四轮定位原理
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2023年3月16日发(作者：眼图)工作原理
概述
3维图像四轮定位仪是四轮定位操作的革命性的概念。四轮定位仪采用根据机器视觉技术
而设计的照相机，从而为工场业主和进行操作的技术人员带来很多的好处和方便。这种四
轮定位仪是至今为止，速度最快，精确度最高和使用最方便的四轮定位设备。新技术的一
个好处就是采用了最先进的部件和计算机软件程序，从而使设备的使用和操作要比过去的
任何的四轮定位仪更容易。这种四轮定位仪和普通的四轮定位仪的最大的不同之处是没有
电子测量探头。众所周知，正是这种电子测量探头是产生各种故障和定位不准确的原因。
这种新的四轮定位仪和普通的四轮定位仪相同之处很少。
工场业主和进行操作的技术人员可以方便认识到，和普通的测量探头系统相比，新的的系
统有许多优点。当3维图像四轮定位仪进入诸如，亚洲和拉丁美洲等等的国际市场后，人
们马上意识到，基于DOS操作系统时，开发语言翻译和市场特定的车辆的技术规格数据库
的任务受到限制。1998年决定，和公司的常规四轮定位仪的开发工作一起进行，研制开发
专门用于3维图像四轮定位仪的视窗用户接口。在1998年的秋天，引进了视窗环境。适用
于视窗环境的Pro32软件具有很多优良的性能，并且具有视窗的普遍熟悉性和强大的功能，
另外还有27种语言环境和13个不同的技术规格数据库。此外，视窗还提供了强大的网络连
接功能，由于目前汽车维修业已经发现，在汽车的前台销售和后台的车间维修之间的信息
交流有很大的好处，所以上述的网络连接功能是非常重要的。
照相机
3维图像四轮定位仪的“眼睛”是安装在照相机支持架的二端的二个照相机。这种照相机
是高分辨率的CCD录像式的照相机，可以在光线暗淡场所工作，和安全和监视用途的照相
机相似。具有知识产权的专门设计的照相机的光学镜头提供了设备的视野，镜头是永久性
地安装在照相机上，并且三重密封保护。照相机上还有一个带通滤波器，以便限制进入照
相机的光谱范围。和普通的照相机一样，这种照相机也有一个光学“视野”，视野是照相
机的镜头设计技术特性之一。任何使用过照相机的人们都知道，你所看到的就是照相机所
拍摄到的，不多，也不少。3维图像四轮定位仪的照相机在这方面和普通的照相机没有不
同。
照相机的视野（见图2-1/2-2）物镜安装在四轮定位框架的每一侧，好像一个锥形的“通道”
，随着照相机朝外移动增加尺寸。这种通道在接近以前转盘处为中心的直径约为21/2英尺
的范围内。通道的中心线和一般车辆的主轴接近，离开普通汽车的外轮表面约18英寸。事
实上，照相机就是为车间使用而设计的，所以一旦目标盘安装在普通的汽车上后，就能位
于这个通道的中心。这样保证了，任何在3维图像四轮定位仪的前面框架上的车辆，从最
宽的车辆到最窄车辆，都能在照相机的视野范围内的捕捉到目标盘。
频率筛选板安装了80个规律排列的红外线发光二极管提供光源，发射至目标盘以便照相
机进行反馈接受。发光二极管的使用寿命为连续工作100,000小时，直至50%的二极管损
坏，也不会影响照相机的“抓取”功能。发光二极管与照相机为同步工作，所以，二极管
发光同时，图象每秒钟都会被“抓取”（发光二极管每秒钟大约发光2次）
目标盘
目标盘的可见表面是由反射材料组成的一系列圆圈，或者“圆点”。这种材料把射向它的
表面任何光线，以180度的反射角度反射回到光源处。如果我们注视反射光，就能发现光
