CN113884319B - 基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法及系统 - Google Patents

基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法及系统，相机设置在被测车辆的内侧转弯前轮轮毂中心，车辆转弯形成的轨迹圆心设置特征标靶，车辆移动过程带动相机移动采集特征标靶图像，通过图像匹配和图像角点检测得到图像特征点世界三维坐标所对应的图像坐标，然后解算出相机的位置，根据三维坐标拟合求得相机运动轨迹圆，进而计算出车辆行驶圆轨迹的直径；两个转向分别测得车辆转弯直径，较大者即为被测车辆最小转弯直径。通过采集固定标靶图像特征点信息来测量相机实时位置进而求得车辆转弯直径，减少了测量时设备安装的难度、测量自动化程度高。测量方法操作难度小，可以满足测量精度要求，可广泛运用于车辆线下检测。

Description

基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法及系统
技术领域
本发明属于光学测量相关的车辆性能参数技术领域，具体涉及一种基于单目视觉定位的车辆最小转弯直径测量系统及方法。
背景技术
随着汽车行业的不断发展，车辆的性能指标对行驶安全极为重要。按照国家技术标准，将汽车方向盘转动到极限位置时，以均匀车速使车辆分别向左右两侧做圆周运动，两次测量中车辆外侧轮胎面中心在平整地面上轨迹圆直径最大者即为最小转弯直径。车辆的最小转弯直径决定了车辆在狭窄道路及弯道较小的路况时的通过能力，最小转弯直径最小，车辆的过弯能力越优异。
以往的车辆的最小转弯直径测量方式，例如传统的水滴法测量方式精度差、测量手段简陋、受环境因素影响较大。还有利用GPS定位的方法，测量理论精度虽然可以满足要求，但是天线必须安装在车辆中轴线上，安装误差大。如安装在车轮毂上，卫星信号会出现遮挡。这些车辆转弯直径测量方法存在测量精度不高、测量条件难以达到等问题，无法满足车辆生成线下检测需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有测量方法和装置存在测量精度不高、测量条件难以达到、无法满足车辆生产线下检测需求的缺陷，提供一种基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法及系统，结构简单、便于维护、安装测量方便、测量精度高，可以广泛运用于各类车辆的最小转弯直径的检测，可以适用于大批量的车辆生产线下检测。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于包括：
圆柱特征标靶，设置于被测车辆的轨迹圆圆心处，所述轨迹圆为车辆直线行驶从静止加速到匀速行驶后转向轮转到极限位置且保持转弯行驶形成的封闭圆形；
测量装置，包括工业相机、单片机系统、无线AP装置，测量装置设置在转弯车辆的内侧转弯轮轮毂中心而随车辆移动，且使得工业相机的视野中心线与车轮轮毂面垂直；
手持控制终端，与测量装置的单片机系统、工业相机和无线AP装置远程通讯，用于控制单片机系统和工业相机以采集圆柱特征标靶的特征点图像，并将采集的图像信息传输给单片机系统进行处理计算，最后得到车辆转弯直径并发送到无线AP装置；接收来自无线AP装置的车辆转弯直径并向单片机系统发送工作指令。
上述技术方案中，测量装置通过固定支架固定在被测车辆的转弯内前轮轴上。
上述技术方案中，圆柱特征标靶竖向设置在被测车辆所在的基础平面上。
上述技术方案中，圆柱特征标靶高度可调，且始终保持特征部位与测量装置的相机镜头中心点水平高度一致。
上述技术方案中，固定支架通过活动卡齿紧密贴合在转弯车辆的内侧转弯轮轮毂中心。
上述技术方案中，工业相机的镜头中心线与轮毂中心延长线平行设置。
上述技术方案中，所述轨迹圆连接的车辆直线行驶从静止加速到匀速行驶的直线段为准备区。
