CN117808773A - 基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法与系统，旨在解决基于面光场轮辋特征提取的汽车车轮定位参数检测的问题。基于面光场轮辋特征提取的汽车车轮定位参数检测方法主要包括五个步骤：摄像机(2)标定的图像采集、解算激光平面在摄像机(2)坐标系下的坐标、解算摄像机(2)坐标系下激光特征点的三维特征点、汽车轮辋空间圆拟合及解算圆心和法向量与解算汽车车轮定位参数组成。提供了一种可用于非接触、性能稳定的基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法与系统。

Description

基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法与系统

技术领域

本发明涉及一种汽车检测领域的测量方法与测量设备，更具体的说，它是一种基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法与系统。

背景技术

汽车检测技术对保障汽车行驶安全性，提高汽车可靠性和耐久性，提升行车舒适性和驾驶体验具有重要意义。对于汽车车轮定位参数视觉检测的意义在于确保车辆行驶的安全和稳定性。车轮定位参数对于车辆的操控、行驶和制动的性能都有着很大的影响。如果这些参数存在偏差，将会导致车辆侧滑、轮胎磨损加速、能耗增加、驾驶感受变差等问题，甚至会危及行车安全。视觉检测可以及时发现这些参数的偏差，并及时进行调整和修正，从而确保车辆行驶的安全、稳定和舒适性。目前广泛应用的汽车车轮定位参数检测方法是基于视觉3D式四轮定位检测方法，该方法大多数采用的二维靶标标识板。但是使用二维靶标标识板进行汽车车轮定位参数检测存在接触测量、操作繁琐、受外界影响大、耗时长和受车辆类型影响等问题。因此提出了一种基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法与系统，采用独立相机和面激光器，无需使用二维靶标标识板，实现车轮几何元素的精确检测，从而形成一种直接非接触检测车轮轮辋、高可靠性、可现场标定且检测量值可溯源的汽车车轮定位参数主动视觉检测方法。

发明内容

本发明针对解决在汽车车轮定位参数检测过程中，使用二维靶标标识板进行检测存在接触测量、操作繁琐、受外界影响大和耗时高等问题，提出了一种设备轻便，操作灵活，结构简单，具备高精度、且无需二维靶标标识板的面光场轮辋特征提取的汽车车轮定位参数检测系统。该系统由一个摄像机和面激光器组成，通过检测光场主动投射的激光平面族与车轮轮辋的交点，进行了车轮轮辋椭圆和车轮轮辋圆心空间坐标及法向矢量等车轮几何元素的优化解算，实现了汽车车轮定位参数高精度直接非接触的视觉测量。

结合说明书附图，本发明采用如下技术方案予以实现：

基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法的具体步骤如下：

第一步：将摄像机支架放置在地面上，摄像机固定在摄像机支架上，根据汽车车轮定位参数检测范围的需要，固定好摄像机的位置，摄像机拍摄在不同位置下平面靶标得到的靶标图像，通过DLT标定方法对摄像机的参数进行标定，得到摄像机的内参数K；

第二步：将面激光器放置于车轮轮辋正前方，保证激光平面可打在车轮轮辋上，打开面激光器，将平面靶标移入摄像机视场内，利用摄像机拍摄i组带有激光线与不带激光线的靶标图像，采用差影法确定靶标图像中的激光特征点所处位置，在摄像机坐标系下，第k(k＝1，2，3，4，5)个面激光器发出的激光在第i个位置所确定的激光平面为π_i，k；

根据Hessian矩阵法提取平面靶标与面激光平面相交而成的激光条中心特征点的图像坐标x_i，k，设激光条中心特征点在摄像机2坐标系下的坐标为在靶标坐标系下的坐标为/>在靶标坐标系下与图像坐标系下的转换关系满足

其中，P_i＝K[R_i t_i]，K是通过第一步标定得到的摄像机的内参数，根据QR分解获得摄像机的外参数R_i、t_i；

根据上述靶标坐标系和摄像机坐标系的转换关系，将靶标坐标系下激光条中心点转换到摄像机坐标系中，靶标坐标系中的激光条中心点坐标/>与摄像机坐标系中的激光条中心点坐标/>满足

由于摄像机坐标系下激光中心点坐标在光平面上，因此满足

根据计算出的摄像机坐标系中的激光中心点坐标以及上式，利用SVD分解的方法解算出激光平面在摄像机坐标系下的坐标π_i，k；

第三步：打开面激光器且车轮轮辋在摄像机视场内时，根据摄像机采集到的图像，激光平面在车轮轮辋边缘的激光特征点为l_k，m，m(m＝1，2，...10)表示车轮轮辋边缘上第k个激光平面上的第m个特征点，为摄像机坐标系下激光特征点的三维坐标，根据图像坐标系和摄像机坐标系的转换关系，激光条特征点的图像坐标l_k，m与摄像机坐标系中的激光条特征点坐标/>满足