源处的亮度最大。一旦离开光源，光线的亮度就会很快得变弱。在马路标志的某些地方就
有这种回射材料。这种材料把来自车辆头灯的光线反射到车辆驾驶员的眼睛上。标志牌上
那些根据交通控制规则要求驾驶员注意的部分是有反光的，而标志牌的其他部分则变暗。
由于视角太大，其他车辆的驾驶员不能看见车辆的头灯射来的光线。在3维图像四轮定位
仪工作的时候，发光二极管发出的光线射向目标盘，然后以相同的路径返回到位于发光二
极管矩阵中心的照相机。
置于铝制支持板上的回射材料保证反射的样式是平面的。然后把上述的组装件安装在硬质
的ABS塑料做成的外壳里面，以免受到冲击和损坏。最后，在这种回射材料上再放一块特
殊的正火处理的玻璃板，以作最终的保护。这种顶端玻璃板有二个特点。第一个特点是这
种玻璃为“光学级别”的优质玻璃，不含缺陷和杂质。这样优质的玻璃是有必要的，它能
够保证照相机所得到的反射图像不会由于缺陷和杂质的存在而发生改变。第二个特点是，
玻璃板的背面含有喷墨乳胶材料蚀刻的“圆点”图像。这种玻璃板上的“圆点”图像可以
使照相机非常清楚地分辩出3维图像四轮定位仪所识别的具体信息。“圆点”图像的各种
尺寸以数据的形式储存在程序中，并且成为一个视觉测量系统的基本常数。
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在每一个目标盘上有33个，以非常清晰的样式布置的圆点。对于圆
点图像的设计，我们化了大量的时间和精力。有时候，这些圆点似
乎是任意分布的，但在另外一些时候，它们又是对称分布的。一些
圆点要比另外一些圆点大，甚至也有“圆环”那样的圆点。必须注
意，我们看到的圆圈，在几何尺寸是“最圆的”，这对于识别角度
是非常重要的。另外要注意的是，为了使照相机的视觉距离更远，
在后目标盘上的圆点要比前目标盘上点更大。
工程师非常精确地设计了目标盘圆点的图像样式，他们知道每一个圆点的尺寸，以及任何
一个圆点和其他的圆点彼此之间的距离，然后就能建立3维图像四轮定位仪的软件的照相
机图像的计算机模型。所以只有在我们确定放置在车辆上的目标盘和计算机模型匹配时，
上述的程序才能适用。由于不可能让我们的工程师手工制作每一个目标盘都达到要求的精
确度，为此，我们创造了一种非常详细的目标盘制作方法，以便保证每一个制作的目标盘
和原始设计的完全一样。
目标盘的获得
在我们开始一项新的四轮定位操作时，程序并不知道目标盘放置在何处。计算机软件驱动
照相机，开始在“搜索模式”工作，在照相机的整个视野范围寻找任何目标盘。我们在屏
幕上可以看到4个车轮上的红色的目标盘图像，而知道这个搜索的过程。因为软件能够识
别目标盘，一旦软件发现一类似目标盘的物体时，一个称为“适合运算法则”的程序（决
定有关的物体和目标盘相象的程度的方法）就开始工作。利用这种程序，忽略了不是目标
盘的物体（诸如车辆的反射灯）。当每一个目标盘都被发现，并且确定（获得）后，屏幕
变成绿色，显示出放置在车辆轮子上的目标盘。一旦获得了目标盘，软件就在照相机的视
野范围内工作，而忽略背景的其他活动。这样可以使系统对变化位置的目标盘作出相应。
3维视觉原理
从上面对3维图像四轮定位仪的部件的讨论中，我们基本了解了系统的硬件的功能。但是，
对于计算机软件用什么方法来处理目标盘圆点的照相机图像，并且把图像演绎为四轮定位
角度，我们在下面将进行讨论。
透视
3维图像四轮定位仪首先要决定的一件事是，在给定的时刻，每一个目标盘离开照相机多
