CN110081841A - 3d四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及*** - Google Patents

3d四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及***，属于汽车技术领域。该方法首先将目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；而后利用理想目标盘模型逐步靠近实际目标盘位置，通过迭代法计算确定实际目标盘上部分圆点的实际坐标，再确定目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；进而利用所述的大概位置缩小计算范围，通过同样的迭代法计算实际目标盘上全部圆点的实际坐标，从而确定目标盘的三维坐标，本发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其应用简单快速，技术门槛更低，实现成本低廉，且本发明的标定精度高的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定***，其架构简单，应用范围也十分广泛。

Description

3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及***
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，特别涉及四轮定位技术领域，具体是指一种3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及***。
背景技术
3D四轮定位仪是汽车四轮定位的常用仪器设备。目标盘是3D四轮定位仪中的重要部分。在使用3D四轮定位仪时，需利用目标盘确定轮胎的姿态是否正确，这就需要在使用3D四轮定位仪前，对目标盘的三维坐标进行确定。目标盘的三维坐标采用的世界坐标系是指以相机标定后的光心作为坐标系原点(0，0，0)。目标盘的坐标系则是指横向圆心的连线为X轴，竖向圆心的连线为Y轴，X轴和Y轴形成的平面的法向量为Z轴。
目前的3D四轮定位仪目标盘的标定方法通常利用不同角度拍摄的目标盘图像进行图像分析后确定。这样的确定方法存在操作较为困难，特别依赖工程人员的经验，且精度不高等问题。因此，如何提供一种操作简单，快速，且精度高的目标盘坐标确定方法成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种应用简单快速，技术门槛更低，且标定精度高的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及***。
为了实现上述的目的，本发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法包括以下步骤：
(1)将目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；
(2)利用部分所述的圆点的实际坐标确定目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；
(3)利用所述的大概位置计算目标盘的实际三维坐标。
该3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
利用以下公式计算目标盘图片中目标盘各圆点的实际坐标(X,Y)，
X＝(Px-Cx)×Sx
Y＝(Py-Cy)×Sy
其中，P为像素坐标，C为拍摄所述目标盘图片的相机标定后的光心坐标(0,0)，S为像素的实际大小。
该3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)确定目标盘在XY轴上倾向哪个方向；
(22)在所述的目标盘的各圆点中选取若干个点，利用理想目标盘模型反复接近所选取的点，并基于所述的目标盘在XY轴上倾向方向，确定所选取点的在实际坐标中的位置；
(23)基于所选取点的在实际坐标中位置确定所述的目标盘在所述的实际坐标中的大概位置。
该3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法中，所述的选取的点的数量为3个。
该3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法中，所述的步骤(22)具体包括以下步骤：
(22-1)建立一个理想的目标盘模型，将该目标盘模型放在实际坐标中的(0,0,1)位置；
(22-2)在实际坐标中的XYZ轴上分别平移所述的目标盘模型，每次移动1米，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与目标盘上选取的点的投影坐标作比较，选取10米内反投影误差最小的位置作为该选取的点的大概位置；
(22-3)在实际坐标中的XYZ轴上分别旋转所述的目标盘模型，每次旋转10度，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与目标盘选取的点的投影坐标作比较，选取90度以内反投影误差最小的位置作为该选取的点的大概位置；
(22-4)多次重复上述步骤(22-2)与(22-3)对目标盘模型进行平移和旋转，并同时逐步缩小平移和旋转的尺度，直至平移距离小于1毫米，旋转度数小于0.01度，以确定一个选取的点的位置；
(22-5)重复上述步骤(22-2)至(22-4)，确定所有选取的点的位置。
该3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法中，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(31)在实际坐标中的XYZ轴上分别平移所述的目标盘模型，每次移动0.1米，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与当前的点的投影坐标作比较，选取1米内反投影误差最小的位置作为该当前的点的位置；
(32)在实际坐标中的XYZ轴上分别旋转所述的目标盘模型，每次旋转1度，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与当前的点的投影坐标作比较，选取10度以内反投影误差最小的位置作为该当前的点的位置；
(33)多次重复上述步骤(31)与(32)对目标盘模型进行平移和旋转，并同时逐步缩小平移和旋转的尺度，直至平移距离小于1毫米，旋转度数小于0.01度，以确定当前的点的位置；
(34)重复上述步骤(31)至(33)，确定所述的目标盘上所有的点的位置。
