v3d四輪定位儀工作原理

1、工作原理概述 3維圖像四輪定位儀是四輪定位操作的革命性的概念。四輪定位儀采用根據(jù)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)而設(shè)計(jì)的照相機(jī)，從而為工場(chǎng)業(yè)主和進(jìn)行操作的技術(shù)人員帶來(lái)很多的好處和方便。這種四輪定位儀是至今為止，速度最快，精確度最高和使用最方便的四輪定位設(shè)備。新技術(shù)的一個(gè)好處就是采用了最先進(jìn)的部件和計(jì)算機(jī)軟件程序，從而使設(shè)備的使用和操作要比過(guò)去的任何的四輪定位儀更容易。這種四輪定位儀和普通的四輪定位儀的最大的不同之處是沒(méi)有電子測(cè)量探頭。眾所周知，正是這種電子測(cè)量探頭是產(chǎn)生各種故障和定位不準(zhǔn)確的原因。這種新的四輪定位儀和普通的四輪定位儀相同之處很少。工場(chǎng)業(yè)主和進(jìn)行操作的技術(shù)人員可以方便認(rèn)識(shí)到，和普通的測(cè)量探頭系統(tǒng)相比

2、，新的的系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)3維圖像四輪定位儀進(jìn)入諸如，亞洲和拉丁美洲等等的國(guó)際市場(chǎng)后，人們馬上意識(shí)到，基于dos操作系統(tǒng)時(shí)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言翻譯和市場(chǎng)特定的車(chē)輛的技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)庫(kù)的任務(wù)受到限制。1998年決定，和公司的常規(guī)四輪定位儀的開(kāi)發(fā)工作一起進(jìn)行，研制開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)用于3維圖像四輪定位儀的視窗用戶(hù)接口。在1998年的秋天，引進(jìn)了視窗環(huán)境。適用于視窗環(huán)境的pro32軟件具有很多優(yōu)良的性能，并且具有視窗的普遍熟悉性和強(qiáng)大的功能，另外還有27種語(yǔ)言環(huán)境和13個(gè)不同的技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，視窗還提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接功能，由于目前汽車(chē)維修業(yè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在汽車(chē)的前臺(tái)銷(xiāo)售和后臺(tái)的車(chē)間維修之間的信息交流有很大的好處，所以上

3、述的網(wǎng)絡(luò)連接功能是非常重要的。照相機(jī)3維圖像四輪定位儀的“眼睛”是安裝在照相機(jī)支持架的二端的二個(gè)照相機(jī)。這種照相機(jī)是高分辨率的ccd錄像式的照相機(jī)，可以在光線(xiàn)暗淡場(chǎng)所工作，和安全和監(jiān)視用途的照相機(jī)相似。具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的照相機(jī)的光學(xué)鏡頭提供了設(shè)備的視野，鏡頭是永久性地安裝在照相機(jī)上，并且三重密封保護(hù)。照相機(jī)上還有一個(gè)帶通濾波器，以便限制進(jìn)入照相機(jī)的光譜范圍。和普通的照相機(jī)一樣，這種照相機(jī)也有一個(gè)光學(xué)“視野”，視野是照相機(jī)的鏡頭設(shè)計(jì)技術(shù)特性之一。任何使用過(guò)照相機(jī)的人們都知道，你所看到的就是照相機(jī)所拍攝到的，不多，也不少。3維圖像四輪定位儀的照相機(jī)在這方面和普通的照相機(jī)沒(méi)有不同。照相機(jī)的視野

4、（見(jiàn)圖2-1/2-2）物鏡安裝在四輪定位框架的每一側(cè)，好像一個(gè)錐形的“通道”，隨著照相機(jī)朝外移動(dòng)增加尺寸。這種通道在接近以前轉(zhuǎn)盤(pán)處為中心的直徑約為2 1/2 英尺的范圍內(nèi)。通道的中心線(xiàn)和一般車(chē)輛的主軸接近，離開(kāi)普通汽車(chē)的外輪表面約18英寸。事實(shí)上，照相機(jī)就是為車(chē)間使用而設(shè)計(jì)的，所以一旦目標(biāo)盤(pán)安裝在普通的汽車(chē)上后，就能位于這個(gè)通道的中心。這樣保證了，任何在3維圖像四輪定位儀的前面框架上的車(chē)輛，從最寬的車(chē)輛到最窄車(chē)輛，都能在照相機(jī)的視野范圍內(nèi)的捕捉到目標(biāo)盤(pán)。頻率篩選板安裝了80個(gè)規(guī)律排列的紅外線(xiàn)發(fā)光二極管提供光源，發(fā)射至目標(biāo)盤(pán)以便照相機(jī)進(jìn)行反饋接受。發(fā)光二極管的使用壽命為連續(xù)工作100,000小時(shí)

