（测试计量技术及仪器专业论文）汽车车轮定位参数视觉检测方法的研究.pdf

摘要 汽车车轮定位是指检测和校准汽车车轮之问以及车轮与车身之洲相对位置 的过程，其校准质量对于提高驾驶时方向的稳定性和行使的安全性，减少燃油消 耗和轮胎磨损都具有重要意义。随着现代汽车业和道路交通网络的高速发展，对 汽车车轮定位质量要求越来越高，传统的接触式定位方式由于其检测效率低、测 量范围小、系统柔性差等缺点已经无法适应需求。因此迫切的需要建立一套非接 触测量系统实现对车轮定位参数的检测及校准。 本文将计算机视觉技术应用于汽车检测领域，开发完成了一套汽车车轮定位 参数视觉检测系统，具有非接触、测量速度快、系统柔性好、精度适中及便于实 现在线实时测量等优点，克服了传统接触式定位系统的种种弊端。 论文的主要研究工作如下： 1 全面介绍了现有的汽车车轮定位方法，分析了它们的优缺点，确定了一种基 于激光视觉传感器的汽车车轮定位参数检测方法，并构建出了传感器的数学 模型： 2 设计了一种基于标记圆的新型摄像机标定靶标，并提出了一套相关图像处理 算法，实验证明该靶标和图像处理算法稳定、可靠，能够实现摄像机内部参 数的自动标定： 3 用双经纬仪悬丝法实现了传感器结构参数标定和系统的坐标全局统一； 4 针对车轮定位参数视觉检测系统的特点，提出一种快速高效的光条搜索算法 和胎冠最高点搜索算法； 5 利用v c + + 6 o 结合设计算法编制完成了一套完善的系统标定软件和车轮定位 参数检测软件； 6 在实验室条件下，进行了大量的车轮定位参数检测实验，实验表明，本系统 稳定可靠，可以达到精度要求。 关键词：车轮定位，视觉检测，自动标定，曲线拟合，最高点搜索 a b s t r a c t v e h i c l ew h e e la l i g n m e n ti st h ep r o c e s so f i n s p e c t i n ga n da d j u s t i n gt h ep o s i t i o n a l p a r a m e t e r st h a tr e f l e c tt h es p a t i a lr e l a t i o nb e t w e e n w h e e l so rt h a tb e t w e e nw h e e l sa n d t h eb o d y , a n dt h ea d j u s t i n ga c c u r a c yi so fg r e a ti m p o r t a n c en o to n l yt oi m p r o v et h e v e h i c l e s d r i v i n gs t a b i l i t y a n ds e c u r i t yb u ta l s ot od e c r e a s et h ev e h i c l e “sf u e l c o n s u m p t i o na n dt i r ew e a r i n g t h er e q u i r e m e n to f t h ea l i g n m e n ta c c u r a c yi so nt h e r i s ew i t ht h ed r a m a t i cg r o w t ho ft h em o d e mv e h i c l ei n d u s t r ya n dt h er o a dt r a f f i cn e t ， a n dm e a n w h i l et h ec o n t a c t a l i g n m e n ts y s t e m c a n tm a t c ht h ed e m a n df o ri t s d i s a d v a n t a g e so f l o wi n s p e c t i o ne f f i c i e n c y , s m a l lm e a s u r e m e n tr a n g e a n d i n f l e x i b i l i t y i ti s ，t h e r e f o r e ，i nu r g e n tn e e do fan o n c o n t a c tm e a s u r e m e n ts y s t e mt oi n s p e c ta n d a d j u s tt h ea l i g n m e n tp a r a m e t e r s t h i sp a p e rd e v e l o p e dav i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rv e h i c l ew h e e la l i g n m e n t p a r a m e t e r sb ya p p l y i n gc o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g y t om o d e mv e h i c l ei n s p e c t i o