预标定关系、立体标志坐标系与全局坐标系之间的转换关系，求解获取第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系，并将第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换为全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

可选地，所述第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式如式(1)所示；

p_g＝Mp_c (1)

式(1)中，p_g表示任意特征点p在全局坐标系下的坐标，M为第二相机坐标系到全局坐标系之间的转换矩阵，p_c为特征点p在第二相机坐标系下的齐次坐标，转换矩阵M的函数表达式如式(2)所示；

M＝M₂M₁ (2)

式(2)中，M₁为特征点p从第二相机坐标系下的齐次坐标p_c转换到立体标志坐标系下的坐标p_m的转换矩阵，M₂为特征点p从立体标志坐标系下的坐标p_m转换到全局坐标系下的坐标p_g的转换矩阵，M₁的函数表达式如式(3)所示；M₂的函数表达式如式(4)所示；

式(3)和式(4)中，R₁和T₁分别表示第二相机坐标系转换到立体标志坐标系的旋转矩阵和平移向量；R₂和T₂分别表示立体标志坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。

本发明还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位装置，包括手持测量装置、地面标志、计算机系统，所述手持测量装置中设有第二类相机、结构光发生器，所述地面标志位于第二类相机或手持测量装置中的第三类相机的视场中，所述结构光发生器的结构光照射区域位于第二类相机的视场内，所述第二类相机分别与计算机系统通信连接。

本发明还提供一种前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法，实施步骤包括：以第二类相机的坐标系作为第二类相机坐标系、地面标志的坐标系作为地面标志坐标系，通过手持测量装置的第二类相机拍摄结构光发生器投射于目标轮胎上的图案，同时保证地面标志位于第二类相机或手持测量装置中的第三类相机的视场内，提取车轮的轮毂轮辋信息得到第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；结合第二类相机与结构光发生器发送的结构光之间存在预设标定关系、地面标志与预设的全局坐标系之间的预设标定关系，求解获取第二类相机坐标系与全局坐标系之间的转换关系，并将第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换为全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

可选地，所述第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式如式(5)所示；

p′_g＝M′p′_c (5)

式(5)中，p′_g表示任意特征点p在全局坐标系下的坐标，M′为第二相机坐标系到全局坐标系之间的转换矩阵，p′_c为特征点p在第二相机坐标系下的齐次坐标，转换矩阵M′的函数表达式如式(6)所示；

M′＝M′₂M′₁ (6)

式(6)中，M′₁为特征点p从第二相机坐标系下的齐次坐标p_c转换到地面标志坐标系下的坐标p_m的转换矩阵，M′₂为特征点p从地面标志坐标系下的坐标p_m转换到全局坐标系下的坐标p_g的转换矩阵，M′₁的函数表达式如式(7)所示；M′₂的函数表达式如式(8)所示；

式(7)和式(8)中，R′₁和T′₁分别表示第二相机坐标系转换到地面标志坐标系的旋转矩阵和平移向量；R′₂和T′₂分别表示地面标志坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。

本发明还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法，实施步骤包括：

S1)将汽车四个车轮作为目标轮胎，分别采用本发明前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度；然后针对汽车四个车轮，分别采用本发明前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S3)基于车辆的四个方向的轮胎旋转指定角度后在同一坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标，建立基准坐标系O-XYZ，其中O为基准坐标系O-XYZ的四个轴心的中心点，Z轴为基准坐标系O-XYZ的四个轴心连线所成平面的法线；

S4)建立基准坐标系下初始状态车轮切平面方程，获取初始车轮切平面法向量；建立基准坐标系下旋转后车轮切平面方程和对应平面的法向量；

S5)基于车轮初始切平面法向量与旋转切平面法向量得到车轮平面旋转主销的坐标信息，根据旋转主销的坐标信息求取主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前束角。

本发明还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的步骤或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的步骤。

本发明还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明可以通过手持摄像测量采集数据，采用相机与结构光发生器集成一体的手持测量装置，配合全局相机或地面标志来完成对车辆的四轮定位检测，有效避免了现有汽车四轮定位系统组件多，安装和操作复杂的问题，具有检测操作过程简单、监测准确度高且稳定可靠，测量依赖设备少且成本低的优点，能有效降低系统成本，便于推广。

