CN101545759A - 一种车辆制动踏板行程的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制动踏板行程测量技术，公开了一种车辆制动踏板行程的测量装置及其测量方法，具体为：图像采集装置，固定在制动踏板一侧，采集制动踏板的运动图像；计算机，电连接图像采集装置，接收制动踏板的运动图像，通过图像识别得到的不同时刻的制动踏板位置，经过几何变换得到制动踏板的行程，进而计算得到制动踏板的运动速度及加速度。

Description

一种车辆制动踏板行程的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及制动踏板行程测量技术，尤其涉及一种车辆制动踏板行程的测量装置及其测量方法。

技术背景

汽车试验领域中，通常需要记录驾驶员使用制动踏板的相关情况，如驾驶员使用制动踏板的频率以及踩制动踏板的轻重程度。制动踏板的使用与否及踩踏板的轻重直接反应了驾驶员对车辆的操作状况，是汽车实验过程中需要精确记录的一个参数，该参数可以准确地反应驾驶员在汽车实验过程中的驾驶操作行为，与车辆，道路环境参数综合后可以反应该驾驶员的驾驶行为特性，并真实的反应驾驶员、车辆、道路三者之间的相互影响，因此在汽车实验中通常需要使用相关的测量***来测量制动踏板的行程。

目前，对制动踏板行程进行测量通常有两种方法，第一种是在制动踏板上安装一块踏板力采集板，即驾驶员的脚部先施加制动力给该踏板力采集板，然后采集板再将驾驶员施加的制动力传递给制动踏板，这种方法直接测量的是制动踏板力，然后对踏板力进行换算得到制动踏板的行程。第二种方法是采用专门的线性位移传感器，使用线性位移传感器时需要对制动踏板进行拆卸，然后将该线性位移传感器安装在踏板顶部连接点内部，安装完成之后再将制动踏板复原到原来的状态。但是，现阶段使用的这两种方法都存在着一定的问题。对于第一种方法，其直接测量的不是制动踏板的行程，而是驾驶员踩制动踏板的力，由踏板力到踏板行程的转换过程中，不同车型的转换关系是不一样的，因此，使用该方法还需要进行额外的踏板刚性标定工作，以此得到从踏板力到踏板行程的转换关系；另外，由于该方法在制动踏板上安装了另外一块板状的传感器，驾驶员不是直接操作制动踏板，这样的后果使驾驶员无法正确的感知制动踏板的力反馈过程，通常叫做失去脚感，影响到驾驶员的正常操作，从而会影响实验的真实性。对于第二种方法，其测量数据准确，能正确的反应制动踏板的行程，是目前使用比较广泛的一种方法；但是，这种方法主要存在的问题是制动***的可靠性问题，汽车的制动***是一个需要严格控制可靠性的***，试验中为了安装传感器，需要对制动***进行拆卸，这样将给制动***带来失效的安全隐患，影响试验的安全性。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种投资费用少、操作简单、测量精度高的车辆制动踏板行程的测量装置。

本发明的另一个目的在于提供一种车辆制动踏板行程的测量方法，基于上述车辆制动踏板行程的测量装置。

本发明的基本原理是通过使用一个图像采集装置(摄像机)来实时采集制动踏板的运动图像，然后将制动踏板的运动图像传输至计算机。***中利用图像处理软件，通过图像识别得到制动踏板在图像中的准确位置，由于摄像机相对制动踏板的位置不变，因此，图像识别得到的不同时刻的制动踏板位置经过简单的几何变换就能够得到制动踏板的行程，进而能够计算得到制动踏板运动的速度及加速度，准确的反映驾驶员操作制动踏板的过程。

为了达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

1、一种车辆制动踏板行程的测量装置，其特征在于，包括：

图像采集装置，固定在制动踏板一侧，采集制动踏板的运动图像；

计算机，电连接图像采集装置，接收制动踏板的运动图像，通过图像识别得到的不同时刻的制动踏板位置，经过几何变换得到制动踏板的行程，进而计算得到制动踏板的运动速度及加速度。

