本发明属于汽车控制和检测领域,更具体的说是涉及一种汽车前挡玻璃的驾驶视野要求区域计算方法。
背景技术：
随着中国经济蓬勃发展，汽车已经逐渐成为人们出行的必需品。汽车空调在汽车上得到了广泛应用，同时汽车空调的除霜除雾系统对汽车的行车安全性与乘坐舒适性产生了至关重要的影响。若汽车没有除霜除雾能力或者性能较差都会严重影响驾驶员的视野，导致驾驶员不能继续驾驶车辆行驶，甚至还会发生交通事故等更严重的情况。因此，为了保证车辆在恶劣的天气下能够正常行驶，任何车辆均需要具有满足要求的除霜除雾系统，确保驾驶员有足够开阔清晰的视野。
我国汽车风窗系统性能试验标准gb10555-2009对汽车风窗玻璃除霜、除雾系统的性能要求、试验前准备条件和试验步骤都进行了规范说明。其中汽车前挡a、a’、b区域对汽车风窗玻璃除霜、除雾系统起着至关重要的作用，在风窗玻璃除霜、除雾要求中，每辆汽车应装备除霜系统、除雾系统，能够确保在寒冷天气条件下恢复风窗玻璃的能见度，除霜要求应符合试验开始后20min，a区域有80％已完成除霜，开始后25min，a’区域有80％已完成除霜；开始后40min，b区域有95％已完成除霜；而除雾要求应符合试验开始后10min，a区域有90％已完成除雾，同时b区域有80％已完成除雾。
综上所述，国家标准内容只是提出a、a’、b区域，并没有实现这个计算方法的内容。目前很多企业在进行空调除霜、除雾性能测试时，没有一套标准去实现a、a’、b区域在前挡玻璃上的显示，而是试验结束后直接毫无依据的手工绘制a、a’、b区域，这种测试方法会大大降低了试验效率，重复性不够高，试验数据不够准确，没有客观测量，精度不够高，这会对汽车风窗玻璃除霜、除雾系统测试造成极大影响，并不是一种很好的汽车风窗玻璃除霜、除雾系统测试方法。
技术实现要素：
本发明为克服现有技术的不足之处，提供一种汽车前挡玻璃的驾驶视野要求区域计算方法，以期能够客观测量出前挡玻璃a区域、a’区域、b区域，并减小人工测量误差，从而能适用于汽车空调除霜、除雾性能测试试验。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种汽车前挡玻璃的驾驶视野要求区域计算方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、在汽车前挡玻璃的中心区域上设置一黑白棋盘格，并利用摄像机采集带有所述黑白棋盘格的前挡玻璃原图l；
步骤2、利用式(1)得到标定系数k：
式(1)中，x1表示黑白棋盘格相邻两个中心点之间的实际距离，x2表示所述前挡玻璃原图l中，所述黑白棋盘格两角点之间的像素距离；
步骤3、以汽车的质心为原点o，以车辆前方为x轴，以驾驶员的左侧为y轴，以通过汽车质心指向上方为z轴，建立车辆坐标系o-xyz；计算驾驶视野要求区域中a区域、a’区域、b区域的实际三维坐标值：
步骤3.1、计算a区域的实际三维坐标：
步骤3.1.1、令v点表示驾驶员眼睛位置的点，并用v1点和v2点表示v点的不同位置；
记通过v1点和v2点且在x轴的左侧与x轴成13°角所形成的铅垂平面记为第一平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为a1a2，交点分别记为a1点和a2点；
记通过v1点，与x轴成3°仰角且与y轴平行的平面记为第二平面；
记通过v2点，与x轴成1°俯角且与y轴平行的平面记为第三平面；
记通过v1点和v2点且在x轴的右侧与x轴成20°角所形成的铅垂平面记为第四平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为a3a4，交点分别记为a3点和a4点；
以所述交点a1点、a2点、a3点和a4点所形成的区域记为a区域；
步骤3.1.2、记所述第一平面和第二平面的交线为交线u12，利用式(2)、式(3)、式(4)计算所述交线u12在三个轴上的分向量
步骤3.1.3、记所述第一平面和第三平面的交线为所述交线u13，利用式(5)、式(6)、式(7)计算所述交线u13在三个轴上的分向量
步骤3.1.4、记所述第二平面和第四平面的交线为所述交线u24，利用式(8)、式(9)、式(10)计算所述交线u24在三个轴上的分向量
步骤3.1.5、记所述第三平面和第四平面的交线为所述交线u34，利用式(11)、式(12)、式(13)计算所述交线u34在三个轴上的分向量
步骤3.2、以汽车纵向中心平面为基准面，与a区域相对称的区域记为a’区域，并计算a’区域的三维坐标；
步骤3.3、计算b区域实际三维坐标值：
