基于机器视觉的车轮定位关键技术的研究

1、g运+沃*一匚 +.w+kz+fr»® se 舟 9i0z 卑绅shw-虻 8tzei 卜 090980向量.线为 zv=（zvb 2标系2.2车轮平i在推车丈 与乍身纵向h20 cmv（2）乍轮前束角：乍轮的水平直径打乍辆纵向汽车由（ 冇平移运动。置在摄像机人hg hg,由式（1式（4）瓦4四轮定位参数定义四轮定位测量的重要参数主要有乍轮外倾角、 车轮前束角、主销内倾角与主销外倾角等。车轮 外倾角和车轮前束角的测量原理与主销内倾角和主销 外倾角的测量原理类似，实质都是求解空间某旋转 轴相对于车身坐标系之间的几何关系。对于车轮 外倾角与前束角的测量，空间旋转轴为推动汽车过程

2、 中车轮平血的旋转轴；对于主销内倾角与外倾角测 量，空间旋转轴为转动方向盘过程中的主销轴80 由于二者测址原理类似，所以本文以车轮外倾角 与前束角为研究对象，阐述具体的测量方法和原理。（1）车轮外倾角：车轮中心平而与铅垂线的夹 角。车轮顶部向车身外部倾斜时称为正外倾，反之 为负外倾。对称丫:而z间的夹角为车轮前束角。车轮前段向车 身内部倾斜时称为正前束，反之为负前束。四轮定位参数求解2.1建立车身坐标系在测量过程中，推动汽午前进小段距离（约20 cm）,利用已标定好内参的摄像机拍照，经图 像处理获取反映摄像机与固定在轮毂上的靶板之间 位姿关系所对应的齐次矩阵呵何。耳呵表示笫i 个靶板第/个位置

3、相对于摄像机坐标系的位姿齐次通过式（5）和式（6）可求出旋转轴的方向向2.4求解四弓量“和绕轴旋转的角度卩。cos 卩=(/?h + r22 + 7?33 - 1)/ 2，q =(/?32 -心3)/ 2sinp,n2 =(氐-/?n)/ 2sin0,"3 =(心一心)/ 2 sin 卩。(7)2.3运动补偿根据定彳 体的横向向: 量ov zv以及 的几何模型 轮平面用ab由于乍辆的轮胎磨损或测量过程的随意性可能 导致测量过程中汽车推进线与午体 > 卞心线不重合， 实际轨迹形成至的复杂运动形态。但推乍距离 （约20 cm）相对轴距来讲较小，运动轨迹可以简 化成与理想直线轨迹成偏

4、差角&的直线。因此，计 算时只需将状态时的车体绕法向量ov“旋转0角 就能补偿到理想状态，如图1所示。这个补偿过 程是由运动产生的，故称为运动补偿。午身坐标系 状态由补偿至过程的数学关系町通过四元数法 表示，其满足：00i0ox q & aij_00 01 00 10 0(8)式中:hg为摄像机坐标系oc-xcyczc相对靶板坐标 系儿3z*3（状态）的齐次矩阵；r、，2为 sczc相对靶板坐标ow3-xw2yw2zw2 （状态）的齐次 矩阵；（o，o：）为车体中点的坐标：尺为 绕轴儿旋转&的矩阵。根据四元数法理论山,有：图2由车轮i 直线o、.e与 直线o、f与 zz

5、v6>v£x z） 而 abcdzi 系jg彳 ovyv 和 s ff 分别表示为） 平面abcd fl表1车轮定位参数测量结果乍轮定位参测试状态状态a没打方向盘t （状态1）车轮定位参数测量数据参考测量 数据a补偿后对比 课差未补偿a补偿后a未补,前轮外倾角左侧-18-12，一48-6右侧-6一17ir-12前轮前朿角左侧3r3，4，右侧o'0，51一 5*-5前轮前束角（总）313，9;6后轮外倾角左侧-1° 4z-55一 57右侧一 4454一58|41-1°后轮前束角左侧209f10，_115-右侧-24-13-11一，-18后轮前束角（总）

