车车轮定位参数视觉测量系统的研究解析

天津大曹 硕士学位论文 学科专业 作者姓名

指导教师测试计量技术发仪器魏鬼孙长庠敦授 天津大学研究生院 ２００５钎１月倒⑩ 中文摘要

汽车行驶中的操作稳定性与行驶安全性，轮胎的异常磨损以及燃油消耗的增加等均与汽车车轮定位参数有关。汽车车轮定位参数是一组车轮静态安装的几何角度与尺寸数值，主要包括车轮主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束角。目前，国内外使用的车轮定位仪主要采用接触式的定位方式，由于其测量原理的局限性，其检测操作过程十分复杂，无法实现快速检测，使之难以在汽车制造厂和汽车检测线中广泛使用。本文提出了一种利用计算机视觉检测技术测量车轮定位参数的方法，开发完成了一套非接触式汽车车轮定位参数视觉检测系统，具有非接触、测量速度快、操作简单、精度较高等特点。

论文的主要研究工作如下：

１．基于计算机视觉检测理论，建立了汽车车轮定位参数非接触视觉测量系统，

该视觉定位系统配合转角仪工作，可以间接测量车轮的主销后倾角和主销内倾角。并在此基础上给出双转向轮定位的解决方案。

２．为了方便控制多路视频信号的选择，实现自动化测量，设计了基于计算机与

单片机串口通信的视频切换控制电路。

３．分析总结己有的定位方法，提出了二维椭圆拟合和三维搜索算法相结合切平

面定位方法。

４．为准确求出转向轮在转向过程中的转动量，提出车轮钢圈与激光光条交点定

位算法，根据汽车车轮及其图像特征，通过一系列图像处理算法，分别得到车轮钢圈及激光光条的曲线方程，求取车轮定位面和车轮转动角度。

５．进行现场实验，测量单个车轮的四个定位参数，系统测量结果稳定、可靠。关键词：车轮定位视觉检测切平面边缘搜索

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｕｎｕｓｕａｌｔｉｒｅｗｅａｒｉｎｇａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ

ａｒｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｗｈｅｅｌａｌｉｇｎｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｓｏｍｅａｎｇｌｅｓａｎｄｄｉｓｔａｎｃｅｓｉｎｓｔａｔｉｃｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍａｉｎｌｙｃａｓｔｅｒ，ＫＰＩ（ＫｉｎｇＰｉｎＩｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ），ｃａｍｂｅｒａｎｄｔｏｅ－ｉｎ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｍｏｓｔｗｈｅｅｌａｌｉｇｎｍｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｕｓｅｃｏｎｔａｃｔ－ｔｙｐｅｍｅｔｈｏｄａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅ

ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ

ｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｗｈｅｅｌａｌｉｇｎｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓｖｅｒｙｃｏｍｐｌｅｘ．Ｓｏｉｔｃａｎ’ｔｒｅａｌｉｚｅｒａｐｉｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ

ａｎｄｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｗｉｄｅｌｙｕｓｅｉｎｍｏｄｅｍａｕｔｏｍａｎｕｆａｃｔｏｒｙａｎｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｌｉｎｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｗｈｅｅｌａｌｉｇｎｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍａｄｄｅｖｅｌｏｐｓａｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔａｌｉｇｎｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ．ｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅａｎｄｍｏｄｅｒａｔｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．

Ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｃｌｕｄｅｓ：

１．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｅｔｓｕｐａ

ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔｖｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｗｈｅｅｌａｌｉｇｎｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｗｈｉｃｈＣａｌｌｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙｍｅａｓｕｒｅｃａｓｔｅｒａｎｄＫＰＩｃｏｏｐｅｒａｔｅｄｗｉⅡｌｔｈｅｒｏｔａｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｗｏｓｔｅｅｒｉｎｇ—ｗｈｅｅｌｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．

２．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｘｖｉｄｅｏｃｈａｎｎｅｌｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙａｎｄ

ｒｅａｌｉｚｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓｗｉｔｃｈｃｉｒｃｕｉｔｉｓ

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ａｎｄｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ．３．Ａｆｔｅｒａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ

ａｌｉｇｎｍｅｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｔａｎｇｅｎｔｐｌａｎｅａｌｇｏｒｉｔｈｏｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｅｌｌｉｐｓｅｆｉｔｔｉｎｇｉｎ２Ｄｓｐａｃｅａｎｄｓｅａｒｃｈｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎ３Ｄｓｐａｃｅ．

