汽車二維運動參數測試系統開發研究

錢楓元　何耀華　宋朋舉

(武漢理工大學汽車工程學院　武漢　430070)

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汽車二維運動參數測試系統開發研究

錢楓元何耀華宋朋舉

(武漢理工大學汽車工程學院武漢430070)

摘要：針對當前汽車二維運動參數測試裝備對低成本、高精度的追求，提出基于CMOS圖像傳感器的新型測試方案，設計了合適的光學系統，結合可編程的DSP芯片實現對拍攝圖像的分析處理.利用LabVIEW編程消除了顯示系統的邊界限定，實現了CMOS傳感器坐標系與道路坐標系的坐標轉換并完成汽車二維運動參數的測試.該方案具有成本低、響應快、不受道路條件限制等優點，可應用于多種汽車性能測試.

關鍵詞：二維運動參數；CMOS圖像傳感器；LabVIEW；DSP芯片

0引言

汽車整車道路性能試驗包括動力性、經濟性、制動性、操縱穩定性、行駛平順性、通過性和噪聲等[1-2]，其中制動性及操縱穩定性除跟其他各項性能一樣需要實時全程測試并記錄汽車的行駛速度和距離外，還需要實時全程測試和記錄汽車的側向速度與側向位移，即需要同步測試和記錄汽車的二維運動參數.

目前國際上用于同步測試汽車二維運動參數的設備主要有GPS和達特朗的二軸速度傳感器.但此二種設備都不能滿足汽車操縱穩定性試驗中汽車行駛跑偏項目及汽車制動性能試驗中制動跑偏項目測試的要求[3-5].達特朗的二軸速度傳感器的速度范圍是0.5～200 km/h，但汽車行駛跑偏及制動跑偏(二者統稱汽車跑偏，下同)所要求的速度范圍是0～100 km/h，盡管二軸速度傳感器所能測試的最高側向速度遠比汽車跑偏所能達到的側向速度高，但其低速特性卻遠不能滿足汽車跑偏測試的要求；GPS的高、低速特性都很好，但由于其定位精度有限，只能達到20 cm，而汽車跑偏測試的側向位移分辨率應小于1 cm，GPS的位移分辨率與汽車跑偏測試的要求相差甚遠[6-11].為了滿足汽車跑偏測試的要求，開發了基于CMOS傳感器的新型高精度汽車二維運動參數測試設備.

1測試系統的組成

1.1CMOS傳感器

CMOS傳感器(complementary metal-oxide-semiconductor)是一種陣列型光電成像器件，又稱圖像傳感器.CMOS與CCD(charge-coupled device)圖像傳感器工作原理相同，但相比于后者，其具有明顯的價格優勢.

1.2DSP芯片

DSP(digital signal process)即數字信號處理器，通過編程可用來快速實現各種數字信號處理.DSP具有集成高、數據處理速度快和精度高等優點.用于處理30×30的CMOS圖像數據，其處理速率可達6 400幀/s.該芯片采用USB接口進行數據傳輸，可直接將處理結果傳至計算機并用軟件進行后續分析.

1.3遠心透鏡

遠心透鏡是經過特殊設計，系統的入瞳在透鏡系統的前焦點位置聚焦，光束的主光線在任何視場角的情況下都垂直于焦平面.如此，可以保證在一定的物距范圍(景深)內，使圖像放大倍率不會變化.

2測試系統的工作原理

利用多組車載圖像傳感器對汽車駛過的路面進行高頻率連續拍照，通過特定編程的單片機芯片對相鄰圖像進行快速分析，確定每個傳感器在圖像坐標系內的移動方向和移動距離，并由傳感器組間的相互位置關系確定汽車在該拍照間隔時間內的真實運動方向及位移.隨著測試時間增加，即可記錄為連續的運動軌跡.測試流程圖見圖1.

圖1　軌跡測試流程圖

DSP芯片需要經過特定算法對圖像進行處理，其編程原理為：以單張圖像30×30共計900個像素點的灰度值為分析目標，對前后兩張圖像的多組相似區域(特征點區域)進行搜尋.比如設定搜尋范圍為5×5的像素范圍，以前一幅圖像的任意5×5區域作為匹配模板，到后一幅圖像中搜索接近完美匹配(區域內的每點相對坐標位置及對應像素相對灰度值一致)的目標區域.以此方法確定多組相似區域，并索引出對應區域像素點的圖像坐標，根據多組特征點在前后圖像中的相對位置不變的原則，驗證并剔除個別不合適的偽特征點，繼而準確地確定CMOS傳感器的移動方向及位移.其基本原理見圖2.

