（应用数学专业论文）汽车后视镜检测系统的研究及仿真设计.pdf

武汉理- 人学硕十学位论文 摘要 汽车后视镜是汽车的一个重要组成部分，对于汽车后视镜各个安全因素的 检验也显得尤其重要。我国国家强制标准g b l 5 0 8 4 2 0 0 6 汽车后视镜的性能和 安装标准中对于汽车后视镜的安装要求、曲率半径、视野范围等都作了相关 要求。对于这些因素的检测也有很多种方法。尤其对于针对汽车后视镜的视野 检测方法很多，但多数只是针对于静态中的后视镜建立的，局限性很大。本文 在一种模拟静态中的后视镜视野范围的计算机仿真算法的基础上，建立了动态 过程中后视镜视野范围检测的仿真模型及算法，达到智能检测汽车后视镜视野 范围的目的，并将汽车后视镜各项安全因素的检测加以综合考虑，最终得到汽 车后视镜的智能检测系统。同时，也能为汽车后视镜的各项性能的改进提供技 术参数。 本文主要由智能化的后视镜的检测算法的研究、此算法的应用两部分组成， 具体内容如下： 在绪论部分，介绍了本项目的研究背景、研究内容及工作思路与目标，指 出了在项目研究中要解决的主要技术问题。 在第二部分，介绍与汽车后视镜需要检验的一些安全因素及常用的检测方 法。尤其对于汽车后视镜视野范围的检测，提出一种动态中的后视镜的视野范 围智能仿真算法。同时，利用这种算法来检测后视镜的视野范围，并将汽车后 视镜的曲率半径、视野范围、畸变率的检测做成一个完整的系统，综合考虑三 者的参数，对于后视镜的改良提出具体的改进方案。 在第三部分，针对实际生活中的某一种规格的汽车后视镜，应用上述算法 进行仿真和计算机模拟。 最后对全文进行了总结，提出了下一步工作的设想。 关键字：检测系统；视野范围；智能化；仿真 武汉理- 工大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ev e h i c l er e a r v i e wm i r r o ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ec a r , f o ra l lt h e s a f e t yf a c t o r st e s to fc a l r e a r - v i e wm i r r o ra r ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i nt h ec o u n t r y s n a t i o n a lm a n d a t o r ys t a n d a r d sg b l 5 0 8 4 2 0 0 6 m o t o rv e h i c l e s r e a rv i e wm i r r o r r e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ea n di n s t a l l a t i o n ) ) ，t h e r ea r er e l a t e dr e q u i r e m e n t sf o rt h e v e h i c l er e a r - v i e wm i r r o r , l i k et h ei n s t a l l a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h er a d i u so fc u r v a t u r e ，t h e f i e l do fv i s i o na n ds oo n f o rt h ed e t e c t i o no ft h e s ef a c t o r st h e r ea r ean u m b e ro f w a y s e s p e c i a l l yt h e r ea r em a n yw a y sf o rt h ev i s i o nt e s to fa u t o m o t i v er e a r - v i e w m i r r o r , b u tt h em a j o r i t yi so n l ya i m e da tt h ee s t a b l i s h m e n to fat h er e a r - v i e wm i r r o ri n s t a t i c ，t h el i m i t a t i o n si so b v i o u s l y i no r d e rt og e tt h ei n t e l l i g e n td e t e c t i o no ft h ev i s i o no f r e a r - v i e wm i n d r i nt h i sp a p e r , a tab a s i so fac o m p u t e rs i m u l a t i o na l g o r i t h mo fas t a t i c f i e l do fv i e wi nt h er e a r v i e wm i r r o r , w ee s t a b l