CN111351673B - 一种智轨列车车轮转向角度的测量方法与测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智轨列车车轮转向角度的测量方法与测量装置，基于该测量方法利用嵌入式处理器、支架、摄影器以及标靶，能够高效测量车轮转向角与计算列车成列时的铰接盘角度，通过摄影器的四目视觉解决现有测量方法中过程繁多、操作困难、测量误差大的缺点，能实现快速的角度测量与角度校准等，进而指引改善车辆行驶过程中出现跑偏、甩尾及双向驾驶性能不一致等。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通系统，尤其是涉及一种智轨列车车轮转向角度的测量方法与测量装置。
背景技术
相较于传统的中低运量轨道交通系统，智轨列车是融合了现代有轨电车和公共汽车各自优势的新型交通工具，具有建设周期短、基础设施投资小、城市适应性高、综合运力强等优势，为解决大中城市出行难带来了新的选择和体验，采用“虚拟轨道跟随技术”可以让列车跟随地上的线路前行。智轨列车或称“虚轨列车”，看似无轨，实则有“轨”，智能设备不安装在轨道上，而在列车上，沿着地面画线或侧边定义的虚形轨道行驶的公路列车，其介于有轨电车和无轨电车之间车。
发明专利申请公布号CN108124248A公开了一种有轨电车无线智能监测系统包括监测器组，监测器组用于接收多种监测数据并将监测数据转发；无线路由器组，无线路由器组的多个无线路由器用于接收来自监测器组的多种监测数据并将获取的监测数据进行转发；协调器，协调器用于获取来自无线路由器组的监测数据并将监测数据进行转发；监测终端，监测终端用于接收自协调器发出的监测数据，并根据监测数据建立数据库，监测终端还用于应用大数据关联分析技术和相容性检验智能故障分析技术对已获取的监测数据进行实时和往时分析，监测终端还用于对电车运行的状态和可能故障进行判断并发送控制指令。
发明专利申请公布号CN110716573A公开了一种有轨电车智能过弯系统及控制方法，包括车载信号接收器，与中央控制单元进行通信，传输弯道信息与车辆定位信息；车载雷达，与中央控制单元通信，传输有轨电车周围的障碍物信息；位移传感器，与中央控制单元通信，传输进入及驶出弯道信息；无源发射器，与车载信号接收器通信，内置弯道半径信息以及地点定位信息；中央控制单元，向有轨电车驱动单元发出驱动信号；有轨电车驱动单元，设接收中央控制单元发出的控制信号，用于控制有轨电车的速度。该现有专利是用于有轨电车在过弯道时，智能控制有轨电车在限定的速度范围内。该现有专利是用于远程监测保证电车的正常运行状态。
然而有轨电车在意义上并不是智轨电车，由于智轨电车具有三节或多节编组且轨道为虚轨，如果车轮转向角度测量和控制不精确，在车辆行进过程中相对容易出现跑偏、甩尾及双向驾驶性能不一致等行驶风险。
发明内容
本发明的主要发明目的一是提供一种智轨列车车轮转向角度的测量方法，通过四目或多目视觉取像、车轮标靶识别与车轮转向角度的计算，解决现有其它领域测量方法中过程繁多、操作困难、测量误差大的缺点，能实现快速的角度测量与角度校准等，进而改善车辆行驶过程中出现跑偏、甩尾及双向驾驶性能不一致等问题。本发明的主要发明目的三是提供一种智轨列车车轮转向角度的测量装置，能够应用于智轨列车车轮转向角度的测量，以供即时修正智轨列车跑偏、甩尾及双向驾驶性能不一致等问题。
本发明的主要发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：
提出一种智轨列车车轮转向角度的测量方法，包括：
在智轨列车上安装嵌入式测量装置，所述智轨列车包括多节车厢以及连接所述车厢的可转动铰链，所述测量装置包括嵌入式处理器、支架、四个或四个以上固定在所述支架的摄影器以及标靶，所述支架安装在所述车厢外，所述标靶设置于所述车厢的车轮上，所述摄影器用于以所在车厢左右两侧前后视角四向方式取得所述标靶的影像；