本发明还提供一种3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定***，该***包括：相机和处理器；
该相机已经标定，其光心为实际坐标(0,0,0,)，用以拍摄并获取目标盘图片；
所述的处理器用以将所述的目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；利用所述各圆点的实际坐标计算目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；并用以利用所述的大概位置计算目标盘的实际三维坐标。
采用了该发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及***，其方法首先将目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；而后利用理想目标盘模型逐步靠近实际目标盘位置，通过迭代法计算确定实际目标盘上部分圆点的实际坐标，再确定目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；进而利用所述的大概位置缩小计算范围，通过同样的迭代法计算实际目标盘上全部圆点的实际坐标，从而确定目标盘的三维坐标，本发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其应用简单快速，技术门槛更低，实现成本低廉，且本发明的标定精度高的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定***，其架构简单，应用范围也十分广泛。
附图说明
图1为本发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法的步骤流程图。
图2为本发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法在实际应用中的流程示意图。
图3为拍摄的3D四轮定位仪目标盘图片示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法的步骤流程图。
在一种实施方式中，该3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法包括以下步骤：
(1)将目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；
(2)利用部分所述的圆点的实际坐标确定目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；
(3)利用所述的大概位置计算目标盘的实际三维坐标。
在一种优选的方式中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
利用以下公式计算目标盘图片中目标盘各圆点的实际坐标(X,Y)，
X＝(Px-Cx)×Sx
Y＝(Py-Cy)×Sy
其中，P为像素坐标，C为拍摄所述目标盘图片的相机标定后的光心坐标(0,0)，S为像素的实际大小(微米级)。
在另一种优选的方式中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)确定目标盘在XY轴上倾向哪个方向；
(22)在所述的目标盘的各圆点中选取若干个点，可以为3个，利用理想目标盘模型反复接近所选取的点，并基于所述的目标盘在XY轴上倾向方向，确定所选取点的在实际坐标中的位置；
(23)基于所选取点的在实际坐标中位置确定所述的目标盘在所述的实际坐标中的大概位置。
在进一步优选的实施方式中，所述的步骤(22)具体包括以下步骤：
(22-1)建立一个理想的目标盘模型，将该目标盘模型放在实际坐标中的(0,0,1)位置；
(22-2)在实际坐标中的XYZ轴上分别平移所述的目标盘模型，每次移动1米，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与目标盘上选取的点的投影坐标作比较，选取10米内反投影误差最小的位置作为该选取的点的大概位置；
(22-3)在实际坐标中的XYZ轴上分别旋转所述的目标盘模型，每次旋转10度，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与目标盘选取的点的投影坐标作比较，选取90度以内反投影误差最小的位置作为该选取的点的大概位置；
(22-4)多次重复上述步骤(22-2)与(22-3)对目标盘模型进行平移和旋转，并同时逐步缩小平移和旋转的尺度，直至平移距离小于1毫米，旋转度数小于0.01度，以确定一个选取的点的位置；
(22-5)重复上述步骤(22-2)至(22-4)，确定所有选取的点的位置。
在更优选的实施方式中，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(31)在实际坐标中的XYZ轴上分别平移所述的目标盘模型，每次移动0.1米，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与当前的点的投影坐标作比较，选取1米内反投影误差最小的位置作为该当前的点的位置；
(32)在实际坐标中的XYZ轴上分别旋转所述的目标盘模型，每次旋转1度，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与当前的点的投影坐标作比较，选取10度以内反投影误差最小的位置作为该当前的点的位置；
(33)多次重复上述步骤(31)与(32)对目标盘模型进行平移和旋转，并同时逐步缩小平移和旋转的尺度，直至平移距离小于1毫米，旋转度数小于0.01度，以确定当前的点的位置；
(34)重复上述步骤(31)至(33)，确定所述的目标盘上所有的点的位置。
本发明还提供一种3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定***，该***包括：相机和处理器；该相机已经标定，其光心为实际坐标(0,0,0,)，用以拍摄并获取如图3所示的目标盘图片；所述的处理器用以将所述的目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；利用所述各圆点的实际坐标计算目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；并用以利用所述的大概位置计算目标盘的实际三维坐标。
在实际应用中，本发明的采用机器视觉技术，其是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。目前四轮定位仪已进入到3D测量，通过两个相机拍摄装在四个轮胎上的目标盘来确定汽车底盘轮胎的各个角度。