４．Ｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌ，ａｗｈｅｅｌｒｉｍ

ａｎｄｌａｓｅｒｓｔｒｉｐａｌｉｇｎｍｅｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ

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ｐｌａｎｅａｎｄｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌ．

５．Ｔｈｅａｌｉｇｎｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｉｎｇｌｅｗｈｅｅｌａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｉｎｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄ

ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｈｅｅｌａｌｉｇｎｍｅｎｔ，Ｖｉｓｉｏｎｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，Ｔａｎｇｅｎｔｐｌａｎｅ，Ｅｄｇｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ

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进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加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，也不包含为获得苤注盘堂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。

学位论文作者签名磊旌签字日期：彬年ｆ月厂日 学位论文版权使用授权书

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（保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名导师签名＝－３士衫晤 签字日期：谚年ｆ月工日 签字日期：夕一厂年７月ｆ日 天津大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论

随着我国经济建设的飞速发展，汽车制造业也上了一个新台阶，各种中、高档汽车产量不断增加，同时，国外各种汽车也大量涌入境内，加之我国高等级公路的增加，汽车的行驶速度加快，因此对汽车驾驶安全性的要求也越来越高。

为了保持汽车的直线行驶稳定性和操作轻便性，减轻轮胎及其相关机件的磨损，在汽车设计时，汽车转向轮上设计有一定的几何结构参数，它们是转向轮静态安装后形成的一组几何角度与尺寸数值，称为“转向轮定位”【ｌ】。由于目前汽车多数采用前轮转向，所以转向轮定位习惯称为“前轮定位”，为了保证汽车的操作稳定性。后轮也设计了相应的定位参数，这些定位参数统称为“四轮定位”。

汽车在出厂前，需要对车轮定位参数进行检测及调整，使之达到设计的要求。而在汽车使用过程中，由于转向机构、车轴、车架的变形和磨损，车轮定位会逐渐失准，汽车的操纵性能变差，易于产生行车事故；同时，车轮定位失准还会使车轮滚动阻力增大，汽车动力性下降，运行油耗增多；另外，由此引起的轮胎异常磨损也降低了汽车的使用经济性。因此，要对使用中的汽车适时地进行车轮定位的检测，并据检测结果进行调整，使之符合原厂的标准，以保证其使用性能【２］。１．１汽车车轮的主要定位参数

汽车在正常行驶过程中．应具有转向操纵轻便和自动保持直线行驶的能力，同时转向轮应尽可能纯滚动，以减轻轮胎的磨损１３１。上述要求的实现通常是通过转向轮定位的４个参数来保证的，这些定位参数［４】［５】是：主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束。对两个后轮来说，也同样存在与后轴之间安装的相对位置，后轮定位包括车轮外倾角和两个后轮的前束。

１。主销后倾角纯

如图１一ｌ所示，转向节主销轴线或假想的主销轴线（某些独立悬架的汽车无实际主销）在纵向平面内向后倾斜，与铅垂线所形成的夹角称为主销后倾角。主销后倾角的作用在于当转向轮受外力影响偏离直线行驶方向时，形成稳定力矩而自动回正。汽车直线行驶时，若转向轮偶遇外力作用而偏转时，由于汽车本身离心

天津人学硕士学位论文第一章绪论力的作用，在车轮与路面接触点处产生一个与离心力方向相反的侧向反力，当主销后倾时，反力对车轮形成的绕主销转动的力矩正好与外力使车轮偏转力矩方向相反，从而使车轮克服外力影响而回到原直线行驶方向。显然，若主销后倾角过大，将使回正力矩太大而转向沉重。

图Ｉ－１主销后倾角图１－２主销内倾角 ２．主销内倾角纨

如图ｌ一２所示，转向节主销轴线或假想的主销轴线在横向平面内向内倾斜，与铅垂线所形成的夹角称为主销内倾角。主销内倾角亦有使车轮自动回正的作用，同时可使转向轻便。若主销有一定内倾，则车轮在外力作用下偏离直线行驶方向时，转向轮连同转向轴和汽车前部将会被轻微抬起，这样在汽车本身重力的作用下，迫使转向轮自动回到原来的位置。此外，主销内倾还使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小，从而可减小转向时施加于方向盘上的力矩，使转向轻便，同时也减小了从转向轮传递到转向盘上的冲击力。３．车轮外倾角ｏｃ