步骤3.3.1、记通过v1点与x轴成7°仰角且与y轴平行的平面记为第五平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为b1b2，交点分别记为b1点和b2点；
记通过v2点与x轴成5°俯角且与y轴平行的平面记为第六平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为b3b4，交点分别记为b3点和b4点；
记通过v1点和v2点且在x轴的左侧与x轴成17°角所形成的铅垂平面为第七平面；
记以汽车纵向中心平面为基准面，与所述第七平面对称的平面为第八平面；
以所述交点b1点、b2点、b3点和b4点所形成的区域记为b区域；
步骤3.3.2、记所述第五平面和第七平面的交线为交线u57，利用式(14)、式(15)、式(16)计算所述交线u57在三个轴上的分向量
步骤3.3.3、记所述第六平面和第七平面的交线为交线u67，利用式(17)、式(18)、式(19)计算所述交线u67在三个轴上的分向量
步骤3.3.4、所述第七平面与所述第八平面关于汽车纵向中心平面对称，计算交线u57和交线u67可以计算得到b区域的三维坐标；
步骤3.4、记车窗玻璃线边缘的中心点为o1点、乘坐基准点为r点、前挡玻璃的倾斜角为α；
步骤3.5、利用式(21)、式(22)、式(23)计算o1点在三个轴上的坐标值o1(x)、o1(y)和o1(z)：
o1(x)＝rx-x4(21)
o1(y)＝0(22)
o1(z)＝rz+z4(23)
式(21)中，x4表示r点至o1点在x轴上的距离，式(23)中，z4表示r点至o1点在z轴上的距离；
步骤3.6、利用式(24)、式(25)、式(26)计算通过o1点且在前挡玻璃所在面上形成的法向量
步骤3.7、根据v1点、v2点、向量
步骤3.8、同理计算a’区域四个交点的三维坐标；
步骤3.7、根据v1点、v2点、向量
步骤4、以所述前挡玻璃原图l的任意一顶点作为原点p，以与所述原点p相邻的两条边分别作为m轴和n轴，建立图像坐标系p-mn；计算a区域、a’区域、b区域在所述前挡玻璃原图l上的二维坐标值：
步骤4.1、根据所述标定系数k以及a区域的交点a1点、a2点、a3点和a4点的三维坐标，得到a区域在所述前挡玻璃原图l上的二维坐标值；
步骤4.2、同理得到a’区域和b区域在所述前挡玻璃原图l上的二维坐标值。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明结合摄像机系统创建了一种实时采集汽车前挡玻璃原图，并实时显示a、a’、b区的方法，通过获取带有黑白棋盘格的前挡玻璃原图并进行标定、从而计算a、a’、b区域的实际三维坐标值后转换成a、a’、b区域的图像二维坐标值，并显示在前挡玻璃图像上，具有自动化测试、测试成本低、方便高效、重复性高、精度高的特点，适用于国标中不同类型的汽车自动计算其前挡玻璃的驾驶视野要求区域，为准确评价风窗玻璃除霜、除雾能见度奠定了有效基础。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明汽车前挡玻璃a区示意图；
图3为本发明汽车前挡玻璃b区示意图。
具体实施方式
本实施例中，采用基于虚拟仪器labview软件、摄像头和计算机组成系统自动创建汽车前挡玻璃驾驶视野要求区域即a区域、a’区域、b区域的方法，一种汽车前挡玻璃的驾驶视野要求区域计算方法是基于摄像机系统采集汽车前挡玻璃原图，并且在原图上实时显示a区域、a’区域、b区域，具体的说，如图1所示，是按如下步骤进行：
步骤1、在汽车前挡玻璃的中心区域上设置一黑白棋盘格，并利用摄像机采集带有所述黑白棋盘格的前挡玻璃原图l；
步骤2、利用式(1)得到标定系数k：
式(1)中，x1表示黑白棋盘格相邻两个中心点之间的实际距离，单位mm，x2表示所述前挡玻璃原图l中，所述黑白棋盘格两角点之间的像素距离，单位pixel；
已知图像的基本采样单位像素和长度单位毫米的对应关系后，根据国标可知，r点是乘坐基准点，v1点、v2点组成v点，v1点三维坐标是(68，﹣5，665)，v2点三维坐标是(68，﹣5，589)。
步骤3、以汽车的质心为原点o，以车辆前方为x轴，以驾驶员的左侧为y轴，以通过汽车质心指向上方为z轴，建立车辆坐标系o-xyz；a区域、a’区域、b区域的实际三维坐标值基于车辆坐标系o-xyz计算。计算驾驶视野要求区域中a区域、a’区域、b区域的实际三维坐标值：
步骤3.1、计算a区域的实际三维坐标