5、，直至50%的二極管損壞，也不會(huì)影響照相機(jī)的“抓取”功能。發(fā)光二極管與照相機(jī)為同步工作，所以，二極管發(fā)光同時(shí)，圖象每秒鐘都會(huì)被“抓取”（發(fā)光二極管每秒鐘大約發(fā)光2次）目標(biāo)盤(pán)目標(biāo)盤(pán)的可見(jiàn)表面是由反射材料組成的一系列圓圈，或者“圓點(diǎn)”。這種材料把射向它的表面任何光線(xiàn)，以180度的反射角度反射回到光源處。如果我們注視反射光，就能發(fā)現(xiàn)光源處的亮度最大。一旦離開(kāi)光源，光線(xiàn)的亮度就會(huì)很快得變?nèi)?。在馬路標(biāo)志的某些地方就有這種回射材料。這種材料把來(lái)自車(chē)輛頭燈的光線(xiàn)反射到車(chē)輛駕駛員的眼睛上。標(biāo)志牌上那些根據(jù)交通控制規(guī)則要求駕駛員注意的部分是有反光的，而標(biāo)志牌的其他部分則變暗。由于視角太大，其他車(chē)輛的駕駛員不能看

6、見(jiàn)車(chē)輛的頭燈射來(lái)的光線(xiàn)。在3維圖像四輪定位儀工作的時(shí)候，發(fā)光二極管發(fā)出的光線(xiàn)射向目標(biāo)盤(pán)，然后以相同的路徑返回到位于發(fā)光二極管矩陣中心的照相機(jī)。置于鋁制支持板上的回射材料保證反射的樣式是平面的。然后把上述的組裝件安裝在硬質(zhì)的abs塑料做成的外殼里面，以免受到?jīng)_擊和損壞。最后，在這種回射材料上再放一塊特殊的正火處理的玻璃板，以作最終的保護(hù)。這種頂端玻璃板有二個(gè)特點(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)是這種玻璃為“光學(xué)級(jí)別”的優(yōu)質(zhì)玻璃，不含缺陷和雜質(zhì)。這樣優(yōu)質(zhì)的玻璃是有必要的，它能夠保證照相機(jī)所得到的反射圖像不會(huì)由于缺陷和雜質(zhì)的存在而發(fā)生改變。第二個(gè)特點(diǎn)是，玻璃板的背面含有噴墨乳膠材料蝕刻的“圓點(diǎn)”圖像。這種玻璃板上的“圓

7、點(diǎn)”圖像可以使照相機(jī)非常清楚地分辯出3維圖像四輪定位儀所識(shí)別的具體信息?！皥A點(diǎn)”圖像的各種尺寸以數(shù)據(jù)的形式儲(chǔ)存在程序中，并且成為一個(gè)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的基本常數(shù)。. 在每一個(gè)目標(biāo)盤(pán)上有33個(gè)，以非常清晰的樣式布置的圓點(diǎn)。對(duì)于圓點(diǎn)圖像的設(shè)計(jì)，我們化了大量的時(shí)間和精力。有時(shí)候，這些圓點(diǎn)似乎是任意分布的，但在另外一些時(shí)候，它們又是對(duì)稱(chēng)分布的。一些圓點(diǎn)要比另外一些圓點(diǎn)大，甚至也有“圓環(huán)”那樣的圓點(diǎn)。必須注意，我們看到的圓圈，在幾何尺寸是“最圓的”，這對(duì)于識(shí)別角度是非常重要的。另外要注意的是，為了使照相機(jī)的視覺(jué)距離更遠(yuǎn)，在后目標(biāo)盤(pán)上的圓點(diǎn)要比前目標(biāo)盤(pán)上點(diǎn)更大。工程師非常精確地設(shè)計(jì)了目標(biāo)盤(pán)圓點(diǎn)的圖像樣式，他們知

