专利名称：用于确定轮缘的空间位置的测量方法和测量装置,以及车轮定位测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定轮缘相对包括至少一个照相机的测量装置的空间位置的测量方法和测量装置，其中，所述轮缘位于照相机视场中，以及车轮定位测量方法和车轮定位测量系统，其中，使用了这种类型的测量装置。
在DE 100 43 354.5中，披露了具有测量头的轮定位测量系统，它被用于在测量部位确定机动车辆的轮子位置，其中，每一个测量头具有至少一个照相机，这些照相机排列用于测量排列在照相机视场中的目标，并且以固定的关系相对机动车辆的轮子定位，其中，照相机的图像可以通过评估装置评估，以便测定测量空间位置的空间位置，并且因此确定轮子相对照相机或测量主体的位置。所述装置具有整合在测量头上的光学参考系统，用于校正与车轮定位测量系统的测量头彼此的位置。
包括两个照相机的测量装置的车轮定位测量系统，是以不同的角度朝向车轮上的目标的，还可参见DE 197 57 760，DE 197 57 763，DE 100 32 356和DE 100 50 653。
在这些所谓的无接触车轮定位测量系统中，必须使用测量目标，因为不能通过对轮子或轮缘图像的直接的图像评估，根据轮子或轮缘本身的特征以足够的精度确定空间位置。
在DE 29 48 573中，业已试图通过在轮缘角轮廓上进行圆形或椭圆形拟合产生轮子的空间位置。这导致了由于特别是在转动方向盘时磨损轮缘角而导致的系统误差。这种误差的后果是作出误差的假设，即轮缘轮廓是空间圆形的透视图像，而实际上，在透视图中没有出现空间圆形。另外，在两个照相机的结构中，立体系统的两个照相机不会看到相同的空间轮廓，而是看到不同的轮廓。
本发明包括用于确定轮缘相对包括至少一个照相机的测量装置的空间位置的方法，其中，所述轮缘位于照相机视场中，该方法包括通过模型参数提供能体现轮缘几何形状细节的模型体，以及模型体相对测量装置的空间位置的模型，用所述照相机获得所述轮缘的轮缘几何形状细节的图像，通过改变所述模型的模型参数，使由所述模型参数得到的模型体的图像与轮缘几何形状细节的图像拟合，并且在拟合时跟踪所述模型参数的变化，以便与轮缘几何形状细节的模型体的位置相关的数据能体现轮缘的空间位置几何形状细节，因此，当来自轮缘几何形状细节的所述模型体的模型参数的图像与获得的轮缘几何形状细节的图像在标称的允许误差范围内匹配时，能体现轮缘本身。
通过这种方法，考虑到了车轮定位测量的实际情况，即实际轮缘，以便准确地确定通过轮缘角展开的轮子平面。因此，可以避免在普通方法中的上述系统误差。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，所述模型体是所谓的密切环面或3D-CAD图形。尽管密切环面表示轮缘轮廓的3D模型的最简单的形式，还可以使用相应轮缘的3D-CAD图形，以便可以获得类似的良好效果。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，对于密切环面来说，所述模型的模型参数是环面的第一半径R和第二半径r，环面中心的位置c，环面旋转平面的法向矢量n，和带孔照相机的投影中心的位置z，通过所述照相机观察所述密切环面。根据密切环面的所述模型参数，某些是根据轮缘的实际尺寸得出的，并且是根据带孔照相机的排列得出的，因此，所得到的优化问题中的未知因素的数量以有利的方式减少，并且，密切环面的图像在实际轮缘图像上的拟合变得更有利。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，所述轮缘几何形状细节是轮缘轮廓。尽管其他轮缘几何形状细节也可以被视作确定轮缘的空间位置的基础，轮缘轮廓是优选的特征，因为在轮缘和轮胎之间预计存在足够好的差异。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，所述轮缘轮廓是用以不同的角度对准轮子的两个照相机获得的。正如随后将要证实的，原则上讲，一个照相机就足以作为执行本发明测量的基础。不过，考虑到误差校正，两个照相机是优选的，以便获得更高的测量精度。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，轮缘的图像还被用于测定在轮缘上的角位移参考点，它在轮子旋转时用作角起始点。根据旋转角和轮缘平面的法向矢量，能够精确地确定实际转动轴。