少距离。众所周知，物体离开我们越远，它就显得越小，尽管物体的真实的大小没有变化。
你看见的2英尺处的螺丝刀，要比在20英尺处的同样大小的螺丝刀大得多。这种效应称为
“透视效应”。艺术家就是利用这种效应，在二维空间创造了深度和距离的幻想。
在上述的例子中，如果假定螺丝刀的长度为6英寸。如果你利用你在高中时学到的数学知识，
“测量”出你在一定的距离外看到的螺丝刀的尺寸，那么就可以据此知道螺丝刀离开你的
眼睛的距离。下面将要更详细地说明有关的数学原理。
在这个例子中，照相机置于空间的每个固定点，所有固定的照相机的镜头都有固定的焦点。
从照相机到焦点的距离的数值为F，该值由镜头的设计者决定。铅笔的长度为P，由铅笔的
设计者决定。看到的铅笔的尺寸由焦点的“软件”进行测量，得出数值为A。这个实验的
目的是决定从照相机到铅笔的距离D。
首先，利用基本的三角公式，可以求出角度r：
tanr=(A/2)和Z2=(P/2)2+D2
F
我们知道A、F、P和Z是可以计算出来的，利用三角函数表可以查出上述的角度。一旦
求得角度，就可以利用另一个三角公式，求得距离D：
D=(P/2)
tanr
由于知道了P和r，就求得了距离D。这样，我们就知道了铅笔离开照相机的距离。
把上述原理应用到3维图像四轮定位仪，图像分析软件处理每一个图像，并且精确地测量
出图像中每一个圆点的尺寸－这就是看到的尺寸（A）。我们已经讨论过了已知的焦距值
（F）和圆点的尺寸（P）。这样，利用上述的数学原理，3维图像四轮定位仪可以测量出
从照相机到目标盘的任何一个圆点之间的距离，而且测量的精确度非常高－测量20英尺外
的目标盘的尺寸，精确度为1毫米。
透视缩短
在上面关于透视和螺丝刀的例子中，我们假定，螺丝刀（或者目标盘）在你的眼睛看到的
时候，是“正常状态”。所谓正常状态就是物体被直视的状态（视线和物体垂直。或者成
90度），能够看到目标盘铅笔的整个长度。
焦点距离
（镜头内固定）
铅笔（长度固定）
当螺丝刀在你的眼前从90度位置转动时，会发生什么现象呢?物体变小了。
看到的螺丝刀缩短了。转动的角度越大，螺丝刀越小。这种现象成为“透视缩短”。如果
你已经知道螺丝刀的确实的尺寸为6英寸，那么通过看到的螺丝刀的尺寸和应用有关的数
学原理，你就可以确定螺丝刀相对于正常视角（90度）的角度方位了。
在这个例子中，照相机置于空间的每一个固定点，所有固定的照相机的镜头都有固定的焦
点。从照相机到焦点的距离的数值为F，该值有镜头的设计者决定。铅笔的长度为P，由铅
笔的设计者决定。看到的铅笔的尺寸由焦点的“软件”进行测量，得出数值为B。这个实
验的目的是决定相对于正常位置（90度）的方位角度R。
圆圈
到此为止，希望我们已经基本了解为什么3维图像四轮定位仪可以测量出目标盘的距离和
它们的方位角度了。当然，在四轮定位时，在每一个给定的时刻，这些圆点离开照相机的
距离和方位角度各不相同。人们可能会问：“四轮定位仪怎么才能识别在透视和透视缩短
效应之间的区别呢？”四轮定位仪只是知道，它的照相机所看到的目标盘的大小要比目标
盘的实际尺寸更小。那么三度空间的方位变化又是如何知道的呢？答案是利用一种有用的
几何形状－圆圈。正如你所知道的那样，我们选择圆圈作为目标盘的几何形状，是因为圆
圈的特定的数学关系。在本讨论中。假定四轮定位仪的目标盘由单个大的圆点组成。
圆圈的独特几何特性可以应用于3维图像四轮定位仪。当你从正常视角（垂直角度）看一
个圆时，无论从那个方向去测量，圆的直径总是相同的。当圆圈离开你的时候，由于上述