8、道每一個(gè)圓點(diǎn)的尺寸，以及任何一個(gè)圓點(diǎn)和其他的圓點(diǎn)彼此之間的距離，然后就能建立3維圖像四輪定位儀的軟件的照相機(jī)圖像的計(jì)算機(jī)模型。所以只有在我們確定放置在車(chē)輛上的目標(biāo)盤(pán)和計(jì)算機(jī)模型匹配時(shí)，上述的程序才能適用。由于不可能讓我們的工程師手工制作每一個(gè)目標(biāo)盤(pán)都達(dá)到要求的精確度，為此，我們創(chuàng)造了一種非常詳細(xì)的目標(biāo)盤(pán)制作方法，以便保證每一個(gè)制作的目標(biāo)盤(pán)和原始設(shè)計(jì)的完全一樣。目標(biāo)盤(pán)的獲得在我們開(kāi)始一項(xiàng)新的四輪定位操作時(shí)，程序并不知道目標(biāo)盤(pán)放置在何處。計(jì)算機(jī)軟件驅(qū)動(dòng)照相機(jī)，開(kāi)始在“搜索模式”工作，在照相機(jī)的整個(gè)視野范圍尋找任何目標(biāo)盤(pán)。我們?cè)谄聊簧峡梢钥吹?個(gè)車(chē)輪上的紅色的目標(biāo)盤(pán)圖像，而知道這個(gè)搜索的過(guò)程。因?yàn)檐?/p>

9、件能夠識(shí)別目標(biāo)盤(pán)，一旦軟件發(fā)現(xiàn)一類(lèi)似目標(biāo)盤(pán)的物體時(shí)，一個(gè)稱(chēng)為“適合運(yùn)算法則”的程序（決定有關(guān)的物體和目標(biāo)盤(pán)相象的程度的方法）就開(kāi)始工作。利用這種程序，忽略了不是目標(biāo)盤(pán)的物體（諸如車(chē)輛的反射燈）。當(dāng)每一個(gè)目標(biāo)盤(pán)都被發(fā)現(xiàn)，并且確定（獲得）后，屏幕變成綠色，顯示出放置在車(chē)輛輪子上的目標(biāo)盤(pán)。一旦獲得了目標(biāo)盤(pán)，軟件就在照相機(jī)的視野范圍內(nèi)工作，而忽略背景的其他活動(dòng)。這樣可以使系統(tǒng)對(duì)變化位置的目標(biāo)盤(pán)作出相應(yīng)。3維視覺(jué)原理 從上面對(duì)3維圖像四輪定位儀的部件的討論中，我們基本了解了系統(tǒng)的硬件的功能。但是，對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件用什么方法來(lái)處理目標(biāo)盤(pán)圓點(diǎn)的照相機(jī)圖像，并且把圖像演繹為四輪定位角度，我們?cè)谙旅鎸⑦M(jìn)行討論。透

10、視3維圖像四輪定位儀首先要決定的一件事是，在給定的時(shí)刻，每一個(gè)目標(biāo)盤(pán)離開(kāi)照相機(jī)多少距離。眾所周知，物體離開(kāi)我們?cè)竭h(yuǎn)，它就顯得越小，盡管物體的真實(shí)的大小沒(méi)有變化。你看見(jiàn)的2英尺處的螺絲刀，要比在20英尺處的同樣大小的螺絲刀大得多。這種效應(yīng)稱(chēng)為“透視效應(yīng)”。藝術(shù)家就是利用這種效應(yīng)，在二維空間創(chuàng)造了深度和距離的幻想。在上述的例子中，如果假定螺絲刀的長(zhǎng)度為6英寸。如果你利用你在高中時(shí)學(xué)到的數(shù)學(xué)知識(shí)，“測(cè)量”出你在一定的距離外看到的螺絲刀的尺寸，那么就可以據(jù)此知道螺絲刀離開(kāi)你的眼睛的距離。下面將要更詳細(xì)地說(shuō)明有關(guān)的數(shù)學(xué)原理。鉛筆（長(zhǎng)度固定）焦點(diǎn)距離（鏡頭內(nèi)固定）在這個(gè)例子中，照相機(jī)置于空間的每個(gè)固定點(diǎn)，

11、所有固定的照相機(jī)的鏡頭都有固定的焦點(diǎn)。從照相機(jī)到焦點(diǎn)的距離的數(shù)值為f，該值由鏡頭的設(shè)計(jì)者決定。鉛筆的長(zhǎng)度為p，由鉛筆的設(shè)計(jì)者決定?？吹降你U筆的尺寸由焦點(diǎn)的“軟件”進(jìn)行測(cè)量，得出數(shù)值為a。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是決定從照相機(jī)到鉛筆的距離d。首先，利用基本的三角公式，可以求出角度 r：tan r = (a/2) 和 z2 = (p/2)2 + d2f我們知道a、f、p 和z 是可以計(jì)算出來(lái)的，利用三角函數(shù)表可以查出上述的角度。一旦求得角度，就可以利用另一個(gè)三角公式，求得距離d：d = (p/2)tan r由于知道了p和r，就求得了距離d。這樣，我們就知道了鉛筆離開(kāi)照相機(jī)的距離。把上述原理應(yīng)用到3維圖像四輪