如图ｌ－３所示，车轮安装时并非垂直于路面，丽是向外倾斜一个角度，车轮中心平面与铅垂线的夹角称为外倾角。转向轮外倾可使主销偏移距进一步减小，因而具有使转向轻便的作用：同时，可使转向轮适应路面拱形，防止轮胎表面内外磨损不匀；此外，还能防止车桥承受强荷变形时出现车轮内倾，减小轴承及轮鞍紧固螺母的负荷，以延长其使用寿命。

４．前束及前束角岛

如图１－４所示，转向轴上两转向轮并非平行安装的，其两轮前边缘距离口小于后边缘距离Ａ，Ａ—Ｂ的值即为前束。车轮前束也可以用角度表示，指车轮中心线与汽车几何中心线（推力线）的夹角醇。前束的作用是：克服车轮外倾所带来的不利影响，防止汽车直线行驶时，车轮在地面上出现边滚边滑现象，从而茸

万蠡．皿

天泮大学硕士学位论文第一章绪论减小轮胎磨损和波动阻力。而当前柬值的大小与车轮外倾角的大小不相适应时车轮就会产牛侧滑。

图１．３乍轮外倾角１．２国内外车轮定位仪的现状 图１－４车轮前束

由于种种原因，车轮定位仪在近年内才逐渐进入我国汽车检测市场，目前市场Ｉ二和检测厂所使用的车轮定位仪主要是进口产品。如德国博世（ＢＯＳＣＨ）、德国百世霸（ＢＥＩＳＳＢＡＲＴＨ）、美国战车（ＪｏｈｎＢＥＡＮ）、美国亨特（ＨＵＮＴＥＲ）、美国大熊（ＢＥＡＲ）、英国机灵狗（ＳＵＰＥＲＴＲＡＣＫＥＲ）等。另外国内的一些品牌，也主要是购买国外整机自己贴牌，或者进口机芯（舍软件），自己生产其它部件，而完全独立开发的国产车轮定位仪则寥寥无几。

目前，国内外使用的车轮定位仪主要有拉线式、水准式和激光式口】等。拉线式车轮定位仪因操作不方便，影响测量精度的因素较多，目前已基本上被淘汰。而激光式车轮定位仪在检测精度较水准式车轮定位仪有很大的提高。激光式车轮定位仪是通过光线照射或反射的方式形成一封闭的直角四边形，如图１．５所示。将待检测车辆置于此四边形中，通过安装在车轮上的卡具及测量头可以检测车轮的定位参数。

然而，由于激光式车轮定位仪检测原理的局限性，需要在车轮安装苦其才能进行测量，而测量头是借助于卡具的卡爪夹持在车轮的轮辋（钢圈）上。图１．６为两种不同车轮定位仪【ｌ”【Ｉｑ中卡具的安装示意图。由于测量头在车轮上的位置准确度全靠卡具保证，测量头定位不准，测得的车轮定位的角度值就不准，就失去了检测的意义，因此卡具安装的好坏将直接影响测量的结果。另外卡具结构要求能适用于不同材料、不同规格的轮辋，既要卡牢又不能使轮辋变形，还要保证测量头与车轮的同轴度。为了获得高精度的测量结果，卡具装夹后必须进行轮辋失圆补偿，其过程使检测操作ｆ一分复杂，无法实现快速检测，使之难以在汽车检测线中得到广泛匝用。测线中得到广泛应用。

天津大学硕十学位论文第一章绪论 图１．５８束光线形成封闭四边形

（ａ）Ｃｏ）

图１－６两种车轮定位仪卡具的安装示意图

（ａ）ＨＵＮＴＥＲＤＳＰ３００（ｂ）ＯＰＴＩＭＯ１００１

为了实现车轮定位参数的快速测量，一些国外公司研制了非接触式的车轮定位系统【７］。图１—７为美国宝克（ＢＵＲＫＥ）公司开发的非接触式车轮定位系统ＮＣＡ（Ｎｏｎ—ＣｏｎｔａｃｔＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）【１７１，该系统由４套固定在车轮前方的视觉系统组成，每一套视觉系统中包含３个基于激光三角法的视觉传感器，分别安置在三个不同

位置，传感器中的激光器投射的线结构光打在轮胎侧面，形成一条特征曲线，传

天滓大学硕士学位论文第一章绪论感器中ＣＣＤ摄像机采集该图像，经过特定的图像处理方法及坐标变换算法，可以计算出车轮的前束角和外倾角，测量结果显示在显示器上，便于对定位参数调整。另外，德国申克（ＳＣＨＥＮＣＫ）公司也开发了相似的非接触式车轮定位系统（Ｘ—ｗｈｅｅｌＡＵＤＩＴ）”劭，如图ｌ－８所示。与传统的四轮定位仪相比较，这类非接触式定位系统具有测量速度快，操作简单，维护方便等优点。但是由于该类系统视觉传感器位置固定，只能测量出车轮的前束角和外倾角，而不能测量转向轮的主销后倾角和主销内倾角。