其中，K是通过第一步标定得到的摄像机的内参数，摄像机坐标系中的激光条特征点坐标和图像坐标系中的激光条特征点坐标l_k，m可表示为/>和l_k，m＝(u_i，v_i，1)^T；

根据摄像机坐标系下激光特征点在激光平面上，因此满足

其中，根据第二步求得的激光平面在摄像机坐标系下的坐标π_i，k＝(π₁，π₂，π₃，π₄)^T，结合上述公式有

根据上式求得激光条特征点在摄像机坐标系下三维坐标

第四步：根据摄像机坐标系中的激光条特征点坐标位于同一个车轮轮辋平面上，平面方程表示为

ax+by+cz-1＝0

写成矩阵形式为

根据上述摄像机坐标系中的激光条特征点拟合车轮轮辋空间圆得到的车轮轮辋平面法向量N＝(a，b，c)^T，利用最小二乘法求得车轮轮辋圆圆心O和车轮轮辋圆半径r；

第五步：根据上式得到的车轮轮辋空间圆圆心O，可以获得在全局坐标系中汽车四个车轮的旋转中心为O₁、O₂、O₃和O₄，用其可以确定车身基准平面，其中汽车车身水平面的法向量O-Z轴为

汽车车身中心线是汽车前后轴中心的连线，即汽车车身基准O-Y轴为

O-X轴为汽车车身水平面的法向量O-Z轴和汽车车身基准O-Y轴的外积

n_OX＝n_OY×n_OZ

在车轮定位参数检测过程中，根据第四步求得车轮轮辋平面法向量N，由方向向量N在上述求得的车身基准平面上的投影解算四个车轮的定位参数为

其中当q＝1，2，3，4时θ_q分别为主销内倾角、主销后倾角、车轮前束角和车轮外倾角，n₁为汽车车轮定位车身基准平面的法向量，当q＝1，2时，N表示为车轮的主销轴线，n₂为汽车车身水平面的法向量；q＝3，4时，N表示为车轮的转向节轴线，n₂为汽车车身纵向平面的法向量。

基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统包括有摄像机支架、摄像机、激光器板盒、面激光器与平面靶标；

摄像机支架与激光器板盒放置在地面上，摄像机通过底部的螺纹孔与摄像机支架顶部的螺栓螺纹固定连接，一组面激光器插入激光器板盒的一组通孔中与激光器板盒面接触紧配合。

技术方案中所述的摄像机支架为可调整高度的三角支架。

技术方案中所述的摄像机为广角工业相机。

技术方案中所述的激光器板盒为钢板制作而成的零件，钢板侧面加工有一组通孔。

技术方案中所述的面激光器为可发射激光平面的圆柱形零件。

技术方案中所述的平面靶标为亚克力材料制成的平板，外表面贴有棋盘格靶标纸。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的方法针对汽车车轮定位参数检测问题，采用摄像机和面激光器，对车轮轮辋椭圆和车轮轮辋圆心空间坐标及法向矢量等车轮几何元素进行优化解算，实现了汽车车轮定位参数高精度直接非接触的视觉测量。

(2)本发明的方法引入面激光作为相机和车轮之间的桥梁，相对于依靠刚性连接的夹具装置，面光场以较高的灵活度增强了视觉检测系统的柔性，为实验过程中面光场距离和角度调整提供了便利。形成一种直接非接触检测车轮轮辋、高可靠性、可现场标定且检测量值可溯源的汽车车轮定位参数主动视觉检测方法。

(3)本发明的系统测量范围广、性能可靠、装置结构简单、操作简便、成本低。

附图说明

图1是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法的流程图；

图2是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统的轴测图；

图3是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统和平面靶标5的轴测图；

图4是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统中摄像机支架1的轴测图；

图5是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统中摄像机2的轴测图；

图6是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统中激光器板盒3的轴测图；

图7是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统中面激光器4的轴测图；

图8是基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统中平面靶标5的轴测图；

图中：1.摄像机支架，2.摄像机，3.激光器板盒，4.面激光器，5.平面靶标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：

参阅图1，基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法可分为以下五步：

第一步：将摄像机支架1放置在地面上，摄像机2固定在摄像机支架1上，根据汽车车轮定位参数检测范围的需要，固定好摄像机2的位置，摄像机2拍摄在不同位置下平面靶标5得到的靶标图像，通过DLT标定方法对摄像机2的参数进行标定，得到摄像机2的内参数K；

第二步：将面激光器4放置于车轮轮辋正前方，保证激光平面可打在车轮轮辋上，打开面激光器4，将平面靶标5移入摄像机2视场内，利用摄像机2拍摄i组带有激光线与不带激光线的靶标图像，采用差影法确定靶标图像中的激光特征点所处位置，在摄像机2坐标系下，第k(k＝1，2，3，4，5)个面激光器4发出的激光在第i个位置所确定的激光平面为π_i，k；