圖2　DSP芯片編程原理

3系統分析及結構設計

3.1傳感器應用分析

將CMOS圖像傳感器應用于車載二位參數測試中需考慮的問題主要有：

1) 汽車行駛速度達到一定數值時，就會出現所拍攝前后兩幅圖像完全獨立，沒有重疊部分，此時DSP芯片無法通過比對前后兩幅圖片在CMOS陣列里找到符合匹配條件的區域，即出現丟幀現象.在設計光路時，若地面離成像透鏡距離增大，則CMOS矩陣格子中成像特征點變小，增大了實際采樣面積，可使最大追蹤速度成倍增加.依據此原理可以提高汽車的行駛速度.

2) 汽車行駛時，路面的不平不可避免會激起汽車的振動，車載CMOS傳感器亦會隨車振動，即CMOS傳感器的離地高度會不斷地變化.離地高度的變化小則影響測試精度；大則會導致測試無法完成.

3.2光學系統設計

為了盡可能同時滿足汽車高速行駛及消除傳感器離地高度變化帶來的誤差，設計了一種采用遠心凸鏡的測試裝置，見圖3.

S-CMOS傳感器；L1-成像透鏡；A-孔徑光闌；L2-放大透鏡；L3-遠心透鏡；O-測試表面圖3　光學系統

成像透鏡L1將拍攝的區域匯聚到CMOS傳感器，L2起成倍放大拍攝區域的作用，以降低高速條件下苛刻的拍攝頻率要求.L3為遠心透鏡，能消除因被測表面離鏡頭距離的遠近不一致而造成的放大倍率不一致的現象.選取合適的放大倍數，設計遠心鏡頭拍攝路面區域為10 mm×10 mm，以前后兩幀照片重疊區域比例為1/2進行計算，可檢測的車速為

式中：s為相鄰圖像的重疊區域寬度，取值5 mm；f為DSP處理頻率，取值6 400幀/s.即V=5/(1/6 400)=115.2 km/h滿足測試車速要求；增大L2可提高其測試速度.

3.3測試裝置結構設計

單個CMOS傳感器僅能測試沿X軸和Y軸方向移動的兩個自由度參數，不能識別轉角，原因是CMOS傳感器的二維坐標系依賴于車輛的行駛方向，即一旦汽車行駛方向相對跑道中軸線出現偏角(在不考慮汽車側向滑移的情況下)，CMOS傳感器的內部坐標系也隨之偏轉.理論上最終測得的運動軌跡會為一條直線.為此需采用兩個CMOS傳感器，通過增加已知參數的數量以完成坐標系的轉換，進而實現轉角的檢測.將兩個CMOS傳感器固定在一根長桿的兩端，桿的中點位置為測試車輛的參考點，見圖4.

圖4　測試裝置簡化圖

圖4中的兩個CMOS傳感器分別固定在汽車前軸左右兩個轉向輪的正上方，兩者間距D固定，ox′y′為道路坐標系，其中y′軸正向為車輛行駛方向.

4系統軟件設計

4.1坐標系轉換算法

本測試系統中存在道路坐標系、CMOS成像陣列像素坐標系與顯示器像素坐標系的轉換.即顯示器上某方向一個像素的位移變化對應于CMOS成像陣列中該方向一個像素的位移，也對應于能使CMOS傳感器識別一個像素變化所需的最小實際位移.

圖5　傳感器運動軌跡簡圖

將左右兩個CMOS傳感器在ti時刻得到的二維坐標及各自轉角分別用(Xi1，Yi1)，(Xi2，Yi2)，αi1，αi2表示.其中：i=0為起始測試位置.在極短的拍攝間隔時間段(ti，ti+1)內左右兩側的傳感器駛過的路徑長度及轉角分別用Li1，Li2，Δθi表示.由于兩CMOS的相對位置不變，故兩者在沿桿方向(鼠標自身X坐標軸)的位移應該一致，即Xi1=Yi2.在試驗后期可利用此等式對測試結果進行校驗，以驗證該設計裝置的測試精準性及可行性.

