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)器視覺技術(shù)而設(shè)計(jì)的照相機(jī)，從而為工場業(yè)主和進(jìn)行操作的技術(shù)人員帶來很多的好處和方便。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有電子測量探頭。眾所周知，正是這種電子測量探頭是產(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。工場業(yè)主和進(jìn)行操作的技術(shù)人員可以方便認(rèn)識到，和普通的測量探頭系統(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際市場后，人們馬上意識到，基于dos操作系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)語言翻譯和市場特定的車輛的技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)庫的任務(wù)受到限制。1998年決定，和公司的常規(guī)四輪定位儀的開發(fā)工作一起進(jìn)行，研制開發(fā)專門用于3維圖像四輪定位儀的視窗用戶接口。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種語言環(huán)境和13個不同的技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)庫。此外，視窗還提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接功能，由于目前汽車維修業(yè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在汽車的前臺銷售和后臺的車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)，可以在光線暗淡場所工作，和安全和監(jiān)視用途的照相機(jī)相似。具有知識產(chǎn)權(quán)的專門設(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)沒有不同。照相機(jī)的視野

4、（見圖2-1/2-2）物鏡安裝在四輪定位框架的每一側(cè)，好像一個錐形的“通道”，隨著照相機(jī)朝外移動增加尺寸。這種通道在接近以前轉(zhuǎn)盤處為中心的直徑約為2 1/2 英尺的范圍內(nèi)。通道的中心線和一般車輛的主軸接近，離開普通汽車的外輪表面約18英寸。事實(shí)上，照相機(jī)就是為車間使用而設(shè)計(jì)的，所以一旦目標(biāo)盤安裝在普通的汽車上后，就能位于這個通道的中心。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輛，從最寬的車輛到最窄車輛，都能在照相機(jī)的視野范圍內(nèi)的捕捉到目標(biāo)盤。頻率篩選板安裝了80個規(guī)律排列的紅外線發(fā)光二極管提供光源，發(fā)射至目標(biāo)盤以便照相機(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)，圖象每秒鐘都會被“抓取”（發(fā)光二極管每秒鐘大約發(fā)光2次）目標(biāo)盤目標(biāo)盤的可見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，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。一旦離開光源，光線的亮度就會很快得變?nèi)?。在馬路標(biāo)志的某些地方就有這種回射材料。這種材料把來自車輛頭燈的光線反射到車輛駕駛員的眼睛上。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，其他車輛的駕駛員不能看

6、見車輛的頭燈射來的光線。在3維圖像四輪定位儀工作的時(shí)候，發(fā)光二極管發(fā)出的光線射向目標(biāo)盤，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特點(diǎn)。第一個特點(diǎn)是這種玻璃為“光學(xué)級別”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由于缺陷和雜質(zhì)的存在而發(fā)生改變。第二個特點(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)的形式儲存在程序中，并且成為一個視覺測量系統(tǒng)的基本常數(shù)。. 在每一個目標(biāo)盤上有33個，以非常清晰的樣式布置的圓點(diǎn)。對于圓點(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，它們又是對稱分布的。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”，這對于識別角度是非常重要的。另外要注意的是，為了使照相機(jī)的視覺距離更遠(yuǎn)，在后目標(biāo)盤上的圓點(diǎn)要比前目標(biāo)盤上點(diǎn)更大。工程師非常精確地設(shè)計(jì)了目標(biāo)盤圓點(diǎn)的圖像樣式，他們知

8、道每一個圓點(diǎn)的尺寸，以及任何一個圓點(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輛上的目標(biāo)盤和計(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目標(biāo)盤都達(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)盤制作方法，以便保證每一個制作的目標(biāo)盤和原始設(shè)計(jì)的完全一樣。目標(biāo)盤的獲得在我們開始一項(xiàng)新的四輪定位操作時(shí)，程序并不知道目標(biāo)盤放置在何處。計(jì)算機(jī)軟件驅(qū)動照相機(jī)，開始在“搜索模式”工作，在照相機(jī)的整個視野范圍尋找任何目標(biāo)盤。我們在屏幕上可以看到4個車輪上的紅色的目標(biāo)盤圖像，而知道這個搜索的過程。因?yàn)檐?/p>

9、件能夠識別目標(biāo)盤，一旦軟件發(fā)現(xiàn)一類似目標(biāo)盤的物體時(shí)，一個稱為“適合運(yùn)算法則”的程序（決定有關(guān)的物體和目標(biāo)盤相象的程度的方法）就開始工作。利用這種程序，忽略了不是目標(biāo)盤的物體（諸如車輛的反射燈）。當(dāng)每一個目標(biāo)盤都被發(fā)現(xiàn)，并且確定（獲得）后，屏幕變成綠色，顯示出放置在車輛輪子上的目標(biāo)盤。一旦獲得了目標(biāo)盤，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。這樣可以使系統(tǒng)對變化位置的目標(biāo)盤作出相應(yīng)。3維視覺原理 從上面對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，對于計(jì)算機(jī)軟件用什么方法來處理目標(biāo)盤圓點(diǎn)的照相機(jī)圖像，并且把圖像演繹為四輪定位角度，我們在下面將進(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，每一個目標(biāo)盤離開照相機(jī)多少距離。眾所周知，物體離開我們越遠(yuǎn)，它就顯得越小，盡管物體的真實(shí)的大小沒有變化。你看見的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，“測量”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)此知道螺絲刀離開你的眼睛的距離。下面將要更詳細(xì)地說明有關(guān)的數(shù)學(xué)原理。鉛筆（長度固定）焦點(diǎn)距離（鏡頭內(nèi)固定）在這個例子中，照相機(jī)置于空間的每個固定點(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。鉛筆的長度為p，由鉛筆的設(shè)計(jì)者決定。看到的鉛筆的尺寸由焦點(diǎn)的“軟件”進(jìn)行測量，得出數(shù)值為a。這個實(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圖像，并且精確地測量出圖像中每一個圓點(diǎn)的尺寸這就是看到的尺寸（a）。我們已經(jīng)討論過了已知的焦距值（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量出從照相機(jī)到目標(biāo)盤的任何一個圓點(diǎn)之間的距離，而且測量的精確度非常高測量20英尺外的目標(biāo)盤的尺寸，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）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)（視線和物體垂直。或者成90度），能夠看到目標(biāo)盤鉛筆的整個長度。當(dāng)螺絲刀在你的眼前從90度位置轉(zhuǎn)動時(shí)，會發(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于正常視角（90度）的角度方位了。在這個例子中，照相機(jī)置于空間的每一個固定點(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)行測量，得出數(shù)值 為b。這個實(shí)驗(yàn)的目的是決定相對于正常位置（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量出目標(biāo)盤的距離和它們的方位角度了