一种基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法，其特征在于相机设置在被测车辆的内侧转弯前轮轮毂中心，车辆转弯形成的轨迹圆心设置特征标靶，车辆移动过程带动相机移动采集特征标靶图像，通过图像匹配和图像角点检测得到图像特征点世界三维坐标所对应的图像坐标，然后解算出相机的位置，根据三维坐标拟合求得相机运动轨迹圆，进而计算出车辆行驶圆轨迹的直径；两个转向分别测得车辆转弯直径，较大者即为被测车辆最小转弯直径。
上述测量方法包括如下步骤：
S1：将测量装置紧密贴合在转弯车辆的内侧转弯轮轮毂中心，使得工业相机的视野中心线与车轮轮毂面垂直；
S2：驾驶被测车辆从准备区的起点出发，沿直线加速至设定的车速继续匀速行驶至轨迹圆起点时立即将车辆向内转向轮转到极限位置，开始进行车辆转弯行驶过程以确定车辆转弯过程的大致轨迹圆；
S3：在轨迹圆大致中心位置放置圆柱特征标靶，调节特征标靶高度使其与测量装置的水平高度一致；
S4：打开测量装置，检查设备工作正常；
S5：被测车辆从准备区的起点出发在准备区将车辆速度加速到设定速度并保持匀速，到达轨迹圆起点时立即将车辆转向轮偏转到极限位置以进入轨迹圆；
S6：通过手持控制终端发送指令使测量装置以的固定频率采集靶标图像；
S7：工业相机将标靶图像发送到单片机系统；
S8：将工业相机采集的图像进行处理，通过图像匹配和特征点检测程序得到已知三维世界坐标(X,Y,Z)的特征点在图像中的图像坐标(u,v)；
S9：被测车辆以一定频率通过多个检测点，通过空间拟合将多个检测点的三维坐标拟合成圆，求解圆心坐标,并由所有检测点到圆心的距离的平均值确定圆的半径；
S10：通过车辆几何参数获得车辆转弯直径D为：
其中，
r--为相机所在的轨迹圆半径，单位:m；
L--为车辆前后轮轴距离，单位:m；
B--为前轴两轮的轮距，单位:m；
s--为相机所在的坐标轨迹点到车辆外侧转向轮中心线所在平面距离，单位:m；
tp--为车辆外侧转向轮中心线所在平面到其转向节主轴销距离，单位:m；
S11：重复上述S1～10，测量车辆向外转向的转弯直径；
S12：比较两个转向测得的车辆转弯直径，取较大者为被测车辆最小转弯直径。
上述测量方法中，特征点检测程序中，特征点的三维世界坐标和图像坐标的关系如下式：
式中：Zc、1/dx、1/dy、u0、v0和f为相机的内部参数；
三组2D/3D点通过位姿解算程序得到平移向量T1,T2,T3，即得相机在三维世界坐标系下的(X,Y,Z)坐标。
由此，本发明公开了一种基于单目视觉定位的车辆最小转弯直径测量系统及方法，采用光学测量方法采集特征标靶图像，通过图像匹配和图像角点检测得到图像特征点世界三维坐标所对应的图像坐标，然后解算出相机的位置。根据三维坐标拟合求得相机运动轨迹圆，进而计算出车辆行驶圆轨迹的直径。
本发明通过采集固定标靶图像特征点信息来测量相机实时位置进而求得车辆转弯直径，减少了测量时设备安装的难度、测量自动化程度高。在车辆最小转弯直径测量技术的研究领域，本发明设计的系统及方法暂时没有研究单位及个人提出，可以弥补国内汽车行业对车辆最小转弯直径测量技术的空缺。
同时，本发明测量方法操作难度小，可以满足测量精度要求，可广泛运用于车辆线下检测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法流程图；
图2为本发明实施例的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法在车辆转弯过程的车辆轨迹模型图；
图3为本发明实施例的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法相机轨迹和车辆转弯轨迹圆几何关系图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明实施的基于单目视觉定位的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于包括：圆柱特征标靶3(可以用标靶支架支持)、工业相机及镜头、单片机系统、无线AP装置组成的测量装置2、用于固定测量装置2的带有活动卡齿的固定支架；用于远程控制测量装置2的手持控制终端；测量装置2通过带有活动卡齿的固定支架固定在汽车1上。
具体的，工业相机及镜头按一定频率实时采集圆柱特征标靶的特征点图像，并将采集的图像信息通过串口传输给单片机系统；
