高速相机系统测量车辆动态性能

文/Andy Wilson

汽车制造商必须要对汽车原型进行全面评估,以便以最佳方式生产最终量产的车型。要做到这一点,汽车制造商必须测试他们的汽车原型,评估汽车在不同的速度、公路和操作条件下的性能表现。过去,这样的测试是通过在每辆车上安装很多机电传和光电传感器来执行的,随后将传感器捕获的数据并与仿真模型相比较。这种方法尽管有效,但是这种系统需要多个传感器精确地安装在每辆车中,这无疑是一项既耗时又容易产生不准确因素的任务。

为了缓解这一问题,德国Aicon 3D Systems公司(www.aicon3d.com)已经开发了许多高速相机系统,用于测量在车速高达250 kph情况下的车轮和发动机的运动性能。

“这样的测试能够提供关于车辆的运作行为信息,并将信息反馈给开发团队来验证他们的理论。”西门子旗下的比利时LMS International公司测试工程师Theo Geluk说道。该公司已经使用Aicon 3D Systems公司的WheelWatch系统检查了车辆的车轮运动性能。为了完成这个任务,装有WheelWatch系统的车辆捕获安装在车轮和车辆挡泥板上的基准点的图像(见图1)。

图1:利用嵌入在相机中的图像处理软件,捕获位于车轮和挡泥板上的基准点的位置,并将原始数据传输到主机计算机存储用于以后的分析。

“安装在每个车轮上的定制基准点都被编码为单独的点图案,使相机能够在车轮转动的时候捕捉每一个基准的图像。”Aicon 3D Systems公司首席技术官Robert Godding解释说。同样地,安装在挡泥板上的基准标记也被单独编码,以便从车轮上的标记点获得的位置信息结果可以与之关联。在车轮的x、y、z、旋转、外倾角和转向被确定之前,车轮和挡泥板上每个点图案的像素坐标,首先在3D空间定位。“在车速高达250 kph且图像捕获速率高达500 fps时,”Godding说道,“基于PC的图像处理就不能胜任了。”

Aicon 3D Systems公司采用了基于FPGA的130万像素、拍摄帧率达500 fps的高速CMOS相机来完成这项任务。这些相机利用嵌入在FPGA中的图像处理软件来定位车轮和挡泥板上的每个基准点的位置。然后,原始数据通过相机的千兆以太网接口传输到主机计算机,数据被处理后以提供挡泥板和车轮在3D空间中的坐标和位置(6DOF),并将这些信息存储用于以后的分析。

为了确保能在各种照明条件下(包括明亮的太阳光)捕获这些图像,Aicon 3D Systems公司在每台相机中集成了300个LED灯。利用该公司的同步硬件使得这些LED实现与高速相机同步照明,以确保每台相机能够成功地捕获“定格”的图像数据。

图像数据经过处理后,会向用户提供一个包含x、y、z、旋转、外倾角和转向信息的ASCII文件。随后,这个带有时间标记的数据可以与其它同步数据进行比较,这些数据是从车辆上的其他传感器获得的,包括车辆的位置信息、速度、加速度和所施加的转向力。Godding表示,利用该系统能够获得大约±0.1 mm的位置精度和大约±0.015°的角度精度。

目前,各大主流汽车制造商已经在使用Aicon的WheelWatch系统测量车轮位置,并将测试结果与仿真模型相比较。其中有一些制造商之前是使用基于主动LED标志的光学系统或其他技术,这些技术都对阳光比较敏感,并且质量较重,进而会影响车辆的驾驶行为;相比之下,Aicon的WheelWatch系统并不受光照因素的影响。