14、。當(dāng)然，在四輪定位時(shí)，在每一個給定的時(shí)刻，這些圓點(diǎn)離開照相機(jī)的距離和方位角度各不相同。人們可能會問：“四輪定位儀怎么才能識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)盤的大小要比目標(biāo)盤的實(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)盤由單個大的圓點(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）看一個圓時(shí)，無論從那個方向去測量，圓的直徑總是相同的。當(dāng)圓圈離開你的時(shí)候，由于上

15、述的透視效應(yīng)，圓圈的直徑變小。現(xiàn)在來看看，當(dāng)圓圈沿著x軸轉(zhuǎn)動時(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)動越大，圓在y軸的直徑值就越小。事實(shí)上，存在一個數(shù)學(xué)關(guān)系，你只要測量出y軸線的長度和x軸線的長度（圓的真實(shí)的直徑），就能測量出圓圈的旋轉(zhuǎn)角度。把所有得到的綜合起來，在任何的方向（x,y,z,）不管怎樣地旋轉(zhuǎn)圓圈，我們總是能夠測量出真實(shí)的直徑軸。這也就是“橢圓的長軸”。3維圖像四輪定位儀可以測量出目標(biāo)盤圓點(diǎn)的每一個直徑值，并且利用求得的長軸作為真實(shí)直徑，用透視原理來確定目標(biāo)盤的距離。然后再測量和真實(shí)直徑離開90度的其他方位的直徑值，利用透視縮短原理來求得短軸值和相對于正常位置的方位角。

16、利用上述的方法，可以決定目標(biāo)盤圓點(diǎn)相對于照相機(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別透視效應(yīng)和方位。下面就是一個目標(biāo)盤在不同的方位轉(zhuǎn)動時(shí)看到的圖像例子。 在我們的討論中，我們假定目標(biāo)盤只有一個圓點(diǎn)。但是，實(shí)際上每一個目標(biāo)盤有33個圓點(diǎn)（目標(biāo)盤也有4個）。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)的圖像來確定目標(biāo)盤在三度空間的位置和方向。下面來討論3維圖像四輪定位儀是怎樣利用上述的原理來測量四輪定位的角度。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)盤的確切位置，但是還不知道車輛的位置。當(dāng)然，目標(biāo)盤是放置在車輪上的，這樣就和四輪定位角度聯(lián)系起來了。這里所用的術(shù)語“四輪定位”有些誤導(dǎo)作用。我們并不是在此調(diào)節(jié)車輪，而是調(diào)節(jié)會引起車輛變化的懸掛件和轉(zhuǎn)向部件。事實(shí)上，接受對準(zhǔn)的是車輛的主軸，而車輪只是在駕駛時(shí)才起作用。所有的四輪定位儀識別都以車輛的主軸作為對準(zhǔn)的起始點(diǎn)。通常把測量裝置直接對著主軸測量，或者進(jìn)行偏差補(bǔ)償基準(zhǔn)重力測量。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測量主軸。我們用星形記號代表車輪/輪胎上的一個點(diǎn)。如果我們轉(zhuǎn)動車輪/輪胎，并且跟蹤車輪/輪胎上面的各個點(diǎn)的星號的位置，我們會發(fā)現(xiàn)星號的移動軌跡是一個圓圈。如果我們能夠求得圓圈的中心，就能夠決定車輪/輪胎的轉(zhuǎn)動軸心。在汽車術(shù)語中，車輪的轉(zhuǎn)動中心就成為主軸。3維圖像四輪定位儀采用稱為“定位”的方法，來確定車輛的主軸。在進(jìn)行定位時(shí)，我們朝后推動車輛，轉(zhuǎn)動車輪/輪胎/目標(biāo)盤。當(dāng)車輛移動時(shí)，照相機(jī)就跟蹤目標(biāo)盤圓點(diǎn)的位置和方向。如果車輛轉(zhuǎn)動360度，則每一個圓點(diǎn)會完成一個圓圈。如果獲得這樣的圓圈，并且測量出圓圈的中心，我們就能夠知道車輛的主軸。由于圓點(diǎn)也沿著軸心移動，計(jì)算機(jī)軟件就能夠測量出主軸在三個方位相對于照相機(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)盤上的圓點(diǎn)不止一個，而是有33個反射