一种HUD成像位置检测装置及方法与流程

[技术领域]

本发明涉及hud检测技术领域，具体地说是一种hud成像位置检测装置及方法。

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背景技术：
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hud(headupdisplay)为抬头显示器，近些年hud越来越多的出现在汽车上，为行车安全提供了很大的保障。随着hud的技术逐渐成熟，产量逐渐扩大，hud的检测设备是必不可少的。现有检测设备对一般光学系统的对比度、畸变、亮度等指标的检测是很成熟的。例如：专利号2016210632587，专利名称：一种hud影像测试设备，该专利中介绍了一种hud影像测试的设备，可以对hud影像视野范围、像质、尺寸、色彩、亮度进行测试。

但hud不同于镜头等光学系统，其应用的场合决定了它有一个更为重要的指标需要进行检测：成像位置。在实际装车过程中，挡风玻璃的安装角度偏差，hud产品的安装位置偏差都会造成hud成像位置发生偏移。成像位置偏差过大会严重影响hud的使用效果。成像的位置过低会和汽车的前引擎盖重叠，驾驶员不能清晰看到车速、导航等重要信息，从而对行车安全造成威胁。而上述专利并不能对成像位置进行评估与检测，而缺少了这项指标评定的hud必然存在隐患。

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技术实现要素：
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本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种hud成像位置检测装置，能够实现hud成像位置检测，保证了行车安全，消除了成像位置偏差对于hud使用效果带来的影响。

为实现上述目的设计一种hud成像位置检测装置，包括挡风玻璃固定部分1、hud固定部分2、检测装置部分3、检测装置固定调节部分4，所述hud固定部分2设置在挡风玻璃固定部分1的一侧，所述检测装置部分3、检测装置固定调节部分4均设置在挡风玻璃固定部分1的另一侧，所述挡风玻璃固定部分1包括挡风玻璃11、挡风玻璃固定支架一12、挡风玻璃固定支架二13、挡风玻璃安装角度调节机构14，所述挡风玻璃11安装在挡风玻璃固定支架一12上，所述挡风玻璃固定支架一12连接在挡风玻璃固定支架二13上，并通过挡风玻璃安装角度调节机构14调整角度，所述hud固定部分2包括hud装置21、多维度调节平台22、调节平台固定支架24，所述多维度调节平台22用于对hud装置21的高度、水平方向角度进行调节，所述多维度调节平台22安装在调节平台固定支架24上，所述检测装置部分3包括检测镜头31、检测镜头调节机构33、检测镜头固定杆32，所述检测镜头31通过检测镜头调节机构33安装在检测镜头固定杆32上端处，所述检测镜头调节机构33用于对检测镜头31的俯仰角、水平角度、前后位置进行微调，所述检测镜头固定杆32下端安装在检测装置固定调节部分4上，并通过检测装置固定调节部分4进行横向及纵向的粗调节。

进一步地，所述检测装置部分3内部包括ccd芯片34、步进电机35、齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38、fpga芯片，所述检测镜头31固定在外壳39的几何中心，所述外壳39安装在检测镜头固定杆32顶端，所述检测镜头31后端连接ccd芯片34，所述ccd芯片34与步进电机35相连，所述检测镜头31与ccd芯片34之间距离由步进电机35通过螺纹传动进行微调，所述步进电机35与fpga芯片相连，所述检测镜头31与ccd芯片34之间距离通过fpga芯片进行控制调节，并进行读数，所述齿轮一36用于控制检测镜头31俯仰角，所述齿轮二37用于控制检测镜头31前后位置的微调，所述齿轮三38用于控制检测镜头31水平角度的微调，所述齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38均由主板连接相应电机以控制传动。

进一步地，所述检测装置固定调节部分4包括水平横向调节滑轨41、水平纵向调节滑轨42，所述水平纵向调节滑轨42安装在水平横向调节滑轨41上，并沿水平横向调节滑轨41作横向移动，所述检测镜头固定杆32下端连接在水平纵向调节滑轨42上，并沿水平纵向调节滑轨42作纵向移动。

