基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輪定位關(guān)鍵技術(shù)的研究

殷春平+吳了泥+王浩+王曉光+林麒

摘 要：基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)提出3D四輪定位儀參數(shù)檢測(cè)過(guò)程中車(chē)身坐標(biāo)系的建立方法，以及車(chē)輛定位參數(shù)求解的向量-平面數(shù)學(xué)模型，針對(duì)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中存在運(yùn)動(dòng)偏差的問(wèn)題提出運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方法，并推導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)真實(shí)車(chē)輛的測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果證明該檢測(cè)方法的正確性和有效性，為改進(jìn)或研發(fā)3D四輪定位儀提供了新的思路， 同時(shí)也為基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)靶標(biāo)四輪定位參數(shù)檢測(cè)技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；車(chē)輪定位；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；數(shù)學(xué)模型

中圖分類(lèi)號(hào)： U467.4文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.03.01

Abstract：This article put forward a theory to establish the bodywork coordinate system and proposed a vector-plane mathematical model to obtain the alignment parameter values. A motion compensation solution was addressed to the deviation in motion detection process and its mathematical model was derived. At last， an experiment with a real car was carried out and the validity and effectiveness of the proposed method were proved. This method offers an innovative solution for developing 3D four-wheel alignment systems， and also provides a theoretical basis for research on non-calibration plates.

Keywords：machine vision； wheel alignment； motion compensation；mathematical model

汽車(chē)車(chē)輪定位參數(shù)直接影響汽車(chē)的安全性和操縱穩(wěn)定性，準(zhǔn)確檢測(cè)車(chē)輪定位參數(shù)對(duì)于汽車(chē)行駛安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)測(cè)量方式基于不同原理有機(jī)械式、紅外式、激光式及CCD攝像機(jī)等方法[1]，總體上卻存在測(cè)量過(guò)程復(fù)雜、檢測(cè)慢、精度低等缺點(diǎn)，所以研究高效準(zhǔn)確的車(chē)輪定位參數(shù)檢測(cè)方法尤為重要[2]。近年來(lái)，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展，掀起了3D四輪定位儀的研究熱潮[3]，但大部分四輪定位參數(shù)測(cè)量文獻(xiàn)主要致力于攝像機(jī)標(biāo)定模型[4]或定位參數(shù)幾何模型[5]的研究，這就使工程中所開(kāi)發(fā)的儀器很難做到高精度重復(fù)測(cè)量[6]。主要是因?yàn)楹苌儆醒芯刻岬饺绾卧跍y(cè)量過(guò)程中建立車(chē)身坐標(biāo)系，如何在任意打方向盤(pán)或調(diào)整底盤(pán)后，提高定位參數(shù)的檢測(cè)精度，以及如何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)确椒ǎ疚膶⑨槍?duì)這些內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)探討。

1 四輪定位參數(shù)定義

四輪定位測(cè)量的重要參數(shù)主要有車(chē)輪外傾角、車(chē)輪前束角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角與主銷(xiāo)外傾角等[3]。車(chē)輪外傾角和車(chē)輪前束角的測(cè)量原理與主銷(xiāo)內(nèi)傾角和主銷(xiāo)外傾角的測(cè)量原理類(lèi)似，實(shí)質(zhì)都是求解空間某旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于車(chē)身坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系[7]。對(duì)于車(chē)輪外傾角與前束角的測(cè)量，空間旋轉(zhuǎn)軸為推動(dòng)汽車(chē)過(guò)程中車(chē)輪平面的旋轉(zhuǎn)軸；對(duì)于主銷(xiāo)內(nèi)傾角與外傾角測(cè)量，空間旋轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)過(guò)程中的主銷(xiāo)軸[8]。由于二者測(cè)量原理類(lèi)似[9]，所以本文以車(chē)輪外傾角與前束角為研究對(duì)象，闡述具體的測(cè)量方法和原理。

（1）車(chē)輪外傾角：車(chē)輪中心平面與鉛垂線的夾角。車(chē)輪頂部向車(chē)身外部?jī)A斜時(shí)稱為正外傾，反之為負(fù)外傾。