i s h e dad y n a m i cp r o c e s si nt h ef i e l do f v i e wo fs i m u l a t i o nm o d e la n di t sa l g o r i t h mf o rd e t e c t i n g t h e nw ec o n s i d e ra l lt h e s a f e t yf a c t o r sa l lt o g e t h e r f i n a l l y , w eg e tt h ev e h i c l er e a r - v i e wm i r r o r d e t e c t i o n s y s t e m t h es y s t e r m h a s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o r e s t a b l i s h i n g am o d e lf o rt h ea u t o m o b i l er e a r - v i e wm i r r o rd e s i g na n ds a f e t yt e s t i n g t h i sp a p e ri sc o n s t i t u t e db yt h ei n t e l l i g e n td e t e c t i o na l g o r i t h mo fr e a r - v i e w m i r r o ra n dt h e t h ea p p l i c a t i o no ft h i sa l g o r i t h mt w op a r t s ，a sf o l l o w s ： i nt h ei n t r o d u c t i o ns e c t i o n ，w ed e s c r i b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c t ， r e s e a r c hc o n t e n ta n dw o r ki d e a sa n dg o a l s ，p o i n t so u tm a j o rt e c h n i c a lp r o b l e m so ft h e r e s e a r c h i nt h es e c o n dp a r t ，w ei n t r o d u c e dw i t ht h ev e h i c l er e a r - v i e wm i r r o rn e e dt ob e i n s p e c t e dan u m b e ro fs a f e t yf a c t o r sa n dt h ec o m m o n l yu s e dd e t e c t i o nm e t h o d s e s p e c i a l l y f o rt h ed e t e c t i o no fv i s i o no ft h ea u t o m o b i l er e a r - v i e wm i r r o r , w e e s t a b l i s h e dad y n a m i cp r o c e s si nt h ef i e l do fv i e wo fs i m u l a t i o nm o d e la n di t s a l g o r i t h mf o rd e t e c t i n g a tt h es a m et i m e ，u s i n gt h i sa l g o r i t h mt od e t e c tt h ev i s i o no f r e a r v i e wm i r r o r , a n dm a d et h ed e t e c t i o no fa u t o m o t i v er a d i u so fc u r v a t u r eo ft h e r e a r - v i e wm i r r o r , d i s t o r t i o nr a t eac o m p l e t es y s t e m ，c o n s i d e r i n gt h et h r e ep a r a m e t e r s 武汉理t 大学硕士学位论文 a l lt o g e t h e r , c o n c r e t ei m p r o v e m e n t sf o r t h er e a r - v i e wm i r r o ri m p r o v e d i nt h et h i r d s e c t i o n ，w ea p p l i e dt h ea l g o r i t h m s i m u l a t i o na n dc o m p u t e r s i m u l a t i o nf o rac e r t a i ns i z eo fv e h i c l er