2、本发明可以通过手持摄像测量采集数据，具有使用灵活，能随意移动，占用空间小，能够适应多种测量空间大小的优点。

附图说明

图1为本发明实施例一的摄像测量式汽车三维四轮定位装置结构示意图。

图2为本发明实施例二的摄像测量式汽车三维四轮定位装置结构示意图。

图3为本发明实施例三的摄像测量式汽车三维四轮定位装置结构示意图。

图例说明：1、手持测量装置；11、第二类相机；12、结构光发生器；13、立体标志；14、第三类相机；2、第一类相机；3、计算机系统；4、地面标志。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例的摄像测量式汽车三维四轮定位装置，包括手持测量装置1、第一类相机2以及计算机系统3，手持测量装置1中设有第二类相机11、结构光发生器12，且手持测量装置1的外壳上设有立体标志13，第一类相机2的视场覆盖测量区域，且立体标志13位于第一类相机2的视场中，结构光发生器12的结构光照射区域位于第二类相机11的视场内，第一类相机2、第二类相机11分别与计算机系统3通信连接。第一类相机2、第二类相机11分别与计算机系统3的通信连接方式既可以是采用有线电缆的连接方式，也可以根据需要采用有线通信网络或者无线通信网络的连接方式。

本实施例摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的实施步骤包括：以第一类相机2的第一类相机坐标系作为全局坐标系、立体标志13的坐标系作为立体标志坐标系、第二类相机11的坐标系作为第二类相机坐标系，通过第一类相机2拍摄立体标志13并提取其位置姿态信息，通过立体标志13获取立体标志坐标系、全局坐标系之间的转换关系；通过手持测量装置1的第二类相机11拍摄结构光发生器12投射于目标轮胎上的结构光图案的特征点信息，提取车轮的轮毂轮辋信息得到第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；结合第二类相机11和立体标志13的预标定关系、立体标志坐标系与全局坐标系之间的转换关系，求解获取第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系，并将第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换为全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。本实施例中，计算机系统3是用于执行本实施例摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法；此外也可以仅仅利用计算机系统3作为图像采集的控制和存储功能，将本实施例摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法利用云端服务器或其他计算机设备来执行。

全局坐标系和第二相机坐标系都是相机坐标系，相机坐标系定义属于行业公知，即以相机光心为原点，光轴为Z轴，且取摄像方向为正向，X、Y轴分别于图像物理坐标系的x、y轴平行；立体坐标系是图中立体标志定义的坐标系，该坐标系可以自行定义，只需要明确立体标志中，所有标志图案的坐标即可；该坐标系的作用在于充当第一相机坐标系和第二相机坐标系之间的媒介，用来联系两个相机坐标系，以实现两相机坐标系之间的转换；

本实施例中，第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式如式(1)所示；

p_g＝Mp_c (1)

式(1)中，p_g表示任意特征点p在全局坐标系下的坐标，M为第二相机坐标系到全局坐标系之间的转换矩阵，p_c为特征点p在第二相机坐标系下的齐次坐标，转换矩阵M的函数表达式如式(2)所示；

M＝M₂M₁ (2)

式(2)中，M₁为特征点p从第二相机坐标系下的齐次坐标p_c转换到立体标志坐标系下的坐标p_m的转换矩阵，M₂为特征点p从立体标志坐标系下的坐标p_m转换到全局坐标系下的坐标p_g的转换矩阵，M₁的函数表达式如式(3)所示；M₂的函数表达式如式(4)所示；

式(3)和式(4)中，R₁和T₁分别表示第二相机坐标系转换到立体标志坐标系的旋转矩阵和平移向量；R₂和T₂分别表示立体标志坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。

本实施例中，手持测量装置1内的第二类相机11与手持测量装置1内的结构光发生器12发送的结构光之间存在预设标定关系。手持测量装置1中的第二类相机11与手持测量装置1外表面上的立体标志13之间存在预设的标定关系。基于上述标定关系，可利用立体标志13的坐标系作为中介实现第一类相机2的第一类相机坐标系、第二类相机11的第二类相机坐标系的转换。设点p在所述第二相机坐标系下的齐次坐标为p_c＝[x_c,y_c,z_c,1]^T，在立体标志坐标系下的坐标为p_m＝[x_m,y_m,z_m,1]^T，在全局坐标系下的坐标为p_g＝[x_g,y_g,z_g,1]^T。

由手持测量装置1中的第二类相机11与手持测量装置1外表面上的立体标志13之间存在预设的标定关系，可得出第二相机坐标系到立体标志坐标系的旋转矩阵R₁和平移向量T₁，于是有式(3-1)：

式(3-1)中，R₁和T₁分别表示第二相机坐标系转换到立体标志坐标系的旋转矩阵和平移向量；p_m为点p在立体标志坐标系下的坐标，p_c为点p在第二相机坐标系下的齐次坐标。