进一步地，所述hud装置21顶端设有带光阑25的上盖23，所述带光阑25的上盖23用于控制从hud装置21出射光束的口径。

进一步地，所述光阑25的直径为5-10mm。

进一步地，所述外壳39外部安装有读数表盘，所述读数表盘与fpga芯片电连接，所述读数表盘用于在测试前进行调整校对。

本发明还提供了一种利用上述hud成像位置检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)成像角度检测

首先加工一个hud装置的上盖，在通过上盖的主光线所在位置设置一个光阑，使得hud装置只有光阑孔位出射光线；

然后用ccd芯片进行一次采样，ccd芯片采集到一个光斑的数据，并将数据信息传输给fpga芯片，fpga芯片对采集到的数据进行质心计算，质心算法公式如下：

其中，iij为二维图像上每个像素点接收到的光强，得到该位置的坐标(xc，yc)后与中心点(0,0)进行比较，计算偏差，然后转动电机调整检测镜头调节机构，并再次计算质心坐标，继续调整，直至得到的坐标(xc，yc)与中心点(0,0)几乎重合，此时读出竖直方向旋转的角度，该角度即hud产品的成像角度；

2)成像距离检测

将ccd芯片在当前位置进行一次采样，得到一幅图像后对图像进行分析，并对图像信息进行记录；

此时ccd芯片与螺纹均处于初始零位，控制步进电机转动，改变ccd芯片与检测镜头之间的距离，并记录步数、图像信息，如此反复，最终在螺纹全量程内得到n组数据，将这n组锐度、对比度的图像信息与步进距离绘制成图像，得出图像最清晰点的位置信息，此时的位置信息便是ccd芯片与检测镜头之间的距离；

对于检测镜头本身，已知其焦距及其他结构参数，则可计算出该透镜的主点的位置，并根据其结构参数以及ccd芯片与检测镜头之间的距离，得到此时的像距，由焦距和像距，根据高斯公式其中，l’为像距，f’为焦距，则可求出此时的物距l，该物距即为需要的成像距离；

3)成像位置计算与比较

根据步骤1)及步骤2)已测定的成像角度与成像距离，则可计算出成像的具体位置；

然后在实际汽车的空间布局上，即可看出该位置的像是否合适，最终得出hud装置是否合格的结论。

进一步地，成像距离检测之前，先对步进电机的步数与螺纹的传动距离进行一次标定，以在测试时通过对步进电机步数的记录得到ccd芯片及相关螺纹移动的距离。

进一步地，成像距离检测过程中，hud选用黑白格图片进行显示，便于进行图像算法处理。

本发明同现有技术相比，通过在检测前对检测装置的角度进行高精度自动化调整与检测，角度检测完成后继续对成像距离进行检测，最终得出hud产品的成像位置信息(角度，距离)，并根据汽车结构数据给出判定结果，实现hud成像位置检测，保证了行车安全，避免了挡风玻璃安装角度偏差以及hud产品安装位置偏差，所造成的hud成像位置发生偏移，消除了成像位置偏差对于hud使用效果带来的影响；此外，本发明所述的检测系统由一个fpga芯片进行控制，实现对数据采集，算法处理，以及对控制系统进行调节，自动化程度高，安全可靠，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中挡风玻璃固定部分的结构示意图；