6、_4-2z一-3总推进角22r11，11，0，17注：补偿后对比误差=补偿后数拯一参考测址数拯。前束角（总）=左轮前束-左参考测量数据a"和“参考测趙数据b"均为杰奔3d四轮宦位仪的测量结果。摘 要：皋于机器视觉技术提出3d四轮定位仪参数检测过程屮车身坐标系的建立方法，以及车 辆定位参数求解的向量平而数学模型，针对实际检测过程屮存在运动偏差的问题提出运动补偿的解 决方法，并推导了运动补偿方法的数学模型。通过真实车辆的测试试验，结果证明该检测方法的正确 性和有效性，为改进或研发3d四轮定位仪提供了新的思路，同时也为基于机器视觉的无靶标四轮 定位参数检测技术奠定了理论基础。关键

7、词：机器视觉；车轮定位；运动补偿；数学模型屮图分类号：u467.4文献标文献标识码：a文献标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 ad

8、dressed 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 s

9、ystems, and also provides a theoretical basis for research on non-calibration plateskeywords： machinevision； wheel alignment； motion compensation； mathematical model汽乍乍轮定位参数直接影响汽乍的女全性和操纵稳定性，准确检测乍轮定位参数对丁汽乍行驶 安全至关重要。传统测量方式基于不同原理有机械式、红外式、激光式及ccd摄像机等方法1,总 体上却存在测量过程复杂、检测慢、精度低等缺点，所以研究高效准确的车轮定位参数检测方法尤为 重要2

10、。近年來，随着机器视觉技术的不断发展，掀起了 3d四轮定位仪的研究热潮3,但大部分四 轮定位参数测量文献主要致力于摄像机标定模型4或定位参数几何模型5的研究，这就使工程中所 开发的仪器很难做到高精度重复测量6。主要是因为很少有研究提到如何在测量过程中建立车身坐标 系，如何在任意打方向盘或调整底盘后，提高定位参数的检测精度，以及如何进行运动补偿等方法， 本文将针对这些内容进行重点探讨。1四轮定位参数定义四轮定位测量的重要参数主要有车轮外倾角、车轮前束角、主销内倾角与主销外倾角等3。车 轮外倾角和车轮前束角的测量原理与主销内倾角和主销外倾角的测量原理类似，实质都是求解空间某 旋转轴相对于车身坐标系

11、之间的几何关系7。对于车轮外倾如与前束如的测量，空间旋转轴为推动汽 车过程中车轮平面的旋转轴；对于主销内倾角与外倾角测量，空间旋转轴为转动方向盘过程中的主销 轴8。由于二者测量原理类似9,所以本文以车轮外倾角与前束角为研究对象，阐述具体的测量方 法和原理。（1）车轮外倾角：车轮中心平面与铅垂线的夹角。车轮顶部向车身外部倾斜吋称为正外倾，反 之为负外倾。（2）车轮前束角：车轮的水平直径与车辆纵向对称平面之间的夹角为车轮前束角。车轮前段向 车身内部倾斜吋称为正前束，反之为负前束。由于式（们）主要依拯平面与向量z间的几何关系得出，故称为向量平面模型，该式形式对称, 无需矩阵转化，工程中容易编程实现1

12、603试验结果及分析根据上述测量方法，对一辆比亚迪轿车的车轮前束角和外倾角进行6次推车测试，重复试验中 所有参数保持稳定，个别参数最大谋差为2食并将测试数据与美国杰奔3d四轮定位仪的试验结果（参 考测量数拯a与参考测量数据b,该仪器也是基于视觉原理，测量精确到±3,以内）进行了对比。试 验结果见表1。由表1可知：没打方向盘（状态1）测量时，左前轮外倾角误差为&、前束角误差为仁 右前 轮外倾角误差为11'、前束角误差为52左后轮外倾角误差为2、前束角误差为仁右后轮外倾角误 差为4'、前束角误差为2，测量结果偏差较小。产生微小偏差的主要原因可能是试验中所用的靶标与

