專利名稱：：一種基于計(jì)算機(jī)視覺的汽車四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及汽車四輪定位參數(shù)檢測，具體的說，涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺的汽車四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型。
背景技術(shù)：
：汽車四輪定位指汽車車輪安裝的相對位置，用存在于汽車懸架系統(tǒng)和各活動(dòng)機(jī)件間的相對角度和位置參數(shù)表示。四輪定位的主要參數(shù)包括前東角7be(車輪中心線與車輛幾何中心線之間的夾角)、外傾角Ozm6w(車輪旋轉(zhuǎn)平面與車輛縱向垂直面的夾角)、主銷內(nèi)傾角S^/(在汽車橫向平面內(nèi)轉(zhuǎn)向結(jié)主銷軸線與鉛軸線的夾角)及主銷后傾角a^^(在汽車縱向垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)向結(jié)主銷軸線與鉛垂線的夾角)等。作為車輛檢測的一項(xiàng)重要內(nèi)容，四輪定位參數(shù)的檢測對整車的安全性與可靠性的影響舉足輕重。例如主銷后傾角和內(nèi)傾角將直接影響到車輛的回正性、直線行駛穩(wěn)定性和高速制動(dòng)時(shí)方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性；前輪的外傾角和前束值的不合理匹配將直接影響到前輪的側(cè)滑和異常磨耗，也間接地影響車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；后傾角和前束值是否合理還將直接影響到前輪的擺振，導(dǎo)致車輛操縱穩(wěn)定性變壞及增加有關(guān)零部件載荷，擺振嚴(yán)重時(shí)也會(huì)影響到車輛的平順性和安全性。傳統(tǒng)的四輪定位儀，如傳統(tǒng)的激光式、紅外線式、水準(zhǔn)式、光學(xué)式和拉線式車輪定位儀，由于其檢測原理的局限性，存在需要的傳感器眾多、標(biāo)定復(fù)雜、操作繁瑣以及檢測速度慢、精度不高等問題，從而無法實(shí)現(xiàn)快速檢測，使之難以在汽車檢測線中得到廣泛應(yīng)用。隨著汽車數(shù)量的迅猛增長，刺激了汽車檢測行業(yè)的巨大發(fā)展，汽車檢測設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量都在不斷的提高，正逐步向智能化、多功能、輕量化、便于流動(dòng)檢測等方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)已經(jīng)在交通導(dǎo)航、現(xiàn)場勘測、自動(dòng)化生產(chǎn)、虛擬現(xiàn)實(shí)等諸多領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，并且已經(jīng)逐漸應(yīng)用于汽車四輪定位領(lǐng)域。將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于汽車四輪定位參數(shù)檢測，是近年來汽車檢測行業(yè)的一種新興技術(shù)，釆用該技術(shù)與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比具有不需要眾多的傳感器，復(fù)雜的標(biāo)定步驟，操作簡單以及檢測速度快等特點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于計(jì)算機(jī)視覺的汽車四輪定位參數(shù)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出四輪定位參數(shù)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是先根據(jù)四輪定位參數(shù)的定義，利用車輪旋轉(zhuǎn)軸線和主銷軸線的空間方向余弦來表達(dá)四輪定位各參數(shù)，然后設(shè)法求取旋轉(zhuǎn)軸線和主銷軸線的方向余弦。當(dāng)推動(dòng)汽車前后直線移動(dòng)時(shí)，車輪上一點(diǎn)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)，為此，在車輪上安裝反光板，反光板將隨車輪運(yùn)動(dòng)。只要利用攝像機(jī)拍下隨車輪運(yùn)動(dòng)的反光板的系列圖像，經(jīng)過圖像分析后，就可以求得車輪旋轉(zhuǎn)軸線空間方向余弦，同理，固定汽車，轉(zhuǎn)動(dòng)前輪一定角度，也可求得主銷軸線的空間方向余弦。為便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，先作原理推導(dǎo)如下根據(jù)四輪定位參數(shù)定義，四輪定位參數(shù)求取公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，aw26er為車輪外傾角，7be為前束角，W/為王銷內(nèi)傾角，Owfer為王銷后傾角，為車輪旋轉(zhuǎn)軸線方向余弦，為主銷軸線方向余弦，；r為圓周率。按此方程，求得車輪旋轉(zhuǎn)軸線和主銷軸線的方向余弦即可求得四輪定位參數(shù)。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思和原理推導(dǎo)，本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案一種基于計(jì)算機(jī)視覺的汽車四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型，其特征在于首先檢測安裝在車輪輪轂上隨其運(yùn)動(dòng)的反光板及其圖像上的特征點(diǎn)，對特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)優(yōu)化，求取安裝在汽車車輪上并隨其運(yùn)動(dòng)的反光板及其圖像間的最優(yōu)單應(yīng)性矩陣，然后根據(jù)單應(yīng)性矩陣和攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣得出旋轉(zhuǎn)矩陣并優(yōu)化旋轉(zhuǎn)矩陣，最后利用旋轉(zhuǎn)矩陣分解出汽車車輪旋