单片机系统通过程序控制工业相机的图像采集功能，接收采集的图像信息进行处理计算，最后得到车辆转弯直径并发送到无线AP装置；
无线AP装置将车辆转弯直径发送到手持控制终端；手持控制终端通过无线AP装置给单片机系统发送工作指令；
固定支架用于将工业相机及镜头、单片机系统和无线AP装置组成的移动测量装置固定在汽车1的转弯内前轮轴上。如图2和3所示，工业相机的视野中心线与车轮轮毂面垂直。
如图1所示，根据本发明实施的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法，在于利用已知世界坐标的多个特征点的图像坐标，确定相机的位置来间接获取车辆转弯时的行驶轨迹。其测量流程如图1所示，测量过程中车辆轨迹模型如图2所示。其特征具体在于以下步骤：
步骤1：将有活动卡齿的固定支架紧密贴合在转弯车辆的内侧转弯轮轮毂中心(如图2和图3所示)；
步骤2：将工业相机、镜头、单片机系统及无线AP组成的测量装置安装在支架的安装槽内，保证相机的视野中心线与车轮轮毂面垂直(可以从相机的镜头中心延长线与轮毂中心延长线平行来保证，也可以其他基准保证)；
步骤3：驾驶被测车辆从准备区A点出发，加速至1m/s的车速继续匀速行驶至B点时立即将车辆转向轮转到极限位置，开始进行车辆转弯行驶过程；
步骤4：确定车辆转弯过程的大致轨迹圆(先进行向左转弯的轨迹圆)，在轨迹圆大致中心位置放置目标特征靶标；
步骤5：圆柱特征标靶通过靶标支架竖直放置于地面上，调节特征靶标高度使其与测量装置的水平高度一致；
步骤6：打开测量装置，检查设备工作正常；
步骤7：被测车辆从A点出发在准备区将车辆速度加速到1m/s(也可以是其他设定较慢地速度)并保持在匀速，到达B点时立即将车辆转向轮偏转到极限位置以进入轨迹圆；
步骤8:通过手持控制终端发送指令使测量装置以2Hz(也可以是其他频频)的固定频率采集靶标图像；
步骤9：工业相机将标靶图像通过串口发送到单片机系统；
步骤10：将相机采集的图像进行处理，通过图像匹配和特征点检测程序得到已知三维世界坐标(X,Y,Z)的特征点在图像中的图像坐标(u,v)；而特征点的三维世界坐标和图像坐标的关系如下式：
dx、dy--为图像物理坐标系中像素的尺寸；
u0、v0--为图像坐标系原点在物理坐标系上的坐标；
f--为相机的焦距；
dx、dy、u0、v0和f为相机的内部参数，相机的内部参数可通过相机标定来求得；
三组2D/3D点通过位姿解算程序得到平移向量T1,T2,T3，即可得相机在三维世界坐标系下的(X,Y,Z)坐标；
步骤11：设被测车辆以一定频率在检测点P1、P2、P3、…、PN的世界三维坐标分别为Pi(xi,yi,zi)，i＝1,2,···,N，检测点总数为N个；然后通过空间拟合将三维坐标拟合成圆，则可以求解圆心坐标(x0,y0,z0),圆的半径可由所有点到圆心的距离的平均值确定：
步骤12：通过车辆几何参数(参照图3的相机轨迹和车辆转弯轨迹圆几何关系图)可以获得车辆转弯直径D(单位:m)为：
r--为相机所在的轨迹圆半径，单位:m；
L--为车辆前后轮轴距离，单位:m；
B--为前轴两轮的轮距，单位:m；
s--为相机所在的坐标轨迹点到车辆外侧转向轮中心线所在平面距离，单位:m；
tp--为车辆外侧转向轮中心线所在平面到其转向节主轴销距离，单位:m；
步骤13：重复上述步骤1～12，测量车辆另外一种转向的转弯直径(如向右转弯的轨迹圆)；
步骤14：比较两个转向测得的车辆转弯直径，取较大者即为被测车辆最小转弯直径。
本发明在于设计一种基于单目视觉定位的车辆最小转弯直径测量系统，通过采集固定靶标图像特征点信息来测量相机实时位置进而求得车辆转弯直径，减少了测量时设备安装的难度、测量自动化程度高，可以用于车辆的出厂线下检测。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于包括：
圆柱特征标靶，设置于被测车辆的轨迹圆圆心处，所述轨迹圆为车辆直线行驶从静止加速到匀速行驶后转向轮转到极限位置且保持转弯行驶形成的封闭圆形；