（ａ）（ｂ）

图１．７美国ＢＵＲＫＥ公司的非接触式车轮定位系统

（鑫）ＮＣＡ５０００定位系统（ｂ）ＮＣＡ７０００定位系统

（ａ）

天津大学硕士学位论文第一章绪论

（ｂ）

图１—８德国ＳＣＨＥＮＣＫ公司的非接触式车轮定位系统

（ａ）Ｘ－ｗｈｅｅｌＡＵＤＩＴ定位系统（ｂ）视觉传感器安装位置 １．３本课题的意义及主要内容

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操作繁琐、检测效率低、系统维护要求高等缺点已经无法适应汽车制造在线检测的需求。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。

本课题是天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室与武汉汽车研究所合作开发的项目，其主要任务是将计算机视觉技术应用于汽车检测领域，建立一套非接触视觉车轮定位系统。

本文介绍的视觉定位系统中，对于每个被测车轮，我们设计了３个视觉传感器组成的视觉定位系统用来确定车轮的定位面，车轮的空间位置可以用这个定位面来表示，而车轮的定位参数（前束角和外倾角）也就是该定位面与特定的参考面之间的夹角。

本文中的视觉定位系统还可以配合转角仪使用，以实现转向轮的主销后倾角和主销内倾角的测量［６】，粥补了现有一些非接触式车轮定位系统测量中的不足。主销后倾角和主销内倾角可以由两种方法计算得到：一种方法是先测量转向轮在不

同转向角度时的外倾角，再利用外倾角的变化量计算得到主销后倾角和主销内倾角；还可以通过测量转向轮在偏转一定角度（２０。）时，根据制动过程中车轮的转动量计算其主销后倾角和主销内倾角。本系统有关的技术指标如表ｌ—ｌ所示：

表１．１定位系统技术指标 车轮直径

工作距离转向范围测量分辨力测量精度５００士５０ｒａｍ５００±２０ｍｍ＋２０４１。

±５

天津大学硕士学位论文第一章绪论 本论文的主要研究内容：

１基于计算机视觉理论，建立了汽车车轮定位参数非接触视觉测量系统， 实现了单个车轮四个定位参数的测量，并在此基础上给出双转向轮定位的解决方案。

２．为了提高定位系统测量精度，扩大测量范围，优化设计了视觉传感器的 组成及其安装支架的结构。另外，该视觉定位系统配合转角仪工作，可以间接测量车轮的主销后倾角和主销内倾角。

３．为了方便控制多路视频信号的选择，实现自动化测量，设计了基于计算 机与单片机串１２１通信的视频切换控制电路。

４．分析总结已有的定位方法，提出了二维椭圆拟合和三维搜索算法相结合 切平面定位方法。

５．为准确求出转向轮在转向过程中的转动量，提出车轮锅圈与激光光条交 点定位算法，根据汽车车轮及其图像特征，通过一系列图像处理算法， 分别得到车轮钢圈及激光光条的曲线方程，求取车轮定位面和车轮转动角度。 ６．在武汉汽车研究所进行现场实验，测量单个车轮的四个定位参数，系统测量结果稳定、可靠。

第二章非接触视觉车轮定位系统工作原理及其组成

计算机视觉是依靠计算机技术来帮助人们理解视觉机理，再进一步用计算机实现人类视觉的部分功能，并延伸人类视觉，实现利用机器获取外界信息。计算机视觉利用各种成像手段代替视觉感官作为输入敏感手段，并由计算机来代替大脑完成对图像信息的处理和理解。

在计算机视觉理论基础上发展起来的视觉检测技术是采用光学和电子器件模拟生物视觉的某些功能，获取被测物的信息，完成对物体外形特征的检测，如物体尺寸、形貌、表面粗糙度等。由于视觉检测技术具有非接触、速度快、精度适中、可实现在线等优点，已广泛地应用于工业产品的在线检测及三维数字化等方面。

根据车轮定位的要求、汽车车轮的特征，本文设计了一种基于视觉检测技术的非接触式车轮定位系统【叭。本章主要介绍该系统的测量原理和系统的组成，以及车轮定位参数的计算。

２．１车轮定位系统测量原理

汽车车轮定位参数测量的目的就是要确定车轮空间位置，而车轮的空间位置可由某个定位面来反映，理想的定位面是车轮的中心平面【１４】，但它只是一个虚拟的平面，不可能直接测出。因此我们只能通过车轮表面上的一些特征点来确定一个等效定位面，根据该定位面的空间位置计算车轮的定位参数。