确定所述智轨列车在车轮零转向角度时的零位置状态，由所述摄影器第一次取得所述标靶的影像，所述标靶能在所述摄影器的其中一个完整成像，所述嵌入式处理器计算所述标靶的影像，在所述零位置状态时，所述车轮的轴心方向垂直于对应所述车厢的中心线；
当所述智轨列车行驶或车轮转向校正时，所述摄影器第二次取得所述标靶的影像，计算取得所述车轮的个别车轮转向角度。
通过采用上述技术方案，利用在智轨列车上安装嵌入式测量装置，标靶设置于车厢的车轮上，支架上固定的摄影器以所在车厢左右两侧前后视角四向方式取得标靶的影像，能由车厢外部通过四目或多目视觉取像确定智轨列车的车轮位置与车轮法向，经过嵌入式处理器计算后可快速取得智轨列车的个别车轮转向角度，能实现快速的角度测量与角度校准等，进而改善车辆行驶过程中出现跑偏、甩尾及双向驾驶性能不一致等问题。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在智轨列车上安装嵌入式测量装置的步骤包括:确定所述摄影器与相邻摄影器的位姿标定；建立在正常测量状态下所述摄影器的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵。
可以通过采用上述优选技术方案，利用摄影器的位姿标定的确定与大地坐标系的旋转矩阵建立，嵌入式测量装置在安装到智轨列车后，即确定摄影器在外界的环境位置，以便于后续由车轮标靶相对于摄影器的相对位置换算出车轮标靶在外界的环境位置。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：由所述摄影器取得所述标靶的影像进行计算所述车轮的个别车轮转向角度的过程包括:所述测量装置内开启测量指令，所述标靶的关键点在相机坐标系下的坐标转换为世界坐标，以测得同一车厢内的四个或四个以上的车轮位置与车轮法向，连接左右两侧车轮位置得到两个或两个以上的轮毂线，将所述两个或两个以上的轮毂线的中点连接以得到虚轨对准线，取所述虚轨对准线的垂线，由所述车轮法向的个别法向量与所述垂线得到夹角度数，以取得车轮转向角。
可以通过采用上述优选技术方案，利用标靶影像计算车轮转向角度的过程包括标靶的相机坐标至世界坐标的转换，还进一步确定轮毂线的中点连接得到的虚轨对准线，以虚轨对准线的垂线与车轮法向的夹角计算取得个别的车轮转向角，以简单有效的计算方式确定车轮转向角。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：将所述虚轨对准线延长，与相邻车厢的虚轨对准线形成夹角，以取得铰链转向角。
可以通过采用上述优选技术方案，在特定的计算下在取得车轮转向角的同时还能计算得到铰链转向角，以减轻测量设备的安装。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：当所述支架与所述摄影器间隔设置在所述车厢，由所述摄影器取得所述标靶的影像包括安装有所述摄影器的第一车厢的标靶影像以及未安装有所述摄影器且相接于所述第一车厢的第二车厢的标靶影像。
可以通过采用上述优选技术方案，利用支架与摄影器间隔设置在车厢，第一车厢安装有摄影器，第二车厢不需要安装摄影器，由第一车厢安装的摄影器取得第二车厢的标靶影像，例如“1-1-1”安装方式，空一格车厢的前后连接车厢安装一个测量装置，或是“1-2-1”安装方式，空两格车厢的前后连接车厢安装一个测量装置。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述支架包括工字形相机架，所述支架的每一端安装一个对应的所述摄影器；所述摄影器包含LED相机；所述标靶为平面型标靶，个别的所述标靶设有三个或三个以上供所述摄影器识别的定位标识；优选地，所述定位标识包括圆形的第一标识与圆环形的第二标识。