本技术方案的进一步改进和特点在于：

所述图像采集装置为摄像头；所述摄像头采用中星YJS-01 USB2.0摄像头。

所述图像采集装置设置在制动踏板左侧。

所述图像采集装置上设置有摄像光源，摄像光源为LED灯。

2、一种车辆制动踏板行程的测量方法，基于上述车辆制动踏板行程的测量装置，图像采集装置为摄像头，其特征在于，包括以下步骤：

摄像头标定，首先制作标定板，标定板上设置标定图像，变换标定板位置，摄像机采集图像，利用这些图像进行标定，得到摄像头的参数；

图像采集，摄像头采集制动踏板的运动图像，并将采集的运动图像实时地传输至计算机；

图像预处理，去除制动踏板的运动图像中的无用点及干扰点；

提取制动踏板的轮廓图像，对经过图像预处理的运动图像进行二值化处理，提取运动图像中制动踏板的形状，得到制动踏板的轮廓图像；

提取制动踏板的特征点，选取制动踏板的特征点，提取该特征点在制动踏板的轮廓图像中的位置；

行程计算，得到特征点在制动踏板的轮廓图像中的位置之后，利用摄像头标定得到的摄像头参数，计算该特征点的位置坐标，得到与制动踏板空载时该特征点的相对位置变化，即得到制动踏板的行程，参考运动图像的时间变化，得到制动踏板的运动速度及加速度。

本技术方案的进一部改进在于：

所述选取制动踏板的特征点为其V形的尖部点。

本发明的车辆制动踏板行程的测量装置，主要部件采用摄像装置和计算机，投资费用少、操作简单、检测方便、测量精度高，而且不需要改动制动踏板，避免了现有技术中的测量失真或存在安全隐患多问题。本发明的测量方法中，运动图像的处理以及测量数据的计算由计算机直接完成，因此，操作简单，检测结果直观、可靠。

附图说明

图1为摄像头的安装及对制动踏板的拍摄示意图；

图中：1、摄像头；2、LED灯；3、钢板支架；4、制动踏板。

具体实施方式

参照图1，在车辆制动踏板行程的测量装置中，图像采集装置可以为摄像机或者摄像头，本实施例采用摄像头1。摄像头1依靠支架固定在制动踏板4左侧的车内钢板支架3上，镜头朝向制动踏板4。制动踏板4所处环境比较阴暗，因此在摄像头1上固定LED灯2作为摄像光源。制动踏板4的侧视形状为V形。

本实施例摄像头采用中星YJS-01 USB2.0摄像头，有效像素600万，将该摄像头通过USB2.0数据线连接到计算机，接收制动踏板的运动图像，通过图像识别得到的不同时刻的制动踏板位置，经过几何变换就能够得到制动踏板的行程，进而计算得到制动踏板的运动速度及加速度。

在测量制动踏板的行程时时，由于驾驶员操作制动踏板的过程非常快，因此，摄像头的采集频率必需能够满足实验***的采集需求，本实施例中所选用的摄像头采集频率为25Hz，即摄像机每秒对制动踏板采集25帧图片。

为了实现本发明的车辆制动踏板行程的测量方法，以上述车辆制动踏板行程的测量装置为基础，图像采集装置为摄像头，具体步骤如下：

(1)安装摄像头及摄像光源

摄像头选定完成之后，首先安装摄像头，摄像头采用柱状支架固定在制动踏板左侧的车内钢板上，支架与钢板采用螺栓连接。摄像头水平安装，与制动踏板垂直，LED灯固定在摄像头上面，光照方向与摄像头轴线平行，与制动踏板的垂直平面垂直。摄像头安装时需要保证镜头与制动踏板之间的距离大于20cm，否则驾驶员在操作制动踏板时可能会碰到摄像机，造成测量结果发生较大的误差。

(2)摄像头标定

首先制作标定板，标定板上设置标定图像，变换标定板位置，摄像机采集图像，利用这些图像进行标定，得到摄像头的参数。具体为：标定板由黑白相间、边长为20mm的正方形方框组成，每个方向上共5个方框。在摄像头的可视范围内变换标定板位置，让标定板面向摄像头，在不同位置各采集标定板图像，将这些图像导入到Math Works公司的数学处理软件MATLAB2008b中进行标定，得到摄像头的参数；

摄像头标定的目的是得到摄像头的参数，主要有：有效焦距f，主点o，扭曲系数fc及畸变系数kc，这些参数反应了摄像头本身所带来的图像畸变，在确定制动踏板实际位置时需要用到。