图２－１单轮视觉定位系统示意图

理论上，空间非共线的三个点就可以确定一个平面，因此对于单个被测车轮来说，可在车轮侧面安装３个视觉传感器，安装位置如图２—１所示，视觉传感器由线结构光激光器和ＣＣＤ摄像机组成，如图２．２所示，激光器发出的光经过柱面镜单方向拉伸形成线结构光，投射到被测车轮的侧面，在轮胎上形成高亮度的特征曲线，ＣＣＤ摄像机采集该特征曲线的图像并送入计算机形成数字图像，经过图像处理和特定的定位点搜索算法，可以得到定位点在计算机图像坐标系下的坐标，通过一定的坐标变换算法，可以把计算机图像坐标系下的二维坐标转换为空间的三维坐标。再利用全局标定技术将三个视觉传感器的测量结果统一到一个世界坐标系下，这样空间的三个定位点便可确定一个车轮的定位面，车轮定位参数中的前束角和外倾角，就是该定位面与特定参考面之间的夹角，可由几何关系计算得出。

图２－２视觉传感器结构图

另外，对于转向轮定位参数中主销内倾角和主销后倾角，它们很难直接测出，只能利用车轮在不同转向角度时，某些参数的变化量来间接测量。因此，可将３个视觉传感器连同支架安装于转角仪的活动盘上，车轮转向时，视觉测量系统会随活动盘一起转动，这样就可以测量车轮在不同角度值时的外倾角，根据特定公式可以间接计算出转向轮的主销内倾角和主销后倾角：或者，转向轮在某个转向角度时，采用刹车制动会使车轮转动，这样车轮与转角仪的活动盘之间会有一定的偏移量，通过测量该偏移量来求出车轮转动的角度，而该转动角度与转向轮的主销内倾角和主销后倾角有一定的函数关系，因此利用视觉定位系统中垂直安置的视觉传感器测量出该偏移量，也可以计算出转向轮的主销内倾角和主销后倾角。

基于单轮的视觉测量原理，我们还可以构建双转向轮的视觉测量系统。如图 ２—３所示，双转向轮的视觉测量系统由两套视觉传感器组成，并通过支架固定在

天泮大学硕士学位论文第二章１Ｆ接触视觉车轮定位系统工作原理及其组成两个转角仪上，两转角仪中心的距离可调，且与所测汽车的轴距相等。每套视觉系统可以测量出各自对应车轮的定位参数，通过标定技术，将两套系统统一在同一个世界坐标系下，还可以测量出两个车轮之间的空间关系。

图２－３双转向轮定位视觉测量系统

２，１．１视觉传感器三维坐标测量原理【ｉｏｌ［１ｌ】

如前所述，视觉传感器由一个ＣＣＤ摄像机和一个线激光光源构成，基于主动三角法的测量原理。图２－４中，线结构激光器发出一个光平面，照射到被测车轮表面，在轮胎侧面上形成一条曲线弧，这条曲线被ＣＣＤ摄像机接收，在像平面上成像。图中，Ｏｃ为成像透视点（光学成像中心），以啡为原点建立摄像机坐标系Ｄ，以耳乙，Ｏ为ＣＣＤ像平面的主点，即像平面与光轴的交点，以该点为原点建立像平面坐标系ＯＸＹ，并设ｘ轴与ＣＣＤ摄像机像平面像素阵列横向平行；而ｚ，轴与耳轴分别与爿轴与ｙ轴方向一致，乙轴方向沿光轴由Ｏｃ点指向０点；Ｏ

ｃ、０两点间的距离为摄像机有效焦距，。在光平面上任意一点建立传感器坐标系仉ｘ。ＫＺ。，由线结构光测量原理，曲线弧上的任一点Ｐ在传感器坐标系中的坐标为（ｘ；，ｙ：，ｏ）和其在像平面上对应的理想像点辟（ｘ，＿ｙ）之间的关系为：

ｘｌＩ矗虎见ｌｌ始Ｉ

ｐＩｙ｜＝Ｉ虎见∥，｜｜Ｙｓ（２－１） ｌｌｊＬ＿龟ｆ；ｊＬ１ｊ

式中，ｐ为线性变换系数；（‘，ｒ４，一），（‘，％，％）分别为瓦，珏轴方向的单位矢量在摄像机坐标系中的方向余弦；ｔ＝（ｆ，，ｆ，，ｆ：）为平移矢量，是传感器平面坐标系坐标原点ｑ在摄像机坐标系０。Ｘ。％Ｚｃ中的坐标；厂为摄像机的有效焦距。

