專利名稱：一種車輛制動踏板行程的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制動踏板行程測量技術(shù)，尤其涉及一種車輛制動踏板行程的測 量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
汽車試驗領(lǐng)域中，通常需要記錄駕駛員使用制動踏板的相關(guān)情況，如駕駛 員使用制動踏板的頻率以及踩制動踏板的輕重程度。制動踏板的使用與否及踩 踏板的輕重直接反應(yīng)了駕駛員對車輛的操作狀況，是汽車實驗過程中需要精確 記錄的一個參數(shù)，該參數(shù)可以準(zhǔn)確地反應(yīng)駕駛員在汽車實驗過程中的駕駛操作 行為，與車輛，道路環(huán)境參數(shù)綜合后可以反應(yīng)該駕駛員的駕駛行為特性，并真 實的反應(yīng)駕駛員、車輛、道路三者之間的相互影響，因此在汽車實驗中通常需 要使用相關(guān)的測量系統(tǒng)來測量制動踏板的行程。
目前，對制動踏板行程進(jìn)行測量通常有兩種方法，第一種是在制動踏板上 安裝一塊踏板力采集板，即駕駛員的腳部先施加制動力給該踏板力采集板，然 后采集板再將駕駛員施加的制動力傳遞給制動踏板，這種方法直接測量的是制 動踏板力，然后對踏板力進(jìn)行換算得到制動踏板的行程。第二種方法是采用專 門的線性位移傳感器，使用線性位移傳感器時需要對制動踏板進(jìn)行拆卸，然后 將該線性位移傳感器安裝在踏板頂部連接點內(nèi)部，安裝完成之后再將制動踏板 復(fù)原到原來的狀態(tài)。但是，現(xiàn)階段使用的這兩種方法都存在著一定的問題。對 于第一種方法，其直接測量的不是制動踏板的行程，而是駕駛員踩制動踏板的力，由踏板力到踏板行程的轉(zhuǎn)換過程中，不同車型的轉(zhuǎn)換關(guān)系是不一樣的，因 此，使用該方法還需要進(jìn)行額外的踏板剛性標(biāo)定工作，以此得到從踏板力到踏
板行程的轉(zhuǎn)換關(guān)系；另外，由于該方法在制動踏板上安裝了另外一塊板狀的傳 感器，駕駛員不是直接操作制動踏板，這樣的后果使駕駛員無法正確的感知制 動踏板的力反饋過程，通常叫做失去腳感，影響到駕駛員的正常操作，從而會 影響實驗的真實性。對于第二種方法，其測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能正確的反應(yīng)制動踏 板的行程，是目前使用比較廣泛的一種方法；但是，這種方法主要存在的問題 是制動系統(tǒng)的可靠性問題，汽車的制動系統(tǒng)是一個需要嚴(yán)格控制可靠性的系統(tǒng)， 試驗中為了安裝傳感器，需要對制動系統(tǒng)進(jìn)行拆卸，這樣將給制動系統(tǒng)帶來失 效的安全隱患，影響試驗的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種投資費用少、操作簡單、測量精度高的車 輛制動踏板行程的測量裝置。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種車輛制動踏板行程的測量方法，基于上 述車輛制動踏板行程的測量裝置。
本發(fā)明的基本原理是通過使用一個圖像采集裝置(攝像機)來實時采集制 動踏板的運動圖像，然后將制動踏板的運動圖像傳輸至計算機。系統(tǒng)中利用圖 像處理軟件，通過圖像識別得到制動踏板在圖像中的準(zhǔn)確位置，由于攝像機相 對制動踏板的位置不變，因此，圖像識別得到的不同時刻的制動踏板位置經(jīng)過 簡單的幾何變換就能夠得到制動踏板的行程，進(jìn)而能夠計算得到制動踏板運動 的速度及加速度，準(zhǔn)確的反映駕駛員操作制動踏板的過程。
為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