n f i e l d ，w h i c hc a no v e r c o m et h ew e a k n e s s e so ft h ep r e s e n tc o n t a c ta l i g n m e n ts y s t e m w i t hi t sm e r i t so fn o n c o n t a c t ，h i 馥i n s p e c t i o ns p e e d ，f l e x i b i l i t y , m o d e r a t ep r e c i s i o n a n do n l i n ei n s p e c t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 a n a l y z i n gt h e e x i s t e n tw h e e la l i g n m e n tm e t h o d sa n dt h e i rf e a t u r e s ，t h i s p a p e r p r e s e n t san e wn o n c o n t a c tw h e e la l i g n m e n ts y s t e mb a s e do nt h el a s e rv i s i o n s e n s o r s 2 ，i no r d e rt or e a l i z ea u t o m a t i cc a m e r ac a l i b r a t i o n ，an e wf e a t u r e c i r c l e b a s e d c a l i b r a t i o nd r o n ei s d e s i g n e di n t h i s p a p e r ，a n das e t o fa l g o r i t h m sf o r i m a g e p r o c e s s i n g ，p r o v e dt ob ee f f i c i e n t ，a r ep r e s e n t e d a sw e l l 。 3 t h ec a m e r as t r u c t u r e p a r a m e t e r s a n dc o o r d i n a t e su n i f i c a t i o n p a r a m e t e r s o f m u l t i * s e n s o r sa r ec a l i b r a t e d b y t h em e t h o do fs u s p e n s i o nf i b e rw i t ht w o t h e o d o l i t e s 4 f a s tl i g h t s t r i p * h u n t i n ga l g o r i t h ma n dv e r t e x e ss e a r c h i n ga l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d w i t h r e g a r df o rt h ea l i g n m e n tp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m 5 b yu s i n gv c + + 6 ，0 ，s o f t w a r eo fs y s t e mc a l i b r a t i o na n da l i g n m e n tp a r a m e t e r s i n s p e c t i o ni sd e v e l o p e d 6 e x p e r i m e n t o nw h e e l a l i g n m e n t i s p e r f o r m e d i nt h e l a b ，w h i c ha c h i e v e s s a t i s f a c t o r yr e s u l t sa n ds h o w s t h a tt h em e a s u r e m e n t s y s t e m i ss t a b l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：w h e e la l i g n m e n t ，v i s i o ni n s p e c t i o n ，a u t o m a t i cc a l i b r a t i o n ，c u r v ef i t t i n g ， v e r t e x e ss e a r c h i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下i 簸行的研究工作和取得的 磺究残裂，除了文中特别趣以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂盗蠡鲎或熊他教育机构的学位或证 书丽使粥过的材料。