CN112284272B - 一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法，在水平地面上方固定一个标定标点，每移动一次拍摄一次标定标点照片，计量出每张照片中标点中心像素高度坐标，拟合出标定标点和标定相机之间水平距离与像素高度坐标之间的变化函数；在水平地面设置位于同一个圆上的m个测量标点，车载相机连续拍摄m个测量标点视频，截取相机视野框中处于中线位置照片并计量出测量标点中心像素高度坐标，由变化函数得到每个测量标点和车载相机之间的m个水平直线距离，分别以m个测量标点中心为圆心，以m个水平直线距离为半径对应地画出m个圆弧，每段圆弧的共切圆的半径即为车辆转弯半径；本发明测量准确、当用相同型号相机时不需重复标定。

Description

一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法

技术领域

本发明属于车辆运动学领域和数字图像处理技术领域，具体涉及一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法。

背景技术

车辆转弯半径是车辆性能的重要参数，其测量方法是车辆运动学需要研究的内容之一。传统的对车辆转弯半径和行驶轨迹的测量方法大致有以下几种：一是残存法，即在车辆的头尾处安装喷嘴，在车辆行驶时连续喷射，以此描绘车辆行驶轨迹，得到转弯半径；二是五轮仪的间接测量方法，即利用五轮仪加速度计测量车辆的瞬时速度或加速度，经过换算获得车辆的行驶轨迹，得到其转弯半径；三是采用GPS技术和激光测距定位法等。

采用图像技术测量车辆转弯半径和行驶轨迹已比较普遍，例如设计多条横纵标识线，将标识线贴于地面上，通过图像处理、坐标计算等获得车辆当前的绝对位置，并推算出各点的行驶轨迹，但在路面上贴标示线工作量大，成本较高，且易受路面状况的影响，不能够精确的测量出车辆的转弯半径和行驶轨迹。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于单目机器视觉的车辆转向半径测量方法，解决了现有技术中存在的成本高、工作量大，精度低的问题。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤A：在水平地面上方固定一个标定标点，使标定标点的中心在标定相机的视野框处于垂直中线位置上，将标定相机沿水平直线向后移动n次，每移动一次拍摄一次标定标点的照片，计量出每张照片中标定标点中心的像素高度坐标y，拟合出标定标点和标定相机之间的水平距离x与像素高度坐标y之间的变化函数为y＝f(x)；

步骤B：在水平地面设置m个相同的测量标点，m≥3，m个测量标点位于同一个圆上，在车辆顶部架设车载相机且车辆作圆周运动，车载相机连续拍摄m个测量标点的视频，截取每个测量标点在车载相机视野框中处于中线位置的照片，计量出每张照片中测量标点中心的像素高度坐标y_i，i＝1，2，3...m，由所述的变化函数为y＝f(x)得到每个测量标点和车载相机之间的m个水平直线距离x_i；

步骤C：分别以m个测量标点的中心为圆心，以m个水平直线距离x_i为半径，对应地画出m个圆弧L_i，得到与每段圆弧L_i都相切的共切圆，该共切圆的半径即为车辆的转弯半径。

步骤A中，在初始位置时标定相机的镜头与标定标点的水平距离为A，垂直高度差为h，拍摄下初始位置时的标定标点的照片，然后将标定相机沿水平直线向远离标定标点的方向每隔水平距离ΔA向后移动，拍照得到n+1张照片。

步骤B中，m个测量标点与车载相机的高度差是h。

步骤B中，所述的m个测量标点的大小和规格与标定标点相同，所述的车载相机与标定相机的型号相同。

本发明采用上述技术方案后具有以下有益效果：

本发明通过结合数字图象处理技术，具备精确的测量转弯半径和行驶轨迹的功能，测量准确、方法简单，当用相同型号的相机时，不需进行重复标定，减小了工作量。为车辆弯道行驶特性参数的测量提供一种可靠的解决方案，测量精度较高，且成本较低，可广泛应用于车辆弯道行驶特性参数的测量中。