(3)计算机初始化摄像机

启动***之后，利用图像处理软件的图像初始化按钮，对摄像头进行初始化，初始化的目的是确定摄像头的采集频率，曝光量，照片质量等参数，初始化数据通过USB2.0连接线传输至摄像头，摄像头接收到初始化指令之后自动进行初始化，初始化完成之后返回初始化完成信号给计算机，指示可以开始图像采集过程。

(4)图像采集与传输

摄像头采集制动踏板的运动图像，并将采集的运动图像实时地传输至计算机。当计算机接收到摄像头初始化完成信号之后，在图像处理软件中显示***已就绪，可以开始采集，实验人员通过图像处理软件控制摄像机开始采集制动踏板的实时运动图像，采集过程中，摄像头按照初始化得到的采集速率，曝光量，照片质量等参数实时采集制动踏板的运动图像。如果摄像头出现故障无法采集运动图像时，摄像头将向计算机发送无法采集运动图像的信号，该信号将在图像处理软件中显示，提醒实验人员采取相关措施排除故障。

摄像头在图片采集过程中，实时地将采集到的运动图像发送到计算机中，该发送过程与运动图像的采集过程是同时进行，即摄像头以25Hz的速率不停的采集制动踏板的运动图像，同时将采集到的运动图像通过USB2.0数据线发送到计算机中供图像处理软件采集使用。

(5)图像预处理

去除制动踏板的运动图像中的无用点及干扰点。图像处理软件采用滤波算法对制动踏板的原始的运动图像进行预处理，主要是去除原始的运动图像中与制动踏板无关的相关信息，防止在后面轮廓提取过程中由于这些无关信息的干扰发生错误，造成测量结果的错误。图像处理软件采用滤波算法对原始的运动图像进行处理，具体实施过程是对于制动踏板的运动图像中的某个点，如果该点的周围存在着物体图像的其他像素，所述其他像素的周围还存在着物体图像的像素，即这些点是连续的，这样就认为该点是属于制动踏板的。相反的，如果某点或某个小区域的周围不存在制动踏板图像的其他像素点，则该点或该区域不属于制动踏板的图像，是其他干扰部分的图像，因此将这些点去除。

(6)提取制动踏板的轮廓图像

对经过图像预处理的运动图像进行二值化处理，提取运动图像中制动踏板的形状，得到制动踏板的轮廓图像。轮廓提取的目的是得到制动踏板的边界形状，为后续的制动踏板的行程测量提供制动踏板的外形轮廓。图像处理软件中采用二值化方法对图像进行轮廓提取，所谓二值化是根据像素的灰度值来判断该点是否属于制动踏板，如果是则将该点的值改为0，即灰度为0，用黑色将该点标记，反之如果某点不属于制动踏板，则将该点记为1，即灰度为255，用白色将该点标记。对一帧图像按照此方法运算完成之后，图像中的黑色部分即为制动踏板的形状。对摄像头采集到的一帧图像，图像中每个像素的值是该点的灰度值，在0到255之间变化。轮廓提取程序中，首先通过实验确定一个阈值，如130，然后将制动踏板的图像中每个点的灰度值与该阈值进行比较运算，如果该点的灰度值大于该阈值，则认为该点不属于制动踏板，用白色标记，反之如果该点的灰度值小于该阈值，则认为改点属于制动踏板，用黑色标记。

(7)提取制动踏板的特征点

选取制动踏板的V形的尖部点作为特征点，得到该特征点在制动踏板的轮廓图像中的位置。制动踏板作为一个整体，制动过程中该整体的所有点都遵循定轴旋转运动规律，因此，只需要得到制动踏板上某个点的位置变化就能反应制动踏板的运动状态，得到制动踏板的行程。

为了保证图像处理软件每次都能对制动踏板上的某一确定点，即特征点进行数据计算得到制动踏板的行程，***中需要能够明确的确定某一特征点，制动踏板上可以使用的特征点有三个，包括与驾驶员脚底接触面的上边沿点，下边沿点，另外一个是V形制动踏板位于最低部的尖形点。本实施例中使用最低部的尖形点作为特征点，因为其他两个备选特征点在实际操作时容易受到驾驶员脚部动作的影响，对测量精确度会造成一定影响。图像处理软件对轮廓提取完成之后的图片进行特征点提取，具体提取算法是判断该特征点以下的图像是否还有制动踏板的像素点；如果没有，则该点就是***所需要的特征点，反之不是，继续对下一个像素点进行判断计算。