在時間段(t0，t1)內，如圖6所示，兩CMOS傳感器繞同一圓心轉動相同的角度Δθ0.已知參數為傳感器連接桿的固定長度D、左右兩CMOS傳感器駛過的路徑長度L01，L02.待求的參數分別為該時間段內車輛轉過的角度Δθ0、左右兩CMOS傳感器的轉彎半徑r01，r02.

圖6　測試裝置軌跡簡圖

由余弦定理可得：

(1)

式中：γ0=α01-α02.其次，由弧長公式可知：

(2)

(3)

聯立(1)，(2)，(3)三個方程可求得：

(4)

由(4)中的解可求得裝置參考點在(t0，t1)時間段內的道路實際坐標變化為

此時參考點絕對路面坐標為

4.2顯示器界限消除

通過LabVIEW調用庫函數節點訪問動態鏈接庫(DLL)的方法，調取Get/Set Cursor Position等函數獲取并初始化指針位置，進而實現運動軌跡的記錄，并消除操作系統顯示屏固有的顯示坐標系像素X和Y向的上下界限制.

試驗所用顯示器屏幕像素為1 366×767，設置原點坐標(0，0)為左下角位置，坐標系為橫X縱Y.每次測試前將測試用指針初始化到原點位置.讀取坐標時，兩方向的坐標值互不干擾.首先，判斷汽車的移動方向，若右移(X正向)，且移動到屏幕右邊界時，由于顯示器限制，X像素坐標達到極限值1 366.此時保證Y坐標不變，通過軟件編程將X坐標值替換為1，并通過移位寄存器將通過邊界的累計次數n加1；相反，當指針向左移動至X邊界，則將X坐標值由0替換為1 365，并將通過邊界的累計次數n減1.最終利用通過X邊界的次數n，以及當前的屏幕像素坐標，即可得實際的屏幕坐標.Y方向的位移同理也可得到.

根據以上測試流程，可通過LabVIEW軟件實現坐標系轉換、顯示器界限消除、車輛運動軌跡的繪制及顯示等功能.部分LabVIEW主程序見圖7.

圖7　部分LabVIEW程序框圖

4.3軟件響應頻率

由于試驗中DSP芯片的分析處理速度為6 400幀/s，故LabVIEW程序的即時響應速度(即單位時間內程序捕獲坐標的能力)需保證大于6 400次/s，才能精準記錄測試車輛的每一次坐標變化.經測試，軟件程序的響應頻率平均約為18 000次/s>6 400次/s，滿足測試需求.

5結論

1) 通過研究圖像對比分析的算法及測試裝置的結構設計等關鍵工作，解決了車載高速環境和振動造成的誤差問題，將系統測試精度控制在1 mm之內，可準確地記錄汽車的運動軌跡，從而驗證了基于CMOS傳感器的車載二維運動參數新型測試方案的可行性.

2) 該系統可直接應用于多種室外類型的汽車性能測試，如制動性能、跑偏及轉向性能等測試，具有一定的適應性.但隨著測試道路增長，測試裝置必將產生系統誤差的累積，再加上一定隨機誤差的影響，后續仍需進行大量的測試數據分析并修正測試結果，以提高該方案的測試精準性.

參 考 文 獻

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Research on the Development of Non-contact Two Dimensional Automobile Running Track Test System

QIAN FengyuanHE YaohuaSONG Pengju

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract：With the pursuit of low cost and high precision of the two dimensional automobile track test facility, a new testing method based on the CMOS sensor is proposed. By designing an appropriate optical imaging path and analyzing the image-forming principle, the images can be processed by combining with the programmable DSP. The testing track could be received by the software LabVIEW, which could also eliminate the boundary limit on the display system and realize the coordinate transformation between the sensor system and road testing system. The analyses show that this system has the advantages of low cost, quick response, high precision and not being limited by the test condition. Thus, the proposed system could be suitable for a variety of automobile performance tests.

Key words：two dimensional running track; CMOS sensor; LabVIEW; DSP chip

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.033

中圖法分類號：U270.7

收稿日期：2016-01-20

錢楓元(1991- )：男，碩士生，主要研究領域為汽車試驗系統與試驗方法