CN111798413B - 一种轮胎切平面定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轮胎切平面定位方法及系统,属于轮胎切平面技术领域,解决了现有技术中复杂度高、实时性较差的技术问题。一种轮胎切平面定位方法,包括以下步骤:将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据光条的特征曲线,获取光条中心;获取光条的光平面方程,根据光条的光平面方程及光条中心得到轮胎光条的特征曲线,对轮胎光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程;根据椭圆方程获取椭圆的公切点,根据椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面。本发明所述方法降低了轮胎切平面定位的复杂度,提高了轮胎切平面定位的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及轮胎切平面定位技术领域,尤其是涉及一种轮胎切平面定位方法及系统。
背景技术
在汽车使用过程中,由于转向机构、车轴、车架的变形和磨损,汽车的操纵性能变差,易于产生行车事故,另外,车轮滚动的阻力也会增大,动力性下降,运行油耗增多。由此引起的轮胎异常磨损也降低了汽车的使用经济性。因此,为了保持汽车的直线行驶稳定性和操作轻便性减轻轮胎及其相关机件的磨损,需要定期对车轮进行检测,对轮胎进行精确定位,获取轮胎的切平面,现有轮胎切平面定位方案中复杂度高、实时性较差。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种轮胎切平面定位方法及系统,解决现有技术中复杂度高、实时性较差的技术问题。
一方面,本发明提供了一种轮胎切平面定位方法,包括以下步骤:
将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;
获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,对所述轮胎光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程;
根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面。
进一步地,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,具体包括,分别采集一幅正常曝光的光条图像和一幅低曝光的光条图像,对所述低曝光的光条图像进行二值化分割,提取钢圈外轮廓点,对所述钢圈外轮廓点进行椭圆拟合,得到拟合后钢圈外轮廓点,根据正常曝光的光条图像中钢圈外的激光条纹和拟合后钢圈外轮廓点,将提取光条的特征曲线。
进一步地,对所述光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程,具体包括,新建坐标系O-xyz,新建坐标系的x-y平面与所述光平面平行,其原点与光条对应的像空间坐标系的原点重合,获取光平面上特征曲线对应的空间点,并通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,对所有空间点进行拟合,得到椭圆方程。
进一步地,通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,具体包括,
光平面的法向量v(x,y,z)在像空间坐标系X-Z平面的投影为l,v与X-Z平面的夹角为β,投影l与x轴的夹角为α;
将坐标系绕y轴顺时针旋转度,再绕x轴逆时针旋转β度,使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等。
进一步地,根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,具体包括,获取相对两个椭圆的所有公切线,由所述公切线得到公切点,获取椭圆短轴与椭圆的交点,获取所有公切点与交点的距离,以与交点的距离最近的公切点作为特征定位点。
另一方面,本发明提供了一种轮胎切平面定位系统,包括光条中心获取模块、椭圆方程构建模块及切平面定位模块,
所述光条中心获取模块,用于将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;
所述椭圆方程构建模块,用获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,对所述轮胎光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程;
所述切平面定位模块,用于根据所述椭圆方程获取所述椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面。
进一步地,光条中心获取模块,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,具体包括,分别采集一幅正常曝光的光条图像和一幅低曝光的光条图像,对所述低曝光的光条图像进行二值化分割,提取钢圈外轮廓点,对所述钢圈外轮廓点进行椭圆拟合,得到拟合后钢圈外轮廓点,根据正常曝光的光条图像中钢圈外的激光条纹和拟合后钢圈外轮廓点,将提取光条的特征曲线。
进一步地,所述椭圆方程构建模块,对所述光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程,具体包括,新建坐标系O-xyz,新建坐标系的x-y平面与所述光平面平行,其原点与光条对应的像空间坐标系的原点重合,获取光平面上特征曲线对应的空间点,并通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,对所有空间点进行拟合,得到椭圆方程。