附图说明

图1为本发明一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法的流程图；

图2为标定标点与标定相机相对位置及移动过程图；

图3为标定标点在标定相机视场中线位置示意图；

图4为标定标点和标定相机的水平距离与照片中标定标点中心的像素高度坐标分布及拟合函数图；

图5为测量标点布置位置示意图；

图6为装有车载相机的车辆转向示意图；

图7为车辆转弯半径的测量效果图；

图中：1-标定标点；2-相机视野框；3-标定相机；4-第一个测量标点；5-第二个测量标点；6-第三个测量标点；7-车载相机。

具体实施方式

参见图1和图2，将一个标定标点1固定于水平地面上方一定高度的位置处，在标定标点1的旁侧设置一个标定相机3，保持标定相机3的镜头朝向标定标点1。调整标定相机3的镜头，使标定标点1的中心在标定相机3的视野框2中，并且处于视野框2的垂直中线B的位置上，如图3所示。图2中，在初始位置时，标定相机3的镜头与标定标点1的水平距离为A，垂直高度差为h，拍摄下初始位置时的标定标点1的照片，然后将标定相机3沿水平直线向后移动，即向远离标定标点1的方向移动，每移动一次的距离为ΔA，每隔水平距离ΔA缓慢地向后移动，拍摄下每次移动后的标定标点1的照片，标定相机3如此重复移动n次，拍照得到n+1张照片。每向后移动一次，标定标点1的中心在照片成像时的像素上下高度坐标y便会改变一次。将拍摄的标定标点1的照片导入电脑中进行处理，利用图像处理软件计量出每张照片中标定标点1中心的像素高度坐标y，每个像素高度坐标y对应一个图2中标定标点1和标定相机3之间的水平距离x，从而可以拟合出水平距离x与照片上像素高度坐标y之间的变化函数为y＝f(x)，如图4所示。

如图5所示，实际测量前，在水平地面任意位置上设置m个相同的测量标点(m≥3)，这m个测量标点的大小和规格与标定标点1完全相同。图5中仅示出了三个测量标点.，分别是第一个测量标点4、第二个测量标点5和第三个测量标点6，使这m个测量标点位于圆心为O₁、半径为R的同一个圆上。再参见图6，在车辆顶部架设一个与标定相机3型号完全相同的车载相机7，使车载相机7的镜头朝向m个测量标点，镜头朝向垂直于车辆运动方向。车辆在半径为R的圆盘面的范围内作速度为v的圆周运动，保持m个测量标点与车载相机的高度差也是h，与图2标定时的高度差h相同。在车辆圆周运动过程中，保证随着运动的车载相机7能够完整地拍摄到m个测量标点，车载相机7依次连续地拍摄下车辆转弯时m个测量标点的视频。

将拍摄的m个测量标点的视频导入电脑，利用视频处理软件，当m个测量标点在车载相机7视野框中处于中线位置时，截取测量标点在中线位置时的照片，得到m张测量标点的照片。利用图像处理软件计算出每张测量照片中测量标点中心的像素高度坐标y_i，i＝1，2，3...m。根据变化函数为y＝f(x)，将像素高度坐标y_i代入变化函数y＝f(x)中，计算出m个测量标点和车载相机7之间的m个水平直线距离x_i，即得到在测量标点位于车载相机7视野中线的瞬间时，测量标点与车载相机7之间的直线距离。

参见图7，根据m个水平直线距离x_i，绘图、计算出车辆转弯半径大小：当m个测量标点(第一个测量标点4、第二个测量标点5和第三个测量标点6)处于车载相机7视野框中线时，车载相机7和测量标点4、5、6之间的连线与车载相机7镜头的朝向完全重合。将m个测量标点和m个水平直线距离x_i在二维绘图软件中绘制出来，即可得到当测量标点处于车载相机7视场中线时车载相机7的位置。分别以m个测量标点的中心为圆心，分别以m个水平直线距离x_i为半径，一一对应地分别画出m个圆弧L_i，这m个圆弧L_i的开口都朝向圆心为O₁、半径为R的圆弧开口。根据m个圆弧L_i，做一个共切圆与每段圆弧L_i都相切，得到的这个共切圆的圆心为O₂、半径为R₀，半径R₀利用绘图软件可直接测量得到，该共切圆即为车辆行驶的轨迹，半径R₀即为车辆的转弯半径R₀。

实施例

以下提供本发明的一个具体实施例：

见图2、图3，将标定标点1固定好，保持标定相机3镜头朝向标定标点1，调整相机镜头，使标定标点1在相机视野框2中处于中线位置。初始位置标定相机3与标定标点1距离为20cm，高度差为15cm，拍摄下初始位置时标点照片。将标定相机3沿水平直线每隔5cm缓慢向后移动，拍摄下每次移动后的标定标点1照片，重复上述移动拍照过程20次。共得到21张标点照片，将拍摄的标定标点1照片导入电脑中进行处理，利用matlab中图像处理技术计量出每张照片中标点中心的像素高度坐标。每个像素高度坐标y对应一个标定标点1和标定相机3之间的距离x，从而可以拟合出距离与照片上像素高度坐标y之间的变化函数为y＝f(x)是：

y＝358.5*exp(0.002143*x)-905.8*exp(-0.04832*x)，

其中：y表示照片上标点中心的像素高度坐标，x表示标定相机3和标定标点1间的距离(cm)。

测量前，在水平地面上固定设置大小规格和标定标点1相同的3个测量标点4、5、6，3个测量标点4、5、6以半径R为100cm确定一圆，其圆心为O₁，3个测量标点4、5、6，任意放在上述半径为100cm的圆O₁上。

