基于機器視覺的車輪定位關鍵技術的研究

殷春平+吳了泥+王浩+王曉光+林麒

摘 要：基于機器視覺技術提出3D四輪定位儀參數檢測過程中車身坐標系的建立方法，以及車輛定位參數求解的向量-平面數學模型，針對實際檢測過程中存在運動偏差的問題提出運動補償的解決方法，并推導了運動補償方法的數學模型。通過真實車輛的測試試驗，結果證明該檢測方法的正確性和有效性，為改進或研發3D四輪定位儀提供了新的思路， 同時也為基于機器視覺的無靶標四輪定位參數檢測技術奠定了理論基礎。

關鍵詞：機器視覺；車輪定位；運動補償；數學模型

中圖分類號： U467.4文獻標文獻標識碼：A文獻標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

汽車車輪定位參數直接影響汽車的安全性和操縱穩定性，準確檢測車輪定位參數對于汽車行駛安全至關重要。傳統測量方式基于不同原理有機械式、紅外式、激光式及CCD攝像機等方法[1]，總體上卻存在測量過程復雜、檢測慢、精度低等缺點，所以研究高效準確的車輪定位參數檢測方法尤為重要[2]。近年來，隨著機器視覺技術的不斷發展，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測量文獻主要致力于攝像機標定模型[4]或定位參數幾何模型[5]的研究，這就使工程中所開發的儀器很難做到高精度重復測量[6]。主要是因為很少有研究提到如何在測量過程中建立車身坐標系，如何在任意打方向盤或調整底盤后，提高定位參數的檢測精度，以及如何進行運動補償等方法，本文將針對這些內容進行重點探討。

1 四輪定位參數定義

四輪定位測量的重要參數主要有車輪外傾角、車輪前束角、主銷內傾角與主銷外傾角等[3]。車輪外傾角和車輪前束角的測量原理與主銷內傾角和主銷外傾角的測量原理類似，實質都是求解空間某旋轉軸相對于車身坐標系之間的幾何關系[7]。對于車輪外傾角與前束角的測量，空間旋轉軸為推動汽車過程中車輪平面的旋轉軸；對于主銷內傾角與外傾角測量，空間旋轉軸為轉動方向盤過程中的主銷軸[8]。由于二者測量原理類似[9]，所以本文以車輪外傾角與前束角為研究對象，闡述具體的測量方法和原理。

（1）車輪外傾角：車輪中心平面與鉛垂線的夾角。車輪頂部向車身外部傾斜時稱為正外傾，反之為負外傾。

（2）車輪前束角：車輪的水平直徑與車輛縱向對稱平面之間的夾角為車輪前束角。車輪前段向車身內部傾斜時稱為正前束，反之為負前束。

由于式（11）主要依據平面與向量之間的幾何關系得出，故稱為向量-平面模型，該式形式對稱，無需矩陣轉化，工程中容易編程實現[16]。

3 試驗結果及分析

根據上述測量方法，對一輛比亞迪轎車的車輪前束角和外傾角進行6次推車測試，重復試驗中所有參數保持穩定，個別參數最大誤差為2′，并將測試數據與美國杰奔3D四輪定位儀的試驗結果（參考測量數據A與參考測量數據B，該儀器也是基于視覺原理，測量精確到±3′以內）進行了對比。試驗結果見表1。

由表1可知：沒打方向盤（狀態1）測量時，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′，測量結果偏差較小。產生微小偏差的主要原因可能是試驗中所用的靶標與杰奔3D四輪定位儀的靶標精度不一樣所致。在狀態B試驗中（方向盤轉動一小角度），前輪誤差稍大，主要與方向盤調節器有關，因為試驗中手動固定方向盤角度存在一定誤差。盡管如此，總體上測量誤差都較小，尤其是沒有任何調整的后輪，其誤差基本不變，也符合事實。對狀態A與狀態B的試驗數據進行分析可知，有無運動補償算法對結果的精度有很大影響，運動補償算法明顯可使測量過程獲得更好的精準度。

4 結論

本文基于機器視覺技術研究了四輪定位參數的測量原理和數學模型，并提出了運動補償的原理和具體方法。將真車試驗的數據與美國杰奔3D四輪定位儀所測數據進行比較，結果表明本文所提出的測量算法準確度高、可行性好。本文研究成果已被委托企業采納并產品化，得到的市場的認可，同時也為基于機器視覺的無靶標四輪定位參數檢測研究奠定了理論基礎。

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