e a r - v i e wm i r r o ri nt h er e a ll i f e a tl a s t ，w es u m m a r yt h er e s e a r c hw o r ko ft h ep a p e ra n dp u tf o r w a r dt h ei d e ao ft h en e x ts t e p o f w o r k k e yw o r d s ：t h ed e t e c t i o ns y s t e m ；t h ef i l eo fv i s i o n ；i n t e l l i g e n t ；s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：生篮! 丝日期：三! ! 堡坐：! 签 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：华慈超导师( 签名) ：砂辫日期二。乒晓歹 l 武汉理f t 大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的提出 第1 章绪论 汽车后视镜是随着汽车的发展而产生的。早在1 9 世纪第一辆汽车诞生时， 人们并没有使用汽车后视镜，但是随着道路的变宽及汽车速度的加快及汽车获得 普遍应用，就出现了超车、变线、拥挤等的情况，交通事故也随之增加。这时聪 明的人类发明了汽车后视镜帮助解决后视问题。因此，汽车后视镜是汽车上的重 要安全件，是能使汽车使用者可以间接看清楚汽车后方、侧方和下方位置情况的 装置，对于汽车使用者起着“第二只眼睛 的作用，它扩大了汽车使用者的视野 范围，保障了汽车使用者的行车安全。它就像人的两只眼睛，帮助我们注视着汽 车两侧后方道路上的各种情况，所以如果这两只眼睛有缺陷，势必会给安全驾驶 汽车带来隐患。如果后视镜存在盲区和所呈现的图像变形，那么汽车在产生变道、 拐弯、倒车等操作时所得到的视野盲区或视野极大的变形会造成撞车、撞人等交 通事故，给汽车使用人员及行人带来隐患。 因此，后视镜的视野范围、成像的变形率等是后视镜重要安全因素。对于后 视镜的安全因素应该有专门的标准进行约束，不符合标准的后视镜势必会给使用 者带来安全隐患。因此汽车后视镜的检测工作就显得格外的重要。为此我国出台 了国家强制标准g b l 5 0 8 4 汽车后视镜的性能和安装要求来约束汽车后视镜 的安装与性能。在国家强制标准g b l 5 0 8 4 汽车后视镜的性能和安装要求中 对于汽车后视镜的曲率半径、后视野范围、反射率等都做出了明确的规定。同时 对于汽车后视镜成像的变形率也有一定的行业标准进行约束。这些都大大提高了 使用后视镜使用过程的安全性。 生产出的后视镜必须经过严格的检验，只有符合了全部的安全标准的后视 镜才是合格的后视镜，才能投入使用。目前，对于后视镜的曲率半径、后视野范 围、变形率等安全因素也有一定的检测方法，尤其是对于后视野范围检测的一些 方法步骤繁杂，也有很大的局限性，有待于进一步发展与完善。同时，将后视镜 的各项检测做成一个完整的系统，可以使后视镜的检测更加简单与精确。 1 1 2 课题的研究意义 本文针对汽车安全性检测这样的实际问题，提出了一种检测汽车后视镜的各 武汉理工大学硕士学位论文 项安全因素是否达到国家标准中的仿真系统。此系统针对汽车后视镜的曲率半 径、视野范围、变形率等安全因素利用计算机程序进行智能检测。在这个检测系 统中，最主要的是提出了一种智能仿真汽车后视镜后视野的仿真算法。将这种仿 真算法同其他安全因素的测量加以综合考虑，得到比较完整的后视镜检测系统。 有了这样一个检测系统，无论对于后视镜实物还是后视镜数学模型，我们都可以 通过计算机仿真判断其是否合格，免去了后视镜制作、以及从汽车上装载、拆卸 等复杂的操作过程。这个系统的提出将大大节约汽车后视镜生产过程中的成本， 缩短检验时问，提高检测效率，同时，便于我们发现后视镜存在的各种问题，及 时予以修正、完善，及为改善后视镜的设计提供具体的技术参数。对于实际生活 中汽车后视镜的生产也具有重大的意义。 1 2 相关研究现状 2 0 世纪5 0 年代后，汽车工业高速发展，甚至己经成了一些发达国家的主要 经济支柱。当时扩充视野用的平面后视镜远远达不到汽车速度的增加及道路多条 上行线的要求，视野狭窄、较大的盲区使得交通事故不断发生。为了提高汽车行 驶的安全性，扩大后视野，减少交通事故，人们又发明了球面镜来充当汽车后视 镜。 发展到现在，汽车后视镜设计有多各种各样，层出不穷，大多数以平面镜、 球面镜和组合镜为主。但这些汽车后视镜均在不同程度上存在着以下几个方面的 问题： 1 ) 平面镜的缺点在于：平面镜成像范围有限。如果驾驶者对后视野要求过大， 相应要增大镜面后视镜的尺寸，这样势必会影响到驾驶者的前视野；同时，平面 镜存在视野不足，有一定的盲区( 俗称死角) 。 2 ) 采用小曲率的球面镜能适当扩大视野，但所成的图像会严重扭曲，导致 失真的成像，使得驾驶员无法正确判断侧后方的真实情况。 3 ) 为消除盲区可以采用平面镜与球面镜的组合镜。