（2）車(chē)輪前束角：車(chē)輪的水平直徑與車(chē)輛縱向?qū)ΨQ平面之間的夾角為車(chē)輪前束角。車(chē)輪前段向車(chē)身內(nèi)部?jī)A斜時(shí)稱為正前束，反之為負(fù)前束。

由于式（11）主要依據(jù)平面與向量之間的幾何關(guān)系得出，故稱為向量-平面模型，該式形式對(duì)稱，無(wú)需矩陣轉(zhuǎn)化，工程中容易編程實(shí)現(xiàn)[16]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述測(cè)量方法，對(duì)一輛比亞迪轎車(chē)的車(chē)輪前束角和外傾角進(jìn)行6次推車(chē)測(cè)試，重復(fù)試驗(yàn)中所有參數(shù)保持穩(wěn)定，個(gè)別參數(shù)最大誤差為2′，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與美國(guó)杰奔3D四輪定位儀的試驗(yàn)結(jié)果（參考測(cè)量數(shù)據(jù)A與參考測(cè)量數(shù)據(jù)B，該儀器也是基于視覺(jué)原理，測(cè)量精確到±3′以內(nèi)）進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知：沒(méi)打方向盤(pán)（狀態(tài)1）測(cè)量時(shí)，左前輪外傾角誤差為-8′、前束角誤差為-1′；右前輪外傾角誤差為11′、前束角誤差為-5′；左后輪外傾角誤差為2′、前束角誤差為-1′；右后輪外傾角誤差為4′、前束角誤差為-2′，測(cè)量結(jié)果偏差較小。產(chǎn)生微小偏差的主要原因可能是試驗(yàn)中所用的靶標(biāo)與杰奔3D四輪定位儀的靶標(biāo)精度不一樣所致。在狀態(tài)B試驗(yàn)中（方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一小角度），前輪誤差稍大，主要與方向盤(pán)調(diào)節(jié)器有關(guān)，因?yàn)樵囼?yàn)中手動(dòng)固定方向盤(pán)角度存在一定誤差。盡管如此，總體上測(cè)量誤差都較小，尤其是沒(méi)有任何調(diào)整的后輪，其誤差基本不變，也符合事實(shí)。對(duì)狀態(tài)A與狀態(tài)B的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，有無(wú)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法對(duì)結(jié)果的精度有很大影響，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法明顯可使測(cè)量過(guò)程獲得更好的精準(zhǔn)度。

4 結(jié)論

本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究了四輪定位參數(shù)的測(cè)量原理和數(shù)學(xué)模型，并提出了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑砗途唧w方法。將真車(chē)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與美國(guó)杰奔3D四輪定位儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明本文所提出的測(cè)量算法準(zhǔn)確度高、可行性好。本文研究成果已被委托企業(yè)采納并產(chǎn)品化，得到的市場(chǎng)的認(rèn)可，同時(shí)也為基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)靶標(biāo)四輪定位參數(shù)檢測(cè)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)（References）：

徐觀. 汽車(chē)車(chē)輪定位參數(shù)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)及測(cè)定方法的研究 [D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

XU Guan. A Research of Automobile Wheel Alignment Parameters of Inspection System and Measuring Method [D]. Changchun：Jilin University，2009. （in Chinese）

張立斌，蘇建，田云鋒.利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)汽車(chē)車(chē)輪定位參數(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2003，33（2）：32-34.

ZHANG Libin，SU Jian，TIAN Yunfeng. Using Computer Vision to Inspect Wheel Alignment Parameters [J]. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2003，33（2）：32-34. （in Chinese）

文超. 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的汽車(chē)四輪定位檢測(cè)系統(tǒng) [D]. 成都：電子科技大學(xué)，2008.

WEN Chao. Automobile Wheel Alignment System Based on Computer Vision [D]. Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2008. （in Chinese）

薛瑾.機(jī)器視覺(jué)車(chē)輪定位系統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)研究 [D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2011.

XUE Jin. A Research of Camera Calibration Technology on Wheel Alignment System Based on Machine Vision [D].Shengyang：Shengyang Univesity of Technology，2011. （in Chinese）

張立斌，蘇建，田云鋒.汽車(chē)車(chē)輪定位參數(shù)快速檢測(cè)的建模研究[J]. 公路交通科技，2003，20（3）：36-38.