与我一网工 乍的同惑对本研究所做的任i f 可贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学经论文 乍者签名：曼忽蓐良 签字只期：俐年1 月寻同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授议叁鎏态茎霹以德学缎论文静全都或都分内容编入毒关数擐蓐避行梭 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 惫雹家露关罄f 1 装规毒奄送交论文楚复印体积磁焱。 ( 保密的学位论文在解密厝适用本授权说明) 学位论文作者艇名 萎佛 签字日期：冲弓年 月r 4 多净朋 伊 年 咖 名 期 签 r 师 字 爵 簸 第一露绪论 第一耄绪论 近年来，中国的公路交通褥到了飞速的发袋，高速公路网霞通八达，汽车行 驶速度越来越快，汽车行驶安全性也显得越来趟重要。为了使汽车高速行驶中始 终保持稳定的赢线行驶和转向轻便，转辩后雏颤动回正并减少汽车在行疆中轮胎 及转向机构机件的磨损，转向车轮、转向节和前轴三者之间的安装要有一定的相 对位置。这稀鼷有一定裙对位餮的安装称为前轮或后轮定位，统称为车轮定使。 瑗代汽车车轮定位麓余 汽车车轮定位蒺量对于提莛驾驶时方岛的稳定性翻学搜豹安全性，减少燃涵 消耗和轮胎磨损都具有重要意义。因此，汽车在出厂时都必须根据设计攫求对车 轮定挝参数进行调试，锼褥汽辜镙持疑好款工 每炊态。嗣瓣当车辆经过定时阕 的运行后，由于更换轮胎或减震器、机械的磨损、机件在剧烈颠簸中疲劳变形或 辜架秘缀辟在磁撞磊变形，都会导致正磺故理轮定位参数发生变化。幽此焉造成 操纵稳定性不良，使得高速行驶的车辆出现偏向行驶、摇摆不定、方向盘发飘、 转囱沉重等瑷象，此时必须进行理轮定位馒褥宠垃参数豳复正常，以像涯良好黝 操纵i 陡。 1 车轮定位参数篱余。蜘“ 为适应裹速条 牛下行驶的稳定性翻桊坐舒逑性的露求，许多轿车的设计都采 用了独立悬架装置，为使转向车轮具育操缴轻 便、行驶稳定可靠和减少轮胎的偏磨损，在转 向车轮卜设计有丰销后倾角、主销内倾角、车 轮外倾角和前柬角等参数，同时，为保证汽车 的操纵稳定性，后轮也设计了前束角、外倾角 等参数。这些定位参数统称为姻轮定能参数。 车轮定位参考的理想参数如图1 1 所示：车轮 中心线：指车轮上垂奠于车轮轴的中心线；车 辆凡何中心线：指车身从前到籍的中心线，平 行于行驶轨道并通过前后轴的轮距中点：推力 线：精后轮总附束角的平分线。 蹦1 1 印轮定能参数 车轮定位发展经历了三个阶段： 第一阶段为几何中心线定位阶段：即醣几何中心线为参考线对前轮作定能； 第一章绪论 第二阶段为推力线定位阶段：即通过测量后轮，找到推力线，定位前轮，仍 然力嚣轮定位； 第三阶段就照完全四轮定位阶段：即酋先作单独后轮定位，检测出两个后轮 的单独稚寒，调节屐轮静窳，使接力角为0 ，这撑调节屠鼹接力线座与凡姆中心 线重合。前轮的定位用重合的推力线和几何中心线作为参考。两个后轮也要独立 调整，这就是耨型轿车设计四轮独立悬挂缝构的原因，实现了完全鲤轮怠位。 下面给出四轮定位的检测参数： 1 ) 推力角 车辆几何中心线与推力线形成的央角即为推力角，又称驱动偏向角。推力线 位于几何中心线发侧时角度为正，使行驶轨迹歪斜。后轮罄独裁束不等、轮轴偏 移i 轴距偏差、横向偏位、轮轴偏位等都焉丁能产生驱动偏向角。报据四轮定位的 定义，只肖使推力线与几何中心线重合时进行车轮定位后，越可以保证汽车正常 稳定行驶所以榷力角的消除是苹轮定位的基础。 2 ) 时柬角 推力穗为零( 或在允许误差之两) 时，推力线与凡诲中心线戴合，箍轮单独 i j i 束是指车轮中心线与车辆几何中心线的l 角。两单独前康值应相等。后轮鲋束 浏完，且褥推力角调零意，以稚力线为基准测蓊轮前束，两前束德氇应当相等。 刁；正确的前束会增加轮胎的横向移动，从而增加轮胎的磨损，若前束值偏大，轮 嚣厶内穰露溪；蓊泵篷编小，剜轮耱矫溯鸯损。 3 ) 外倾角 车轮旋转平瑟与车辆级囊垂纛覆的美角，签颟为正，肉颓为受，统称为辨倾 角。车辆商速转弯时，由于轮胎上跳和回弹使内侧车轮外倾减小，外测车轮外倾 增大。车轮乡 颓熬过丈，车载集中在轮穗豁缘，外缘壹径小于内缘奁径，这不 叉 加剧了轮胎磨损，也会使转向性能降低。反之，外倾角过小也会增加内缘磨损。 毒1 主镶内谈焦 在汽车横向平面内主销轴线与铅垂线的夹角即为主销内倾角，该角的作用是 俊车轮璃转对莪鑫魂国歪，并莛两予维持遮| 、位甏。主镑内顿角夫，鹜聂 擘霜强， 但转弯时费力；内倾角过小，回正作用小，轮胎容易磨损。且内倾角左右不相等 l 孪，爨逢戏车辆镢瓣，麸霹孬密瑗罗重豹操 乍篾踅。 5 1 主销艏倾角 在汽车缀囊垂直乎蠢两主爨辍线与镫壤线之闲瓣央霸称为主镪蜃臻热。主销 后倾角的作用是裔利于方向稳定和转向回正，但过大的后倾角使转向费力并且产 生鼹嚣净毒露f 轮摆摄，：l 霆小又会使转商发飘。炭右曩候懋不等翳，汽车会良蓐 倾角小的一侧跑偏，产生转向拉力。 第一章绪论 2 。参考警疆选择。8 如上所述，车轮定位参数检测中的一个参考线车轮中心线是一个虚拟的 直线，不w 能直接测得，而它又是轮胎定位参数求解的关键，所以必颂找到它的 等效位簧，郎测量部位的选耩。