即采用多个不同的镜子 共同构成，但这种规格的汽车后视镜一般结构复杂，安装凌乱，而且所得到的图 像会分割、断裂甚至各自成像，致使驾驶人员不可能同时观察数面镜子所得到的 成像，因此容易造成驾驶员判断失误而导致车祸发生。 汽车后视镜( 一般还包含下视镜、侧下视镜) 的后视野，也称为间接视野，是 指驾驶员通过后视镜间接观察到车外周围景物的范围，一般分为三种：汽车驾驶 人员的侧后视镜的后视野；汽车乘坐人员的侧后视镜的后视野；内后视镜的后视 野。由于内后视镜基本采用的是平面镜，其后视野直观明了，要求不高。故本文 对汽车后视野的检测研究仅限于对外后视镜后视野的检测。检测方法是根据标准 2 武汉理t 大学硕士学位论文 和法规对后视野的要求而定的。对于汽车后视镜安全因素的检测一般即对于外后 视镜后视野范围的检测。对于后视镜的范围的测量，相关研究现状如下i l j ： ( 1 ) 目视法 目视法是在眼点位置设置眼点标记装置，后视镜视野测试人员在眼点标记位 置通过后视镜观察目标物进行测试的方法。这种测试方法要求眼点位置的确定必 须准确，因为它是测试的基准。眼点的位置可通过三维h 点人体模型和三坐标 测量仪等方法获得。所观察的目标物则置于后视野要求的地面的具有代表性的位 置上。此目标物高度一般要求不低于车上后视镜的高度。目视法的特点是简单、 易行，但是人为因素的影响较大。 ( 2 ) 摄影法 摄影法是通过照相机对车外的目标物在后视镜中的影像进行拍摄的方法。 这种方法在测试时，同样，也先要确定眼点的位置，然后将照相机的胶卷中心放 在所确定的眼点位置上进行拍摄。即利用照相机代替人眼进行的检测方法。摄影 法的优点是比较所得的成像比较直观、较适合单眼的情况；但存在的缺点是照相 机的位置较难确定，且若要得到双眼的测试结果，则需要两个照片合成。但是， 这个过程也比较容易产生误差。 ( 3 ) 灯光投影法 灯光投影法是在确定的眼点位置上放置模拟眼睛的点光源，通过后视镜的 反射光照到屏幕上，通过测量、计算对后视野进行评价的方法。 ( 4 ) 观察法 观察法是在灯光投影法基础上发展的。前面提到，灯光投影法需要屏幕等 装置，并且测试结果需要作图、计算，比较麻烦，用观察法可省去这些步骤。观 察法也是在眼点位置放置模拟眼睛的点光源。灯光通过后视镜反射到地面，试验 者在地面要求的位置上放置反射镜，通过反射镜观察。如在反射镜中看到点光源， 说明反射镜所在的位置是可视区域，否则不是可视区( 如图1 3 所示) 。 图1 3 观察法示意图 通过以上的介绍，我们可以看到，以上这几种方法均只是对汽车后视镜实物 的视野检测方法，实际操作中的工序也比较繁琐，检测效率并不高，且对于后视 3 武汉理t 大学硕士学位论文 镜的曲率半径、失真率等重要的安全因素均没有进行相应的检测。而对只有数学 模型的后视镜的检测根本没有涉及。 1 3 本文的研究内容 本文在对于静态中的汽车后视镜视野范围的仿真模型的基础上，研究出了动 态中的汽车后视镜的视野范围变化的仿真模型，得到了智能化的汽车后视镜视野 检测的仿真算法。针对于后视镜成像的变形问题，又引入了畸变率的概念。并将 汽车后视镜视野范围的智能检测及曲率半径和畸变率的检测组成一个系统，使得 汽车后视镜的检测成为一个完整的系统。将该系统应用于对于实际生活中的一种 规格的后视镜，智能检测其视野范围、曲率半径、畸变率等是否符合相关的要求， 完整的对后视镜各项安全因素进行检测。 具体工作如下： ( 1 ) 广泛收集资料和素材。包括国内外在汽车后视镜方面的法规与标准， 包括汽车后视镜安全性的最新、最先进的检测方法。 ( 2 ) 建立汽车后视镜视野检测的数学模型。利用得到的后视镜曲面模型设 计仿真其视野范围的算法，并判断其视野范围、曲率半径、畸变率等是否符合要 求，使得能够智能化的检测后视镜的各项安全因素。并将汽车后视镜视野的各项 安全因素的检测设计成一个完整的系统。 ( 3 ) 针对所建立的数学模型进行数值实验。将建立的检测系统应用到实际 中的一种规格的后视镜，对模型进行量化处理，设计数值实验方案和数学模型， 编写数值实验程序。通过数值实验证明，检测系统的可行性及实际中的应用价值。 1 4 本文研究方法及主要创新 ( 1 ) 研究方法： 利用移动曲面拟合法得到的汽车后视镜的拟合曲面，根据光反射原理建立后 视镜反射和成像的数学模型，使得利用计算机即可智能模拟后视镜的视野范围， 并根据国家标准及行业标准检测后视镜视野范围、曲率半径、畸变率等安全因素， 设计相应的仿真算法，将后视镜安全性的检测做成一个完整的系统。 ( 2 ) 主要创新： 1 ) 针对大多数对于静态中的后视镜的成像模型，增加了动态中的后视镜成 像的模型，并智能模拟了其视野范围的变化情况。 2 ) 将后视镜的曲率半径、视野范围、畸变率等方面检测的模型做成了一个 完整的系统，使得利用计算机编写出相应的程序即可完成对后视镜安全 4 武汉理t 大学硕士学位论文 因素的检测，增加了检测效率。 3 ) 综合考虑了视野范围、曲率半径、畸变率等因素，寻找在各个方面都较 为完美的后视镜镜片的规格，对后视镜的设计提出改良参数。 1 5 本文的组织结构 本文的组织结构如下： 第一章绪论介绍了本文的研究背景、研究意义及工作思路与目标。明确指 出了在研究中需要解决的问题。 第二章介绍了汽车后视镜检测的一般方法。