ZHANG Libin，SU Jian，TIAN Yunfei. A Research of Rapid Detection Modeling for Automobile Wheel Align-ment [J]. Traffic Science & Technology，2003， 20（3）：36-38. （in Chinese）

王德超，涂亞慶，張鐵楠，等.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的汽車(chē)四輪定位參數(shù)檢測(cè)數(shù)學(xué)模型及方法研究 [J]. 汽車(chē)工程，2008，30（3）：244-246.

WANG Dechao，TU Yaqing，ZHANG Tienan，et al. Math-ematical Model and Method Research for Automobile Wheel Parameters Detection Based on Computer Vision[J]. Auto-motive Engineering，2008，30（3）：244-246. （in Chinese）

殷春平. 基于機(jī)器視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)姿態(tài)測(cè)量之研究與實(shí)現(xiàn) [D]. 廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)，2013.

YIN Chunping. Study and Realization on Attitude Measure-ment of Moving Objects Based on Machine Vision [D]. Xiamen：Xiamen University，2013. （in Chinese）

劉永強(qiáng).基于視覺(jué)測(cè)量的汽車(chē)車(chē)輪定位技術(shù)的研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

LIU Yongqiang. Wheel Alignment Research Based on Vision Measurement [D]. Dalian：Dalian university of Technology，2008. （in Chinese）

殷春平，林麒，吳了泥，等. 一種魯棒的基于機(jī)器視覺(jué)的汽車(chē)3D四輪定位參數(shù)檢測(cè)方法：中國(guó)，201410794607.1 [P]. 2015-04-01.

YIN Chunping，LIN Qi，WU Liaoni. A Robust Method for 3D Wheel Alignment Parameters Detection Based on Machine Vision：China，201410794607.1 [P]. 2015-04-01. （in Chinese）

STEGER C，ULRICH M，WIEDEMANN C. 機(jī)器視覺(jué)算法與應(yīng)用 [M]. 楊少榮，吳迪靖，段德山，譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

STEGER C，ULRICH M，WIEDEMANN C. Machine Vision Algorithm and Application [M]. YANG Shaorong，WU Dijing，DUAN Deshan，Translate. Beijing：Tsinghua University Press，2008. （in Chinese）

GONZALEZ R C， WOODS R E.數(shù)字圖像處理（第三版）[M]. 阮秋琦，阮宇智，等，譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

GONZALEZ R C，WOODS R E. Digital Image Processing

（3rd Edition）[M]. RUAN Qiuqi，RUAN Yuzhiet al，Translate. Beijing：Publishing House of Electronics Indu-stry，2011.（in Chinese）

徐德，譚明，李原.機(jī)器人視覺(jué)測(cè)量與控制[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

XU De，TAN Ming，LI Yuan. Robot Vision Measurement and Control [M]. Beijing：National Defense Industry Press，2011. （in Chinese）

馬頌德，張正友.計(jì)算機(jī)視覺(jué) [M].北京：科學(xué)出版社，1998.

MA Songde，ZHANG Zhengyou. Computer Vision [M]. Beijing：Science Press1998. （in Chinese）

于起鋒，陸宏偉，劉肖林.基于圖像的精密測(cè)量與運(yùn)動(dòng)測(cè)量 [M].北京：科學(xué)出版社，2002.

YU Qifeng，LU Hongwei，LIU Xiaolin. Precision Measurement and Motion Detction Based on image[M]. Beijing：Science Press，2002. （in Chinese）

賈云得.機(jī)器視覺(jué) [M].北京：科學(xué)出版社，2000.

JIA Yunde. Machine Vision [M]. Beijing：Science Press，2000. （in Chinese）

殷春平，林麒，吳了泥，等.基于機(jī)器視覺(jué)的汽3D四輪定位儀測(cè)試軟件V1. 0 [Z]. 軟件著作權(quán)登記號(hào)：2013SR151297.

YIN Chunping，LIN Qi，WU Liaoni. 3D Wheel Alignment Software Based on Machine Vision V1.0 [Z].Software Copyright NO：2013SR151297. （in Chinese）