由第一类相机2拍摄手持测量装置1外表面上的立体标志13的位置信息，可由计算机视觉的相关理论方法(现有技术，本实施例中不展开说明)得出立体标志坐标系到全局坐标系的旋转矩阵R₂和平移向量T₂，于是有式(4-1)：

式(4-1)中，R₂和T₂分别表示立体标志坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量；p_m为点p在立体标志坐标系下的坐标，p_g为点p在全局坐标系下的坐标。在此基础上，假设M₁的函数表达式如式(3)所示；M₂的函数表达式如式(4)所示；则有p_m＝M₁p_c，p_g＝M₂p_m，于是可得p_g＝M₂M₁p_c，设M＝M₂M₁，从而可推导得出第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式如式(1)所示。转换矩阵M便是第二相机坐标系到全局坐标系之间的转换矩阵，利用转换矩阵M即可将第二类相机下的车辆轮胎的位置信息转换到全局坐标系下。

此外，本实施例还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法，实施步骤包括：

S1)将汽车四个车轮作为目标轮胎，分别采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度(一般情况需要左转20°，再右转20°)；然后针对汽车四个车轮，分别采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S3)基于车辆的四个方向的轮胎旋转指定角度后在同一坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标，建立基准坐标系O-XYZ，其中O为基准坐标系O-XYZ的四个轴心的中心点，Z轴为基准坐标系O-XYZ的四个轴心连线所成平面的法线；

S4)建立基准坐标系下初始状态车轮切平面方程，获取初始车轮切平面法向量；建立基准坐标系下旋转后车轮切平面方程和对应平面的法向量；

S5)基于车轮初始切平面法向量与旋转切平面法向量得到车轮平面旋转主销的坐标信息，根据旋转主销的坐标信息求取主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前束角

轮胎的位置姿态参数即在基准坐标系下的轮胎平面方程，一般将该平面表示为点法式方程，法向量为轮胎平面的法向量，点即轮胎的轴心；四轮定位参数包括轴距、轮距、轮胎外倾角、轮胎前束角、主销内倾角和主销后倾角等；而主销定义为轮胎平面转向时的转向轴，所以需要求得在轮胎转向过程中一系列轮胎平面来解得这个转向轴。一般情况下步骤S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度是20°，例如左转20°和右转20°。

要进行四轮定位，就需要知道在同一个坐标系(一般定义为基准坐标系，可自行定义)下的四个轮胎的位置姿态，然后就可以根据轮胎的位置姿态参数求得四轮定位参数，这属于行业公知内容；再通过轮胎转向，可以求得其中的主销内倾角和主销后倾角。因此，步骤S3)～S5)的详细过程为行业公知内容，本实施例中不再进行展开说明。

步骤S1)和步骤S2)中采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标的步骤包括：

S1.1A)第一类相机2固定于测量区域上方。

S1.2A)将手持测量装置1对准汽车轮胎，向轮胎投射结构光。

S1.3A)在同步信号的控制下，使第一类相机2拍摄手持测量装置外表面立体标志图像、第二类相机11拍摄投射于轮胎上的结构光图案。

S1.4A)提取立体标志图像的特征点位置信息，建立立体标志坐标系与全局坐标系之间的转换矩阵。

S1.5A)提取轮胎上的结构光图案的特征点信息，获取车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

S1.6A)基于手持测量模块内第二类相机与手持测量模块内结构光发生器投射出的结构光的预设标定关系，以及步骤S1.4A)得出的转换矩阵，获取第二相机坐标系到全局坐标系的转换矩阵。

S1.7A)基于步骤S1.6A)得出的转换矩阵，将步骤S1.4A)得出的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换到全局坐标系下，得到目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S1.8A)再重复执行步骤S1.2A)至步骤S1.7A)三轮，一共得到四个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

步骤S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度；需要采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标，分别重复执行步骤S1.2A)至步骤S1.7A)四轮，一共得到四个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

此外，本实施例还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，其特征在于：该计算机设备被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的步骤或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的步骤。

此外，本实施例还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，其特征在于：该计算机设备的存储介质上存储有被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：摄像测量式汽车三维四轮定位装置的结构有所不同，由于其结构上的差异，使其获取全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标的方式也有所不同。

如图2所示，本实施例的摄像测量式汽车三维四轮定位装置包括手持测量装置1、地面标志4、计算机系统3，手持测量装置1中设有第二类相机11、结构光发生器12，地面标志4位于第二类相机11的视场中，结构光发生器12的结构光照射区域位于第二类相机11的视场内，第二类相机11分别与计算机系统3通信连接。