天洋大学硕士学位论文第二章非接触视觉车轮定位系统工作原理及其组成

图２．４视觉传感器三维坐标测量原理示意图

１．计算机图像坐标Ｏ，，Ｙ，）与像平面坐标（ｘ，Ｙ）之间的转换

设ＣＣＤ像平面的主点Ｏ在计算机坐标系下的坐标为（ｃ，，Ｃ。），以和Ｊ。分别是ＣＣＤ摄像机敏感面上像素在水平和垂直方向上的间距。计算机在采集视频信号时，垂直方向上的采样间距和ＣＣＤ像素间距一样，而水平方向上的采样间距与ＣＣＤ像素间距不一致，还与ＣＣＤ的驱动频率和Ａ／Ｄ转换器的采样频率有关。在不考虑成像镜头畸变情况下，像平面理想坐标（岛，Ｙｄ）和计算机图像坐标Ｏ，，Ｙ，）之间的变换关系为：

』Ｘｄ５ｓｘａｚ（＊Ｉ—ｑ） ＩＹａ＝６ｙ（ｙｙ—ｃ，）

（２－２）式中，ｓ，＝厶，／如，是ＣＣＤ的驱动频率／二和Ａ／Ｄ转换器的采样频率，础的比例因子，要通过摄像机标定求出。一般情况下，镜头畸变对测量结果的影响不可忽视，特别是径向畸变。由于镜头畸变，像平面上实际成像点要偏离理想成像点。镜头的畸变量可以表示为：

』ｑ２％‘鼍＋哇）（２．３）１Ｄ。＝砒（《＋一）、。

式中，ｋ为镜头径向畸变系数，要通过摄像机标定求出。（而ｙ）在考虑镜头畸变时的表达式为：

ｘ＝Ｘｄ＋ｑｌＹ２Ｙｄ＋９所以，像平面实际坐标 （２．４）

公式（２－２）～（２—４）确定了计算机图像坐标和像平面坐标之间的变换关系。２．传感器坐标（Ｘｓ，儿，０）与世界坐标（ｚ。，Ｙ。，ｚ。）之间的转换

在空间建一世界坐标系０ｗｚ。Ｙ。ｚ。，则在传感器坐标系下的点ｎ（ｘ。，Ｙ，，ｏ）在世界坐标系下的坐标ｐ（ｘ。，Ｙ。，ｚ。）表示为：

（２．５）

式中，（Ｒ。Ｒ，Ｂ），（Ｒ：，Ｒ，，Ｒ。）分别为Ｘｓ，ｒｓ轴方向的单位矢量世界坐标系中的方向余弦；Ｔ＝（ｔ，瓦，ｔ）为平移矢量，是传感器坐标系坐标原点瞑在世界坐标系中的坐标。

根据公式（２—１）～（２—５）我们建立了计算机图像坐标系下二维点与世界坐标系下三维点之间的坐标转换关系，因此，只要标定出测量系统所需的参数，便可从图像的二维信息中检测出被测量的空间三维信息。出以上分析可知，该测量系统要求已知２５个系统参数，其中７个摄像机参数：ｋ，、Ｓｘ、正、占ｐＣｘ，ｃｙ、ｆ可以通过摄像机参数标定【１９Ｊ获得；１８个坐标转换参数：‘、ｒ４、岛、如、ｒ５、ｒｓ、‘、ｔｙ、，：、且、且、马、是、Ｒ、Ｒｓ、￡、ｔ、ｔ，可以经过传感器结构参数标定和系统坐标全局统一Ｉｌ２Ｊ来获得。

２．１．２车轮定位参数的计算

上面介绍了将计算机图像坐标系下二维坐标转换为世界坐标系中三维坐标的原理，利用三个视觉传感器可以获得三个特征定位点，三个特征定位点转换到三维空间后确定一个定位面，再经过简单的几何关系运算就可以计算出车轮的定位参数。