如果选取轮毂端麟突缘作为测量点，幽予一般轮 毂豹突缘较窄，无法撰谖测y 爨糖凌。霹 亍静办法爨选簿轮黢翻委狳嚣茨留平 蕊作为设测对象，理论上，只鬻在胎冠上适当的遂敬三个测量点，就可以确定胎 冠切平面的位置，从而得到轮胎的空问位置，计算出定位参数。 1 2 汽车车轮定位的圈内外研究现状 车辆在经过一段辩阕兹蕊耀，帮锋淘鲍瘗损使闲骧壤大，车轮在离遴嚣疆对 受到严熏创伤，或车辆发生冲撞事故，均可造成车轮定位的失准。车轮定位的失 准又会赢接影响和破坏汽车的行驶稳定性、操纵性和轮胎的磨损。严熏的还会存 在交通搿故的隐患，必须经常对车轮定位进行榆骏。目前，国内外用于汽车车轮 定位鲍测爨方法很多，大体弼以分为接触式和嚣接触式两类 l 。攘触式车轮定位装重疑奠饶缺点 接触式轮胎定位装罱主鞭是通过在轮胎上安漩带有传感器的卡具，然后以一 定方式获得卡具上被测点的空间位置或者用测头赢接接触轮胎，从而得出胎冠切 平面的锭嚣，避一步计算出定位参数，如图1 2 艇示。 绩绞匏按辍式定位装餮惫疆拉线式车轮定穰搜、 红外式车轮定位仪、激光式车轮定位仅和滚轮式举轮 定位仪替。拉线式四轮定位仪是采用弹性拉线方式连 接固定程车轮上的传感器，通过机械方式来测量车轮 的各种参数的四轮定位设备。级外式四轮定位仪怒慕 弱红钤臻黪器寒透露测量车耱定位参数懿设荟。测繁 精度眈控线式高。激光式四轮定位仪是采用激光佟感 图1 2 接触式轮胎定位醴 器来进行测量车轮定位参数的设备，测量精度比级外 式高。下嘲通过介绍滚轮式定位方法并分析接触式车 轮定位的忧缺点。 如图1 3 瑟示，滚轮式车轮定位铰主要出辖缘缓魑滚茬、编秘嚣、渊头及车 轮支撵部分组成。滚轮上装裔三个位移传感器，分澍对应于胎冠上的三个检测点。 汽车驶上检测台时，在驱动滚筒的驱动下，车轮原地转动，滚轮逐渐靠近轮胎， 直至三个位移传感器与轮胎胎冠完好接触，读出邀螳位移传感器相对于参考平面 第一意绪论 的位移参数，便可以计算岛轮胎的定位 参数。 很鬣然，滚轮装卡时，与祓溯车轮 的同轴度很难保证，因而会引入很大的 系统误麓，丽辩轮骆的变形、狳冠上不 规则的花纹字样阻及滚轮的磨损都会带 来很大豹测量误差。其它类鍪盼接融式 定位方法同样存在这些问题。 综上辑述，接魅式测量有鲡下不可避 免的缺点： m 轮胎2 , 6 滚轮3 ，4 ，8 罐| 自妈器5 ，；蜩_ | 二l 7 - 转轮9 il 蔫g 墟1 0 ，窄气挚 图i 3 滚轮式测姑裟置幽 1 ) 测羹速凄浸，无法安凌在线浚速实露 定位。接触式测量需要在轮胎上装兴具或测头直接与轮胎接触进行测量，而 装夹妁鼯环穆壹接影溺测试绥莱。掰以英测试露闰郝跑较长，特剩楚当需要 进行轮毂失圃补偿时，时间更长； 2 ) 不裁爰予动态溺量，当车轮转动露，羌法避嚣检 l l i | ； 3 ) 系统兼容性差，一般情况，每套检测设备只能检测固定尺寸的一种车型； 4 ) 由予掇城接触造戏麴瘗损搜褥测量 叉嚣必矮定期捧捡定。 2 非接触式慰位 e l 前，国外从事汽车车轮定位系统的研究机构很多，但是专门从事非接触式 疆究豹并不多见，只有少数几家公司拯出了非接触式车轮定位产晶，多数产品都 是基于激光三角法。图1 4 ( a ) 为美圈b e p 公司开赛* 丌发的非接触式车轮定位 系统( n c a ) ，它是出4 组激光视觉系统组成，分别测攫四个车轮的魏寒和外倾 角，每组激光视觉系统都包含3 个以图示方式排列的卒见觉传感器，激光器投射的 红色激光打在轮胎侧西，与轮胎胎冠楣交形成一条曲线弧，c c d 摄像枫接收投 影线，经过图像处理，获得曲线弧上点的坐标，进而计算出定位参数。闰1 4 ( b ) 为浚公司开发的四轮定位工作台，用予固定车型生产线上装配完成后的在线定 位。近年来，国内有少数几个汽车生产厂花巨资引进了国外的非接触式设备，如 北京吉辔汽车有限公司引进了辑套美豳现代公司( m o d e me n g i n e e r i n g ) 开发的 非接触式检测系统一l 。 目瓣国内对此领域的研究很少，清华大学与北京吉普汽车有限公司台作对非 接触定位系统作了探索性研究。近年束，国内汽车数萤剃蹭，而且随着道路交邋 网络的发展车速越来越快，为保证汽车行驶安全性，定期作车轮定位是非常有必 要的，黼此，开震汽车车轮定位参数视觉检测方法的研究有显著静社会效益霹缀 第一章绪论 济效益。 ( a ) n c a 系统( b ) i 古| 定下型定 ： 7 _ 台 幽1 4 美国b e p 公司的1 i 楼触式定能系统 1 3 本课题研究的主要内容 本课题是天津大学精密测试技术系仪器国家重点实验室与武汉汽车质量监 督检验鉴定试验所合作开发的一个项目。 整个汽车车轮定位系统是一个较为复杂、庞大的系统，本课题完成的是该系 统的第一阶段也是关键阶段的任务单个车轮的前束角和外倾角的检测这是 整个定位系统的基础和关键所在。只要完成了单个车轮的定位参数检测，再辅以 车轮定位平台等机械结构装置，前后轮协调定位，就可以实现完全四轮定位。本 测量系统有关技术指标如下： 表i - l 测昔系统技术指标 下轮直径i ：作距离前束角、外倾角测簟范嗣测昔分辨力 测姑精度 5 0 0 l o o m m 5 0 0 5 0 m m5 。