根据Hessian矩阵法提取平面靶标5与面激光平面相交而成的激光条中心特征点的图像坐标x_i，k，设激光条中心特征点在摄像机2坐标系下的坐标为在靶标坐标系下的坐标为/>在靶标坐标系下与图像坐标系下的转换关系满足

其中，P_i＝K[R_i t_i]，K是通过第一步标定得到的摄像机2的内参数，根据QR分解获得摄像机2的外参数R_i、t_i；

根据上述靶标坐标系和摄像机2坐标系的转换关系，将靶标坐标系下激光条中心点转换到摄像机2坐标系中，靶标坐标系中的激光条中心点坐标/>与摄像机2坐标系中的激光条中心点坐标/>满足

由于摄像机2坐标系下激光中心点坐标在光平面上，因此满足

根据计算出的摄像机2坐标系中的激光中心点坐标以及上式，利用SVD分解的方法解算出激光平面在摄像机2坐标系下的坐标π_i，k；

第三步：打开面激光器4且车轮轮辋在摄像机2视场内时，根据摄像机2采集到的图像，激光平面在车轮轮辋边缘的激光特征点为l_k，m，m(m＝1，2，...10)表示车轮轮辋边缘上第k个激光平面上的第m个特征点，为摄像机2坐标系下激光特征点的三维坐标，根据图像坐标系和摄像机2坐标系的转换关系，激光条特征点的图像坐标l_k，m与摄像机2坐标系中的激光条特征点坐标/>满足

其中，K是通过第一步标定得到的摄像机2的内参数，摄像机2坐标系中的激光条特征点坐标和图像坐标系中的激光条特征点坐标l_k，m可表示为/>和l_k，m＝(u_i，v_i，1)^T；

根据摄像机2坐标系下激光特征点在激光平面上，因此满足

其中，根据第二步求得的激光平面在摄像机2坐标系下的坐标π_i，k＝(π₁，π₂，π₃，π₄)^T，结合上述公式有

根据上式求得激光条特征点在摄像机2坐标系下三维坐标

第四步：根据摄像机2坐标系中的激光条特征点坐标位于同一个车轮轮辋平面上，平面方程表示为

ax+by+cz-1＝0

写成矩阵形式为

根据上述摄像机2坐标系中的激光条特征点拟合车轮轮辋空间圆得到的车轮轮辋平面法向量N＝(a，b，c)^T，利用最小二乘法求得车轮轮辋圆圆心O和车轮轮辋圆半径r；

第五步：根据上式得到的车轮轮辋空间圆圆心O，可以获得在全局坐标系中汽车四个车轮的旋转中心为O₁、O₂、O₃和O₄，用其可以确定车身基准平面，其中汽车车身水平面的法向量O-Z轴为

汽车车身中心线是汽车前后轴中心的连线，即汽车车身基准O-Y轴为

O-X轴为汽车车身水平面的法向量O-Z轴和汽车车身基准O-Y轴的外积

n_OX＝n_OY×n_OZ

在车轮定位参数检测过程中，根据第四步求得车轮轮辋平面法向量N，由方向向量N在上述求得的车身基准平面上的投影解算四个车轮的定位参数为

其中当q＝1，2，3，4时θ_q分别为主销内倾角、主销后倾角、车轮前束角和车轮外倾角，n₁为汽车车轮定位车身基准平面的法向量，当q＝1，2时，N表示为车轮的主销轴线，n₂为汽车车身水平面的法向量；q＝3，4时，N表示为车轮的转向节轴线，n₂为汽车车身纵向平面的法向量。

参阅图2至图8，基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测系统包括有摄像机支架1、摄像机2、激光器板盒3、面激光器4与平面靶标5；

摄像机支架1为可调整高度的三角支架，摄像机支架1与激光器板盒3放置在地面上，摄像机2为广角工业相机，摄像机2通过底部的螺纹孔与摄像机支架1顶部的螺栓螺纹固定连接，激光器板盒1为钢板制作而成的零件，钢板侧面加工有一组通孔，一组面激光器4插入激光器板盒3的一组通孔中与激光器板盒3面接触紧配合，面激光器4为可发射激光平面的圆柱形零件，平面靶标5为亚克力材料制成的平板，外表面贴有棋盘格靶标纸。

Claims (2)

1.一种基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法，其特征在于，所述的基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法的具体步骤如下：

第一步：将摄像机支架(1)放置在地面上，摄像机(2)固定在摄像机支架(1)上，根据汽车车轮定位参数检测范围的需要，固定好摄像机(2)的位置，摄像机(2)拍摄在不同位置下平面靶标(5)得到的靶标图像，通过DLT标定方法对摄像机(2)的参数进行标定，得到摄像机(2)的内参数K；