主要介绍了与后视镜安全有关 的一些概念，如后视镜的最小安装尺寸，后视镜的曲率半径，后视镜的视野范围， 后视镜成像的变形率等。并介绍了这些安全因素必须要达到的国家标准与行业要 求及对这些安全因素测试的常用的方法。 第三章针对汽车后视镜检测系统进行研究。首先针对在后视镜的安全因素 中较为重要的后视镜的视野范围的检测，提出了基于m a t l a b 的后视镜的视野范 围的检测仿真模型，并将此模型推广，得到动态的后视镜的视野范围的智能仿真 模型，得到智能化的视野检测算法。并将这种算法同后视镜曲率半径、畸变率等 的检测加以综合考虑，得到对于后视镜各个方面性能进行检测的完整的系统。 第四章将上述检测应用到实际生活中的某一车型的外后视镜上，智能检测 其各项安全因素是否符合相关的规定。将后视镜的曲率半径、后视野范围、畸变 率等性能加以综合考虑，针对各种不同的功能需求，提出改良的方法。 第五章对全文的总结，并指出还有哪些工作有待进一步的研究与完善。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章汽车后视镜性能检测的一般方法 汽车后视镜的安全因素包括很多方面，对于这些安全因素也有相关的国家与 行业标准进行约束。下面，我们就先来介绍下与后视镜有关的基本知识。 2 1 后视镜相关的基本知识 2 1 1 后视镜的分类 ( 1 ) 平面镜 即此类后视镜的镜面为平面，没有曲率。 这类后视镜的优点为：它能够显示与实物大小一样的物象，后视镜的成像没 有失真；与肉眼观察到的感觉大小、远近等一致，可以真实反映车后的实际情况， 使得驾驶员的判断较为准确。 这类后视镜的缺点为：这类后视镜的成像是完全真实的，但由于视界狭窄， 得到的后视野范围较小、造成的视觉盲区较多，存在一定的安全隐患。 ( 2 ) 凸面镜 这种类型的后视镜镜面为具有一定曲率的球形凸面镜，为扩大视野用。目前 使用的凸面镜又可分为以下几类： 1 ) 球面镜 球面镜后视镜使得物体缩小，后视野范围扩大，但不能真实反映车后物体大 小及实际距离。为了不造成过大的失真而影响后视镜安全性，曲率半径的大小是 设计时考虑的重要因素。目前在我国国家强制性标准上，已明确规定曲率半径不 得小于1 2 0 0 m m 。在实际使用中，曲率半径选择一般在1 4 0 0 m m 比较合适。 2 ) 双曲率镜面 双曲率后视镜是目前比较新颖的镜面，它弥补了平面镜后视野范围过小，球 面镜反映后方物体不真实的不足，它的球面部分采用较大曲率半径的设计。一般 选用s r 2 0 0 0 ，它能基本上解决失真问题，并为变曲率后视镜扩大视野范围的设 计选择了良好过渡条件。 3 ) 变曲率镜面 变曲率镜面是依据车型、驾驶员眼点与后视镜相对位置、视野要求三个要素， 运用光学原理和数据方法，对车辆的前后左右不同视野角度选择不同的曲率半 径，进行平滑过渡，这样，能够在满足反射物体基本不失真的条件下进一步扩大 6 武汉理上人学硕士学位论文 视野，同时大大减少盲区。 4 ) 全景后视镜 目前，欧洲和日本己经采用了一种全景后视镜来消除驾驶员的盲点。这种后 视镜中间三分之二的面积用平面镜，靠外三分之一的面积用大弧度的凸面镜，这 样驾驶员就能看到车后的一个全景，消除转弯时的盲点，视野扩大了2 0 0 。 2 1 2 后视镜的尺寸要求 内后视镜的最小尺寸 2 】( i 类) ：必须能在其反射面上绘出一个矩形，该矩形 的高度为4 0 ，l 加，底边长为口。口尺寸的计算方法如下： 口。气斋，式中： l + ， a 矩形的底边长度( r a m ) ；，内后视镜反射面的曲率半径( m m ) 。 外后视镜的最小尺寸( i i 类和i l i 类) ：必须能在其反射面上绘出一个高度为 4 0 r a m ，底边长为a 的矩形，和与该矩形的高平行的b 线段。a 和b 的计算方法如 表2 1 所示。 表2 1 外后视镜最小尺寸 后视镜的类别适用于汽车类型 口 6 1 7 0 m 2 、m 3 和2 、n 3 口面万2 0 0 i l 1 + = ， 1 3 0 i i i 以2 1 0 0 07 0 m l 和1 1 + ， 注：表中，为外后视镜的曲率半径，单位为m m 。 2 1 3 驾驶员的眼点 驾驶员眼睛相对汽车的空间位置称为眼点位雹。眼点位置是人车系统的重要 因素。不但是驾驶室设计中的一个重要基准点，同时，在许多标准和法规，如前 方视野、后方视野、风挡玻璃的位置和尺寸、仪表板的位置等均与眼点位置有直 接关系。 在我国国家标准g b 1 5 0 8 4 中对于眼点的确定也有明确的规定【2 j ：通过汽车 制造厂确定的驾驶员乘坐位置中心，作一个平行于汽车纵向基准面的平面。从该 平面内的驾驶员座椅r 点向上6 3 5 m m ，作垂直于该平面的一条直线段。在直线 段与该平面交点的两侧各3 2 5 m m 处( 总距离为6 5 m m ) 作两个点，即为驾驶员 的眼点。 7 武汉理1 人学硕+ 学位论空 214 后视镜的曲率半径 r 面，主要介绍r 曲率半径的求法。 根据国家强制标准口i ，可由r 列公式计算曲率半径。 。；哗掣 叫 ，：生! 尘二尘 0 。，0 ：，r p ，分别为第一测点p 。