可以通过采用上述优选技术方案，利用工字形相机架与支架的每一端安装一个对应的摄影器、LED相机与具有定位标识的平面型标靶，提供了在所在车厢左右两侧前后视角进行车厢外四目视觉取像的一种具体实现方法；优选地，圆形的第一标识有利于确定标靶即车轮的位置，圆环形的第二标识有利于确定标靶即车轮的法向。
本发明的另一发明目的还提出一种智轨列车车轮转向角度的计算方法，包括：通过智轨列车上的嵌入式处理器实施，所述计算方法包括多相机标定的计算、标靶识别的计算以及角度计算；其中，
多相机标定的计算:在完成相机内参数标定后完成相机与相邻相机间相对位姿关系的标定；建立正常测量状态下其中一相机的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵；
标靶识别的计算:确定从标靶坐标系到相机坐标系变化；确定相机坐标系到成像坐标系的变换；确定计算机图像坐标与相机成像坐标关系；将标靶坐标系设定为世界坐标系，得到标靶的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵，包含车轮位置数据与车轮法向数据；
角度计算:由车轮位置数据与车轮法向数据，由连接左右两侧车轮位置得到两个或两个以上的轮毂线，将所述两个或两个以上的轮毂线的中点连接以得到虚轨对准线，取所述虚轨对准线的垂线，由所述车轮法向的个别法向量数据与所述垂线的垂线得到夹角度数，计算得到车轮转向角数据；
优选地，在角度计算中还将所述虚轨对准线延长，与相邻车厢的虚轨对准线形成夹角，计算得到铰链转向角数据。
通过采用上述技术方案，利用特定的多相机标定的计算、标靶识别的计算以及角度计算，先得到相机大地坐标系标定相机位置，将标靶影像经过转换计算得到标靶的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵，包含车轮位置数据与车轮法向数据，经过轮毂线、虚轨对准线再计算得到车轮转向角数据；优选地还可以计算得到铰链转向角数据；因此，同一时间段的标靶取像都可以得到车轮转向角数据，甚至还得到铰链转向角数据，此一测量即时计算的方式达到对于智轨列车车轮转向角度的高效取得。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：从标靶坐标系到相机坐标系变化计算公式:
式中x1,y1属标靶坐标系，xw,yw属世界坐标系，xc,yc属相机坐标系。R表示为物体坐标系与大地坐标系的旋转矩阵，R0为相机位置确定值，R1为靶标位置待求值，与物体空间姿态相关,R0、R1、R均为单位正交矩阵；
相机坐标系到成像坐标系的变换计算公式:
计算机图像坐标与相机成像坐标关系计算公式:
由式(1)—(3)可得:
dx/dy近影标定获得，通过标靶(60)中任意5点标识圆心坐标及其对应图像中坐标可获得A、B、C、D和E，根据R为单位正交矩阵性质，解算出矩阵R，如式(5)所示:
计算得到所述标靶(60)的空间位姿矩阵并得到角度参数。
可以通过采用上述优选技术方案，利用特定计算方式，实现标靶的相对坐标到世界坐标的换算。
本发明的主要发明目的二还提出一种智轨列车车轮转向角度的测量装置，包括嵌入式处理器、支架、四个或四个以上固定在所述支架的摄影器以及标靶，所述支架安装在所述车厢外，所述标靶用于设置于车轮上，用于执行如上所述任一技术方案的一种智轨列车车轮转向角度的测量方法，或是基于如上所述技术方案的一种智轨列车车轮转向角度的计算方法进行测量。