(8)行程计算

得到特征点在制动踏板的轮廓图像中的位置之后，利用摄像头标定得到的摄像头参数，计算该特征点的位置坐标，得到与制动踏板空载时该特征点的相对位置变化，即得到制动踏板的行程，参考运动图像的时间变化，得到制动踏板的运动速度及加速度。

具体为：图像处理软件得到制动踏板的特征点之后，记录该点在运动图像中的坐标，用(x，y)两轴坐标系的坐标表示。由于摄像头采用凸形镜头采集制动踏板的运动图像，从真实运动图像到摄像头所采集到的运动图像之间存在着图像畸变的变换关系，这个变换关系主要通过摄像头的参数来表示，摄像头的参数通过前面所述的摄像头标定过程得到。反之，在得到摄像头所采集的运动图像之后，依据摄像头的这些参数可以逆向得到制动踏板在实际中位置，由于摄像头是固定安装的，因此制动踏板在实际中位置的变换直接反应制动踏板的行程，只需要对两个位置进行距离计算，即得到制动踏板的行程。

计算机实际计算制动踏板行程时，只对选定的特征点进行逆向计算，得到该点在实际中的位置，也用两轴坐标系中的坐标点(X，Y)表示。在制动踏板空载时确定特征点原始位置坐标(X0，Y0)，对每帧运动图像处理完成之后，得到特征点在实际中的位置，用(X，Y)表示，此时，点(X，Y)与点(X0，Y0)之间的距离就是该时刻制动踏板的行程，将特征点连续的两个位置进行计算，得到这个时间段以内制动踏板的行程，除以该时间段的时间则得到该时间段内制动踏板的速度，进而计算得到加速度。计算机得到制动踏板的行程之后，在软件窗口中实时显示，供实验人员参考使用，同时在计算机中创建一个EXCEL表格，将实验过程中的制动踏板行程按照时间序列填入该EXCEL表格，供实验人员后续分析使用。

Claims (6)

1、一种车辆制动踏板行程的测量装置，其特征在于，包括：

图像采集装置，固定在制动踏板一侧，采集制动踏板的运动图像；

计算机，电连接图像采集装置，接收制动踏板的运动图像，通过图像识别得到的不同时刻的制动踏板位置，经过几何变换得到制动踏板的行程，进而计算得到制动踏板的运动速度及加速度。

2、根据权利要求1所述的一种车辆制动踏板行程的测量装置，其特征在于，所述图像采集装置为摄像头；所述摄像头采用中星YJS-01 USB2.0摄像头。

3、根据权利要求1所述的一种车辆制动踏板行程的测量装置，其特征在于，所述图像采集装置设置在制动踏板左侧。

4、根据权利要求1所述的一种车辆制动踏板行程的测量装置，其特征在于，所述图像采集装置上设置有摄像光源，摄像光源为LED灯。

5、一种车辆制动踏板行程的测量方法，基于权利要求1所述的车辆制动踏板行程的测量装置，图像采集装置为摄像头，其特征在于，包括以下步骤：

摄像头标定，首先制作标定板，标定板上设置标定图像，变换标定板位置，摄像机采集图像，利用这些图像进行标定，得到摄像头的参数；

图像采集，摄像头采集制动踏板的运动图像，并将采集的运动图像实时地传输至计算机；

图像预处理，去除制动踏板的运动图像中的无用点及干扰点；

提取制动踏板的轮廓图像，对经过图像预处理的运动图像进行二值化处理，提取运动图像中制动踏板的形状，得到制动踏板的轮廓图像；

提取制动踏板的特征点，选取制动踏板的特征点，提取该特征点在制动踏板的轮廓图像中的位置；

行程计算，得到特征点在制动踏板的轮廓图像中的位置之后，利用摄像头标定得到的摄像头参数，计算该特征点的位置坐标，得到与制动踏板空载时该特征点的相对位置变化，即得到制动踏板的行程，参考运动图像的时间变化，得到制动踏板的运动速度及加速度。

6、根据权利要求1所述的一种车辆制动踏板行程的测量方法，所述选取制动踏板的特征点为其V形的尖部点。

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