本实施例摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的实施步骤包括：以第二类相机11的坐标系作为第二类相机坐标系、地面标志4的坐标系作为地面标志坐标系，通过手持测量装置1的第二类相机11拍摄结构光发生器12投射于目标轮胎上的图案，同时保证地面标志4位于第二类相机11的视场内，提取车轮的轮毂轮辋信息得到第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；结合第二类相机11与结构光发生器12发送的结构光之间存在预设标定关系、地面标志4与预设的全局坐标系之间的预设标定关系，求解获取第二类相机坐标系与全局坐标系之间的转换关系，并将第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换为全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。地面标志4可以根据需要采用一个或者四个。

本实施例中，第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式如式(5)所示；

p′_g＝M′p′_c (5)

式(5)中，p′_g表示任意特征点p在全局坐标系下的坐标，M′为第二相机坐标系到全局坐标系之间的转换矩阵，p′_c为特征点p在第二相机坐标系下的齐次坐标，转换矩阵M′的函数表达式如式(6)所示；

M′＝M′₂M′₁ (6)

式(6)中，M′₁为特征点p从第二相机坐标系下的齐次坐标p_c转换到地面标志坐标系下的坐标p_m的转换矩阵，M′₂为特征点p从地面标志坐标系下的坐标p_m转换到全局坐标系下的坐标p_g的转换矩阵，M′₁的函数表达式如式(7)所示；M′₂的函数表达式如式(8)所示；

式(7)和式(8)中，R′₁和T′₁分别表示第二相机坐标系转换到地面标志坐标系的旋转矩阵和平移向量；R′₂和T′₂分别表示地面标志坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。同样地，本实施例还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法，实施步骤包括：

S1)将汽车四个车轮作为目标轮胎，分别采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度；然后针对汽车四个车轮，分别采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S3)基于车辆的四个方向的轮胎旋转指定角度后在同一坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标，建立基准坐标系O-XYZ，其中O为基准坐标系O-XYZ的四个轴心的中心点，Z轴为基准坐标系O-XYZ的四个轴心连线所成平面的法线；

S4)建立基准坐标系下初始状态车轮切平面方程，获取初始车轮切平面法向量；建立基准坐标系下旋转后车轮切平面方程和对应平面的法向量；

S5)基于车轮初始切平面法向量与旋转切平面法向量得到车轮平面旋转主销的坐标信息，根据旋转主销的坐标信息求取主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前束角。

要进行四轮定位，就需要知道在同一个坐标系下的四个轮胎的位置姿态，然后就可以根据轮胎的位置姿态参数求得四轮定位参数，这属于行业公知内容；再通过轮胎转向，可以求得其中的主销内倾角和主销后倾角。因此，步骤S3)～S5)的详细过程为行业公知内容，本实施例中不再进行展开说明。

本实施例中，步骤S1)和步骤S2)中采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标的步骤包括：

S1.1B)在测量区域地面布置地面标志4，以使手持测量装置1的第二类相机11在拍摄车轮图像时均能同时摄入地面标志4，并标定地面标志4在全局坐标系下的位置信息，从而获取地面标志坐标系到全局坐标系的转换矩阵。

S1.2B)将手持测量装置1对准汽车轮胎，向轮胎投射结构光。

S1.3B)调整手持测量装置1的位置，使得第二类相机11能同时拍摄投射于轮胎上的结构光图案和地面标志4，拍摄图像。

S1.4B)基于步骤S1.3B)获取的图像，提取轮胎上的结构光图案的特征点信息，获取车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

S1.5B)基于步骤S1.3B)获取的图像，提取地面标志的特征点信息，求取手持测量装置内相机坐标系到地面标志坐标系的转换矩阵。

S1.6B)基于步骤S1.1B)和步骤S1.5B)获取的转换矩阵，得出第二相机坐标系到全局坐标系的转换矩阵。

S1.7B)基于步骤S1.6B)得出的转换矩阵，将步骤S1.4B)得出的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换到全局坐标系下，得到目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S1.8B)再重复执行步骤S1.2B)至步骤S1.7B)三轮，一共得到四个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

步骤S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度；需要采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标，分别重复执行步骤S1.2B)至步骤S1.7B)四轮，一共得到四个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

此外，本实施例还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的步骤或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的步骤。

此外，本实施例还提供一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程以执行前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者前述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。