、第二测点p ：、第三测点p ，的曲率半径 如图2 - 1 所示 图2 - 1 三个检测点的位置 一般情况下，对于内后视镜和i i i 类丰外后视镜r 不得小于1 2 0 0 r a m ；对于i i 类主外后视镜r 不得小于1 8 0 0 m m 。 且满足条件 i r r i t03 r , r p 一t0 1 5 r , i r e r i t o 1 5 r , i 一t0 3 r ，h - r t t 0 1 5 r 215 后视镜的后视野范围 汽车后视镜的后视野对于汽车行驶安全是 份重要的，在欧、美、日及澳大 利亚等汽车工业发达国家或地区均对后视镜的后视野以法规的形式做了规定。随 着我国汽车工业的发展和汽车保有量的急剧增加，尤其高速公路的增多，汽车后 视镜的后视野对汽车行驶安全性的影响更显重要，新修订的强制性标准g b 1 5 0 8 4 2 0 0 6 汽车后视镜的性能和安装要求己公布实施是国产汽车定型、 质量检验及进出口商检的必检项目。 2t 6 后视镜的数学模型 随着计算机技术的小断发展，使得我们叮以利用训算机束完成对后视镜各项 性能的智能检测。首先需要解决的即是后视镜曲埘模型的建立。对于这个问题已 经有了较为完善的解决方法。即对于现实中的拥有复杂曲面的产品，我们可以利 必蚓 曩 武汉理上火学硕+ 学位论文 用计算机辅助实物反求技术来对实物进行参数、实体测量，然后根据测量的数据， 利用计算机重构出其c a d 模型，对其进行仿真。 具体过程如下： 1 ) 对象数字化( o b i e c td i g i t i z a t i o n ) ：指利用相关的测量设备，根据产品 模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件或数据库的方式存储。 通常采用三坐标测量机、三维激光扫描仪、三维数字化仪等数字化方法来快速、 准确地获取数据。对象数字化技术中，根据测量方式的不同可以将数据采集方法 分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量中具有代表性的是三坐标测量，而 常用的非接触式测量法有激光三角形法、光栅法等。 2 ) 对象的模型重构( o b j e c tm o d e l i n g ) ：对测量数据采用三维图形处理技 术进行删除噪声点、增加必要的补偿点，数据分割、压缩等处理。根据空间拓扑 离散点数据反求出产品的三维c a d 模型，对模型进行逼近调整和优化。此过程包 括噪声过滤、数据分区、曲面重构、曲面编辑等。 此外，逆向工程软件i m a g e w a r e 也可帮助我们完成对后视镜曲面建模的过 程。i m a g e w a r e 广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件 领域。此软件提供了相当多样的方法用于构造与编辑曲线和曲面。i m a g e w a r e 的 主要模块包括：高级建模、逆向工程、计算机辅助检验、多边形建模等。i m a g e w a r e 在逆向工程中发挥着重要的作用，参与了逆向工程的各个工序，并发挥了模型数 字化、校验、修改、复制产品等功效。 有了对后视镜曲面提取数据及建模的过程，我们可以得到精确的后视镜曲面 模型。使得我们只利用模型即可完成汽车后视镜的各项检测工作。 2 2 汽车后视镜性能的测量方法 由上一节的介绍，我们可以得到汽车后视镜是汽车的安全部件之一，是安装 在汽车内部和外部、用于观察车辆周围和后方情况、供驾驶员决定汽车运动状态 的一种附件。 汽车后视镜设计的好坏，将直接影响到汽车驾驶员对周围情况的观察和判断 效果，进而影响到车辆、行人以及骑车人的安全。早在1 9 9 1 年，中国汽车工业 总公司颁发了q c n 2 9 0 0 8 1 2 9 1 汽车产品质量检验附件评定方法，其中规定了 汽车后视镜必须检验的项目为：外观、尺寸与曲率半径、反射率、失真率。 下面我们就分别介绍下对于后视镜曲率半径、视野范围、失真率的一般检测 方法。 9 武汉理t 大学硕十学位论文 2 2 1 汽车后视镜曲率半径的测量方法 首先，我们就来介绍测定后视镜镜面曲率半径r 的程序【2 】 ( 1 ) 测量 1 ) 设备：采用下图所示的球面计( 图2 2 ) 图2 - 2 球面计 2 ) 测点： 基本点的曲率半径应在3 个点( 如图2 - 1 所示) 上测得，其位置位于过镜面中 心，并与b 线段平行的线段上，距离约为全长的i 3 ，1 2 和2 3 处。如果垂直镜子b 线段方向上的尺寸为最长，则测点应位于垂直于b 线段，且过镜面中心的线段上。 若由于镜子尺寸的关系，不能按上面规定的方法进行测量，则技术人员可以 在两个相互垂直的方向，并尽可能接近上述规定的点上进行测量。 曲率半径的计算： r 用姗表示。计算公式如下：，= 垒学 式中0 。一第一测点的曲率半径 厂p ：一第二测点的曲率半径 0 ，一第三测点的曲率半径 厂p l ，0 ：，0 3 的求法2 4 1 中的介绍 2 2 2 汽车后视镜后视野的测量方法 汽车后视野是指驾驶员通过内外后视镜等辅助设备所能观察到的区域，是 汽车视野的重要组成部分。后视野范围是汽车安全性的主要的部分，其大小与后 视镜的镜面尺寸、曲率半径、形状和安装位置等因素有很大关系。