通过采用上述基础技术方案三，利用特定嵌入式测量装置，当安装在智轨列车上，标靶用于设置于车厢的车轮上，支架上固定的摄影器以所在车厢左右两侧前后视角四向方式取得标靶的影像，能由车厢外部达到四目或多目视觉取像与处理器计算，实现智轨列车车轮转向角度的高效测量。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过特定的车厢外四目视觉测量智轨列车的个别车轮转向角，具有测量高效、误差较小的测量效果，同时能消除车辆前后不平和左右不平而产生的误差；在一优选应用上，还能计算得到铰链转向角，达到测量装置间隔设置在车厢上的减量效果；
2.相比于现有其它领域测量仪器需手动记录计算数据，容易出现错误；采用卷尺等工具进行测量，需配备多人测量多组数据，耗时长，测量误差大、效率较低、劳动强度大。针对现有技术缺点，以三节车厢编组为例，利用四目立体视觉和超大视野范围的架构，一次测量即可实现对智轨电车的12组或多组车轮的转角、对相邻两组车厢间铰链转盘夹角的精确测量，节省人力时间，是一种测量高效、误差较小的新型测量；
3.在一设定转向角度下为达到左右侧车轮以不相同微调的转角转向避免车轮产生侧滑，能提供使每个车轮绕相同的转向中心转动的智能单轮微调数据基础，并能时时监控校正，减少两侧轮胎的侧滑磨耗。
附图说明
图1绘示本发明一些实施例的智轨列车车轮转向角度的测量系统的架构图；
图2绘示本发明一些实施例的智轨列车车轮转向角度的测量系统构成原理示意图；
图3与图4分别绘示本发明一些实施例的智轨列车车轮转向角度的测量系统中测量用标靶的正视图与侧视图；
图5绘示本发明一些实施例的智轨列车车轮转向角度的测量系统中测量车轮转动角度示意图；
图6绘示本发明一些实施例的智轨列车车轮转向角度的测量系统中测量车辆铰链转向角度示意图；
图7绘示本发明一些实施例的智轨列车车轮转向角度的测量系统的计算流程图。
附图标记:|10、(第一)车厢；10A、10B、第二车厢；11、车轮；20、铰链；30、嵌入式处理器；40、支架；50、摄影器；60、标靶；61、定位标识；62、第一标识；63、第二标识。
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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理解本发明的发明构思前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围内。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
对于说明书具体实施例中所提及的名称先行解释如后，「车轮转向角」是指车轮在转向时轮胎中心线与车轮在车厢直行位置时轮胎中心线之间的夹角；夹角0度即为直行。铰接就是用一个可以转动的铰链把两个相邻车厢连接在一起，「铰链转向角」指两个不同但相邻连接车厢之间产生的相对夹角，当车轮转向时，首先路面会对汽车产生附加的阻力，其次当左、右侧车轮以完全相同的转角转向时，其转弯半径也是完全相同的，这就导致每个车轮将绕不同的转向中心转动，车轮将产生侧滑，轮胎将有不正常的磨损。为了避免车轮轮胎的不正常磨损，需要对车轮的转向角及多组车厢之间的铰链转向角进行测量，避免打滑。「智轨列车」除了可以是狭义多车厢铰接的智轨列车，适当场合也可以扩散到无人驾驶的自动车，当行驶中多台自动车以虚拟铰链与远端操控便可排列成串以组成智轨列车。
为了更方便理解本发明的技术方案,以下将本发明的智轨列车车轮转向角度的测量方法与装置做进一步详细描述，但不作为本发明限定的保护范围。
本发明一个或多个实施例提供了一种智轨列车车轮转向角度的测量方法，包括：
参照图1、图2，在智轨列车上安装嵌入式测量装置，所述智轨列车包括多节车厢10、10A、10B以及连接所述车厢10、10A、10B的可转动铰链20，所述测量装置包括嵌入式处理器30、支架40、四个或四个以上固定在所述支架40的摄影器50以及标靶60(可如图3、图4所示)，所述支架40安装在所述车厢10外，所述标靶60设置于所述车厢10、10A、10B的车轮11上，所述摄影器50用于以所在车厢左右两侧前后视角四向方式取得所述标靶60的影像；