l 5 本文研究的主要内容： 1 对计算机视觉理论做了深入研究，并将其应用于汽车检测领域中，确定了基 于视觉传感器的车轮定位参数检测方法，并建立了传感器的数学模型； 2 为了扩大测量范围，消除视觉检测中可能出现的测量盲点，设计了双摄像机 结构的视觉传感器； 3 设计了一种基于标记圆的新型摄像机标定靶标，并提出了一套相关图像处理 算法，实验证明改靶标和图像处理算法稳定、可靠，能够实现摄像机内部参 数的自动标定： 第一章绪论 4 汽车车轮定位参数检测系统属于多传感器视觉检测系统，因此，多视觉传感 器的坐标统一技术也是本文的研究内容之一； 5 视觉检测得以实现的关键就是特征点的提取，本为对如何将胎冠上的光条曲 线从复杂的背景中提取出来也做了深入探讨，提出了两步法光条搜索算法； 6 胎冠最高点的获取是汽车车轮定位系统中的核心技术之一，本文分析了多项 式拟台求曲率最大点和椭圆拟合求短轴顶点两种方案的优缺点，提出了结台 两种方案的最高点获取方法； 7 在实验室条件下，建立了单个车轮的定位参数视觉检测系统，并进行了大量 的前束角、外倾角测量实验，实验证明该系统稳定可靠，为实现完全四轮定 位打下了肇实的基础。 第二章汽车车轮定位参数视觉检测系统的构建 第二章汽车车轮定位参数视觉检测系统的构建 计算机视觉是一门综合学科，涉及计算机、自动化、集成技术、光学、视觉 心理和生理等众多领域，其研究范围很广，同时它也是一个相当新且发展十分迅 速的研究领域，并成为计算机科学的重要领域之一。由于此项技术具有非接触、 动态响应快、获得信息量大、作用距离远等优点，特别是随着计算机技术、模式 识别技术、图像处理技术等的不断发展，近十年来，它在工业、农业、科学研究、 军事等方面获得了广泛的应用。视觉检测技术是计算机视觉的一个非常重要的分 支，它是将计算机视觉理论应用与现代工业检测领域中产生的一项新技术，它运 用各种成像系统代替人类的视觉器官作为输入敏感手段，用计算机代替人脑完成 处理和解释。 针对汽车车轮的特性、视觉检测的优点和车轮定位的要求，我们设计了一种 基于多传感器的车轮定位参数视觉检测系统。本章主要介绍该系统的测量原理、 系统组成及数学模型。 2 1 测量原理及检测系统的组成 汽车车轮定位参数检测的实质就是对轮胎胎冠切平面的定位，只要获得了胎 冠切平面的空间位置，所有车轮定位参数就迎刃而解。从理论上讲，只要获得胎 冠切平面上的任意三个点就可以求得切平面的位置。为此我们在每个轮胎侧面都 安装一组( 3 个) 视觉传感器，如图2 - l ( a ) 所示，视觉传感器的分布如图2 1 ( b ) 所示，每个传感器测出胎冠上一个特征点的空忙j 三维坐标。 a ) 四轮视觉定位示意酗b ) 视觉传感器分布图 图2 - i 汽车车轮定何参数视觉检测系统示意图 第二章汽车车轮定位参数视觉检测系统的构建 2 1 1 视觉传感器的技术指标m 2 1 1 激光器： 由于c c d 器件的光谱响应范围为0 4 “聊1 1 u r n ，峰值响应波长约为0 9 u m 。 这罩测量系统选用波长为6 5 0 n m ，功率为5 m w 的的半导体激光器作为入射光源， 其光谱响应的灵敏度很接近峰值响应波长的光谱灵敏度，与其他的激光器比较， 用相同功率光束照明，可以获得较大的输出信号。 2 c c d 摄像机： 成像物镜和面阵c c d 结合在一起，构成了c c d 摄像头。基于性价比的分析， 本测量系统采用型号为m i n t r o n 3 6 8 的黑白低照度面阵c c d 作为光电接收器 件，像元个数为5 0 0 ( i - i ) 5 8 2 ( v ) ，有效像敏面的尺寸为4 9 r a m 3 7 m m ，最小照度 为0 1 l u x 。 3 c c d 镜头： c c d 镜头焦距的选择是由测量系统的工作距离和视场大小确定的。本系统的 工作距离是4 5 0 m m 5 5 0 m m ，被测车轮直径4 0 0 6 0 0 m m ，测量视场 1 5 0 m m 1 2 0 m m ，为此我们选用焦距厂= 1 6 m m ，相对孔径1 f = 1 , 4 的普通光学镜 头。 2 1 2 视觉传感器的结构设计及测量原理 所示。 传统的视觉传感器由一个半导体激光器和一个c c d 摄像机组成，如图2 2 ( a ) a ) 单摄像机视觉传感器b ) 烈摄像机视觉传感器 幽2 2 视带传撼器结构剀 第二章汽车车轮定位参数视觉检测系统的构建 为逶瘟车轮定位动态溺爨豹要求，佳惑嚣必须蠢足够大静携绣楚溺，为此我 们设计了撼于双摄像机的视觉传感器，其结构设计如图2 - 2 ( b ) 所示。车轮向不同 方向转动时，使用相应的摄像机采集图像，从而扩大了测量范围。半母体激光器 l d 发出的光经柱面镜单方向挖伸形成一个光平僦打在被测轮胎胎冠上，形成一 道曲线弧，或像在c c d 摄缘飒像乎面上，经过图像采集卡采集，送入诗算辊形 藏数字嚣稼，慰该鎏豫遗嚣分凝释楚理，霉嚣嚣冀绘塑稼系下笺堡标，经遭垒标 变换，获得测量点在世界坐标系下的坐标。 