1、 一種車輛制動踏板行程的測量裝置，其特征在于，包括圖像采集裝置，固定在制動踏板一側(cè)，采集制動踏板的運動圖像； 計算機，電連接圖像采集裝置，接收制動踏板的運動圖像，通過圖像識別
得到的不同時刻的制動踏板位置，經(jīng)過幾何變換得到制動踏板的行程，進(jìn)而計
算得到制動踏板的運動速度及加速度。
本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)和特點在于-
所述圖像采集裝置為攝像頭；所述攝像頭采用中星YJS-01 USB2. 0攝像頭。
所述圖像采集裝置設(shè)置在制動踏板左側(cè)。
所述圖像采集裝置上設(shè)置有攝像光源，攝像光源為LED燈。
2、 一種車輛制動踏板行程的測量方法，基于上述車輛制動踏板行程的測量
裝置，圖像采集裝置為攝像頭，其特征在于，包括以下步驟
攝像頭標(biāo)定，首先制作標(biāo)定板，標(biāo)定板上設(shè)置標(biāo)定圖像，變換標(biāo)定板位置，
攝像機采集圖像，利用這些圖像進(jìn)行標(biāo)定，得到攝像頭的參數(shù)；
圖像采集，攝像頭采集制動踏板的運動圖像，并將采集的運動圖像實時地
傳輸至計算機；
圖像預(yù)處理，去除制動踏板的運動圖像中的無用點及干擾點；
提取制動踏板的輪廓圖像，對經(jīng)過圖像預(yù)處理的運動圖像進(jìn)行二值化處理， 提取運動圖像中制動踏板的形狀，得到制動踏板的輪廓圖像；
提取制動踏板的特征點，選取制動踏板的特征點，提取該特征點在制動踏 板的輪廓圖像中的位置；
行程計算，得到特征點在制動踏板的輪廓圖像中的位置之后，利用攝像頭 標(biāo)定得到的攝像頭參數(shù)，計算該特征點的位置坐標(biāo)，得到與制動踏板空載時該 特征點的相對位置變化，即得到制動踏板的行程，參考運動圖像的時間變化， 得到制動踏板的運動速度及加速度。本技術(shù)方案的進(jìn)一部改進(jìn)在于 所述選取制動踏板的特征點為其V形的尖部點。
本發(fā)明的車輛制動踏板行程的測量裝置，主要部件采用攝像裝置和計算機， 投資費用少、操作簡單、檢測方便、測量精度高，而且不需要改動制動踏板， 避免了現(xiàn)有技術(shù)中的測量失真或存在安全隱患多問題。本發(fā)明的測量方法中， 運動圖像的處理以及測量數(shù)據(jù)的計算由計算機直接完成，因此，操作簡單，檢 測結(jié)果直觀、可靠。


圖1為攝像頭的安裝及對制動踏板的拍攝示意圖； 圖中1、攝像頭；2、 LED燈；3、鋼板支架；4、制動踏板。
具體實施例方式
參照圖1，在車輛制動踏板行程的測量裝置中，圖像采集裝置可以為攝像 機或者攝像頭，本實施例采用攝像頭1。攝像頭1依靠支架固定在制動踏板4 左側(cè)的車內(nèi)鋼板支架3上，鏡頭朝向制動踏板4。制動踏板4所處環(huán)境比較陰 暗，因此在攝像頭1上固定LED燈2作為攝像光源。制動踏板4的側(cè)視形狀為 V形。
本實施例攝像頭采用中星YJS-01 USB2.0攝像頭，有效像素600萬，將該 攝像頭通過USB2.0數(shù)據(jù)線連接到計算機，接收制動踏板的運動圖像，通過圖像 識別得到的不同時刻的制動踏板位置，經(jīng)過幾何變換就能夠得到制動踏板的行 程，進(jìn)而計算得到制動踏板的運動速度及加速度。
在測量制動踏板的行程時時，由于駕駛員操作制動踏板的過程非?？欤?此，攝像頭的采集頻率必需能夠滿足實驗系統(tǒng)的采集需求，本實施例中所選用 的攝像頭采集頻率為25Hz，即攝像機每秒對制動踏板采集25幀圖片。為了實現(xiàn)本發(fā)明的車輛制動踏板行程的測量方法，以上述車輛制動踏板行 程的測量裝置為基礎(chǔ)，圖像采集裝置為攝像頭，具體步驟如下
(1) 安裝攝像頭及攝像光源
