基于双目立体视觉的汽车制动性能检测系统研究

发布时间：2017-09-30 22:37

  本文关键词：基于双目立体视觉的汽车制动性能检测系统研究

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【摘要】：近年来我国的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，汽车保有量迅速增加，带来交通安全和环境保护等社会问题，，使得人们对汽车检测诊断技术和设备的需求与日俱增。汽车的制动性能对车辆运行的安全性起着至关重要的作用，对汽车行驶的燃油经济性和生产运输效率也有一定的影响。因此，作为汽车安全以及经济效益检测的重要指标，汽车制动性能检测具有十分重要的意义。 目前，公安系统的安全检测、交通系统的性能检测及修理厂的维修检测等机构对在用车的制动性能检测普遍采用滚筒反力式制动试验台和平板式制动试验台，受自身的结构和测量原理的限制，这两种设备只能检测速度很低的车辆，意味着对带有ABS制动系统的车辆的制动性能不能很好评价，同时检测参数都不是像制动距离这样的直接参数，所以检测结果反映不出汽车的实际制动性能。汽车制动性能道路测试技术俗称路试法是特殊的方法，制动效能(即制动距离和时间)和制动时方向的稳定性(即制动跑偏和侧滑)是其判断依据。该法能真实反映在用车的技术状况且适用于所有的车辆，但在检测过程中需要对每一辆在用车安装并拆卸设备，无法满足检测线自动化、高速化的要求。另外，国标GB21861-2008规定对不能在线检测的车辆或车主对检测结果存在质疑时，用路试进行制动性能检验并作为最终结果，可见路试法的重要性和无可替代性。但现有的路试设备却阻碍了检测技术向自动化、智能化方向发展的需求。因此，使用先进的计算机技术和自动化检测设备替代传统的方法势在必行。 台式法和路试法对汽车稳定性的评判都还停留在人工主观判断阶段，对其指标车辆的侧向路径偏离量不能定量给出。因此研发一种设备来解决这个问题是本课题的研究方向。同时，该设备也具备有效评价带有ABS的车辆的能力。基于这两点的考虑，本文选择路试法作为研究对象，依托国家标准《机动车运行安全技术条件》，设计开发了基于立体视觉的检测系统，提出了利用双目立体视觉实现对制动性能检测的自动化测量方法。论文基于立体视觉理论，以靶标图像的特征提取及匹配、摄像机的标定等视觉技术为基础，研究了检测过程中汽车制动的运动学模型，设计出适合本视觉检测系统的算法。为验证本文提出的汽车制动性能视觉检测系统的精度及可靠性，构建了视觉系统的检定装置来模拟汽车真实的制动过程，并对其所完成的检定功能进行了数据分析，指出了该检定装置在其精度检定方面存在的理论误差。最后进行了针对该系统的实车试验研究，取得了一定创造性的成果。本文的主要研究内容及成果如下： 1)研究适用的图像处理算法。特征点的精确提取和检测识别是所有视觉工作的前提。针对特定的目标，图像处理算法已相对成熟，但各个算法之间没有互通性。本文的一个重点工作就是针对测量任务，圆、椭圆和四边形这三个特征的检测进行适合本制动性能检测系统的算法研究。分析常用图像匹配预处理、角点检测、立体匹配算法的检测原理及缺陷，在这些算法的基础上，针对本文的目的，添加条件做出改进并进行单机测试来验证算法的正确性。 2)研究适用的标定方法。进行视觉测量的基准与前提是进行摄像机标定。获得整个汽车车身图像要求双摄像机呈水平模式摆放，高精度的测试要求选择精度高的立体棋盘格状的靶标和传统的摄像机标定方法，考虑到室外进行图像采集会带来图像畸变，本文设计了基于径向畸变的摄像机参数标定新方法，对选择的高分辨率的双摄像机实现精确标定，获得摄像机内外参数。在执行标定算法前，利用改进的Harris角点提取算法检测并提取出由四个黑白相间的方格组成的X型角点。标定试验确定系统具有最佳精度时的四个因素有：两摄像机中心的连线距离、摄像机到地面的距离、摄像机到标定靶标的距离和摄像机向下倾斜的角度。 3)研究精度验证装置及试验。开发出一套验证汽车制动性能系统精度的装置，利用横向移动式小车、纵向移动式小车分别在横向导轨、纵向导轨上匀速、加速和减速运动，模拟汽车实际制动过程，图像处理后，对比分析数据，验证系统精度。 4)设计制动性能视觉检测系统。结合测量指标，系统介绍了双目视觉测距原理，并将此原理和汽车制动性能参数一起研究，深入剖析了制动距离、制动减速度和车辆的侧向路径偏离量的关系，提出利用车上某一点代替整个汽车进行检测的视觉测量原理。结合视觉检测系统的设计目标及性能评价目标，合理设计出基于视觉的制动性能检测系统的软硬件方案。在硬件的选择上着重分析选择摄像机的参数，并以硬件为依托，开发软件系统在线显示路试新方法的操作。 5)试验验证基于立体视觉的汽车制动性能检测系统。利用在用车研究了本文提出的方法。在试验车上安装便携式制动性能测试仪，在车顶上粘贴四个长方形标志，在路试跑道上进行制动测试。图像处理车身图像后在路试软件界面上显示制动距离、制动减速度和车辆的侧向路径偏离量，并给出最终的评定结果。将试验结果进行对比，证明本文方法理论正确。再对其他车辆进行多次试验验证方法的有效性和适用性，试验结果表明，本文提出方法能够自动化非接触检测出制动性能参数且测试精度高。 论文所作的研究与开发工作在汽车检测领域是一个创新，是立体视觉检测技术与实际相结合的一个实际应用。研究出的适用的视觉检测算法为立体视觉检测技术添砖加瓦，同时在汽车路试制动性能检测中添加新的技术-立体视觉技术，解决了现今制动性能检测方法的瓶颈问题，积极的推动了汽车检测行业的发展。