进一步地,所述椭圆方程构建模块,通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,具体包括,
光平面的法向量v(x,y,z)在像空间坐标系X-Z平面的投影为l,v与X-Z平面的夹角为β,投影l与x轴的夹角为α;
将坐标系绕y轴顺时针旋转度,再绕x轴逆时针旋转β度,使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等。
进一步地,所述切平面定位模块,根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,具体包括,获取相对两个椭圆的所有公切线,由所述公切线得到公切点,获取椭圆短轴与椭圆的交点,获取所有公切点与交点的距离,以与交点的距离最近的公切点作为特征定位点。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:通过将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,对所述轮胎光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程;根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面;降低了轮胎切平面定位的复杂度,提高了轮胎切平面定位的实时性。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的轮胎切平面定位方法的流程示意图;
图2是本发明实施例1所述的十字形结构光投射在轮胎侧面的示意图;
图3是本发明实施例1所述的坐标系转换示意图;
图4本发明实施例1所述的公切线计算代码截图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供了一种轮胎切平面定位方法,所述轮胎切平面定位方法的流程示意图,如图1所示,所述方法包括以下步骤:
步骤S1、将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;
步骤S2、获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,对所述轮胎光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程;
步骤S3、根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面。
一个具体实施例中,将十字形结构光投射在轮胎侧面,形成4条激光条纹,十字形结构光投射在轮胎侧面的示意图,如图2所示,通过激光条纹提取特征曲线,再进行椭圆拟合提取特征定位点(切点),最后通过4个特征点拟合出车轮定位面;
优选的,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,具体包括,分别采集一幅正常曝光的光条图像和一幅低曝光的光条图像,对所述低曝光的光条图像进行二值化分割,提取钢圈外轮廓点,对所述钢圈外轮廓点进行椭圆拟合,得到拟合后钢圈外轮廓点,根据正常曝光的光条图像中钢圈外的激光条纹和拟合后钢圈外轮廓点,将提取光条的特征曲线;
一个具体实施例中,如图2所示,结构光在轮胎和轮胎钢圈上面都投射了激光条纹,轮胎定位面是由提取的轮胎上的特征定位点确定的,而钢圈上的激光条纹会使得后续的图像处理变得困难,因此需要将两者分割;在不投射结构光的时候,轮胎和钢圈的灰度值存在明显的差别,因此可以采用二值化的方法将两者分割,理想的情况是关闭激光器额外采集一幅不包含激光条纹的图像,先对其进行二值化处理分割钢圈和轮胎,这个过程需要频繁的开关激光器,会大大减少其使用寿命;
考虑到轮胎和钢圈两者的材质不同,汽车轮胎的主要材质是橡胶,颜色是黑色,对光的反射那里不强,属于漫反射表面,因此投射的结构光光条噪声小,而且比较细,此外光条的灰度值也较钢圈上面的激光光条小,而钢圈的材料主要是金属材料,其表面光滑,反射能力强,因此激光光条会两侧会存在大量的噪声,在一些曲率变化大的地方因为视角的问题而导致光条变得很粗;
注意到两者的激光光条不仅灰度值大小存在差别,而且光条的粗细也有很大的差别,因此通过调节相机的曝光度来消除光条的影响,即采集两幅图像,一幅正常曝光(光条粗细适中,太粗则通常会噪声大而且光条中心不明显,太细则会导致光条出现断裂)的图像,另一幅图像是低曝光的图像,图像中在轮胎上的激光光条因为曝光度过低而无法显示,使用低曝光的图像进行二值化分割提取钢圈轮廓;
注意到钢圈与轮胎的交界处通常会因为钢圈的高反射率而导致光条过粗而且有噪声,因此需要采用形态学膨胀处理将钢圈的区域稍微扩大一部分,此外,膨胀处理还可以有效消除钢圈内因为曝光度低而导致的灰度值低的部分杂点;使用OpenCV中自带的函数findContours提取钢圈外轮廓点,再对外轮廓点进行椭圆拟合(钢圈是一个圆形,经过透视变换后成像是一个椭圆);只保留正常曝光图像中的钢圈外的激光条纹;
因为已经通过上述实施例将光条的特征曲线分割出来,而且结构光在轮胎形成的光条粗细均匀,噪声少,而且与背景形成很鲜明的对比,所以Steger算法就可以提取光条的中心;
获取光条的光平面方程是通过交叉线结构光系统标定的,具体的,获取交叉激光线在标定板上的光条图像,对所述光条图像去噪,对去噪后的光条图像进行分割,提取光条的感兴趣区域,根据所述感兴趣区域,获取光条中心;建立相机成像模型,获取像空间坐标系与物方坐标系的转换关系;根据所述光条中心及像空间坐标系与物方坐标系的转换关系,获取光平面,完成交叉线结构光系统的标定;
轮胎光条的特征曲线与光条的特征曲线区别在于前者在光平面坐标系下后者不在坐标系下;
优选的,对所述光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程,具体包括,新建坐标系O-xyz,新建坐标系的x-y平面与所述光平面平行,其原点与光条对应的像空间坐标系的原点重合,获取光平面上特征曲线对应的空间点,并通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,对所有空间点进行拟合,得到椭圆方程;