１．外倾角和前束角

设坐标变换后三个特征定位点匕在世界坐标系下的坐标为（ｘ。，Ｙ。，ｚ。，）ｆ＝１，２，３，则定位面的三点式方程为：

ｘＹ

ｘｗｌＹｗｌ ｚⅣ２Ｙｗ２

ｚｗ３Ｙｗ３＝０将定位面的方程化为一般式：月ｘ＋缈＋Ｑ＋Ｄ＝０ 其中：

（２．６）ｚ钆～％

Ａ＝（Ｙ。２一Ｙ“）（ｚ。３一Ｚ¨）一（Ｙ。３～Ｙ。】）（ｚ。２一Ｚ。１）

Ｂ＝（ｚｗ２一ｚｗ?）（ｘｗ３一ｘ”?）一（ｚｗ３一三ｗ?）（ｘｗ２一ｘｗ，）

（２—７）

Ｃ＝（工。２一ｘ们）（ｙ。３一Ｙ。１）一（ｘ。３一Ｘ。１）（ｙ。２一Ｙ州）Ｄ＝Ａｘ。１＋缈¨＋Ｃｚ，１

对于计算单个车轮的外倾角，如图２－５（ａ）所示，定义角口为定位面与世界坐标系铅垂面ｙ。ｏ，ｚ。面（方程为ｘ。＝０）之间的夹角，则：

ｃｏｓ（ａ）：

呈（２－８）√爿２＋Ｂ２＋ｃ２ 由车轮外倾角的定义可知：

良＝９０一口（２－９）（ａ）单轮外倾角（ｂ） 图２－５定位参数示意图 （ｂ）前束角

在双转向轮定位时，如图２—５（ｂ）所示，两个车轮的定位面分别由两套视觉传感器确定，并通过全局标定统一在同一个世界坐标系下，设两个定位面的方程分别为：

ｌ４ｘ＋马ｙ＋Ｃ１ｚ＋Ｄｌ＝０ 【一２ｘ＋坟ｙ＋ｃ：ｚ＋Ｄ２＝０

设两定位面的夹角为∥，根据车轮前束角的定义，若取两个定位面夹角的中心线为汽车中心线，则车轮的前束角：

１ 岛＝亡ｐ （２一ｌＯ） ‘其中：

２．主销内倾角和主销后倾角 （２．１１）

如前所述，车轮的主销内倾角和主销后倾角可以通过车轮在不同转向角时，车轮外倾角的变化量间接得到。设车轮从左转２０。变到右转２０。，车轮外倾角的

变化量为△毋，则主销内倾角和主销后倾角 ｌ吼２ｆ（Ａ０ｃ）

Ｉ々Ｏｃ＝ｇ（ＡＯ，．）（２一１２） 图２－６车轮与转盘的偏移量

另外一种测量主销内倾角和主销后倾角方法是在转向轮转向２０。时，采用刹车制动使车轮与转角仪的活动盘之间有一定的偏移量△ｄ，如图２－６所示，该偏移量Ａｄ可通过垂直安装的视觉传感器可以测量得到，设被测车轮半径为Ｒ，则△ｄ与车轮转动角度△∞之间存在关系：

Ａｃｏ＝＿Ａｄ（２－１３）Ｒ

而车轮转动角度Ａｃｏ与车轮的主销内倾角和主销后倾角之间存在一定函数关系，则主销内倾角和主销后倾角为：

～

（经，仍）＝∑＃ｉ＝Ｏ ～（厂，９０）＝∑Ｍ

大律大学硕士学传论文第四章车轮钢圈与激光光条交点定位算法 ｆ（纯，‰）ｄ。＋（‰，仍）口，＋（‰，仍）口：＝（，，仇） ｛（竹，‰）口。＋（仍，仍）∞＋（仍，仍）口，＝（厂，仍） 【（致，‰）口。＋（仍，仍）盯。＋（仍，他）口：＝（，，％） 解方程（４—４）求得％、ｇ．、盘：，即可得到拟合曲线方程：

Ｙ２口ｏ＋ｃｒ］ｘ－Ｆａ＇２ｘ２图４．１２显示了图４。１１中一组钢圈边缘点拟合后得到的曲线。

Ｏ １００ ２００ 生 盏３００ ＞＿ ４００ ５００

０１００２００３００４００５００８００７００

ＸＡｘｉｓ

图４．１２最小二乘拟合钢圈特征曲线 ４．２激光光条曲线获取 （４．４）（４．５）

前面得到了车轮钢圈边缘曲线的在计算机图像坐标系下的方程，为了得到钢圈边缘上的定位特征点，还需要获得激光光条的特征曲线方程。下面将介绍激光光条曲线的求取方法。

将ＣＣＤ摄像机采集车轮图像从内存中重新调出，如图４－２所示，其中包含了激光光条图像信息。在轮胎最高点的获取算法【１３Ｊ中，已经对光条的求取方法做过一定的研究，借鉴其中的图像处理过程，本文设计了以下四个步骤获取光条曲线，包括图像分割、去除钢圈背景、光条中心提取及曲线拟合。