2 1 3 汽车车轮定位参视觉检测系统的实现 综合翡嚣越激光视觉铸感器戆死怒结麴分辑驭及车轮定燕豹实醛臻况，我们 确定了溺爱系统静主要缡梅参数指标如下： 表2 - 1 汽印印轮定位参数视觉检测系绒的主要技术指标 技术指标擞憾 j ：住距离4 5 0 5 5 0 m m 毽头焦凝1 6 r a m c c d 像面尺寸4 9 r a m 3 7 r a m c c d 像素数 5 0 0 ( h ) 5 8 2 ( v ) 激光器 、# 导体激光器，波长6 5 0 n m 。5 m w 光条宽度 0 2 r a m 擎个车轮定位定位参数检测的实验装置如下圈所示： 剀2 - 3 车轮激光视觉定位实验裟置幽 9 第二章汽车车轮定位参数视觉检测系统的构建 2 2 测量系统的数学模型” 汽车车轮定位参数视觉检测系统是一个基于多传感器模块的测量系统，它是 根据多个传感器模块各自的测量结果综合求出定位参数，因此该视觉检测系统的 数学模型可以简化为单个传感器模块的数学模型。 如前所述，为了扩大传感器的视场范围，消除单摄像机传感器带来的测量盲 区，提高测量的稳定性，我们采用双摄像机视觉传感器。图2 4 所示的是单个视 觉传感器测量轮胎胎冠上某点坐标的投影关系形式。设o 点为c c d 像平面的主 幽2 - 4 视觉传感器坐粝i 转换不恿幽 点，即像平面与光轴的交点，以该点为原点建立像平面坐标系o x y ，并设x 轴 与c c d 摄像机像平面像素阵列横向平行；设摄像机坐标系o 。x ，iz 。原点q 位 于光学中心，它到像平面的距离( 即0 ，、o 两点阳j 的距离) 为摄像机有效焦距 厂，轴与r 轴分别平行于x 轴与y 轴，z ，轴延着光轴由q 点指向o 点；在 光平面上任意一点建立传感器坐标系o 。x 。k z 。，在空间任意一点建立世界坐标 系o ，x ，z ，。设光平面与胎冠相截形成的曲线弧上的任一点为p ，它在传感 器坐标系中的坐标为( x xy ，0 ) ，在摄像机坐标系中的坐标为( z 。，y 。，z 。) ，在世界 坐标系中的坐标为( x w , y 。z 。) ，在像平面上对应的理想像点为尸l ，令其坐标为 ( x ，y ) ，但由于摄像机镜头畸变，其实际像点为乃( h ，y 。) ，实际像点对应于计算 机图像坐标系0 ，一中的坐标( 即帧存体中对应的像素坐标位置) 为 p ，o ，y ，) ，设主点0 在计算机图像坐标系中的坐标为( c 。，c ，) 。空间任一点 p ( x 。，y 。，z 。) 与计算机图像坐标系的像素位置厅( x ，y ，) 可通过以下两步求得。 一、计算机图像坐标系与传感器坐标系之间的转换 如图2 - 4 所示，光平面为x 。0 。k 平面，光平面在传感器坐标下的方程为： z s = 0 ，若已知传感器坐标系，轴和k 轴在摄像机坐标系q x 。rz f 中的方向矢 0 第二章汽带印轮定位参数视觉检测系统的构建 耋轨，r 4 ，7 稿奴，冬，珞) f ，良及警移矢量；，f ，f ：y ，浚c c d 疆豫疆豹豫乎瑟中静 光敏单元在x 方向( 水平方向) 的个数为m 。( 像豢数) ，相邻光敏单元中心距离 为出，】，方向( 垂直方向) 的个数为虬，相邻光敏单元中心距离为巩。通常情 况卜，工、眦用c c d 摄像机( t vc a m e r a ) 输出的剿像模拟信号，通过图像采集卡 沿x 方翻以零酚采样与保持方式按行采样量优，迸此图像量化后，在诗黧机图 像坐铩系中，灌野辜鑫方蠢( 毳蕊方囱) 捐邻像数繇代表懿距裹与c c d 豫乎嚣中y 辘方向榴邻像之间的中心距离硫相等。而在水平方向上则与图像采集卡的采集 频率有关，设图像卡在水平方向上每行采样的点数为，为此引入不确定因子 s 。则计算机图像坐标系坐标o ，y ，) 与传感器生| 垒标系坐标( x ，y ，) 之间的转换关 系可以出戏( 2 1 ) 表示： d 。= d x n 。n & 确= j ：d o r c ，) y ，= d 厂c ，) ，= x ；+ y ； ，善毒畿景= & r 2 )s 毫x i 七s r 矗，。七甜： ，熹熹蒜等砒6+kl)sr7s r s s t x 七yy + ： 式中k l 为摄像机的镜头躐变系数。 二、传惑鼗坐标系与藿赛璧繇系之淘豹关系 ( 2 1 ) 由闵2 - 2 可知，若已知传感器坐标系x 。轴和乓轴轴在嫩界坐标系 0 。，z ，中的方向矢黛( 躬，g r 4 ，g r 7 ) 7 1 、( g r 2 ，g r 5 ，矾) 7 ，以及平移矢量 g t 。，g t 。，g t ：y ，则可求得传感器坐标系中的点p s ( x ，, y ，o ) 在世界坐标系中的坐 撰p ( x 。，y 。，g 。) ： 陬 f 弱 ”e ( 2 2 ) 出以上分辑可知，该囊鬣系统要求已知2 5 个系统参数，其中7 个摄像飙参 数：女? ，s x 、毒、矗、白，这些参数需要遴；璧摄豫税参数拣定获雩薅；1 8 个坐 标转换参数：趴、坼、s t ，、s t 。、s t ：、g r t 、鼽、肌、g r ：、 g 、g r 8 、g t 。、g t ，、g t 。，这些参数则要经过传感器结构参数标寇和系统坐标 全局统一束获得。我们将在下章中详细介绍测蹩系统的标定技术。 ，llj x y iiii皿 r： 嚣船酊跳毁矾 第三章检测系统的标定及相荚蹦像处理技术 第三章检测系统的标定及楱关图像处理技零 在视徽检测中，传感器的参数标定对整个测嫩系统的测量精度超翁决定性的作 用。