12、定位儀，圖像分析軟件處理每一個(gè)圖像，并且精確地測(cè)量出圖像中每一個(gè)圓點(diǎn)的尺寸這就是看到的尺寸（a）。我們已經(jīng)討論過(guò)了已知的焦距值（f）和圓點(diǎn)的尺寸（p）。這樣，利用上述的數(shù)學(xué)原理，3維圖像四輪定位儀可以測(cè)量出從照相機(jī)到目標(biāo)盤(pán)的任何一個(gè)圓點(diǎn)之間的距離，而且測(cè)量的精確度非常高測(cè)量20英尺外的目標(biāo)盤(pán)的尺寸，精確度為1毫米。透視縮短在上面關(guān)于透視和螺絲刀的例子中，我們假定，螺絲刀（或者目標(biāo)盤(pán)）在你的眼睛看到的時(shí)候，是“正常狀態(tài)”。所謂正常狀態(tài)就是物體被直視的狀態(tài)（視線(xiàn)和物體垂直?；蛘叱?0度），能夠看到目標(biāo)盤(pán)鉛筆的整個(gè)長(zhǎng)度。當(dāng)螺絲刀在你的眼前從90度位置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢? 物體變小了。 看到的螺

13、絲刀縮短了。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越大，螺絲刀越小。這種現(xiàn)象成為“透視縮短”。如果你已經(jīng)知道螺絲刀的確實(shí)的尺寸為6英寸，那么通過(guò)看到的螺絲刀的尺寸和應(yīng)用有關(guān)的數(shù)學(xué)原理，你就可以確定螺絲刀相對(duì)于正常視角（90度）的角度方位了。在這個(gè)例子中，照相機(jī)置于空間的每一個(gè)固定點(diǎn)，所有固定的照相機(jī)的鏡頭都有固定的焦點(diǎn)。從照相機(jī)到焦點(diǎn)的距離的數(shù)值為f，該值有鏡頭的設(shè)計(jì)者決定。鉛筆的長(zhǎng)度為p，由鉛筆的設(shè)計(jì)者決定?？吹降你U筆的尺寸由焦點(diǎn)的“軟件”進(jìn)行測(cè)量，得出數(shù)值 為b。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是決定相對(duì)于正常位置（90度）的方位角度r。圓圈到此為止，希望我們已經(jīng)基本了解為什么3維圖像四輪定位儀可以測(cè)量出目標(biāo)盤(pán)的距離和它們的方位角度了

14、。當(dāng)然，在四輪定位時(shí)，在每一個(gè)給定的時(shí)刻，這些圓點(diǎn)離開(kāi)照相機(jī)的距離和方位角度各不相同。人們可能會(huì)問(wèn)：“四輪定位儀怎么才能識(shí)別在透視和透視縮短效應(yīng)之間的區(qū)別呢？”四輪定位儀只是知道，它的照相機(jī)所看到的目標(biāo)盤(pán)的大小要比目標(biāo)盤(pán)的實(shí)際尺寸更小。那么三度空間的方位變化又是如何知道的呢？答案是利用一種有用的幾何形狀圓圈。正如你所知道的那樣，我們選擇圓圈作為目標(biāo)盤(pán)的幾何形狀，是因?yàn)閳A圈的特定的數(shù)學(xué)關(guān)系。在本討論中。假定四輪定位儀的目標(biāo)盤(pán)由單個(gè)大的圓點(diǎn)組成。圓圈的獨(dú)特幾何特性可以應(yīng)用于3維圖像四輪定位儀。當(dāng)你從正常視角（垂直角度）看一個(gè)圓時(shí)，無(wú)論從那個(gè)方向去測(cè)量，圓的直徑總是相同的。當(dāng)圓圈離開(kāi)你的時(shí)候，由于上

15、述的透視效應(yīng)，圓圈的直徑變小?，F(xiàn)在來(lái)看看，當(dāng)圓圈沿著x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的情況。圓在二度空間中變成了橢圓。圓沿著x軸轉(zhuǎn)動(dòng)越大，圓在y軸的直徑值就越小。事實(shí)上，存在一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系，你只要測(cè)量出y軸線(xiàn)的長(zhǎng)度和x軸線(xiàn)的長(zhǎng)度（圓的真實(shí)的直徑），就能測(cè)量出圓圈的旋轉(zhuǎn)角度。把所有得到的綜合起來(lái)，在任何的方向（x,y,z,）不管怎樣地旋轉(zhuǎn)圓圈，我們總是能夠測(cè)量出真實(shí)的直徑軸。這也就是“橢圓的長(zhǎng)軸”。3維圖像四輪定位儀可以測(cè)量出目標(biāo)盤(pán)圓點(diǎn)的每一個(gè)直徑值，并且利用求得的長(zhǎng)軸作為真實(shí)直徑，用透視原理來(lái)確定目標(biāo)盤(pán)的距離。然后再測(cè)量和真實(shí)直徑離開(kāi)90度的其他方位的直徑值，利用透視縮短原理來(lái)求得短軸值和相對(duì)于正常位置的方位角。