攝像頭選定完成之后，首先安裝攝像頭，攝像頭采用柱狀支架固定在制動 踏板左側(cè)的車內(nèi)鋼板上，支架與鋼板采用螺栓連接。攝像頭水平安裝，與制動
踏板垂直，LED燈固定在攝像頭上面，光照方向與攝像頭軸線平行，與制動踏
板的垂直平面垂直。攝像頭安裝時需要保證鏡頭與制動踏板之間的距離大于
20cm，否則駕駛員在操作制動踏板時可能會碰到攝像機，造成測量結(jié)果發(fā)生較 大的誤差。
(2) 攝像頭標(biāo)定
首先制作標(biāo)定板，標(biāo)定板上設(shè)置標(biāo)定圖像，變換標(biāo)定板位置，攝像機采集 圖像，利用這些圖像進(jìn)行標(biāo)定，得到攝像頭的參數(shù)。具體為標(biāo)定板由黑白相 間、邊長為20mm的正方形方框組成，每個方向上共5個方框。在攝像頭的可視
范圍內(nèi)變換標(biāo)定板位置，讓標(biāo)定板面向攝像頭，在不同位置各采集標(biāo)定板圖像， 將這些圖像導(dǎo)入到Math Works公司的數(shù)學(xué)處理軟件MATLAB2008b中進(jìn)行標(biāo)定，
得到攝像頭的參數(shù)；
攝像頭標(biāo)定的目的是得到攝像頭的參數(shù)，主要有有效焦距f，主點o，扭 曲系數(shù)fc及畸變系數(shù)kc，這些參數(shù)反應(yīng)了攝像頭本身所帶來的圖像畸變，在 確定制動踏板實際位置時需要用到。
(3)計算機初始化攝像機
啟動系統(tǒng)之后，利用圖像處理軟件的圖像初始化按鈕，對攝像頭進(jìn)行初始 化，初始化的目的是確定攝像頭的采集頻率，曝光量，照片質(zhì)量等參數(shù)，初始 化數(shù)據(jù)通過USB2. 0連接線傳輸至攝像頭，攝像頭接收到初始化指令之后自動進(jìn)行初始化，初始化完成之后返回初始化完成信號給計算機，指示可以開始圖像 采集過程。
(4) 圖像采集與傳輸
攝像頭采集制動踏板的運動圖像，并將采集的運動圖像實時地傳輸至計算 機。當(dāng)計算機接收到攝像頭初始化完成信號之后，在圖像處理軟件中顯示系統(tǒng) 已就緒，可以開始采集，實驗人員通過圖像處理軟件控制攝像機開始采集制動 踏板的實時運動圖像，采集過程中，攝像頭按照初始化得到的采集速率，曝光 量，照片質(zhì)量等參數(shù)實時采集制動踏板的運動圖像。如果攝像頭出現(xiàn)故障無法 采集運動圖像時，攝像頭將向計算機發(fā)送無法采集運動圖像的信號，該信號將 在圖像處理軟件中顯示，提醒實驗人員采取相關(guān)措施排除故障。
攝像頭在圖片采集過程中，實時地將采集到的運動圖像發(fā)送到計算機中， 該發(fā)送過程與運動圖像的采集過程是同時進(jìn)行，即攝像頭以25Hz的速率不停的 采集制動踏板的運動圖像，同時將采集到的運動圖像通過USB2. 0數(shù)據(jù)線發(fā)送到 計算機中供圖像處理軟件采集使用。
(5) 圖像預(yù)處理
去除制動踏板的運動圖像中的無用點及干擾點。圖像處理軟件采用濾波算 法對制動踏板的原始的運動圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要是去除原始的運動圖像中與 制動踏板無關(guān)的相關(guān)信息，防止在后面輪廓提取過程中由于這些無關(guān)信息的干 擾發(fā)生錯誤，造成測量結(jié)果的錯誤。圖像處理軟件采用濾波算法對原始的運動 圖像進(jìn)行處理，具體實施過程是對于制動踏板的運動圖像中的某個點，如果該 點的周圍存在著物體圖像的其他像素，所述其他像素的周圍還存在著物體圖像 的像素，即這些點是連續(xù)的，這樣就認(rèn)為該點是屬于制動踏板的。相反的，如 果某點或某個小區(qū)域的周圍不存在制動踏板圖像的其他像素點，則該點或該區(qū)域不屬于制動踏板的圖像，是其他干擾部分的圖像，因此將這些點去除。