【关键词】：制动性能 立体视觉 摄像机标定 检定
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 课题研究的背景及意义16-17
• 1.1.1 课题研究的背景16
• 1.1.2 课题研究的意义及目的16-17
• 1.2 汽车检测技术及制动性能检测理论的研究现状17-21
• 1.2.1 国内外汽车检测技术发展情况17-19
• 1.2.1.1 国内汽车检测技术18
• 1.2.1.2 国外汽车检测技术18-19
• 1.2.2 制动性能检测理论研究现状19-21
• 1.3 汽车制动性能检测方法概述21-27
• 1.3.1 台式制动性能检测不同方法的比较21-23
• 1.3.2 路试制动性能检测不同方法的比较23-26
• 1.3.3 路试与台式制动性能检测方法的比较26-27
• 1.4 本课题的主要研究任务27-30
• 第2章 基于立体视觉汽车制动性能检测方案研究30-46
• 2.1 检测系统测量目标和性能指标30-32
• 2.1.1 视觉检测系统的测量目标30-31
• 2.1.2 视觉检测系统的性能指标31-32
• 2.2 立体视觉技术32-38
• 2.2.1 立体视觉的概念32-33
• 2.2.2 立体视觉的发展现状33-35
• 2.2.3 视觉系统的构成35
• 2.2.4 双目立体视觉测距原理35-36
• 2.2.5 双目立体视觉的研究内容36-38
• 2.3 汽车制动效能与稳定性评价参数识别原理38-42
• 2.3.1 汽车的制动效能38-41
• 2.3.2 汽车的制动方向稳定性41
• 2.3.3 立体视觉评价汽车制动性能原理41-42
• 2.4 检测实验系统方案设计42-44
• 2.4.1 制动性能检测系统组成42-43
• 2.4.2 制动性能检测系统的控制方案43-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第3章 视觉检测系统图像处理算法研究46-84
• 3.1 图像增强46-53
• 3.1.1 图像平滑46-49
• 3.1.2 直方图均衡化49-51
• 3.1.3 图像锐化51-53
• 3.2 图像分割53-59
• 3.2.1 图像分割的定义53-54
• 3.2.2 图像分割算法分类54-55
• 3.2.3 Canny 边缘检测算法55-59
• 3.3 线特征提取59-72
• 3.3.1 直线检测60-63
• 3.3.2 圆及椭圆检测63-68
• 3.3.3 平面图形中心的提取68-72
• 3.4 角点提取算法的研究72-77
• 3.4.1 角点的定义72-73
• 3.4.2 Harris 角点检测算法73-75
• 3.4.3 改进的角点检测算法75-77
• 3.5 匹配算法的研究77-82
• 3.5.1 立体匹配算法77-78
• 3.5.2 极线几何的约束关系78-79
• 3.5.3 相关的匹配约束79-80
• 3.5.4 基于视差梯度的立体匹配算法实现80-82
• 3.6 本章小结82-84
• 第4章 视觉系统标定方法及三维重建试验研究84-130
• 4.1 摄像机标定的理论84-95
• 4.1.1 标定物和控制点84-85
• 4.1.2 摄像机标定坐标系85-88
• 4.1.3 摄像机成像几何模型88-93
• 4.1.4 摄像机标定方法93-95
• 4.2 摄像机标定方法改进95-100
• 4.2.1 基于立体靶标的传统标定方法95-97
• 4.2.2 基于径向畸变的摄像机参数标定方法的研究97-100
• 4.3 制动性能视觉检测系统标定100-108
• 4.3.1 选择标定靶标100-101
• 4.3.2 标定试验及结果101-108
• 4.4 基于车身图像中心的三维重建模型研究108-129
• 4.4.1 三维重建的原理108
• 4.4.2 三维重建点的基本原理108-109
• 4.4.3 三维重建试验及数据分析109-129
• 4.5 本章小结129-130
• 第5章 汽车制动性能视觉检测系统开发及试验研究130-148
• 5.1 检测系统开发的意义130
• 5.2 汽车制动性能检测系统硬件组成130-136
• 5.2.1 硬件组成130-131
• 5.2.2 传感器模型选择与结构参数设计131-136
• 5.3 汽车制动性能检测系统软件设计136
• 5.3.1 软件功能分析及程序流程136
• 5.3.2 软件界面开发136
• 5.4 基于视觉的检测系统试验研究136-146
• 5.4.1 试验的目的与内容138
• 5.4.2 试验步骤138-139
• 5.4.3 试验数据处理139-146
• 5.5 本章总结146-148
• 第6章 总结与展望148-150
• 6.1 总结148-149
• 6.2 展望149-150
• 参考文献150-160
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果160-161
• 致谢161

【参考文献】

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本文编号：950852