采用与标定相机3同一种型号的车载相机7，架设在做圆周运动的车辆顶部，且车载相机7的镜头朝向测量标点，方向垂直于车辆运动方向。保持测量标点4、5、6与车载相机7的高度差也为15cm。车辆以半径为30cm做圆周运动时，车辆要在测量标点4、5、6圆周范围内运动，保证车载相机7在运动过程中能够完整地拍摄到测量标点4、5、6，依次拍摄下3个测量标点4、5、6。将拍摄的视频导入电脑，利用视频处理软件，当测量标点4、5、6在车载相机7视场处于中线位置时，截取得到3张照片。利用图像处理软件计量出每张照片中测量标点中心的像素高度坐标，得到分别对应于测量标点4、5、6的3个像素高度坐标分别为y₁＝265，y₂＝303，y₃＝363。

将得到的3个像素高度坐标y₁，y₂，y₃代入变化函数y＝358.5*exp(0.002143*x)-905.8*exp(-0.04832*x)中，求解可得当车辆转弯过程中，在测量标点4、5、6位于车载相机7视野中线的瞬间时，测量标点4、5、6与车载相机7之间的3个水平直线距离。在本实施例中，将y₁＝265，y₂＝303，y₃＝363代入变化函数中，求解可得3个水平直线距离为：x₁＝40cm，x₂＝47cm，x₃＝61cm。

当测量标点4、5、6处于车载相机7视场中线时，车载相机4、5、6和测量标点7之间的连线与相机镜头朝向重合，将3个水平直线距离x₁、x₂、x₃在二维绘图软件中绘制出来，即可得到当测量标点4、5、6处于车载相机7视场中线时车载相机7的位置。分别以3个标点的中心为圆心，对应地分别以3个距离x₁、x₂、x₃为半径分别画出3个圆弧L₁、L₂、L₃，即圆弧L₁的圆心是第一个测量标点4的中心，半径是距离x₁，圆弧L₂的圆心是第二个测量标点5的中心，半径是距离x₂，圆弧L₃的圆心是第三个测量标点6的中心，半径是距离x₃。然后，做一个共切圆O₂与每段圆弧L₁、L₂、L₃都相切，共切圆O₂即为车辆行驶的轨迹，进而利用绘图软件可直接测量出共切圆O₂的半径即车辆的转弯半径R₀＝28.8cm，即车辆以28.8cm为半径转向。

在线下验证本发明的准确有效性，控制车辆以实际半径30cm转弯，使用本实施方法，经过计算绘图得出车辆的转弯半径为28.8cm，与实际半径30cm对比，误差小于5％。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法，其特征是包括以下步骤：

步骤A：在水平地面上方固定一个标定标点，使标定标点的中心在标定相机的视野框处于垂直中线位置上，在初始位置时标定相机的镜头与标定标点的水平距离为A，垂直高度差为h，将标定相机沿水平直线向后移动n次，每移动一次拍摄一次标定标点的照片，计量出每张照片中标定标点中心的像素高度坐标y，拟合出标定标点和标定相机之间的水平距离x与像素高度坐标y之间的变化函数为y＝f(x)；

步骤B：在水平地面设置m个相同的测量标点，m≥3，m个测量标点位于同一个圆上，在车辆顶部架设车载相机且车辆作圆周运动，车载相机与标定相机的型号相同，车载相机连续拍摄m个测量标点的视频，m个测量标点的大小和规格与标定标点相同，m个测量标点与车载相机的高度差是h，截取每个测量标点在车载相机视野框中处于中线位置的照片，计量出每张照片中测量标点中心的像素高度坐标y_i，i＝1，2，3...m，由所述的变化函数为y＝f(x)得到每个测量标点和车载相机之间的m个水平直线距离x_i；

步骤C：分别以m个测量标点的中心为圆心，以m个水平直线距离x_i为半径，对应地画出m个圆弧L_i，得到与每段圆弧L_i都相切的共切圆，该共切圆的半径即为车辆的转弯半径。

2.根据权利要求1所述的一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法，其特征是：步骤A中，拍摄下初始位置时的标定标点的照片，然后将标定相机沿水平直线向远离标定标点的方向每隔水平距离ΔA向后移动，拍照得到n+1张照片。

3.根据权利要求1所述的一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法，其特征是：步骤B中，m个测量标点处于车载相机视野框中线时，车载相机和测量标点之间的连线与车载相机镜头的朝向重合。

4.根据权利要求1所述的一种基于单目机器视觉的车辆转弯半径测量方法，其特征是：步骤C中，所述的共切圆为车辆行驶的轨迹。

Images