轉(zhuǎn)軸線和主銷軸線在三維空間的方向余弦，從而得出四輪定位參數(shù)；具體數(shù)學(xué)模型運(yùn)算步驟如下(1)讀取反光板及其圖像上特征點(diǎn)坐標(biāo)對"，y,)eM，Oc;,力e附，其中M為反光板上的特征點(diǎn)集，w為其圖像上的特征點(diǎn)集；(2)對特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)優(yōu)化求取最優(yōu)單應(yīng)性矩陣//;(3)然后根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣^及所求得的最優(yōu)單應(yīng)性矩陣i/,計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣/,由以下公式計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，A=1/IP、I=1/IP、II，符號(hào)ll.l表示求向量的模，、/^3為單應(yīng)性矩陣//的列向量，fl，。，尸3為旋轉(zhuǎn)矩陣的列向量，r為平移向量。(4)對旋轉(zhuǎn)矩陣i進(jìn)行非線性優(yōu)化；(5)從旋轉(zhuǎn)矩陣A分解車輪旋轉(zhuǎn)軸線或主銷軸線方向余弦，利用以下公式求取:cose+wj2(1-cos6)/5,2(1-cosS)—w3sin0","3(l-cos0)+w2singw2(1-cosS)+m3sin^cos<9+w，(1-cos0)w2w3(1_cos6)-sin6，3(l-cos。-"2sinS"2"3(l-cose)+sinScos6+(1-cos"2"3:尺32_W232sin^尺13_"312sin6>2sin^其中，Wl、、為車輪旋轉(zhuǎn)軸線方向余弦，也可由代替，e,、e2A為主銷軸線的方向余弦，0為反光板繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度。(6)最后由旋轉(zhuǎn)軸線或主銷軸線計(jì)算四輪定位參數(shù)，利用以下公式求取:7be=arccos180/;r、A+w」C*aw6er=arccos("2)180/;r5/4/=arc難丄〔e2J■180/;r其中，Ow^w為車輪外傾角，roe為前束角，&4/為主銷內(nèi)傾角，Cosfer為主銷后傾角，；r為圓周率。采用本發(fā)明測量定位參數(shù)，不需要眾多的傳感器及復(fù)雜的標(biāo)定、操作簡單、測量速度快、準(zhǔn)確度高。圖l車輪外傾角、車輪前束角示意圖。圖2主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角示意圖。圖3為本發(fā)明一種基于計(jì)算機(jī)視覺的汽車四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型運(yùn)算步驟圖。圖中l(wèi)為車輪旋轉(zhuǎn)軸線，2為車輪旋轉(zhuǎn)平面，3為車輪外傾角Ow^w,4為前束角7be，5為主銷軸線，6為主銷內(nèi)傾角&4/，7為主銷后傾角Owfer。具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的實(shí)施例敘述于后。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下參見圖l、圖2和圖3，本發(fā)明一種基于計(jì)算機(jī)視覺的汽車四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型具體運(yùn)算步驟如下(1)讀取反光板及其圖像上特征點(diǎn)坐標(biāo)對"其中Af為反光板上的特征點(diǎn)集，w為其圖像上的特征點(diǎn)集；(2)對特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)優(yōu)化求取最優(yōu)單應(yīng)性矩陣//;由計(jì)算機(jī)視覺原理知，圖像平面上的點(diǎn)m與平面模板上的點(diǎn)M之間就可以通過單應(yīng)性矩陣(homographymatrix)//來聯(lián)系，對于平面模板來說，假設(shè)其位于世界坐標(biāo)系4=0的地方，同時(shí)，用r,表示旋轉(zhuǎn)矩陣i的第/列，s為非零常數(shù)因子，J為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，用齊次坐標(biāo)表示m及M。則有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>設(shè)Cc^,)e乾Oc;j;)^為一對對應(yīng)點(diǎn),!:i,…,;v，由每一對對應(yīng)點(diǎn)，根據(jù)圖像與模板的單應(yīng)性關(guān)系，可以得到2個(gè)線性方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(4)其中，^^,&A3，，/^,/^,^，;^,/^),于是可以得到27V個(gè)關(guān)于5的方程，寫成如下矩陣形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(5)則，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(6)理論上，獲得4對匹配點(diǎn)的坐標(biāo)就可以求出/z，由于無法保證匹配點(diǎn)的精確性，所以一般使用所有匹配點(diǎn)求得/Z的最優(yōu)值。要提高單應(yīng)性矩陣/Z的準(zhǔn)確性，每4個(gè)非線性相關(guān)點(diǎn)組建的方程可以求得一個(gè)i/,而平面模板上的特征點(diǎn)常常是大于4的，從多個(gè)//中選出最優(yōu)的單應(yīng)性矩陣值是一個(gè)很關(guān)鍵的步驟。優(yōu)化的方法有多種，本實(shí)施例釆用隨機(jī)釆樣一致性算法(RandomSampleConsensus,RANSAC)來確定附—M關(guān)聯(lián)的最優(yōu)單應(yīng)性矩陣，主要步驟為a.從多個(gè)檢測到的特征點(diǎn)中隨機(jī)抽取4個(gè)特征點(diǎn)組成一組；b.計(jì)算出該組對應(yīng)的單應(yīng)性矩陣；c.按照式(2)計(jì)算出該組中4個(gè)特征點(diǎn)m的/7M,再求出m與/ZM的差距^w，利用平均幾何配準(zhǔn)誤差f來衡量匹配精度；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(7)d.