拍摄到的目标盘图片如图3所示，目标盘具有5×5预先设定好规格的圆点，已经计算出每个圆的圆心。本发明是通过这些圆心在图像的坐标，来计算出这个图案(目标盘)在三维空间中相对于相机的坐标系。事先已对相机标定，已知相机的焦距、光心、畸变系数。
实际应用中，本发明的方法的实现流程如图2所示。
首先，由已知的相机内部参数把圆心在图片中的像素坐标转换为实际坐标，以米为单位，公式：X＝(Px-Cx)×Sx，Y＝(Py-Cy)×Sy，其中P是像素坐标，C是相机标定后的光心坐标(0，0)，S是每个像素实际大小(微米级)。
而后，确定目标盘大概位置。大体包括以下内容：
确定目标盘在XY轴上倾向哪个方向，为后面计算反投影误差确定方向，避免造成大的错误。
取目标盘上3个圆点，用来计算大概位置。与常规的halcon，opencv等机器视觉软件不同，本发明采用迭代法来逐渐靠近真实数据。前提是建立一个理想的目标盘模型A，放在(0，0，1)的位置，首先作平移，在XYZ三个轴上移动A，移动一次计算反投影误差，跟投影坐标作比较，A在三轴上以1米为单位移动，在10米内选取反投影误差最小的位置。
然后A在三轴上做旋转，90度内反投影误差最小的是其位置，方法同上。
接下来缩小平移单位和旋转单位，方法同上，再接下来再缩小平移和旋转单位，反复做200次循环，直到平移单位和旋转单位都符合要求，即平移1毫米以内，旋转0.01度以内。
最后，是采用迭代法来计算整个目标盘三维坐标。基本方法与确定3个圆点的位置方法是相同的。这次是将目标盘上所有的圆点(25个)都进行计算。前一步计算3个圆点是为了加快计算时间，在大概位置已确定的情况下，再来计算25圆点所需的时间就更少。
采用了该发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法及***，其方法首先将目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；而后利用理想目标盘模型逐步靠近实际目标盘位置，通过迭代法计算确定实际目标盘上部分圆点的实际坐标，再确定目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；进而利用所述的大概位置缩小计算范围，通过同样的迭代法计算实际目标盘上全部圆点的实际坐标，从而确定目标盘的三维坐标，本发明的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其应用简单快速，技术门槛更低，实现成本低廉，且本发明的标定精度高的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定***，其架构简单，应用范围也十分广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；
(2)利用部分所述的圆点的实际坐标确定目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；
(3)利用所述的大概位置计算目标盘的实际三维坐标。
2.根据权利要求1所述的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
利用以下公式计算目标盘图片中目标盘各圆点的实际坐标(X,Y)，
X＝(Px-Cx)×Sx
Y＝(Py-Cy)×Sy
其中，P为像素坐标，C为拍摄所述目标盘图片的相机标定后的光心坐标(0,0)，S为像素的实际大小。
3.根据权利要求2所述的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)确定目标盘在XY轴上倾向哪个方向；
(22)在所述的目标盘的各圆点中选取若干个点，利用理想目标盘模型反复接近所选取的点，并基于所述的目标盘在XY轴上倾向方向，确定所选取点的在实际坐标中的位置；
(23)基于所选取点的在实际坐标中位置确定所述的目标盘在所述的实际坐标中的大概位置。
4.根据权利要求3所述的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其特征在于，所述的选取的点的数量为3个。
5.根据权利要求3所述的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其特征在于，所述的步骤(22)具体包括以下步骤：
(22-1)建立一个理想的目标盘模型，将该目标盘模型放在实际坐标中的(0,0,1)位置；
(22-2)在实际坐标中的XYZ轴上分别平移所述的目标盘模型，每次移动1米，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与目标盘上选取的点的投影坐标作比较，选取10米内反投影误差最小的位置作为该选取的点的大概位置；
(22-3)在实际坐标中的XYZ轴上分别旋转所述的目标盘模型，每次旋转10度，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与目标盘选取的点的投影坐标作比较，选取90度以内反投影误差最小的位置作为该选取的点的大概位置；
(22-4)多次重复上述步骤(22-2)与(22-3)对目标盘模型进行平移和旋转，并同时逐步缩小平移和旋转的尺度，直至平移距离小于1毫米，旋转度数小于0.01度，以确定一个选取的点的位置；
(22-5)重复上述步骤(22-2)至(22-4)，确定所有选取的点的位置。
6.根据权利要求5所述的3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(31)在实际坐标中的XYZ轴上分别平移所述的目标盘模型，每次移动0.1米，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与当前的点的投影坐标作比较，选取1米内反投影误差最小的位置作为该当前的点的位置；
(32)在实际坐标中的XYZ轴上分别旋转所述的目标盘模型，每次旋转1度，并计算反投影误差，将所述的反投影误差与当前的点的投影坐标作比较，选取10度以内反投影误差最小的位置作为该当前的点的位置；
(33)多次重复上述步骤(31)与(32)对目标盘模型进行平移和旋转，并同时逐步缩小平移和旋转的尺度，直至平移距离小于1毫米，旋转度数小于0.01度，以确定当前的点的位置；
(34)重复上述步骤(31)至(33)，确定所述的目标盘上所有的点的位置。
7.一种3D四轮定位仪目标盘三维坐标的确定***，其特征在于，该***包括：
相机，已经标定，其光心为实际坐标(0,0,0,)，用以拍摄并获取目标盘图片；
处理器，用以将所述的目标盘图片中目标盘各圆点的像素坐标转换为实际坐标；利用所述各圆点的实际坐标计算目标盘在所述的实际坐标中的大概位置；并用以利用所述的大概位置计算目标盘的实际三维坐标。
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