第二步：将面激光器(4)放置于车轮轮辋正前方，保证激光平面可打在车轮轮辋上，打开面激光器(4)，将平面靶标(5)移入摄像机(2)视场内，利用摄像机(2)拍摄i组带有激光线与不带激光线的靶标图像，采用差影法确定靶标图像中的激光特征点所处位置，在摄像机(2)坐标系下，第k(k＝1，2，3，4，5)个面激光器(4)发出的激光在第i个位置所确定的激光平面为π_i，k；

根据Hessian矩阵法提取平面靶标(5)与面激光平面相交而成的激光条中心特征点的图像坐标x_i，k，设激光条中心特征点在摄像机(2)坐标系下的坐标为在靶标坐标系下的坐标为/>在靶标坐标系下与图像坐标系下的转换关系满足

其中，P_i＝K[R_i t_i]，K是通过第一步标定得到的摄像机(2)的内参数，根据QR分解获得摄像机(2)的外参数R_i、t_i；

根据上述靶标坐标系和摄像机(2)坐标系的转换关系，将靶标坐标系下激光条中心点转换到摄像机(2)坐标系中，靶标坐标系中的激光条中心点坐标/>与摄像机(2)坐标系中的激光条中心点坐标/>满足

由于摄像机(2)坐标系下激光中心点坐标在光平面上，因此满足

根据计算出的摄像机(2)坐标系中的激光中心点坐标以及上式，利用SVD分解的方法解算出激光平面在摄像机(2)坐标系下的坐标π_i，k；

第三步：打开面激光器(4)且车轮轮辋在摄像机(2)视场内时，根据摄像机(2)采集到的图像，激光平面在车轮轮辋边缘的激光特征点为l_k，m，m(m＝1，2，...10)表示车轮轮辋边缘上第k个激光平面上的第m个特征点，为摄像机(2)坐标系下激光特征点的三维坐标，根据图像坐标系和摄像机(2)坐标系的转换关系，激光条特征点的图像坐标l_k，m与摄像机(2)坐标系中的激光条特征点坐标/>满足

其中，K是通过第一步标定得到的摄像机(2)的内参数，摄像机(2)坐标系中的激光条特征点坐标和图像坐标系中的激光条特征点坐标l_k，m可表示为/>和l_k，m＝(u_i，v_i，1)^T；

根据摄像机(2)坐标系下激光特征点在激光平面上，因此满足

其中，根据第二步求得的激光平面在摄像机(2)坐标系下的坐标π_i，k＝(π₁，π₂，π₃，π₄)^T，结合上述公式有

根据上式求得激光条特征点在摄像机(2)坐标系下三维坐标

第四步：根据摄像机(2)坐标系中的激光条特征点坐标位于同一个车轮轮辋平面上，平面方程表示为ax+by+cz-1＝0

写成矩阵形式为

根据上述摄像机(2)坐标系中的激光条特征点拟合车轮轮辋空间圆得到的车轮轮辋平面法向量N＝(a，b，c)^T，利用最小二乘法求得车轮轮辋圆圆心O和车轮轮辋圆半径r；

第五步：根据上式得到的车轮轮辋空间圆圆心O，可以获得在全局坐标系中汽车四个车轮的旋转中心为O₁、O₂、O₃和O₄，用其可以确定车身基准平面，其中汽车车身水平面的法向量O-Z轴为

汽车车身中心线是汽车前后轴中心的连线，即汽车车身基准O-Y轴为

O-X轴为汽车车身水平面的法向量O-Z轴和汽车车身基准O-Y轴的外积

n_OX＝n_OY×n_OZ

在车轮定位参数检测过程中，根据第四步求得车轮轮辋平面法向量N，由方向向量N在上述求得的车身基准平面上的投影解算四个车轮的定位参数为

其中当q＝1，2，3，4时θ_q分别为主销内倾角、主销后倾角、车轮前束角和车轮外倾角，n₁为汽车车轮定位车身基准平面的法向量，当q＝1，2时，N表示为车轮的主销轴线，n₂为汽车车身水平面的法向量；q＝3，4时，N表示为车轮的转向节轴线，n₂为汽车车身纵向平面的法向量。

2.按照权利要求1所述的基于面光场轮辋特征提取的车轮定位参数检测方法的检测系统，包括有摄像机支架(1)、摄像机(2)、激光器板盒(3)、面激光器(4)与平面靶标(5)；

摄像机支架(1)与激光器板盒(3)放置在地面上，摄像机(2)通过底部的螺纹孔与摄像机支架(1)顶部的螺栓螺纹固定连接，其特征在于，一组面激光器(4)插入激光器板盒(3)的一组通孔中与激光器板盒(3)面接触紧配合。