3D汽车车轮定位仪多相机标定系统及多相机标定方法

摘要

本发明提供了一种3D汽车车轮定位仪多相机标定系统及多相机标定方法，主要用于对3D汽车车轮定位仪多相机系统进行生产和维修现场标定。通过标定相机获取两个目标板的相对位置信息，两个测量相机各获取其中一个目标板的位置信息，最终计算出第二测量相机相对于第一测量相机的相对位置关系。标定系统不需要额外的目标板，而且不需要采用标定杆将两个目标板进行刚性连接，标定结果精确度高，并大大减少标定系统尺寸和重量，便于维护人员随身携带，标定步骤简单，操作方便，降低了相关成本。

说明书

 

技术领域

本发明涉及汽车维修、检测技术领域，具体涉及3D汽车车轮定位仪多相机标定系统及多相机标定方法。

背景技术

汽车3D车轮定位仪是利用多个相机对安置在车轮上的目标板进行拍照，对获取的图像进行处理计算，最终得到汽车车轮的转动轴线，实现车轮定位参数的测量和调整的一类设备。目前通常的相机标定方法是，采用很长的刚性标定杆，标定杆的两端分别安装上目标板，以便于能够横跨设备左右，以实现多个相机的标定和校准，标定步骤繁多，操作复杂，标定杆的稳定性对标定结果的精度影响很大，而且标定装置体积庞大，携带不便，对运输和标定过程带来诸多不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种3D汽车车轮定位仪多相机标定系统及多相机

标定方法，能够保证标定精度，从而提高设备精度；能够简化标定步骤，从而提高生产效率；标定装置能够携带方便，从而便于维修现场标定，使每一台定位仪的精度得到更好的保障。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种3D汽车车轮定位仪多相机标定系统，包括3D车轮定位仪的计算机，3D车轮定位仪的左侧相机和3D车轮定位仪的右侧相机，所述的左侧相机和右侧相机分别通过数据线与所述的计算机相连接，其特征在于：还包括与所述的计算机相连接并位于所述的3D车轮定位仪一侧的标定相机；还包括位于左侧相机视域内的前轮目标板和位于右侧相机视域内的后轮目标板，所述的前轮目标板和后轮目标板均位于标定相机的视域内。

利用所述的3D汽车车轮定位仪多相机标定系统的多相机标定方法，其特征在于：通过左侧相机采集前轮目标板的图像，通过右侧相机采集后轮目标板的图像，通过标定相机同时采集前轮目标板和后轮目标板的图像；通过调整前轮目标板和后轮目标板各自位置，获取多幅图像，按照以下方法优化求解出右侧相机与左侧相机的相对位置：

设标定相机为c0，左侧相机为c1，右侧相机为c2，前轮目标板为t1，后轮目标板为t2；M_ti表示目标板ti的物体坐标系下标记的位置，M_citj表示目标板tj在相机ci坐标系下的位置，R_citj、T_citj分别表示目标板tj在相机ci坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵，R_ij、T_ij分别表示相机ci与相机cj的相对位置的旋转矩阵和平移矩阵；所述的i和j分别用0，1，2替代，分别表示相应的相机或目标板；

目标板在相机坐标系下的关系有：

M_c1t1=R_c1t1·M_t1+T_c1t1           （1）

M_c0t1=R_c0t1·M_t1+T_c0t1           （2）

M_c2t2=R_c2t2·M_t2+T_c2t2           （3）

M_c0t2=R_c0t2·M_t2+T_c0t2           （4）

根据公式（1）、（2）、（3）、（4）可以推导出：

R₀₁=R_c1t1·R_c0t1^-1                 （5）

T₀₁=T_c1t1-R_c1t1·R_c0t1^-1·T_c0t1         （6）

R₂₀=R_c0t2·R_c2t2^-1                 （7）

T₂₀=T_c0t2-R_c0t2·R_c2t2^-1·T_c2t2         （8）

相机坐标系的转换有以下关系：

M_c0t1=R₂₀·M_c2t1+T₂₀               （9）

M_c1t1=R₀₁·M_c0t1+T₀₁              （10）

M_c1t1=R₂₁·M_c2t1+T₂₁              （11）

根据公式（9）、（10）和（11）推导出：

R₂₁=R₀₁·R₂₀                   （12）

T₂₁=R₀₁·T₂₀+T₀₁                （13）

将公式（5）、（6）、（7）和（8）的计算结果，代入公式（12）和（13）求出右侧相机c2相对左侧相机c1的位置。

本发明的积极效果在于：本发明只要借用3D车轮定位系统中测量用的两个目标板，不需要额外的专用标定目标板，而且不需要采用标定杆将两个目标板进行刚性连接，只需要调整目标板摆放位置，使其在相机视域内位置合适即可。因为该标定方法不需要保证两个目标板的相对位置不发生改变，所以不需要采用很长的刚性标定杆将两块目标板固定，这样就避免了因为标定杆不稳固带来的标定误差，并大大减少标定装置的尺寸和重量，便于维护人员随身携带。标定步骤简单，操作方便，降低了相关成本。通过对目标板多个不同摆放位置的标定，从而得到全局最优解，进一步提高了标定结果的精确度，因此也减少了因标定误差产生的测量误差。