图3是本发明中hud固定部分的结构示意图；

图4是本发明中检测装置部分的结构示意图；

图5是本发明中检测装置部分上部的放大结构示意图；

图6是本发明中检测装置固定调节部分的结构示意图；

图7是本发明中hud装置的结构示意图；

图8是本发明成像角度的测量原理示意图；

图9是本发明中检测镜头处的局部结构示意图；

图10是本发明成像距离检测过程中hud的黑白格显示图；

图11是本发明成像位置计算示意图；

图12是本发明的测试流程图；

图中：1、挡风玻璃固定部分11、挡风玻璃12、挡风玻璃固定支架一13、挡风玻璃固定支架二14、挡风玻璃安装角度调节机构2、hud固定部分21、hud装置22、多维度调节平台23、上盖24、调节平台固定支架25、光阑3、检测装置部分31、检测镜头32、检测镜头固定杆33、检测镜头调节机构34、ccd芯片35、步进电机36、齿轮一37、齿轮二38、齿轮三39、外壳4、检测装置固定调节部分41、水平横向调节滑轨42、水平纵向调节滑轨。

[具体实施方式]

如附图所示，本发明提供了一种hud成像位置检测装置，包括挡风玻璃固定部分1、hud固定部分2、检测装置部分3、检测装置固定调节部分4，hud固定部分2设置在挡风玻璃固定部分1的一侧，检测装置部分3、检测装置固定调节部分4均设置在挡风玻璃固定部分1的另一侧，挡风玻璃固定部分1包括挡风玻璃11、挡风玻璃固定支架一12、挡风玻璃固定支架二13、挡风玻璃安装角度调节机构14，挡风玻璃11安装在挡风玻璃固定支架一12上，挡风玻璃固定支架一12连接在挡风玻璃固定支架二13上，并通过挡风玻璃安装角度调节机构14调整角度，hud固定部分2包括hud装置21、多维度调节平台22、调节平台固定支架24，多维度调节平台22用于对hud装置21的高度、水平方向角度进行调节，多维度调节平台22安装在调节平台固定支架24上，检测装置部分3包括检测镜头31、检测镜头调节机构33、检测镜头固定杆32，检测镜头31通过检测镜头调节机构33安装在检测镜头固定杆32上端处，检测镜头调节机构33用于对检测镜头31的俯仰角、水平角度、前后位置进行微调，检测镜头固定杆32下端安装在检测装置固定调节部分4上，并通过检测装置固定调节部分4进行横向及纵向的粗调节。

其中，检测装置部分3包括ccd芯片34、步进电机35、齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38、fpga芯片，检测镜头31固定在外壳39的几何中心，外壳39安装在检测镜头固定杆32顶端，检测镜头31后端连接ccd芯片34，ccd芯片34与步进电机35相连，检测镜头31与ccd芯片34之间距离由步进电机35通过螺纹传动进行微调，步进电机35与fpga芯片相连，检测镜头31与ccd芯片34之间距离通过fpga芯片进行控制调节，并进行读数，齿轮一36用于控制检测镜头31俯仰角，齿轮二37用于控制检测镜头31前后位置的微调，齿轮三38用于控制检测镜头31水平角度的微调，齿轮一36、齿轮二37、齿轮三38均由主板连接相应电机以控制传动；外壳39外部安装有读数表盘，读数表盘与fpga芯片电连接，读数表盘用于在测试前进行调整校对。

本发明中，检测装置固定调节部分4包括水平横向调节滑轨41、水平纵向调节滑轨42，水平纵向调节滑轨42安装在水平横向调节滑轨41上，并沿水平横向调节滑轨41作横向移动，检测镜头固定杆32下端连接在水平纵向调节滑轨42上，并沿水平纵向调节滑轨42作纵向移动。hud装置21顶端设有带光阑25的上盖23，带光阑25的上盖23用于控制从hud装置21出射光束的口径，光阑25的直径为5-10mm。

如附图1所示，整个测试系统共分为四个部分：挡风玻璃固定部分，hud固定部分，检测装置部分，检测装置固定及调节部分。如附图2所示，挡风玻璃固定部分包含挡风玻璃、挡风玻璃固定支架一、挡风玻璃固定支架二、挡风玻璃安装角度调节机构。如附图3所示，hud固定部分包含有hud装置、带光阑的上盖、多维度调节平台、调节平台固定支架，该多维度调节平台可以对hud的高度、水平方向角度进行调节，使hud能够正确安装在理论设计位置；带光阑的上盖可以控制从hud出射光束的口径，从而提高测试精度。如附图4所示，检测装置部分包含有检测镜头、检测镜头固定杆、检测镜头调节机构，该检测镜头调节机构可以对检测镜头进行俯仰角、水平角度、前后位置的微调，其调节全部由电机控制，外部也安装有读数表盘，便于机构在测试前进行调整校对。