在汽车进行超 车、倒车、制动及转向行驶等操作时，驾驶员则必须通过后视镜来观察汽车两侧 和后方的交通情况。因此，后视野的范围将直接影响汽车的行驶的安全。欧美及 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 日本等国家对汽车的后视野范围都有严格要求，我国也已将视野范围列为汽车 安全性认证的主要项目 由一般的测量方法可知，若要测量后视野，则需要长6 0 m 、宽2 0 m 的暗室。 这一般难以达到。但如果利用三角形相似的原理，可以配制两个3x2 的屏幕， 则将大大简化测量设备的配置。 在实际操作中，需要在空车驾驶员位置放置三维h 点装置并安装眼点模拟 仪，并在副驾驶位置上坐一乘员( 需要与三维h 点装置的质量相当) ，则根据国家 标准中的要求，眼点距h 点的垂直距离为6 3 5 m m 。 ( 1 ) 左后视镜后视野测试 如图2 4 ，在国家标准中，要求左n ；, i - 后视野要求驾驶员至少能够观察到视 野2 5 m 宽的平面，此平面的右边与车辆纵向垂直中心平面平行的平面为界限， 并通过车辆左边最外侧的一点，并从驾驶员眼点后1 0 m 起延伸至地平线。 0 7 5 右后援 视点 左后视 右后栳镜 左后娩镜 图2 3 左、右侧外后视镜的视野要求 为了测试的准确性并根据汽车在行驶过程中的实际工况，规定后视镜与水平 面的夹角p 应大于0 0 。 为了减少误差，在操作时首先用深颜色的布遮盖内后视镜及右后视镜。并向 左转动眼点模拟仪的眼球，使得光束能够照射到汽车的左后视镜上。再将测试屏 幕放到左后视镜的后方，使得屏幕与车辆的纵向对称面互相垂直。假设q 表示 下缘距地面的高度、h ，表示上缘距地面的高度、a 表示测量后视镜光源在屏幕 上的投影宽度、d 表示测试屏幕距后视镜的距离；测得各个量的数值后，平行向 后移动屏幕，再次测量下缘距地面的高度h ：、上缘距地面的高度h 。、后视镜光 源在屏幕上的投影宽度b 、屏幕距前次屏幕安放位置的距离e ，如图2 - 4 ( a ) ，2 4 ( b ) 所示。 武汉理一r = 大学硕十学位论文 图2 4 左后视镜视野测量示意图( a ) ( b ) 图2 - 4 ( b ) l 后视镜视野测量示意图 由三角形相似原理有： 左后视镜与水平面的夹0 角可表示为： 0 = a c r t g 华口角应人于o 。 左后视镜光源照射到地面的最小距离l 可表示为： ：丝! 兰生+ d h 1 一h 2 那么由标准有应小于等于l o m 。 左后视镜在l o m 处照射地面的宽度可表示为： w o 一 由标准应大于等于2 5 朋。 ( 2 ) 右后视镜的后视野测试 同样，为了减少误差，操作时首先用深颜色的布遮盖内后视镜及左后视镜。 并向右转动眼点模拟仪的眼球，使得光束能够照射到右后视镜上。 如图2 3 ，根据国家标准中的要求，右后视野要求驾驶员能够观察到一段 3 5 m 宽道路的水平部分。该平面左边以与车辆纵向垂直中心平面平行的平面为 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 界限，并通过车辆右边最外侧的一点，从驾驶员视点后3 0 m 起延伸至地平线。 此外，在通过驾驶员视点的垂直平面后4 m 处的一点起，驾驶员必须能够观 察到0 7 5 m 以上宽的道路。 同时将测试屏幕安置到右后视镜的后方，使得测试屏幕与车辆的纵向对称面 互相垂直。这时，测量方法同左视野测试的方法，如图2 4 ( a ) 、图2 5 所示。 右后视镜与水平面的夹口角可表示为： p ；订c ，增h 4 - h 3 口角应大于o 。 e 右后视镜光源照射到地面的最小距离l 可表示为： ；丝! 兰墨d 日1 一日2 那么由标准有l 应小于等于4 m 。 右后视镜在4 坍处照射地面的宽度可表示为： = r = 4 0 0 0 m m 由标准应大于等于0 7 5 m 。 右后视镜在3 0 m 处照射地面的宽度：可表示为： 一 。 一一。 7 l” 页f 丑 “ lll n 图2 5 右后视镜视野测量示意图 由标准应大于等于3 5 小。 2 2 3 汽车后视镜视野的失真率的测量方法 针对后视镜成像变形的大小，我们用失真率来表示。汽车后视镜视野的失真 率主要是指驾驶员通过后视镜观察到的成像与实际物体的大小，远近等的差别。 1 3 武汉理上大学硕士学位论文 汽车后视镜视野成像的严重失真会大大影响到驾驶员的判断，使之发生错误的操 作，造成交通事故，使人民生命和国家财产遭受损失。虽然国家标准中对后视镜 视野失真率并没有做很具体的要求。但由于失真率对后视镜的安全性关系重大， 也有一定的行业标准对其进行约束。在实际生产中，也有一定得方法对其进行性 能检测。 下图( 图2 6 ) 即为大部分生产汽车后视镜的企业采用的测定汽车后视镜失 ，真率的装置。该测定方法采用的是透过屏板同心圆的中心孔，利用照相机拍摄被 测量的汽车后视镜上的图像( 图2 7 ) ，按照此图像来确定此后视镜的失真率。 