附图说明

图1是本发明标定系统的结构和工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步描述。

如图1，本发明标定系统的实施例包括3D车轮定位仪的计算机6，3D车轮定位仪的左侧相机4和3D车轮定位仪的右侧相机5。所述的左侧相机4和右侧相机5分别通过数据线与所述的计算机6相连接。还包括标定相机1，标定相机1通过USB连接线3连接到3D车轮定位仪的计算机6上。标定相机1通过支架2安放在定位仪的一侧。

本发明标定系统的实施例还包括定位仪测量用的前轮目标板7和后轮目标板8。前轮目标板7位于左侧相机4的视域内，后轮目标板8位于右侧相机5的视域内，前轮目标板7和后轮目标板8均位于标定相机1的视域内。

本发明的标定方法如下：

将3D车轮定位仪的左侧相机4和右侧相机5分别通过数据线与车轮定位仪的计算机6相连接，将标定相机1通过USB连接线3连接到3D车轮定位仪的计算机6上，并将标定相机1通过支架2安放在定位仪侧面。

取定位仪测量用的前轮目标板7和后轮目标板8。使前轮目标板7位于标定相机1与后轮目标板8之间，即相对应标定相机1，前轮目标板7在前，后轮目标板8在后。并使前轮目标板7位于左侧相机4的视域内，后轮目标板8位于右侧相机5的视域内，并且前轮目标板7和后轮目标板8均位于标定相机1的视域内。以保证左侧相机4观察到前轮目标板7，右侧相机5观察到后轮目标板8，标定相机1同时观察到前轮目标板7和后轮目标板8，但前轮目标板7和后轮目标板8的图像没有重叠也没有部分重叠。

通过标定相机1获取前轮目标板7和后轮目标板8的位置信息，通过左侧相机4获取前轮目标板7的位置信息，并通过右侧相机5获取后轮目标板8的位置信息。通过多次调整前轮目标板7和后轮目标板8的位置，各相机分别获取相应目标板位置信息，并将获取的位置信息输入计算机进行计算，计算出右侧相机5与左侧相机4之间的相对位置关系全局最优解。

通过左侧相机4采集前轮目标板7的图像，右侧相机5采集后轮目标板8的图像，标定相机1同时采集前轮目标板7和后轮目标板8的图像。通过调整前轮目标板7和后轮目标板8各自位置，获取多幅图像，按照以下方法优化求解出右侧相机5与左侧相机4的相对位置。

设标定相机1为c0，左侧相机4为c1，右侧相机5为c2，前轮目标板7为t1，后轮目标板8为t2。M_ti表示目标板ti的物体坐标系下标记的位置，M_citj表示目标板tj在相机ci坐标系下的位置，R_citj、T_citj分别表示目标板tj在相机ci坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵，R_ij、T_ij分别表示相机ci与相机cj的相对位置的旋转矩阵和平移矩阵。所述的i和j分别用0，1，2替代，分别表示相应的相机或目标板。

目标板在相机坐标系下的关系有：

M_c1t1=R_c1t1·M_t1+T_c1t1           （1）

M_c0t1=R_c0t1·M_t1+T_c0t1           （2）

M_c2t2=R_c2t2·M_t2+T_c2t2           （3）

M_c0t2=R_c0t2·M_t2+T_c0t2           （4）

根据公式（1）、（2）、（3）、（4）可以推导出：

R₀₁=R_c1t1·R_c0t1^-1                 （5）

T₀₁=T_c1t1-R_c1t1·R_c0t1^-1·T_c0t1         （6）

R₂₀=R_c0t2·R_c2t2^-1                 （7）

T₂₀=T_c0t2-R_c0t2·R_c2t2^-1·T_c2t2         （8）

相机坐标系的转换有以下关系：

M_c0t1=R₂₀·M_c2t1+T₂₀               （9）

M_c1t1=R₀₁·M_c0t1+T₀₁              （10）

M_c1t1=R₂₁·M_c2t1+T₂₁              （11）

根据公式（9）、（10）和（11）推导出：

R₂₁=R₀₁·R₂₀                   （12）

T₂₁=R₀₁·T₂₀+T₀₁                （13）

将公式（5）、（6）、（7）和（8）的计算结果，代入公式（12）和（13）求出右侧相机c2相对左侧相机c1的位置。