一个具体实施例中,由于轮胎的形状特点,结构光在其侧面形成的特征曲线是一段椭圆弧,因此可以将其进行椭圆拟合,进而提取特征定位点;
椭圆方程可以表示为
F(a,x)=aTx=nx2+bxy+cy2+dx+ey+f=0
其中,a=[a b c d e f]T,x=[x2 xy y2 x y f]T,F(a,x)为点(x,y)到椭圆F(a,x)=0的代数距离,拟合椭圆的目的就是最小化所有拟合点(共n个)的代数距离的平均和
为了防止a=0并且a的任意倍数都表示的是同一条二次曲线,因此需要对a进行约束,使用aTCa=1对a进行约束,
这是为了b2-4ac<0,将最终的最小二乘求解转换成广义特征值分解计算,引入Lagrange因子λ并求导,得到
DTDa-λCa=0
其中,D=[x1 T x2 T x3 T … xn T]T,上式可以通过广义特征值分解求解,设(λi,ui)是其中的一组特征值-特征向量解,则(λi,μui)同样也满足上式,将其代入aTCa=1,可得
μ2ui TCui=1
则令a=μui即为椭圆方程的参数,求得椭圆方程的参数后,也可以根据公式推导出椭圆的长短轴,椭圆中心的坐标,以及椭圆长轴与x轴的夹角;
优选的,通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,具体包括,
光平面的法向量v(x,y,z)在像空间坐标系X-Z平面的投影为l,v与X-Z平面的夹角为β,其投影l与x轴的夹角为α;
将坐标系绕y轴顺时针旋转度,再绕x轴逆时针旋转β度,使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等;
优选的,根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,具体包括,获取相对两个椭圆的所有公切线,由所述公切线得到公切点,获取椭圆短轴与椭圆的交点,获取所有公切点与交点的距离,以与交点的距离最近的公切点作为特征定位点;
一个具体实施例中,坐标系转换示意图,如图3所示,设光平面的法向量为v(x,y,z),其在像空间坐标系X-Z平面的投影为l,其中,v与X-Z平面的夹角为β,其投影l与x轴的夹角为α;
进行坐标系转换需要使新的坐标系中x-y平面垂直法向量,即将z轴旋转至法向量v的方向,为此,首先将坐标系绕y轴顺时针旋转度,再绕x轴逆时针旋转β度,旋转矩阵可以表示为
由图2可知,轮胎总共对应两个光平面,每个光平面中包含两条特征曲线,左上角和右下角的特征曲线属于同一个光平面,左下角和右上角的特征曲线属于另一条与之垂直的光平面;以一个光平面的数据处理为例,通过三角测距原理由图像坐标获取其对应的空间点,再经过坐标系转换使得这些空间点的z坐标相等,此时共有两组空间点;数据分别属于两条特征曲线,分别对其进行椭圆拟合,得到一个光平面中的两个椭圆方程;
光平面包含两条特征曲线,通过求取两个椭圆的公切线,确定特征定位点,这样更加严密而且准确;
设公切线方程为y=kx+m,代入上式并简化,可得
直线与椭圆相切等价于上式判别式为0,即
上式可用MATLAB中的solve函数求解,公切线计算代码截图,如图4所示;
计算出公切线之后,再代入椭圆方程求出切点坐标即可;由于两个椭圆相离,因此会有4条公切线,可以先计算椭圆短轴与椭圆的交点(注意到左上角和右下角的特征曲线所对应的椭圆其交点应当在椭圆中心的左下方,而另外两条特征曲线相反),再计算公切线求出的切点与交点的距离,因为交点的位置已经很接近实际的切点,所以选择与交点距离最近的公切点作为最终的特征定位点;以上是在一个光平面上拟合的椭圆,并据此光平面上的椭圆获取的2个特征定位点,两个光平面上可以获取4个特征定位点,最后由4个特征定位点拟合出轮胎的切平面;
实施例2
本发明实施例提供了一种轮胎切平面定位系统,包括光条中心获取模块、椭圆方程构建模块及切平面定位模块;
所述光条中心获取模块,用于将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;
所述椭圆方程构建模块,用于获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,对所述轮胎光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程;
所述切平面定位模块,用于根据所述椭圆方程获取所述椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面。
优选的,光条中心获取模块,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,具体包括,分别采集一幅正常曝光的光条图像和一幅低曝光的光条图像,对所述低曝光的光条图像进行二值化分割,提取钢圈外轮廓点,对所述钢圈外轮廓点进行椭圆拟合,得到拟合后钢圈外轮廓点,根据正常曝光的光条图像中钢圈外的激光条纹和拟合后钢圈外轮廓点,将提取光条的特征曲线。
优选的,所述椭圆方程构建模块,对所述光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程,具体包括,新建坐标系O-xyz,新建坐标系的x-y平面与所述光平面平行,其原点与光条对应的像空间坐标系的原点重合,获取光平面上特征曲线对应的空间点,并通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,对所有空间点进行拟合,得到椭圆方程。
优选的,所述椭圆方程构建模块,通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,具体包括,
光平面的法向量v(x,y,z)在像空间坐标系X-Z平面的投影为l,v与X-Z平面的夹角为β,投影l与x轴的夹角为α;
