[发明专利]基于线阵图像的视觉式全参数车轮定位检测系统和方法

权利要求书

1.一种基于线阵图像的视觉式全参数车轮定位检测系统，该系统包括四个测量臂(1～4)和一台计算机；每个测量臂中包括两个线阵相机(Qi和Gi，i＝1～4)、处理电路、通讯电路、倾角传感器；其特征在于，每个线阵相机包括轴线位于竖直方向的柱面镜、竖直放置在柱面镜正前方的滤光片或衰减片、柱面镜后方焦距f处水平放置的线阵图像传感器及其驱动电路、对称置于柱面镜左右两侧中间高度位置的两个发光二极管，线阵相机的光轴与滤光片或衰减片、柱面镜入射面、线阵图像传感器垂直相交于三者的中心点；所述测量臂安装轴的轴线与测量臂的纵向中心平面垂直相交于测量臂的重心上方，线阵相机Gi以面向安装轴的方向安装在测量臂的一端，其光轴垂直于测量臂的纵向中心平面并平行于安装轴轴线，其柱面镜入射面位于测量臂纵向中心平面内；而线阵相机Qi以面向测量臂另一端的方向安装在测量臂中安装轴下方与相机Gi同高的位置，其光轴在测量臂的纵向中心平面内呈水平状态并垂直于安装轴轴线，其柱面镜入射面与安装轴轴线位于同一竖直平面内；四个测量臂(1～4)通过卡具对应安装在汽车的左后轮(P1)、左前轮(P2)、右前轮(P3)、右后轮(P4)上，使装于左右前轮的测量臂中的相机G2和G3以及装于左右后轮的测量臂中的相机G1和G4在左右方向都相互面对，装于左侧前后轮的测量臂中的相机Q2和Q1以及装于右侧前后轮的测量臂中的相机Q3和Q4在前后方向都相互面对，形成位于车身前、后、左、右的四组检测光路；计算机和四个测量臂之间通过电缆或无线方式进行双向通讯；测量臂中处理电路通过通讯电路接收计算机指令，根据指令控制测量臂中发光二极管和线阵图像传感器的同步协调工作；线阵相机的驱动电路为线阵图像传感器提供驱动信号，并将模拟图像信号转换为数字图像信号；处理电路接收线阵相机驱动电路送来的数字图像信号和倾角传感器送来的倾角信号并进行运算处理，将处理结果通过通讯电路传送给计算机；计算机根据测量臂上传的数据，计算并输出车轮的角度定位参数和距离定位参数的检测结果。

2.一种基于权利要求1所述系统的全参数汽车车轮定位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将四个测量臂对应装夹到相应的车轮上并调至水平，由测量臂内部的倾角传感器直接测出各个测量臂在其纵向的倾角δ_ix(i＝1～4)及其安装轴方向的倾角δ_iy(i＝1～4)，δ_iy也就是各车轮的外倾角；

2)计算机控制各线阵相机中的发光二极管闪烁工作，其光线被对面线阵相机的线阵图像传感器接收，分别在相机Q1和Q2、Q3和Q4、G1和G4、G2和G3之间形成四组检测光束，与测量臂一起构成包围整个车身的八边形G1Q1Q2G2G3Q3Q4G4G1；各个线阵相机根据自身所拍摄线阵图像中与对面线阵相机内发光二极管对应的两个光点图像的像素位置坐标及该坐标与相应光线入射角之间的函数关系，求出各图像中两个光点对应光线的入射角θ_QiA′、θ_QiB′和θ_GiA′、θ_GiB′(i＝1～4)，再根据测量臂的倾角δ_ix和δ_iy，利用立体几何的原理，求出上述入射角在水平面内的投影θ_QiA、θ_QiB、θ_GiA、θ_GiB；结合发光二极管安装间距，对各组光束的水平投影结构运用平面几何原理，求出各组光束中相对两线阵相机间的相对方位角θ_Qi、θ_Gi(i＝1～4)和位置距离|Q1Q2|、|Q3Q4|、|G2G3|、|G4G1|；

3)根据测量臂的倾角δ_ix和δ_iy、测量臂中线阵相机的安装距离及卡具尺寸，应用勾股定理和余弦定理，求出测量臂中两线阵相机的光学中心与相应车轮中心点所构成三角形在水平面投影△PiQiGi(i＝1～4)的边长|QiGi|、|PiGi|、|PiQi|及角度α_SGi、α_SPi、α_SQi(i＝1～4)；

4)在八个线阵相机光学中心连成的八边形G1Q1Q2G2G3Q3Q4G4G1和四个车轮中心点连成的四边形P1P2P3P4中应用平面几何原理求出全部边长参数及角度参数：

角度参数：α_Qi、α_Gi、φ_Qi、φ_Gi、ρi、ψi(i＝1～4)；其中ρi为车轮四边形内角，ψi为车辆中心线与轮轴间的夹角，二者共同构成车架角度；

边长参数：左侧轴距|P1P2|、前轴轮距|P2P3|、右侧轴距|P3P4|、后轴轮距|P4P1|、车轮交叉对角线|P1P3|和|P2P4|；

5)根据八边形G1Q1Q2G2G3Q3Q4G4G1和四边形P1P2P3P4的边长参数和角度参数，应用平面几何原理，按照各车轮定位参数的定义计算前束角、驱动偏角、轮轴偏移、退缩角、轮迹宽度偏差、轴距偏差、横向偏位和轴偏位；

6)计算转向前展差：先根据汽车转弯状态下前轮在八边形G1Q1Q2G2G3Q3Q4G4G1和四边形P1P2P3P4中的转动关系，计算转动方向盘时两前轮从正前打直位置开始转过的实际角度，即左前轮的左转角度ξ_2LZ和右转角度ξ_2RZ，右前轮的左转角度ξ_3LZ和右转角度ξ_3RZ；检测时先向左转动方向盘，使左前轮的左转角度ξ_2LZ等于20度，这时的ξ_2LZ-ξ_3LZ即为左转时的转向前展差；再向右转动方向盘，使右前轮的右转角度ξ_3RZ等于20度，这时的ξ_3RZ-ξ_2RZ即为右转时的转向前展差；

7)计算主销后倾角、内倾角和包容角：在前轮测量臂上选取一个向量，根据该向量与车身坐标系的坐标轴间的夹角和测量臂倾角，确定该向量在车身坐标系下的坐标分量；根据该向量在正前打直、左转20度、右转20度三个位置下的坐标分量，进行向量相减和向量叉积运算，求出该向量端点的转动圆弧所确定平面的法向量及其方向角，根据该法向量的方向角求出主销后倾角和内倾角；将车轮外倾角和主销内倾角相加得到包容角；

8)计算摩擦半径：根据汽车转弯状态下前轮在八边形G1Q1Q2G2G3Q3Q4G4G1和四边形P1P2P3P4中的转向联动关系，先求出转动方向盘时两前轮测量臂中线阵相机Q2和Q3在正前打直位置处的转动半径；再将该转动半径减去正前打直位置时的边长参数|Q2P2|和|Q3P3|即可得到两前轮中心点的转动半径；最后结合前轮外倾角和主销内倾角，求出前轮接地点的转动半径，即为摩擦半径。