确定所述智轨列车在车轮零转向角度时的零位置状态，由所述摄影器50第一次取得所述标靶的影像，所述标靶60能在所述摄影器50的其中一个完整成像，所述嵌入式处理器30计算所述标靶60的影像，在所述零位置状态时，所述车轮11的轴心方向垂直于对应所述车厢的中心线；
当所述智轨列车行驶或车轮转向校正时，所述摄影器50第二次取得所述标靶60的影像，计算取得所述车轮11的个别车轮转向角度。
本实施例的实施原理为：利用在智轨列车上安装嵌入式测量装置，标靶60设置于车厢10的车轮11上，支架40上固定的摄影器50以所在车厢左右两侧前后视角四向方式取得标靶60的影像，能由车厢外部通过四目或多目视觉取像确定智轨列车的车轮位置与车轮法向，经过嵌入式处理器30计算后可快速取得智轨列车的个别车轮转向角度，能实现快速的角度测量与角度校准等，进而改善车辆行驶过程中出现跑偏、甩尾及双向驾驶性能不一致等问题。
在安装嵌入式测量装置的步骤中，关于一具体示例的测量系统组成，该测量装置由工字形相机架40、多个工业相机50、对应无支架的第一端(左向)的第二车厢10A中每一车轮11的定制I型标靶、对应有支架的第一车厢10中每一车轮11的定制II型标靶、对应无支架的第二端(右向)的第二车厢10B中每一车轮11的定制III型标靶以及嵌入式处理器30组成。标靶的一种具体形态可见于图3、图4的标靶60。
在安装嵌入式测量装置的步骤中，可包括测量系统标定，先进行相机内参数标定，然后将相机50安装并固定到工字形相机架40，参阅图2，关于标定相机间位姿关系的一种具体方式如下：
一、完成相机C2相对于相机C1的位姿标定R2、T2；
二、完成相机C3相对于相机C2的相对位姿标定R3’、T3’，计算得到相机C3相对于相机C1的关系R3、T3；
三、完成相机C4相对于相机C1的位姿标定R4、T4。
四、粗略建立正常测量状态下，相机C1的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵R1。
在一示例中，确定智轨列车在车轮零转向角度时的零位置状态的步骤实施于现场测量流程，在智轨列车上安装嵌入式测量装置与确定智轨列车在车轮零转向角度时的零位置状态至第二次量测可合并执行，包括以下细分步骤:
(1)配合再参阅图1、图2，使智轨列车的三节车厢10处于平行的近似零位置状态；
(2)将三种型号的标靶60分别安装于智轨电车车轮11。第一节车厢10A安装Ⅰ型标靶，中间车厢10安装Ⅱ型标靶，第三节车厢10B安装Ⅲ型标靶；
(3)放置相机架40至合适的测量位置，确保12个标靶在相机50中均完整成像；
(4)开启嵌入式测量装置；
(5)发送测量指令，测得此时智轨列车的十二个车轮相较所在车厢中心线的前束角值，以及车厢中心线的相对位置夹角两个(视同铰接盘的角度)；
(6)作为校正基准点，依次打(可约7次)智轨列车大约的个别车轮转向角度+20°，+10°，+5°，0，-5°，-10°，-20°，发送测量指令，三节车厢可显示十二个车轮转向角度及两个车厢夹角；
(7)作为校正量测点，调整7次智轨列车的姿态，依次使车厢编组间转向达到指定角度，例如+40°，+20°，+10°，0°，-10°，-20°，-40°，发送测量指令，实时显示十二个或八个车轮角度及两个车厢夹角；
(8)关闭嵌入式测量装置。
本发明一个或多个实施例提供了一种智轨列车车轮转向角度的计算方法，包括：
通过智轨列车上的嵌入式处理器30实施，所述计算方法包括多相机标定的计算、标靶识别的计算以及角度计算；其中，
多相机标定的计算:在完成相机内参数标定后完成相机与相邻相机间相对位姿关系的标定；建立正常测量状态下其中一相机的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵；