测量装置，包括工业相机、单片机系统、无线AP装置，测量装置设置在转弯车辆的内侧转弯轮轮毂中心而随车辆移动，且使得工业相机的视野中心线与车轮轮毂面垂直；圆柱特征标靶高度可调，且始终保持特征部位与测量装置的工业相机镜头中心点水平高度一致；
手持控制终端，与测量装置的单片机系统、工业相机和无线AP装置远程通讯，用于控制单片机系统和工业相机以采集圆柱特征标靶的特征点图像，并将采集的图像信息传输给单片机系统进行处理计算，最后得到车辆转弯直径并发送到无线AP装置；接收来自无线AP装置的车辆转弯直径并向单片机系统发送工作指令。
2.根据权利要求1所述的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于测量装置通过固定支架固定在被测车辆的转弯内前轮轴上。
3.根据权利要求1所述的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于圆柱特征标靶竖向设置在被测车辆所在的基础平面上。
4.根据权利要求2所述的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于固定支架通过活动卡齿紧密贴合在转弯车辆的内侧转弯轮轮毂中心。
5.根据权利要求1所述的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于工业相机的镜头中心线与轮毂中心延长线平行设置。
6.根据权利要求1所述的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，其特征在于所述轨迹圆连接的车辆直线行驶从静止加速到匀速行驶的直线段为准备区。
7.一种基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法，其特征在采用权利要求1-6任一项所述的基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量系统，包括如下步骤：
S1：将测量装置紧密贴合在转弯车辆的内侧转弯轮轮毂中心，使得工业相机的视野中心线与车轮轮毂面垂直；
S2：驾驶被测车辆从准备区的起点出发，沿直线加速至设定的车速继续匀速行驶至轨迹圆起点时立即将车辆向内转向轮转到极限位置，开始进行车辆转弯行驶过程以确定车辆转弯过程的大致轨迹圆；
S3：在轨迹圆大致中心位置放置圆柱特征标靶，调节特征标靶高度使其与测量装置的水平高度一致；
S4：打开测量装置，检查设备工作正常；
S5：被测车辆从准备区的起点出发在准备区将车辆速度加速到设定速度并保持匀速，到达轨迹圆起点时立即将车辆转向轮偏转到极限位置以进入轨迹圆；
S6：通过手持控制终端发送指令使测量装置以固定频率采集靶标图像；
S7：工业相机将标靶图像发送到单片机系统；
S8：将工业相机采集的图像进行处理，通过图像匹配和特征点检测程序得到已知三维世界坐标（X,Y,Z）的特征点在图像中的图像坐标（u,v）；
S9：被测车辆以一定频率通过多个检测点，通过空间拟合将多个检测点的三维坐标拟合成圆，求解圆心坐标,并由所有点到圆心的距离的平均值确定圆的半径；
S10：通过车辆几何参数获得车辆转弯直径D为：
；
其中，
r--为相机所在的轨迹圆半径，单位:m；
L--为车辆前后轮轴距离，单位:m；
B--为前轴两轮的轮距，单位:m；
s--为相机所在的坐标轨迹点到车辆内侧转向轮中心线所在平面距离，单位:m;
t p--为车辆外侧转向轮中心线所在平面到其转向节主轴销距离，单位:m;
S11：重复上述S1～10，测量车辆向外转向的转弯直径；
S12：比较两个转向测得的车辆转弯直径，取较大者即为被测车辆最小转弯直径。
8.根据权利要求7所述的一种基于单目视觉的车辆最小转弯直径测量方法，其特征在于特征点检测程序中，特征点的三维世界坐标和图像坐标的关系如下式：
；
；
式中：Zc、1/dx、1/dy、u 0 、v 0和f为相机的内部参数；三组2D/3D点通过位姿解算程序得到平移向量T 1 ,T 2 ,T 3，即得相机在三维世界坐标系下的（X,Y,Z）坐标。
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