实施例三：

本实施例与实施例二基本相同，其主要区别点为：手持测量装置1包含第三类相机14，且通过第三类相机14拍摄地面标志4。如图3所示，本实施例的摄像测量式汽车三维四轮定位装置包括手持测量装置1、地面标志4、计算机系统3，手持测量装置1中设有第二类相机11、结构光发生器12以及第三类相机14，所述地面标志4位于手持测量装置1中的第三类相机14的视场中，结构光发生器12的结构光照射区域位于第二类相机11的视场内，第二类相机11、第三类相机14分别与计算机系统3通信连接。

本实施例摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的实施步骤包括：以第二类相机11的坐标系作为第二类相机坐标系、地面标志4的坐标系作为地面标志坐标系、第三类相机14的坐标系作为第三类相机坐标系；通过手持测量装置1的第二类相机11拍摄结构光发生器12投射于目标轮胎上的图案，同时保证地面标志4位于或手持测量装置1中的第三类相机14的视场内，提取车轮的轮毂轮辋信息得到第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；结合第三类相机14与结构光发生器12发送的结构光之间存在预设标定关系、地面标志4与预设的全局坐标系之间的预设标定关系，求解获取第二类相机坐标系与全局坐标系之间的转换关系，并将第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换为全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。本实施例第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式与实施例二完全相同，故在此不再赘述。

本实施例中，步骤S1)和步骤S2)中采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标的步骤包括：

S1.1C)在测量区域地面布置地面标志4，并标定地面标志4在全局坐标系下的位置信息，从而获取地面标志坐标系到全局坐标系的转换矩阵。

S1.2C)将手持测量装置1对准汽车轮胎，向轮胎投射结构光。

S1.3C)调整手持测量装置1的位置，使得第二类相机11能同时拍摄投射于轮胎上的结构光图案，第三类相机14能拍摄地面标志4，拍摄图像。

S1.4C)基于步骤S1.3C)第二类相机11获取的图像，提取轮胎上的结构光图案的特征点信息，获取车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

S1.5C)基于步骤S1.3C)第三类相机1获取的图像，提取地面标志的特征点信息，求取手持测量装置内相机坐标系到地面标志坐标系的转换矩阵。

S1.6C)基于步骤S1.1C)和步骤S1.5C)获取的转换矩阵，得出第二相机坐标系到全局坐标系的转换矩阵。

S1.7C)基于步骤S1.6C)得出的转换矩阵，将步骤S1.4C)得出的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换到全局坐标系下，得到目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S1.8C)再重复执行步骤S1.2C)至步骤S1.7C)三轮，一共得到四个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

步骤S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度；需要采用前述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标，分别重复执行步骤S1.2C)至步骤S1.7C)四轮，一共得到四个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种摄像测量式汽车三维四轮定位装置，其特征在于：包括手持测量装置(1)、第一类相机(2)以及计算机系统(3)，所述手持测量装置(1)中设有第二类相机(11)、结构光发生器(12)，且所述手持测量装置(1)的外壳上设有立体标志(13)，所述第一类相机(2)的视场覆盖测量区域，且所述立体标志(13)位于第一类相机(2)的视场中，所述结构光发生器(12)的结构光照射区域位于第二类相机(11)的视场内，所述第一类相机(2)、第二类相机(11)分别与计算机系统(3)通信连接。

2.一种权利要求1所述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法，其特征在于实施步骤包括：以第一类相机(2)的第一类相机坐标系作为全局坐标系、立体标志(13)的坐标系作为立体标志坐标系、第二类相机(11)的坐标系作为第二类相机坐标系，通过第一类相机(2)拍摄立体标志(13)并提取其位置姿态信息，通过立体标志(13)获取立体标志坐标系、全局坐标系之间的转换关系；通过手持测量装置(1)的第二类相机(11)拍摄结构光发生器(12)投射于目标轮胎上的结构光图案的特征点信息，提取车轮的轮毂轮辋信息得到第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；结合第二类相机(11)和立体标志(13)的预标定关系、立体标志坐标系与全局坐标系之间的转换关系，求解获取第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系，并将第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换为全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

3.根据权利要求1所述的摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法，其特征在于，所述第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式如式(1)所示；

p_g＝Mp_c (1)

式(1)中，p_g表示任意特征点p在全局坐标系下的坐标，M为第二相机坐标系到全局坐标系之间的转换矩阵，p_c为特征点p在第二相机坐标系下的齐次坐标，转换矩阵M的函数表达式如式(2)所示；