如附图5所示，在检测部分，检测镜头固定在外壳的几何中心，后端紧接ccd芯片，ccd芯片由步进电机及相关螺纹带动，实现前后的调节。通过fpga芯片的控制对检测镜头和ccd芯片之间的距离进行调节改变，并进行读数。齿轮一控制测试部分俯仰角的改变，齿轮二控制测试部分前后的微调，齿轮三控制测试部分水平角度的微调，以上调节机构件均由主板连接相关电机部件直接进行控制传动。如附图6所示，检测装置固定及调节部分包含有水平横向调节滑轨、水平纵向调节滑轨，从而测试部分整体可以通过该部分进行一个粗调节，使测试部分整体位置处于工作区域附近。本发明整体由一个fpga芯片进行控制，对数据采集，算法处理，以及对控制系统进行调节，其整个测试流程如附图12所示。

下面结合具体实施例对本发明的检测方法作以下进一步说明：

(1)成像角度检测方法

对角度进行调整方法，首先加工一个特殊的hud装置21上盖23，在通过上盖23的主光线所在位置设置一个光阑25，使得hud只有该孔位可以出射光线。该光阑25的直径要在5-10mm之间，此做法有效的限制了出光量，对于后续的光线采集与计算提高了精度与准确性；

然后用ccd进行一次采样，ccd芯片采集到一个光斑的数据(像素坐标信息，能量幅值信息)，将该信息传输给fpga芯片，芯片对采集到的数据进行质心计算。

质心算法公式如下：

其中iij为二维图像上每个像素点接收到的光强。得到该位置的坐标(xc，yc)后与中心点(0,0)进行比较，计算偏差，然后转动电机调整检测装置的调节机构并再次计算质心坐标，继续调整，直到(xc，yc)与(0,0)几乎重合，此时读出竖直方向旋转的角度(与0角度基准位置比较)，该角度就是hud装置21的成像角度。

(2)成像距离检测方法

检测装置部分3角度调整好以后开始进行成像距离的检测。

在测试之前需要对步进电机的步数与螺纹的传动距离进行一次标定，这样在测试时可以通过对步进电机步数的记录得到ccd芯片34及相关螺纹移动的准确距离。

检测镜头31与ccd芯片34之间由步进电机35通过螺纹传动进行微调，达到改变ccd与镜头之间距离的目的；

检测过程中hud选用黑白格图片进行显示，便于进行图像算法处理。采用如附图10所示。

ccd芯片34在当前位置进行一次采样，得到一幅图像后对图像进行分析，得到图像锐度，对比度等信息，并对信息进行记录。此时ccd芯片与螺纹均处于初始零位。控制步进电机35转动，改变ccd与镜头之间的距离并记录步数，图像信息，如此反复。最终在螺纹全量程内得到n组数据，将这n组锐度，对比度信息与步进距离绘制成图像，得出图像最清晰点的位置信息。此时的位置信息便是检测镜头31与ccd芯片34之间的距离d。对于镜头本身，我们是已知他的焦距f’以及其他的结构参数，我们可以计算出该透镜的主点h的位置，并且可以根据其结构参数和d得到此时的像距l’，知道了f’和像距l’，根据高斯公式可以求出此时的物距l，l便是我们需要的成像距离。

(3)成像位置计算与比较

根据已经测定的成像角度与成像距离，可以算出成像的具体位置(如附图11所示)：

h＝l*sinα

d＝l*cosα

在实际汽车的空间布局上可以看出该位置的像是否合适，最终给出hud是否合格的结论。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。