将坐标系绕y轴顺时针旋转度,再绕x轴逆时针旋转β度,使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等。
优选的,所述切平面定位模块,根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,具体包括,获取相对两个椭圆的所有公切线,由所述公切线得到公切点,获取椭圆短轴与椭圆的交点,获取所有公切点与交点的距离,以与交点的距离最近的公切点作为特征定位点。
需要说明的是,实施例1和实施例2未重复描述之处可相互借鉴。
本发明公开了一种轮胎切平面定位方法及系统,通过将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,对所述轮胎光条的特征曲线进行空间椭圆拟合,得到椭圆方程;根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面;降低了轮胎切平面定位的复杂度,提高了轮胎切平面定位的实时性。
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种轮胎切平面定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使待测轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;
获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,新建坐标系O-xyz,新建坐标系的x-y平面与所述光平面平行,其原点与光条对应的像空间坐标系的原点重合,获取光平面上特征曲线对应的空间点,并通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,对所有空间点进行拟合,得到椭圆方程;
根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面。
2.根据权利要求1所述的轮胎切平面定位方法,其特征在于,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,具体包括,分别采集一幅正常曝光的光条图像和一幅低曝光的光条图像,对所述低曝光的光条图像进行二值化分割,提取钢圈外轮廓点,对所述钢圈外轮廓点进行椭圆拟合,得到拟合后钢圈外轮廓点,根据正常曝光的光条图像中钢圈外的激光条纹和拟合后钢圈外轮廓点,提取光条的特征曲线。
3.根据权利要求1所述的轮胎切平面定位方法,其特征在于,通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,具体包括,
光平面的法向量在像空间坐标系X-Z平面的投影为l,v与X-Z平面的夹角为/>,投影l与x轴的夹角为/>;
将坐标系绕y轴顺时针旋转度,再绕x轴逆时针旋转/>度,使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等。
4.根据权利要求1所述的轮胎切平面定位方法,其特征在于,根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,具体包括,获取相对两个椭圆的所有公切线,由所述公切线得到公切点,获取椭圆短轴与椭圆的交点,获取所有公切点与交点的距离,以与交点的距离最近的公切点作为特征定位点。
5.一种轮胎切平面定位系统,其特征在于,包括光条中心获取模块、椭圆方程构建模块及切平面定位模块;
所述光条中心获取模块,用于将交叉线结构光投射在待测轮胎侧面上,使轮胎侧面上形成多个光条,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,根据所述光条的特征曲线,获取光条中心;
所述椭圆方程构建模块,用于获取光条的光平面方程,根据所述光条的光平面方程及所述光条中心得到轮胎光条的特征曲线,新建坐标系O-xyz,新建坐标系的x-y平面与所述光平面平行,其原点与光条对应的像空间坐标系的原点重合,获取光平面上特征曲线对应的空间点,并通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,对所有空间点进行拟合,得到椭圆方程;
所述切平面定位模块,用于根据所述椭圆方程获取所述椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,通过特征定位点拟合出待测轮胎的切平面。
6.根据权利要求5所述的轮胎切平面定位系统,其特征在于,光条中心获取模块,对所述光条进行图像分割,提取光条的特征曲线,具体包括,分别采集一幅正常曝光的光条图像和一幅低曝光的光条图像,对所述低曝光的光条图像进行二值化分割,提取钢圈外轮廓点,对所述钢圈外轮廓点进行椭圆拟合,得到拟合后钢圈外轮廓点,根据正常曝光的光条图像中钢圈外的激光条纹和拟合后钢圈外轮廓点,将提取光条的特征曲线。
7.根据权利要求5所述的轮胎切平面定位系统,其特征在于,所述椭圆方程构建模块,通过坐标系转换使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等,具体包括,
光平面的法向量在像空间坐标系X-Z平面的投影为l,v与X-Z平面的夹角为/>,投影l与x轴的夹角为/>;
将坐标系绕y轴顺时针旋转度,再绕x轴逆时针旋转/>度,使得所有空间点在新建坐标系中的z坐标相等。
8.根据权利要求5所述轮胎切平面定位系统,其特征在于,所述切平面定位模块,根据所述椭圆方程获取椭圆的公切点,根据所述椭圆的公切点,获取特征定位点,具体包括,获取相对两个椭圆的所有公切线,由所述公切线得到公切点,获取椭圆短轴与椭圆的交点,获取所有公切点与交点的距离,以与交点的距离最近的公切点作为特征定位点。
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