將s與一設(shè)定的閾值r比較，如^r，則累計(jì)"值加i,如該組最后計(jì)算出的">3，保留該組中的4個(gè)特征點(diǎn)位置和對應(yīng)的7/;e.按上述步驟篩選其他特征點(diǎn)組；f.在被保留的特征點(diǎn)中再隨機(jī)抽取4個(gè)特征點(diǎn)組成一組，重復(fù)前面的步驟?？稍O(shè)置重復(fù)的次數(shù)，使篩選終止，得到符合條件的最優(yōu)單應(yīng)性關(guān)系。(3)然后根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣v4及所求得的最優(yōu)單應(yīng)性矩陣7/，計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣/，由以下公式計(jì)算尸=/i4、—1r2=/z2(8)其中，hi/|(、|=i/|p-、|,符號(hào)ll.l表示求向量的模，/^^3為F的列向量，。，。，。為旋轉(zhuǎn)矩陣的列向量，r為平移向量；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(4)對旋轉(zhuǎn)矩陣i進(jìn)行非線性優(yōu)化；由于圖像必然有噪聲，因此由步驟(3)解得的/-h。。]并不能完全滿足旋轉(zhuǎn)矩陣的性質(zhì)，本實(shí)施例按照如下方法求出最佳旋轉(zhuǎn)矩陣對由步驟(3)求得的/進(jìn)行S^D分解，即W=WSKf(9)其中^匈(a^,。)為對角矩陣，則2=""為旋轉(zhuǎn)矩陣及的最佳估計(jì)矩陣。當(dāng)然，這只是粗糙解，因?yàn)榍蠼廛囕喍ㄎ粎?shù)最關(guān)鍵的是準(zhǔn)確求解旋轉(zhuǎn)矩陣幾為此，本實(shí)施例通過極大似然估計(jì)對/進(jìn)行非線性優(yōu)化，通過對以下函數(shù)求極小值來獲得其中，/^人,/^,,^)是點(diǎn)^按式(2)在第/幅圖像上的投影，m表示第/幅圖像獲取的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)，^為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，、為攝像機(jī)畸變系數(shù)矩陣，均可由攝像機(jī)標(biāo)定求出。對式(10)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的方法有多種，本實(shí)施例釆用Levenberg-Marquardt法進(jìn)行優(yōu)化，求得i的最優(yōu)解。(5)從旋轉(zhuǎn)矩陣/分解車輪旋轉(zhuǎn)軸線或主銷軸線方向余弦，利用以下公式求取:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(11)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(12)(6)最后由旋轉(zhuǎn)軸線或主銷軸線計(jì)算四輪定位參數(shù)，利用以下公式求取:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中，Cam6w為車輪外傾角，7be為前束角，6L4/為主銷內(nèi)傾角，Owfer為主銷后傾角，、、"3為車輪旋轉(zhuǎn)軸線方向余弦，e,、e2、e3為主銷軸線方向余弦，；r為圓周率。實(shí)際計(jì)算時(shí)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，其流程圖如圖3所示。權(quán)利要求1.一種基于計(jì)算機(jī)視覺的汽車四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型，其特征在于首先檢測安裝在車輪輪轂上隨其運(yùn)動(dòng)的反光板及其圖像上的特征點(diǎn)，對特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)優(yōu)化，求取安裝在汽車車輪上并隨其運(yùn)動(dòng)的反光板及其圖像間的最優(yōu)單應(yīng)性矩陣，然后根據(jù)單應(yīng)性矩陣和攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣得出旋轉(zhuǎn)矩陣并優(yōu)化旋轉(zhuǎn)矩陣，最后利用旋轉(zhuǎn)矩陣分解出汽車車輪旋轉(zhuǎn)軸線和主銷軸線在三維空間的方向余弦，從而得出四輪定位參數(shù)；具體數(shù)學(xué)模型運(yùn)算步驟如下(1)讀取反光板及其圖像上特征點(diǎn)坐標(biāo)對(xi，yi)∈M，(x′i，y′i)∈m，其中M為反光板上的特征點(diǎn)集，m為其圖像上的特征點(diǎn)集；(2)對特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)優(yōu)化求取最優(yōu)單應(yīng)性矩陣H；(3)根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣A及所求得的最優(yōu)單應(yīng)性矩陣H，計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣R，由以下公式計(jì)算r1＝λA-1h1r2＝λA-1h2r3＝r1×r2T＝λA-1h3其中，λ＝1/‖A-1h1‖＝1/‖A-1h2‖，符號(hào)‖·‖表示求向量的模，h1，h2，h3為單應(yīng)性矩陣H的列向量，r1，r2，r3為旋轉(zhuǎn)矩陣<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>R</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>R</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>R</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>R</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>R</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>R</