13、 杰奔3d四轮定位仪的靶标精度不一样所致。在状态b试验屮（方向盘转动一小角度），前轮误差稍 大，主要与方向盘调节器有关，因为试验中手动固定方向盘角度存在一定误差。尽管如此，总体上测 量误差都较小，尤其是没有任何调整的后轮，其误差基木不变，也符合事实。对状态a与状态b的 试验数据进行分析可知，有无运动补偿算法对结果的粘度有很大影响，运动补偿算法明显可使测量过 程获得更好的精准度。4结论本文基于机器视觉技术研究了四轮定位参数的测量原理和数学模型，并提出了运动补偿的原理 和具体方法。将真车试验的数据与美国杰奔3d四轮定位仪所测数据进行比较，结果表明本文所提岀 的测量算法准确度高、可行性好。本文研究成

14、果己被委托企业采纳并产品化，得到的市场的认可，同 时也为基于机器视觉的无靶标四轮定位参数检测研究奠定了理论基础。参考文献(references):徐观.汽车车轮定位参数视觉检测系统及测定方法的研究d.长春：吉林大学，2009.xu guan. a research of automobile wheel alignment parameters of inspection system and measuring method d. changchun： jilin university, 2009. (in chinese)张立斌，苏建，山云锋.利用计算机视觉检测汽车车轮定位参数j.吉林大学

15、学报(工学版),2003, 33 (2) : 32-34.zhang libin, su jian, tian yunfeng. using computer vision to inspect wheel alignment parameters j. journal of jili n un iversity (engin eeri ng and tech no logy editi on) , 2003, 33 (2)： 32-34. (in chinese)文超.基于计算机视觉的汽车四轮定位检测系统d.成都：电子科技大学，2008.wen chao. automobile wheel

16、alignment system based on computer vision d. chengdu： un iversity of electro nic science and tech no logy of china, 2008. (in chinese)薛瑾.机器视觉车轮定位系统的摄像机标定技术研究d.沈阳：沈阳工业大学，2011.xue jin. a research of camera calibration tech no logy on wheel align ment system based on machine visi on d.she ngyang： sheng

17、ya ng un ivesity of tech no logy, 2011. (in chin ese)张立斌，苏建，田云锋汽车车轮定位参数快速检测的建模研究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)王徳超，涂亚庆，张铁楠，等.基丁计

18、算机视觉的汽车四轮定位参数检测数学模型及方法研究j. 汽车工程，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 visionj. auto-motive engineering, 2008, 30 (3) : 244-246. (in chinese)殷春平.基于机器视觉的运动目标姿态测量之研究与实现d,厦门：

19、厦门大学，2013.yin chunping. study and realization on attitude measure-ment of moving objects based on machine vision d. xiamen： xiamen university, 2013. (in chinese)刘永强基于视觉测量的汽车车轮定位技术的研究d.大连：大连理工大学，2008.liu 丫ongqiang. wheel alignment research based on vision measurement d. dalian： dalian university of t

20、echnology, 2008. (in chinese)殷春平，林麒，吴了泥，等.一种鲁棒的基于机器视觉的汽车3d四轮定位参数检测方法：中国,201410794607.1 p. 2015-04-01.yin chunping, lin qi, wu liaoni. a robust method for 3d wheel alignment parametersdetection based on machine vision： china, 201410794607.1 p. 2015-04-01. (in chinese)steger c, ulrich m, wiedemann c.机

21、器视觉算法与应用m.杨少荣，吴迪靖，段徳 山，译.北京：清华大学出版社，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 rc, woods r e.数字图像处理(第三版)m.阮秋琦，阮宇智，等，译.北 京：电子工业出版社，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)徐徳，谭明，李原机器人视觉测量与控制m.北京：国防工业出版社，2