(6) 提取制動踏板的輪廓圖像 對經(jīng)過圖像預(yù)處理的運動圖像進(jìn)行二值化處理，提取運動圖像中制動踏板
的形狀，得到制動踏板的輪廓圖像。輪廓提取的目的是得到制動踏板的邊界形 狀，為后續(xù)的制動踏板的行程測量提供制動踏板的外形輪廓。圖像處理軟件中 采用二值化方法對圖像進(jìn)行輪廓提取，所謂二值化是根據(jù)像素的灰度值來判斷 該點是否屬于制動踏板，如果是則將該點的值改為0，即灰度為0，用黑色將該 點標(biāo)記，反之如果某點不屬于制動踏板，則將該點記為l，即灰度為255，用白 色將該點標(biāo)記。對一幀圖像按照此方法運算完成之后，圖像中的黑色部分即為 制動踏板的形狀。對攝像頭采集到的一幀圖像，圖像中每個像素的值是該點的 灰度值，在0到255之間變化。輪廓提取程序中，首先通過實驗確定一個閾值， 如130，然后將制動踏板的圖像中每個點的灰度值與該閾值進(jìn)行比較運算，如 果該點的灰度值大于該閾值，則認(rèn)為該點不屬于制動踏板，用白色標(biāo)記，反之 如果該點的灰度值小于該閾值，則認(rèn)為改點屬于制動踏板，用黑色標(biāo)記。
(7) 提取制動踏板的特征點
選取制動踏板的V形的尖部點作為特征點，得到該特征點在制動踏板的輪 廓圖像中的位置。制動踏板作為一個整體，制動過程中該整體的所有點都遵循 定軸旋轉(zhuǎn)運動規(guī)律，因此，只需要得到制動踏板上某個點的位置變化就能反應(yīng) 制動踏板的運動狀態(tài)，得到制動踏板的行程。
為了保證圖像處理軟件每次都能對制動踏板上的某一確定點，即特征點進(jìn) 行數(shù)據(jù)計算得到制動踏板的行程，系統(tǒng)中需要能夠明確的確定某一特征點，制 動踏板上可以使用的特征點有三個，包括與駕駛員腳底接觸面的上邊沿點，下 邊沿點，另外一個是V形制動踏板位于最低部的尖形點。本實施例中使用最低部的尖形點作為特征點，因為其他兩個備選特征點在實際操作時容易受到駕駛 員腳部動作的影響，對測量精確度會造成一定影響。圖像處理軟件對輪廓提取 完成之后的圖片進(jìn)行特征點提取，具體提取算法是判斷該特征點以下的圖像是
否還有制動踏板的像素點；如果沒有，則該點就是系統(tǒng)所需要的特征點，反之 不是，繼續(xù)對下一個像素點進(jìn)行判斷計算。 (8)行程計算
得到特征點在制動踏板的輪廓圖像中的位置之后，利用攝像頭標(biāo)定得到的 攝像頭參數(shù)，計算該特征點的位置坐標(biāo)，得到與制動踏板空載時該特征點的相 對位置變化，即得到制動踏板的行程，參考運動圖像的時間變化，得到制動踏 板的運動速度及加速度。
具體為圖像處理軟件得到制動踏板的特征點之后，記錄該點在運動圖像 中的坐標(biāo)，用(x，y)兩軸坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示。由于攝像頭采用凸形鏡頭采集制 動踏板的運動圖像，從真實運動圖像到攝像頭所采集到的運動圖像之間存在著 圖像畸變的變換關(guān)系，這個變換關(guān)系主要通過攝像頭的參數(shù)來表示，攝像頭的 參數(shù)通過前面所述的攝像頭標(biāo)定過程得到。反之，在得到攝像頭所采集的運動 圖像之后，依據(jù)攝像頭的這些參數(shù)可以逆向得到制動踏板在實際中位置，由于 攝像頭是固定安裝的，因此制動踏板在實際中位置的變換直接反應(yīng)制動踏板的 行程，只需要對兩個位置進(jìn)行距離計算，即得到制動踏板的行程。