４．２．１图像分割

由于在摄像机视场范围内，激光光条的亮度要明显高于其他背景，其图像灰度值也明显大于其他部分，因此使用图象分割可以有效分离出光条特征曲线。闽

天津人学硕士学位论文第四章车轮钢圈与激光光条交点定位算法值的选取可以使用自适应法‘１４１，为简化算法提高处理速度，也可以直接定义一个较高阈值，如实验中设定闽值瓦＝２００，其处理结果如图４－１３所示。

４．２．２去除钢圈背景 图４－Ｉ３图像分割

在二值化图像中，有用信息仅为激光光条打在轮胎部分的图像，而车轮钢圈及其以下部分图像都应作为杂点被删除。因为前面已经通过二次拟合得到了钢圈边缘的特征曲线，这里可以利用已有的钢圈边缘曲线的方程除去图像中的杂点。具体的处理方法如下：设ｗｉｄｔｈ为图像的宽度，将薯（０≤薯ｓｗｉｄｔｈ）其代入钢圈边缘曲线方程Ｙ＝％＋ｑｚ＋口２，中计算出Ｍ，然后在点Ｐｉ（ｘｉ，Ｍ）所在列中，将Ｂ点以下所有点除去（灰度值变为０），处理结果如图４．１４所示，处理流程如图４．１５所示。

图４－１４去除钢圈背景

天律大学硕士学位论文第四章车轮钢圈与激光光条交点定位算法 ４．２．３光条细化与拟合 图４．１５去除钢圈背景流程 ｉ毫＿ｔ，＿．牝曩囊藤囊蒸：

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ｒ…㈡ｎ：弛－１?‰：：：『、一 图４．１６光条细化图像（反色图）

图４．１４中的光条图像为一条具有一定宽度的曲线弧，为了下一步的曲线拟合处理，必须把光条细化为单一像素或亚像素宽度的曲线，即获得光条中心点序列。提取中心前，可以用灰度膨胀法填补光条上可能出现的断点，使光条弧线尽量连续，然后就可以通过求取光条灰度图像行像素的中心来细化光条“４１。这里使

天津大学硕士学位论文第四章车轮钢圈与激光光条交点定位算法用的灰度质心法可以简单有效地得到光条中心。设光条图像中第／行的目标像素（ｚ，，Ｙ，）的灰度值为ｇ（ｘ。，ｙ，），ＣｅｎｔｅｒＸ＝则该行光条中心（ＣｅｎｔｅｒＸ，ＣｅｎｔｅｒＹ）为：

∑ｖｇ（ｘ．，Ｙ，）市凛篙，∽ｓ，

细化后得到的光条中心点序列如图４—１６所示 小二乘法拟合，得到激光光条特征曲线的方程为：

ｘ＝反＋ｆｌｌＹ＋ｆ１２Ｙ２这里仍可使用前面介绍的最图４—１７显示了图４．１６中激光光条中心点拟合后得到的曲线。

Ｏ １ＤＯ ２００ ∞

墨３０ｔｌ ＞＿ ４００

４．３特征定位点的求取 图４－１７激光光条特征曲线 （４－７）

如前所述，通过一系列的图像处理、搜索算法、曲线拟合，最终可以得到车轮钢圈边缘曲线和激光光条曲线在计算机图像坐标系下的方程，构成下面的方程组：

ｆ’

Ｊｙ＝口ｏ＋盘一＋口２ｘ：（４．８） 【ｘ＝，Ｏｏ＋届ｙ＋ｆ１２Ｙ２

分析两条曲线特点可知，两条曲线在图像范围内只有一个交点，它们交点在计算机图像坐标系下的坐标通过解方程组可以获得。

天律大学硕士学位论文第四章车轮钢圈与激光光条交点定位算法

三个视觉传感器确定了三个定位点，利用第二章中介绍的坐标转换原理，可以获得它们在世界坐标系中的对应点，这三个对应点确定的定位面可以用来汁算车轮的定位参数中的外倾角和前束角。前面曾经提到，在转向轮转向２０。时，采用刹车制动会使车轮与转角仪的活动盘之间有一定的偏移量Ａｄ，该偏移量Ａｄ与车轮转动量的△国存在一定几何关系，而Ａｃｏ与主销内倾角和主销后倾角之间存在一定函数关系。这里可利用垂直安装的视觉传感器得到制动前后的两次钢圈边缘定位点Ｐｌ、Ｐ２，而Ｐ，、Ｐ２在世界坐标系下的距离与偏移量△ｄ近似相等。因

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