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2007100784230002C1.tif"wi="31"he="15"top="187"left="76"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>的列向量，T為平移向量；(4)對旋轉(zhuǎn)矩陣R進(jìn)行非線性優(yōu)化；(5)從旋轉(zhuǎn)矩陣R分解車輪旋轉(zhuǎn)軸線或主銷軸線方向余弦，利用以下公式求取<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>32</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>R</mi><mn>23</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>sin</mi><mi>θ</mi></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>13</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>R</mi><mn>31</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>sin</mi><mi>θ</mi></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>21</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>R</mi><mn>12</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>sin</mi><mi>θ</mi></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths>其中，n1、n2、n3為車輪旋轉(zhuǎn)軸線方向余弦，也可由e1、e2、e3代替，e1、e2、e3為主銷軸線的方向余弦，θ為反光板繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度；(6)由旋轉(zhuǎn)軸線或主銷軸線方向余弦計(jì)算四輪定位參數(shù)，利用以下公式求取<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>Toe</mi><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msqrt><msubsup><mi>n</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>n</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup></msqrt></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mn>180</mn><mo>/</mo><mi>π</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Camber</mi><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mn>180</mn><mo>/</mo><mi>π</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>SAI</mi><mo>=</mo><mi>arcctg</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>e</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>e</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mn>180</mn><mo>/</mo><mi>π</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Caster</mi><mo>=</mo><mi>arcctg</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>e</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>e</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mn>180</mn><mo>/</mo><mi>π</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math></maths>其中，Camber為車輪外傾角，Toe為前束角，SAI為主銷內(nèi)傾角，Caster為主銷后傾角，π為圓周率。全文摘要本發(fā)明涉及的是汽車四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型，特別是一種基于計(jì)算機(jī)視覺的四輪定位參數(shù)檢測數(shù)學(xué)模型。首先檢測安裝在車輪輪轂上隨其運(yùn)動(dòng)的反光板及其圖像上的特征點(diǎn)，對特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)優(yōu)化，計(jì)算反光板及其圖像間的最優(yōu)單應(yīng)性矩陣，然后根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣和單應(yīng)性矩陣計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣并優(yōu)化旋轉(zhuǎn)矩陣，最后從旋轉(zhuǎn)矩陣中分解出車輪旋轉(zhuǎn)軸線和主銷軸線的方向余弦，從而求出四輪定位參數(shù)。采用本發(fā)明對汽車四輪定位參數(shù)進(jìn)行檢測，不需要眾多的傳感器及復(fù)雜的標(biāo)定，操作簡單，測量速度快，準(zhǔn)確度高。文檔編號(hào)G01M17/013GK101294872SQ20071007842公開日2008年10月29日申請日期2007年4月26日優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日發(fā)明者涂亞慶,王德超申請人:涂亞慶;王德超