图2 - 6 失真率测试屏板 图2 7 失真率测试装置 其操作原理如下：采用游标卡尺测量放大的照片，确定失真率的数值： l r m a x - r i z 1 1 0 0 r 其中：一汽车后视镜的失真率， r m a ) 【一与平均半径r 比较变形最大的的半径，m m 尺；竺竺竺竺竺! ：竺丝，口，、b ，h ，为变形最大的圆1 2 1 1 环与通 = 一 “、ux ，1 7 础u t j，l 1 心 8 过中心8 等分的交点。 当汽车后视镜尺寸较大时，需多次上下、左右移动照相机和屏板装置，每移 1 4 武汉理丁大学硕士学位论文 动一次即拍摄一张，然后，以其中失真率最大者为准。 该方法存在的最大问题即为人为影响因素较大。由上述操作我们看到，所有 的数据均靠测试者用游标卡尺来测量，测量者不同，所的数据必然不会完全相同。 另外，测量工作中的错误、疏忽大意等原因，也会引起过失和误差。因此，此方 法也会存在着较大的误差，有待于进一步的改进。 2 3 本章小结 通过上面的介绍，我们初步了解了与汽车安全有关的一些基本的安全因素， 例如汽车后视镜尺寸大小、曲率半径、视野范围、变形率等。及这些安全因素的 常用的测量方法。不难发现，这些方法中有些操作较为复杂，不容易实现。如果 发现后视镜不合标准，还会涉及到后视镜的安装、拆卸等复杂操作。为此，我们 对这些方法进行改进。利用计算机来帮助我们检测后视镜的某些安全因素，使得 后视镜的检测达到智能化。提高检测效率，节约检测标准。 1 5 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章汽车后视镜检测系统的研究 接下来，我们将汽车后视镜各个安全因素的检测加以综合考虑，提出汽车后 视镜的检测系统。首先，我们对于汽车后视镜的安全因素中最为重要的视野范围 的检测方法加以改进，提出利用计算机来智能检测汽车后视镜的视野范围的仿真 算法。 3 1 智能化的测量汽车后视镜的视野范围的仿真算法 通过上节讨论的汽车后视镜的视野范围的测量方法我们可以看出，该方法比 较复杂，同时操作时涉及到后视镜装载、拆卸等步骤，不利于提高后视镜的检测 效率。为此，我们提出了智能化的测量汽车后视镜的后视野范围的仿真算法，该 方法原理简单，只需利用计算机便可得到后视野的范围，易于操作。下面我们就 先来介绍该算法的原理。 3 1 1 基本算法 这个仿真算法的理论基础就是光学中的反射原理。首先，建立从眼点出发 到后视镜曲面任一点的直线方程及该点的法线方程。再根据反射原理，得到反射 光线的方程。联立反射光线方程与测试屏方程，可得测试屏上视野区域的光点。 所有的点将组成一个封闭的图形，图形即是单眼在测试屏上的视野区域。两眼在 测试屏上视野区域的交集即是此后视镜的视野。为此，可通过左、右眼分别得到 一个视野区域，然后求它们的交集，即是后视镜的后视野。即将眼点看做光源点， 其发出的光线被后视镜上的每个点反射得到反射光线，每条反射光线将与测试屏 幕有个交点，所有交点将在测试屏幕上形成一个光斑。并将左、右眼分别作为光 源点进行这个过程，得到的光斑的重叠的部分即为后视镜的视野范围。具体过程 如下： ( 1 ) 首先建立坐标系。分别以车身方向为x 轴，竖直垂直于车身的方向为y ， 水平垂直于车身的方向为z 轴建立三维直角坐标系。如图3 1 所示。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 1 后视镜曲面建立的坐标系示意图 ( 2 ) 通过数值方法得到汽车后视镜的曲面方程或离散数据包。 首先，假设我们已经得到汽车后视镜的拟合曲面：z ；f ( x ，y ) 或者已得到曲 面的离散数据包。 ( 3 ) 确定眼点坐标。 将驾驶员的眼睛看作光源点，且位置不发生改变，即眼点坐标为确定值，设 为o i n ，y i n ，z l n ) 。 ( 4 ) e h 曲面方程及它上面的一个点o 。，y 。，z 。) 可以求出过这个点的切平面与法线 方程。 令e fx o ，y o ，z o ) ，2 一一 o ，y o ，z o ) f 3 = 丘o o ，y o ，z o ) 则过这个点的切平面方程为b 一废+ ( y y o 波+ g z o 坨一0 及法向量为 毳。| 届丽r | 瓣丽 厩丽 法线方程为1 丝竺兰垒一。1 丝竺! 垒一。 心f ：+ f ；+ f ；遗f ：+ f ；+ f ； e 0 一z o ) 对于后视镜的曲面为离散数据包的，则可通过利用移动曲面拟合法进行拟 合，进而得到所需的各个参数。 ( 5 ) 解得眼点在法线上的投影坐标。 1 7 武汉理丁大学硕士学位论文 首先，由眼点坐标和过任意点o 。，y 。，z 。) 的法向量，可以求得过眼点与法 相垂直的平面方程。即 志。一z n ，+ 焘c y - y l n ，+ 志c 2 ：- z l n ，= 。 又由于过 。，y o ，z 。) 的处的法线方程 e o - - x 。)t ( y y 。)e 0 一z 。) = = = = = = = = = = = = = = = = 罱= = = = = = = = = = = = = = = = = 皇；= = = = = = = = = = = = = = = 遗f ：+ f ；+ f ；心f ：七f ；+ f ：心f ：+ f ；+ f ； 联立两式即可得到眼点在法线上的投影坐标： g 1 ，y 1 ，z 。) = g 。+ 妇l ，y o + f