通过摄像机摄取图像，获得的只是在像面上的被测物体的二维信息，只有确 定了摄像羧豹内部参数窝癸帮参数，君怒怼被测秘髂掰或豹像 乍定爨豹分孝厅，激 便葳这整= 维信患中捡铡鑫羧灏量的空间三维结豫。 对于不同的视觉传感器。骚建立不同的数学横型。通过上一章的研究，我们已 经建立了激光视觉车轮定位的数学模型，如果自准确的标定出模裂的参数，就能 获得很离的三维检测精度。摄像机的标定就是确定摄像机内部几何和光学特性( 内 部参数) 酸及摄豫撬坐掘系楣霹予毽赛塑标系豹佼鬟关系( 外郝参数) 。嚣裁的摄橡 氍栎定方法般可| 三1 分为蹲耱类墅，其一是爱线瞧方法求解，简鼙陡遮，僵没毒 考虑镜扶畸变，准确性欠佳：其二是考虑了畸变参数，引入了非线徽优化，但方 法较繁琐，速度慢，对初值选择和噪声比较敏感，而且非线性搜索并不能保证参 数收敛到全局最优解。t s a i t 4 t 5 】【6 】采用的方法是利用成像过程中的径向稍 列约束分 解摄缘枕备参数，针对带有一除径向跨变的摄像枫模型，使翔合理鹩求鳐次序完 成线装方程豹求瓣，筑瑟蕊之较渡往静算法雯为耱礁、快速窝麓霞。 本文介绍的是基于主动褫擞的测量系统，摄嘏t s a i 标定理论，考虑镜头畸变 的影响，采用两步法对视觉传感器进行标定。设计了一种新型的自动标定靶标， 克服了传统靶标在图像处理中存在的缺陷，同时给出了一种传感器结构参数标定 及多传感器坐标统一方法，实域了传感器的外部参数标定。 3 。 摄像枕内部参数囱渤标定技术 3 1 1 摄像机标定数学模型1 人隈袋摄像枧的透视成像邋常可以近似地看搀楚一个针孔戒像，这攫将矮考虑 凌爻薅交弱铃我壤墅f p i n 丧o l em o d e l ) 象接逐霭檬奁摄爨筏中靛影裁逶耧。鹫3 一 澄明了掇像机模型的基本几何结构。c c d 像平蕊上存在一个离散的像素坐标系 o ，x ，y ，x ，取c c d 水平像元阵列方向，e 瞅垂直像元阵列方向。这里忽略 c c d 加工误差，设z ，轴和y 轴相互垂直。设o ，为光学中一t l , ，作q + z ，轴垂直于 像平面并交像商于o 点，。f 。z ，。轴的方向取延q 0 辨指向o ；过q 点作。，、y ，。轴 乎 亍予c c d 豫嚣一辘，方蠢与嚣一致，国盖，辍平行于x ，辘，方羯与x ，一致， 从而获褥了摄像枫坐标系o f 墨墨z ，。在图像平磷上以o 为原点佟o x 轴平行于 q 爿，轴，作o f 轴平行于q ，y ，轴，显然o y 轴与y 轴平行，从而得到f 交的理 想像面嫩标系o x y 。o ，毛是用标定靶标定义的虚拟世界坐标系，o ，。r 第三章裣涮系统豹稼定及籀荚蛰像登攒毅术 为诗算掇嚣像坐标系。令只。= ( x 。y 。，z 。) 是物点p 在世器嫩拣系中瓣三终蹩 燃3 - 摄缘规撂定模型 标，只= ( x 。，y 。，z 。) 为物点p 在三维摄像机嫩标系中的坐标。o t 与o 之间的 簇褰，为摄像撬豹畜效焦距。翔皋摄豫辍无镜头跨交，糖点尹在像平甏上对痰戆 像点为r = ( x 。，n ) ，但由于镜头畸变的影响，实际像点怒尸，= ( x 。y ) 。 弓；0 ，岁，) 袭示实嚣稼熹乃在嚣藏壤塑稼缀耘系下秘二终嫩据，鞘在搂, 存i 俸 中对应的像素位置。 在她模型中， i j = 3 d 世器坐撅至i 2 d 计算机图像坐标懿转换可分为疆步： 1 ) 物方世界坐标系到摄像机嫩标系的转换 l 贾。 这单曰是3 3 旋转矩阵，由三个独立参数即坐标轴旋转角甜、 踺平移矢量。霆蠢 分嗣决定了摄豫橇豹方自帮整霉。 2 ) 三维摄像钒坐标& 到二维理想图像坐标( 无畸变) 已的转换 根据透视投影关系有： ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 卢、y 决定。 r十 ，；，l w x y z ，。：。；l 足 蔫 1；0，； 矗虬o ；。，。、，l 1jlllfjrl-_1_i 疋弓r 。 _。，。；，。，l l r 第三章检测系统的栝定及相芙图像处理技术 p 借斟 3 ) 畸变圈像坐标欺到理想阁像坐橱i n 的转换 f 戈。= 嘞+ x d ( 是l ，2 + 2 ，4 ) + 【2 p x a y , ，+ 尹2 ，2 + 2 并：) 】 l y 。= y j + 均( 吼r 2 + k 2 r 4 ) + 2 p l x d y d + p 2 2 + 2 y ；) 】 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 其中，k ，、k ：是径向畸变系数；p 。、p 2 是切向畸变系数；r 。x ：+ 巧； 两个等式中的第二顼为径肉穗交壤，第三硬为切商碡交王荽。 与切向畸变楣比，径囱媾变是影l 岛视觉测量接感器豹主要因素，麓除兹骢变 系数虽然能获褥好的畸变模型，然而这同时也将导致瞄后标定计算量的大大增 加。因此，只考虑一阶径向畸变，从而获褥菇畸变模变： 在计算机图像嫩标系下的图像点的坐标值。计算机图像坐标系0 。爿，r 和摄像机 |扛，一鼻) 卜2 - ( 3 - 6 ) 1s 。 