标靶识别的计算:确定从标靶坐标系到相机坐标系变化；确定相机坐标系到成像坐标系的变换；确定计算机图像坐标与相机成像坐标关系；将标靶坐标系设定为世界坐标系，得到标靶60的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵，包含车轮位置数据与车轮法向数据；
角度计算:由车轮位置数据与车轮法向数据，由连接左右两侧车轮位置得到两个或两个以上的轮毂线，将所述两个或两个以上的轮毂线的中点连接以得到虚轨对准线，取所述虚轨对准线的垂线，由所述车轮法向的个别法向量数据与所述垂线的垂线得到夹角度数，计算得到车轮转向角数据；
优选地，在角度计算中还将所述虚轨对准线延长，与相邻车厢的虚轨对准线形成夹角，计算得到铰链转向角数据。
在一具体示例中，具体流程步骤可参阅图7，计算形态可参阅图5、图6。前置量测操作包括，使智轨列车处于三节车厢平行的近似零位置状态；安装标靶，放置相机架，使得12个标靶在相机中完整成像；调节LED灯光亮度和相机曝光时间；开启测量系统，发送测量指令，此时得到标靶关键点在相机坐标系下的坐标并将其转换为世界坐标。如图7的步骤S1配合图5所示，后续计算方式以第一节车厢为例，测得此时A、B、C、D四个车轮的位置及其法向(示于图5)；如图7的步骤S2配合图5所示，连接AC、BD，得到两条线的中点E、F；如图7的步骤S3配合图5所示，连接EF并做其垂线GH；如图7的步骤S4配合图5所示，测得A、B、C、D四处法向量与垂线GH的夹角∠A、∠B、∠C及∠D的度数，即如图7的步骤S5配合图5所示，得到十二个车轮转向角，注意角度正负。如图7的步骤S6配合图5、图6所示，延长中点连线EF，测得与其余车厢夹角β1、β2，即如图7的步骤S7配合图6所示，可视为铰接盘夹角角度(或称铰链转向角)。
关于相关计算公式的使用，在完成相机内参数标定后首先要完成相机间位姿关系的标定：完成相机C2相对于相机C1的位姿标定R2、T2；完成相机C3相对于相机C2的位姿标定R3’、T3’，计算得到相机C3相对于相机C1的关系R3、T3；完成相机C4相对于相机C1的位姿标定R4、T4。粗略建立正常测量状态下，相机C1的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵R1。
其次，根据有三个特殊圆环标识的平面性标靶的特定位置关系靶确定标靶大致空间位置，也就是完成物体在世界坐标系、标靶坐标系、相机坐标系、像素坐标系之间的转换。在空间姿态测量时，可将标靶坐标系假定为世界坐标系，这样就能得到任一空间位姿的旋转矩阵。
最后，得到12个标靶的空间位姿矩阵，并根据本专利实施例描述的计算方法分别得到12个车轮转向角及2个铰接盘转向角。
综合本发明的实施例，本发明的创造要点区分为几个方面:1.量测系统结构，包括工字形相机架及定制标靶；2.转向角度的定义与校正；3.测量、计算方法。
在量测系统结构中，优选可采用工字形相机架，分别将四台相机用螺丝连接在工字架的四端，置于中间车厢的中间位置。将三种型号的定制平面型标靶通过夹具分别安装于对应的车轮上。
在转向角度的定义与校正中，车轮转向角指车轮平面与车身中轴线的夹角，铰接盘转向角指相邻车厢间铰接盘的角度。本安装系统中，在三节车厢近似零位置时安装标靶，放置相机架，如图4、图5，以第一节车厢为例，测得此时A、B、C、D四个车轮的位置及其法向，连接AC、BD，得到两条线的中点E、F，连接EF并做其垂线GH，测得A、B、C、D四处法向量与垂线GH的夹角，记为∠A、∠B、∠C及∠D，即为车轮的转向角(角度向左为正，向右为负)。延长中点连线EF，测得与其余车厢夹角β1、β2，视为铰接盘夹角角度。