的透视效应，圆圈的直径变小。
现在来看看，当圆圈沿着X轴转动时发生的情况。圆在二度空间中变成了椭圆。
圆沿着X轴转动越大，圆在Y轴的直径值就越小。事实上，存在一个数学关系，你只要测量
出Y轴线的长度和X轴线的长度（圆的真实的直径），就能测量出圆圈的旋转角度。把所有
得到的综合起来，在任何的方向（X,Y,Z,）不管怎样地旋转圆圈，我们总是能够测量出真
实的直径轴。这也就是“椭圆的长轴”。3维图像四轮定位仪可以测量出目标盘圆点的每
一个直径值，并且利用求得的长轴作为真实直径，用透视原理来确定目标盘的距离。然后
再测量和真实直径离开90度的其他方位的直径值，利用透视缩短原理来求得短轴值和相对
于正常位置的方位角。利用上述的方法，可以决定目标盘圆点相对于照相机的三度空间的
位置（距离和方位）。正是圆圈的这种独特的几何特性，使3维图像四轮定位仪能够识别
透视效应和方位。下面就是一个目标盘在不同的方位转动时看到的图像例子。
在我们的讨论中，我们假定目标盘只有一个圆点。但是，实际上每一个目标盘有33个圆点
（目标盘也有4个）。而3维图像四轮定位仪的计算机系统可以在同一时间，以极其高的精
确度和分辨率分析每一个圆点。现在我们已经完全了解3维图像四轮定位仪是怎样利用照
相机的图像来确定目标盘在三度空间的位置和方向。下面来讨论3维图像四轮定位仪是怎
样利用上述的原理来测量四轮定位的角度。
定位程序
3维图像四轮定位仪现在已经知道目标盘的确切位置，但是还不知道车辆的位置。当然，目
标盘是放置在车轮上的，这样就和四轮定位角度联系起来了。这里所用的术语“四轮定位”
有些误导作用。我们并不是在此调节车轮，而是调节会引起车辆变化的悬挂件和转向部件。
事实上，接受对准的是车辆的主轴，而车轮只是在驾驶时才起作用。所有的四轮定位仪识
别都以车辆的主轴作为对准的起始点。通常把测量装置直接对着主轴测量，或者进行偏差
补偿基准重力测量。3维图像四轮定位仪以一种独特的，可以提高精确度和速度的方式来测
量主轴。
我们用星形记号代表车轮/轮胎上的一个点。如果我们转动车轮/轮胎，并且跟踪车轮/轮胎
上面的各个点的星号的位置，我们会发现星号的移动轨迹是一个圆圈。如果我们能够求得
圆圈的中心，就能够决定车轮/轮胎的转动轴心。在汽车术语中，车轮的转动中心就成为主
轴。3维图像四轮定位仪采用称为“定位”的方法，来确定车辆的主轴。在进行定位时，
我们朝后推动车辆，转动车轮/轮胎/目标盘。当车辆移动时，照相机就跟踪目标盘圆点的
位置和方向。如果车辆转动360度，则每一个圆点会完成一个圆圈。如果获得这样的圆圈，
并且测量出圆圈的中心，我们就能够知道车辆的主轴。由于圆点也沿着轴心移动，计算机
软件就能够测量出主轴在三个方位相对于照相机的空间位置。当然，事实上照相机可以跟
踪的目标盘上的圆点不止一个，而是有33个反射圆点。当我们朝后推动车辆时，每一个圆
点的位置和方位都被跟踪，计算机软件就能够利用获得的数据建立33个不同大小尺寸的圆
圈。
对每一个圆圈进行分析，定出它们的中心，并且根据它们的平均值求得车辆的主轴。由于
每一个车轮都有一个目标盘，所以软件能够在同时求得4个主轴。
在上一段定位程序的讨论中，说到了在车轮转动360度后，目标盘圆点记录了一个圆圈。
事实上，要求车轮转动整整一圈，并不现实。一般，根据车轮的情况，整整一圈要求滚动
5－7英尺，而大多数的四轮定位框架的尺寸不能满足这个要求。技术人员可以做到，让车
轮滚动35度＋5度，也就是车轮后退5－7英寸，大多数的车轮都功能做到这一点。