p d = d i s t ； d i s t 为预设野靛双峰矧静最小距离，实验中我稍取d i s t = 8 0 。 ( 3 ) 确定阈值舶，p 5 h ：( m x + _ m n ) z 图3 7 为溺值分割后的靶标二值纯图像。 弟三章检测系统的标定及相关图像处理技术 图3 7 二值化后的靶标图像 2 轮廓跟踪及图像边缘点的获取 阈值分割后我们得到了靶标的二值图像，要获得图像上椭圆( 圆经透视畸变后 图像为椭圆) 的中心坐标，就必须获得每一个椭圆的边缘坐标数据。所谓边缘即为 二值化图像中0 1 的跳变处。然而，o 1 跳变同样可能在靶标的边缘处或者其他 地方出现。因而要想获得椭圆边缘点数据，必须分两步：1 ) 检测图像上的所有轮 廓边缘；2 ) 剔除非椭圆边缘。 1 ) 轮廓跟踪法边缘搜索。叭删 单一轮廓跟踪的基本方法是：先根据某些严格的“探测准则”找出目标物体轮 廓上的起始像素，再根据这些像素的某些特征用一定的“跟踪准则”找出目标轮 廓上的其它像素。下面介绍两种二值图像轮廓跟踪的算法。 起始像素探测准则：按照从左到右，从上到 f 的顺序搜索，找到的第一个目标点( 靶标图像 中的白点) 作为起始点，记为a 。 跟踪准则一：沿起始像素a 的右、右下、下、 左下四个邻点找下一个边界点，如未找到则目 标轮廓为一孤立像素点，否则，将该边界点记 为b ，从b 丌始找起，按右、右下、下、左下、 左、左上、上、右上的顺序找相邻点中的边界 点c ，如果c 就是a 点，则表明已经转了一圈， 幽3 - 8 轮廓跟踪算法示意 结束搜索，否则从c 点继续找，直到找到a 为止。边界点判定准则：当前点的上 下左右都不是白点则当的点即为边界点。这种算法要对边界像素周围的八个点进 行判断，训算量很大，运算速度慢。 跟踪准n - ：从起始像素点a 开始，定义初始的搜索方向向右；如果右方的点 繁三鬻检测系绞楚振定菠甥荚型豫处理技术 图3 - 9 轮廓跟踪流稃幽 2 4 一l 第二章梭测系统的标定及相荧蝎像处理技术 是白色，则为边赛点，否羹l 缓索方向糇时针旋转4 5 发，继续搜索，纛猁找到下一一 个边界点。此时，将搜索方向逆时针旋转9 0 度继续用同样的方法搜索下一个边 界点直到阐到起始点a 为止，如图3 - 8 所示。 以上介绍了单一轮廓的搜索算法，下面介绍如何搜索靶标图像中的所有跳变轮 露。设圈豫稼素焦为f ( i ，力，茭中i 、歹分爨为图像戮坐标亵季亍坐标：设边缘索弓| 号为c o u n t , ，翻僮设为0 。采群l 上述跟踩准n - - - ，觚豳像左上角嚣戆，到图像在下 角结束，对全图像扫描跟踪一遍，跟踪过程中，将轮廓数据存储到预先设定好的 数摒结构中，包括边缘点像綮坐标，及该轮廓包古的边缘点数，具体算法流程如 图3 - 9 所示。 轮廓鼹路后，获褥了图像上的全部轮癣数据，包捂椭圆轮廓帮非椭豳轮癣，如 图3 一1 0 掰示。靶标边缘毽被露为轮薅逮缘僚鏊了f 来，因藏，下一步麓王 乍藏是 要把嗣标椭圆轮廓识别出来。 醐3 一l o 靶标轮廓跟踪( 反恕幽) 2 ) 目标椭胤识别算法 翦筒我们介绍了我们设计的薪型靶标是在不懑光玻璃平板上光刻出系列透 光强孔黪列，其中位予靶瓠中央标记霆半径较大，其余垂魏魏半强酃秘等，襞有 圆i l 的中心距相等。虽然经j 违透视变换，圆交为椭圆，僵椭圆之间仍然有缀好懿 相似性。根据靶标的先验知识，我们设计了两步法识别椭圆目标。 ( a ) 第一步：轮廓初步识别和标记圆搜索 设某祭轮廓的边缘点坐标数组4 = g yl is i ”“m ，r l l l l t l 为它的边缘点个数， 瘸它蓦鼋包含豹区域嚣积为： s = 去lx i - i y ，飞儿 ( 3 1 7 ) o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 一一o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 八= ) o o o o o o o 第二章检测系统的标定及相关蹦像处理技术 轮辩边缘上任意嚣轰p 枣。，期与忍嗨劫之闳豹雅藩为： 却。= 厄j 丁石j 了 ( 3 - 1 8 ) 从边缘点中搜寻最左端点m 、最右端点p ，、最上端点p 2 、最下端点p 。它们两 疆之糍懿糕麓硪妒。中懿最大 蠹懿一半郅为该轮瘵鹣鳋接圜半径最： r m a x d i s p i j ，2 ，矗2 0 ，1 ，2 ，3 ( 3 一1 9 ) 前述轮廓跟踪得到的边缘数据中可能混有靶标边缘轮廓，也可能有由于光照等 环境因索造成的杂教点，为此我们必须充分利用靶标的先验知识柬溅行轮廓初步 识爨： 1 ) 稿弱轮廓斡外接睡半径大小稽近( 中央标注秣潮除外) ，且都大予菜个确定的僮 外接圆半径阈值( n ) ； 2 ) 椭圆轮廓包含的边缘点个数相近( 中央标记椭圆除外) ，且都大于菜个确定的值 边缘点个数阈值( r ) ； 3 ) 虽然经过透视变换，毽镶头猿变不会太大，鄂灏澎凄指标c = s 江爱2 ) 虿会 太小； 4 ) 靶标标记圆的半径与其它麟的半径的比例已知( 本文中用到的靶标为1 5 倍) 。 为了邂应不同尺寸的标定靶标和不同焦距的摄像机镜头，n 和l 的值不能是 固定值，必须动态搜索，为此本文设计了一种类赢方圉统计法，具体算法