M＝M₂M₁ (2)

式(2)中，M₁为特征点p从第二相机坐标系下的齐次坐标p_c转换到立体标志坐标系下的坐标p_m的转换矩阵，M₂为特征点p从立体标志坐标系下的坐标p_m转换到全局坐标系下的坐标p_g的转换矩阵，M₁的函数表达式如式(3)所示；M₂的函数表达式如式(4)所示；

式(3)和式(4)中，R₁和T₁分别表示第二相机坐标系转换到立体标志坐标系的旋转矩阵和平移向量；R₂和T₂分别表示立体标志坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。

4.一种摄像测量式汽车三维四轮定位装置，其特征在于：包括手持测量装置(1)、地面标志(4)、计算机系统(3)，所述手持测量装置(1)中设有第二类相机(11)、结构光发生器(12)，所述地面标志(4)位于第二类相机(11)或手持测量装置(1)中的第三类相机(14)的视场中，所述结构光发生器(12)的结构光照射区域位于第二类相机(11)的视场内，所述第二类相机(11)分别与计算机系统(3)通信连接。

5.一种权利要求4所述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法，其特征在于实施步骤包括：以第二类相机(11)的坐标系作为第二类相机坐标系、地面标志(4)的坐标系作为地面标志坐标系，通过手持测量装置(1)的第二类相机(11)拍摄结构光发生器(12)投射于目标轮胎上的图案，同时保证地面标志(4)位于第二类相机(11)或手持测量装置(1)中的第三类相机(14)的视场内，提取车轮的轮毂轮辋信息得到第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；结合第二类相机(11)与结构光发生器(12)发送的结构光之间存在预设标定关系、地面标志(4)与预设的全局坐标系之间的预设标定关系，求解获取第二类相机坐标系与全局坐标系之间的转换关系，并将第二类相机坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标转换为全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标。

6.根据权利要求5所述的摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法，其特征在于，所述第二类相机坐标系到全局坐标系间的转换关系的函数表达式如式(5)所示；

p'_g＝M'p'_c (5)

式(5)中，p'_g表示任意特征点p在全局坐标系下的坐标，M'为第二相机坐标系到全局坐标系之间的转换矩阵，p'_c为特征点p在第二相机坐标系下的齐次坐标，转换矩阵M'的函数表达式如式(6)所示；

M'＝M'₂M'₁ (6)

式(6)中，M′₁为特征点p从第二相机坐标系下的齐次坐标p_c转换到地面标志坐标系下的坐标p_m的转换矩阵，M'₂为特征点p从地面标志坐标系下的坐标p_m转换到全局坐标系下的坐标p_g的转换矩阵，M′₁的函数表达式如式(7)所示；M'₂的函数表达式如式(8)所示；

式(7)和式(8)中，R'₁和T'₁分别表示第二相机坐标系转换到地面标志坐标系的旋转矩阵和平移向量；R'₂和T'₂分别表示地面标志坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。

7.一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法，其特征在于，实施步骤包括：

S1)将汽车四个车轮作为目标轮胎，分别采用权利要求2或3或5或6所述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S2)转动车辆的方向盘使轮胎旋转指定角度；然后针对汽车四个车轮，分别采用权利要求2或3或5或6所述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法获取各个目标轮胎旋转指定角度后在全局坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标；

S3)基于车辆的四个方向的轮胎旋转指定角度后在同一坐标系下的车轮切平面方程和车轮轴心坐标，建立基准坐标系O-XYZ，其中O为基准坐标系O-XYZ的四个轴心的中心点，Z轴为基准坐标系O-XYZ的四个轴心连线所成平面的法线；

S4)建立基准坐标系下初始状态车轮切平面方程，获取初始车轮切平面法向量；建立基准坐标系下旋转后车轮切平面方程和对应平面的法向量；

S5)基于车轮初始切平面法向量与旋转切平面法向量得到车轮平面旋转主销的坐标信息，根据旋转主销的坐标信息求取主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前束角。

8.一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，其特征在于：该计算机设备被编程以执行权利要求2或3或5或6所述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的步骤或者权利要求7所述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的步骤。

9.一种摄像测量式汽车三维四轮定位系统，包括计算机设备，其特征在于：该计算机设备的存储介质上存储有被编程以执行权利要求2或3或5或6所述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者权利要求7所述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程以执行权利要求2或3或5或6所述摄像测量式汽车三维四轮定位装置的应用方法的计算机程序或者权利要求7所述摄像测量式汽车三维四轮定位方法的计算机程序。