在测量、计算方法中，首先，使车辆处于三节车厢平行的近似零位置状态；安装标靶，放置相机架，使得12个标靶在相机中完整成像；调节LED灯光亮度和相机曝光时间；开启测量系统，发送测量指令，此时得到标靶关键点在相机坐标系下的坐标并将其转换为世界坐标。以第一节车厢为例，测得此时A、B、C、D四个车轮的位置及其法向，连接AC、BD，得到两条线的中点E、F，连接EF并做其垂线GH，测得A、B、C、D四处法向量与垂线GH的夹角∠A、∠B、∠C及∠D的度数，即为车轮的转向角，注意角度向左为正向右为负。延长中点连线EF，测得与其余车厢夹角β1、β2，视为铰接盘夹角角度，具体测量过程见图6。
本具体实施方式的实施例均作为方便理解或实施本发明技术方案的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应被涵盖于本发明的请求保护范围内。
Claims (10)
1.一种智轨列车车轮转向角度的测量方法，其特征在于，包括：
在智轨列车上安装嵌入式测量装置，所述智轨列车包括多节车厢(10)以及连接所述多节车厢(10)的可转动铰链(20)，所述嵌入式测量装置包括嵌入式处理器(30)、支架(40)、标靶(60) 以及固定在所述支架(40)的四个或四个以上摄影器(50)，所述支架(40)安装在所述多节车厢(10) 其中一节车厢外，使在所述支架(40)上的摄影器(50)实现对所述多节车厢(10)左右两侧前后视角四向的摄影，所述标靶(60)设置于所述多节车厢(10)的每一车轮(11)上，所述摄影器(50)用于以所在车厢左右两侧前后视角四向方式取得所述标靶(60)的影像；
确定所述智轨列车在车轮零转向角度时的零位置状态，由所述四个或四个以上摄影器(50)第一次取得所述标靶(60)的影像，至少一个所述标靶(60)能在所述四个或四个以上摄影器(50)中至少一个完整成像，所述嵌入式处理器(30)计算所述标靶(60)的影像，在所述零位置状态时，所述车轮(11)的轴心方向垂直于对应的所述多节车厢(10)的中心线；
当所述智轨列车行驶或车轮转向校正时，所述四个或四个以上摄影器(50)第二次取得所述标靶(60)的影像，计算取得所述车轮(11)的个别车轮转向角度。
2.根据权利要求1所述的智轨列车车轮转向角度的测量方法，其特征在于，在智轨列车上安装嵌入式测量装置的步骤包括:
确定所述四个或四个以上摄影器(50)的其中一个与相邻摄影器(50)的位姿标定；
建立在正常测量状态下所述四个或四个以上摄影器(50)的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵。
3.根据权利要求2所述的智轨列车车轮转向角度的测量方法，其特征在于，由所述四个或四个以上摄影器(50)取得所述标靶(60)的影像进行计算所述车轮(11)的个别车轮转向角度的过程包括:
所述嵌入式测量装置内开启测量指令，所述标靶(60)的关键点在相机坐标系下的坐标转换为世界坐标，以测得同一车厢(10)内的两侧车轮位置与车轮法向，连接左右两侧车轮位置得到两个轮毂线，将所述两个轮毂线的中点连接以得到虚轨对准线，取所述虚轨对准线的垂线，由所述车轮法向的个别法向量与所述垂线得到夹角度数，以取得车轮转向角。
4.根据权利要求3所述的智轨列车车轮转向角度的测量方法，其特征在于，将所述虚轨对准线延长，与相邻车厢(10)的虚轨对准线形成夹角，以取得铰链转向角。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的智轨列车车轮转向角度的测量方法，其特征在于，当所述支架(40)与所述四个或四个以上摄影器(50)为多组间隔设置在所述多节车厢(10)，由所述四个或四个以上摄影器(50)取得所述标靶(60)的影像包括安装有所述四个或四个以上摄影器(50)的第一车厢(10)的标靶影像以及未安装有所述四个或四个以上摄影器(50)且相接于所述第一车厢(10)的第二车厢(10A、10B)的标靶影像。