步骤3.1.1、如图2所示，令v点表示驾驶员眼睛位置的点，并用v1点和v2点表示v点的不同位置；
记通过v1点和v2点且在x轴的左侧与x轴成13°角所形成的铅垂平面记为第一平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为a1a2，交点分别记为a1点和a2点；
记通过v1点，与x轴成3°仰角且与y轴平行的平面记为第二平面；
记通过v2点，与x轴成1°俯角且与y轴平行的平面记为第三平面；
记通过v1点和v2点且在x轴的右侧与x轴成20°角所形成的铅垂平面记为第四平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为a3a4，交点分别记为a3点和a4点；
以所述交点a1点、a2点、a3点和a4点所形成的区域记为a区域；
步骤3.1.2、记所述第一平面和第二平面的交线为交线u12，利用式(2)、式(3)、式(4)计算所述交线u12在三个轴上的分向量
步骤3.1.3、记所述第一平面和第三平面的交线为所述交线u13，利用式(5)、式(6)、式(7)计算所述交线u13在三个轴上的分向量
步骤3.1.4、记所述第二平面和第四平面的交线为所述交线u24，利用式(8)、式(9)、式(10)计算所述交线u24在三个轴上的分向量
步骤3.1.5、记所述第三平面和第四平面的交线为所述交线u34，利用式(11)、式(12)、式(13)计算所述交线u34在三个轴上的分向量
步骤3.2、以汽车纵向中心平面为基准面，与a区域相对称的区域记为a’区域，并计算a’区域的三维坐标；
步骤3.3、计算b区域实际三维坐标值
步骤3.3.1、如图3所示，记通过v1点与x轴成7°仰角且与y轴平行的平面记为第五平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为b1b2，交点分别记为b1点和b2点；
记通过v2点与x轴成5°俯角且与y轴平行的平面记为第六平面，且与所述汽车前挡玻璃所在的面形成的交线，记为b3b4，交点分别记为b3点和b4点；
记通过v1点和v2点且在x轴的左侧与x轴成17°角所形成的铅垂平面为第七平面；
记以汽车纵向中心平面为基准面，与所述第七平面对称的平面为第八平面；
以所述交点b1点、b2点、b3点和b4点所形成的区域记为b区域；
步骤3.3.2、记所述第五平面和第七平面的交线为交线u57，利用式(14)、式(15)、式(16)计算所述交线u57在三个轴上的分向量
步骤3.3.3、记所述第六平面和第七平面的交线为交线u67，利用式(17)、式(18)、式(19)计算所述交线u67在三个轴上的分向量
步骤3.3.4、所述第七平面与所述第八平面关于汽车纵向中心平面对称，计算交线u57和交线u67可以计算得到b区域的三维坐标；
步骤3.4、记车窗玻璃线边缘的中心点为o1点、乘坐基准点为r点、前挡玻璃的倾斜角为α；
步骤3.5、利用式(21)、式(22)、式(23)计算o1点在三个轴上的坐标值o1(x)、o1(y)和o1(z)：
o1(x)＝rx-x4(21)
o1(y)＝0(22)
o1(z)＝rz+z4(23)
式(21)中，x4表示r点至o1点在x轴上的距离，式(23)中，z4表示r点至o1点在z轴上的距离；
步骤3.6、利用式(24)、式(25)、式(26)计算通过o1点且在前挡玻璃所在面上形成的法向量
计算a区域、a’区域和b区域坐标点，即计算空间直线与空间平面的交点，首先通过空间直线方向向量与空间平面法向量的向量积判断是否有交点，若向量积为0，则表示直线与平面是平行的。反之，若向量积不为0，则按照步骤4.4、步骤4.5和步骤4.6进行计算交点。
步骤4.4、根据v1点、v2点、向量
步骤4.5、同理计算a’区域四个交点的三维坐标；
步骤4.6、根据v1点、v2点、向量
步骤5、以所述前挡玻璃原图l的任意一顶点作为原点p，以与所述原点p相邻的两条边分别作为m轴和n轴，建立图像坐标系p-mn；计算a区域、a’区域、b区域在所述前挡玻璃原图l上的二维坐标值：
步骤5.1、根据所述标定系数k以及a区域的交点a1点、a2点、a3点和a4点的三维坐标，得到a区域在所述前挡玻璃原图l上的二维坐标值；
步骤5.2、同理得到a’区域和b区域在所述前挡玻璃原图l上的二维坐标值。
综合上述实施例，一种汽车前挡玻璃的驾驶视野要求区域计算方法，原理简单易懂，方法创新，数据测量精度高，操作方便，成本低廉，十分适用于多种汽车进行汽车空调除霜、除雾性能测试试验，进行试验数据验证。