計算機實際計算制動踏板行程時，只對選定的特征點進(jìn)行逆向計算，得到 該點在實際中的位置，也用兩軸坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(X，Y)表示。在制動踏板空 載時確定特征點原始位置坐標(biāo)(XO， Y0),對每幀運動圖像處理完成之后，得到特 征點在實際中的位置，用(X，Y)表示，此時，點(X，Y)與點(X0，Y0)之間的距 離就是該時刻制動踏板的行程，將特征點連續(xù)的兩個位置進(jìn)行計算，得到這個時間段以內(nèi)制動踏板的行程，除以該時間段的時間則得到該時間段內(nèi)制動踏板 的速度，進(jìn)而計算得到加速度。計算機得到制動踏板的行程之后，在軟件窗口
中實時顯示，供實驗人員參考使用，同時在計算機中創(chuàng)建一個EXCEL表格，將 實驗過程中的制動踏板行程按照時間序列填入該EXCEL表格，供實驗人員后續(xù) 分析使用。
權(quán)利要求
1、一種車輛制動踏板行程的測量裝置，其特征在于，包括圖像采集裝置，固定在制動踏板一側(cè)，采集制動踏板的運動圖像；計算機，電連接圖像采集裝置，接收制動踏板的運動圖像，通過圖像識別得到的不同時刻的制動踏板位置，經(jīng)過幾何變換得到制動踏板的行程，進(jìn)而計算得到制動踏板的運動速度及加速度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車輛制動踏板行程的測量裝置，其特征在于， 所述圖像采集裝置為攝像頭；所述攝像頭采用中星YJS-Ol USB2.0攝像頭。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車輛制動踏板行程的測量裝置，其特征在于， 所述圖像采集裝置設(shè)置在制動踏板左側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車輛制動踏板行程的測量裝置，其特征在于， 所述圖像采集裝置上設(shè)置有攝像光源，攝像光源為LED燈。
5、 一種車輛制動踏板行程的測量方法，基于權(quán)利要求1所述的車輛制動踏 板行程的測量裝置，圖像采集裝置為攝像頭，其特征在于，包括以下步驟攝像頭標(biāo)定，首先制作標(biāo)定板，標(biāo)定板上設(shè)置標(biāo)定圖像，變換標(biāo)定板位置， 攝像機采集圖像，利用這些圖像進(jìn)行標(biāo)定，得到攝像頭的參數(shù)；圖像采集，攝像頭采集制動踏板的運動圖像，并將采集的運動圖像實時地 傳輸至計算機；圖像預(yù)處理，去除制動踏板的運動圖像中的無用點及干擾點； 提取制動踏板的輪廓圖像，對經(jīng)過圖像預(yù)處理的運動圖像進(jìn)行二值化處理，提取運動圖像中制動踏板的形狀，得到制動踏板的輪廓圖像；提取制動踏板的特征點，選取制動踏板的特征點，提取該特征點在制動踏板的輪廓圖像中的位置；行程計算，得到特征點在制動踏板的輪廓圖像中的位置之后，利用攝像頭 標(biāo)定得到的攝像頭參數(shù)，計算該特征點的位置坐標(biāo)，得到與制動踏板空載時該 特征點的相對位置變化，即得到制動踏板的行程，參考運動圖像的時間變化， 得到制動踏板的運動速度及加速度。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車輛制動踏板行程的測量方法，所述選取制 動踏板的特征點為其V形的尖部點。
全文摘要
本發(fā)明涉及制動踏板行程測量技術(shù)，公開了一種車輛制動踏板行程的測量裝置及其測量方法，具體為圖像采集裝置，固定在制動踏板一側(cè)，采集制動踏板的運動圖像；計算機，電連接圖像采集裝置，接收制動踏板的運動圖像，通過圖像識別得到的不同時刻的制動踏板位置，經(jīng)過幾何變換得到制動踏板的行程，進(jìn)而計算得到制動踏板的運動速度及加速度。
文檔編號G01P3/68GK101545759SQ20091002217
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者銳 付, 瓊 張, 暢 王, 偉 袁, 郭應(yīng)時 申請人:長安大學(xué)