6.根据权利要求5所述的智轨列车车轮转向角度的测量方法，其特征在于，所述支架(40)包括工字形相机架，所述支架(40)的每一端安装一个对应的所述四个或四个以上摄影器(50);所述四个或四个以上摄影器(50)包含LED相机;所述标靶(60)为平面型标靶(60)，个别的所述标靶(60)设有三个或三个以上供所述四个或四个以上摄影器(50)识别的定位标识(61);所述定位标识(61)包括圆形的第一标识(62)与圆环形的第二标识(63)。
7.一种智轨列车车轮转向角度的计算方法，其特征在于，通过智轨列车上的嵌入式处理器(30)实施，所述计算方法包括多相机标定的计算、标靶识别的计算以及角度计算;其中，
多相机标定的计算: 在完成相机内参数标定后完成相机与相邻相机间相对位姿关系的标定;建立正常测量状态下其中一相机的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵;
标靶识别的计算: 确定从标靶坐标系到相机坐标系变化;确定相机坐标系到成像坐标系的变换;确定计算机图像坐标与成像坐标关系;将标靶坐标系设定为世界坐标系，得到标靶(60)的坐标系与大地坐标系的旋转矩阵，包含车轮位置数据与车轮法向数据;
角度计算: 由车轮位置数据与车轮法向数据，由连接左右两侧车轮位置得到两个轮毂线，将所述两个轮毂线的中点连接以得到虚轨对准线，取所述虚轨对准线的垂线，由所述车轮法向的个别法向量数据与所述垂线的垂线得到夹角度数，计算得到车轮转向角数据;
在角度计算中还将所述虚轨对准线延长，与相邻车厢(10)的虚轨对准线形成夹角，计算得到铰链转向角数据。
8.根据权利要求7所述的智轨列车车轮转向角度的计算方法，其特征在于:
从标靶坐标系到相机坐标系变化计算公式:
式中xc,yc,zc属相机坐标系，xw,yw,zw属世界坐标系，R0为相机位置矩阵确定值，T0为相机平移向量确定值; x1,y1属标靶平面坐标系，R1为靶标位置待求值，T1为标靶平移向量待求值，与物体空间姿态相关；R表示综合旋转矩阵，T表示综合平移向量，R、T即为相机的外参矩阵，其中r1-r9，t1-t3分别表示为R、T展开数值；其中R0、R1、R均为单位正交矩阵;
相机坐标系到成像坐标系的变换计算公式:
式中，xu、yu属于成像点在成像坐标系的坐标，xc,yc，zc属相机坐标系，f表示相机焦距;
计算机图像坐标与成像坐标关系计算公式:
式中，u、v分别表示在计算机图像坐标系中像素点位于数组的列数和行数，k1为非线性畸变系数，xu、yu属于成像点在成像坐标系的坐标，dx和dy分别表示x方向和y方向的一个像素分别对应的长度，u0、v0表示图像的中心像素坐标和图像原点像素坐标之间相差的横向和纵向像素数;
由式（1）—（3）可得:
式中，dx/dy通过近影标定获得，通过标靶(60)中任意5点标识圆心坐标及其对应图像中坐标可获得常数项A、B、C、D和E，根据R为单位正交矩阵性质，解算出矩阵R，如式（5）所示:
计算得到所述标靶(60)的空间位姿矩阵并得到角度参数。
9.一种智轨列车车轮转向角度的测量装置，其特征在于，包括嵌入式处理器(30)、支架(40)、标靶(60) 以及固定在所述支架(40)的四个或四个以上摄影器(50)，所述支架(40)安装在所述多节车厢(10)其中一节车厢外，使在所述支架(40)上的摄影器(50)实现对所述多节车厢(10)左右两侧前后视角四向的摄影，所述标靶(60)用于设置于所述多节车厢(10)的每一车轮(11)上，用于执行如权利要求1-6中任一项所述的一种智轨列车车轮转向角度的测量方法，或是基于权利要求7或8所述的一种智轨列车车轮转向角度的计算方法进行测量。
10.一种智轨列车，其特征在于，包括如权利要求9所述的一种智轨列车车轮转向角度的测量装置。
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