16、利用上述的方法，可以決定目標(biāo)盤(pán)圓點(diǎn)相對(duì)于照相機(jī)的三度空間的位置（距離和方位）。正是圓圈的這種獨(dú)特的幾何特性，使3維圖像四輪定位儀能夠識(shí)別透視效應(yīng)和方位。下面就是一個(gè)目標(biāo)盤(pán)在不同的方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)看到的圖像例子。 在我們的討論中，我們假定目標(biāo)盤(pán)只有一個(gè)圓點(diǎn)。但是，實(shí)際上每一個(gè)目標(biāo)盤(pán)有33個(gè)圓點(diǎn)（目標(biāo)盤(pán)也有4個(gè)）。而3維圖像四輪定位儀的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以在同一時(shí)間，以極其高的精確度和分辨率分析每一個(gè)圓點(diǎn)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)完全了解3維圖像四輪定位儀是怎樣利用照相機(jī)的圖像來(lái)確定目標(biāo)盤(pán)在三度空間的位置和方向。下面來(lái)討論3維圖像四輪定位儀是怎樣利用上述的原理來(lái)測(cè)量四輪定位的角度。定位程序3維圖像四輪定位儀現(xiàn)在已經(jīng)知道目

17、標(biāo)盤(pán)的確切位置，但是還不知道車(chē)輛的位置。當(dāng)然，目標(biāo)盤(pán)是放置在車(chē)輪上的，這樣就和四輪定位角度聯(lián)系起來(lái)了。這里所用的術(shù)語(yǔ)“四輪定位”有些誤導(dǎo)作用。我們并不是在此調(diào)節(jié)車(chē)輪，而是調(diào)節(jié)會(huì)引起車(chē)輛變化的懸掛件和轉(zhuǎn)向部件。事實(shí)上，接受對(duì)準(zhǔn)的是車(chē)輛的主軸，而車(chē)輪只是在駕駛時(shí)才起作用。所有的四輪定位儀識(shí)別都以車(chē)輛的主軸作為對(duì)準(zhǔn)的起始點(diǎn)。通常把測(cè)量裝置直接對(duì)著主軸測(cè)量，或者進(jìn)行偏差補(bǔ)償基準(zhǔn)重力測(cè)量。3維圖像四輪定位儀以一種獨(dú)特的，可以提高精確度和速度的方式來(lái)測(cè)量主軸。我們用星形記號(hào)代表車(chē)輪/輪胎上的一個(gè)點(diǎn)。如果我們轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪/輪胎，并且跟蹤車(chē)輪/輪胎上面的各個(gè)點(diǎn)的星號(hào)的位置，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)星號(hào)的移動(dòng)軌跡是一個(gè)圓圈。如果我們能夠求得圓圈的中心，就能夠決定車(chē)輪/輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)軸心。在汽車(chē)術(shù)語(yǔ)中，車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心就成為主軸。3維圖像四輪定位儀采用稱(chēng)為“定位”的方法，來(lái)確定車(chē)輛的主軸。在進(jìn)行定位時(shí)，我們朝后推動(dòng)車(chē)輛，轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪/輪胎/目標(biāo)盤(pán)。當(dāng)車(chē)輛移動(dòng)時(shí)，照相機(jī)就跟蹤目標(biāo)盤(pán)圓點(diǎn)的位置和方向。如果車(chē)輛轉(zhuǎn)動(dòng)360度，則每一個(gè)圓點(diǎn)會(huì)完成一個(gè)圓圈。如果獲得這樣的圓圈，并且測(cè)量出圓圈的中心，我們就能夠知道車(chē)輛的主軸。由于圓點(diǎn)也沿著軸心移動(dòng)，計(jì)算機(jī)軟件就能夠測(cè)量出主軸在三個(gè)方位相對(duì)于照相機(jī)的空間位置。當(dāng)然，事實(shí)上照相機(jī)可以跟蹤的目標(biāo)盤(pán)上的圓點(diǎn)不止一個(gè)，而是有33個(gè)反射