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，为了确定在轮缘上的旋转角参考点，利用了在轮子上的特有特征的位置，其中，在优选方式中，作为确定旋转角起始点的特有特征，使用了轮缘或轮子的空气阀的特有特征。作为表示轮子旋转位置的机动车辆轮子的特有特征是空气阀，它可以直接使用，而不必作为特有特征对轮子进一步的测量。还可以将标记用于标示轮缘上的旋转角测量点，其中，与轮子的接触同样是必须的。在实践中，业已证实空气阀的定位对于本发明的测量来说是足够的。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，为了分割轮缘的周长，进行了预分割和细分割(亚像素分割)。这种处理方法，能够以有利的方式简化所需要的算术操作，以便能够以足够的精度进行分割。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，输出或显示与所述模型的模型参数相关的数据，当模型体的轮缘几何形状细节的图像与获得的轮缘几何形状细节的图像拟合时它能确定轮缘的空间位置。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征是通过以下步骤开始图像投射，分割轮缘，其中，对机动车辆轮子的气孔进行分割，分割轮缘，以便测量轮缘的标称的角度范围，重建轮缘的3D位置，显示计算结果，即法向矢量和轮缘平面的中点和/或保存所述数据用于进一步计算。通过这种结构，能够以优选方式实现轮缘振摆补偿。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，在开始图像投射之后，首先检查发光度是否足以进行测量，并且对发光度进行相应的调整。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，所述调整包括用于照明的更大或更小的光照强度。
本发明的测量装置用于测定轮缘相对包括至少一个照相机的测量装置的空间位置，其中，所述轮缘位于照相机视场中，其特征在于对计算机进行编程，以便执行上述方法之一。
本发明测量装置的另一种优选实施方案的特征是，在上述测量装置中，提供了两个照相机，它们能获得轮缘轮廓，并且以不同的角度朝向轮子。
本发明测量装置的另一种优选实施方案的特征是，每一个照相机包括光学传感器，物镜，光圈调整装置和焦距调整装置，并且，所述传感器和物镜的安装位置，光圈调整和焦距调整是预先调节的。
本发明测量装置的另一种优选实施方案的特征是，对于可变焦距物镜来说，另外，设定焦距是预先调节的。
本发明测量装置的另一种优选实施方案的特征是，分别提供输出或显示系统，用于分别输出或显示与模型参数相关的数据，当所述模型体的轮缘几何形状细节的图像拟合到获得的轮缘几何形状细节的图像中时，它能确定轮缘的空间位置。因此，测量部位的安装变得较容易，因为，可以在任何时间对参考系统重新进行细微的调整。
上面大体上披露了本发明测量装置的优点或与本发明方法或其实施方案的优点相应的实施方案。
本发明的用于对机动车辆进行车轮定位测量的方法的特征在于，执行了用于测定机动车辆上的轮子的轮缘相对测量装置的空间位置的上述方法之一，确定了用于执行测量的测量装置的相对位置，对机动车辆的轮子进行测量的测量结果表示为与测量装置的相对位置相关的车轮位置值，并且输出或显示车轮位置值。
本发明方法的优选实施方案的特征在于，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过将测量装置可调整地安装在测量部位上固定的。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征在于，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过安装在测量装置上的参考系统确定的。
本发明方法的另一种优选实施方案的特征是通过以下步骤进行执行每一个测量装置的测量；将测量结果输入计算机；根据所述参考系统测量的结果计算变换矩阵；将测量装置的结果矢量通过偏斜角和距离参考测量系统的距离转化成算术坐标系统；通过评估结果矢量彼此之间的位置确定在算术坐标系统中的车轮位置值，以便计算相应的车轮定位测量值；将车轮方位角值的结果提供给显示系统和/或保存所述结果以便进一步使用。
本发明的用于对机动车辆进行车轮定位测量的方法和优选实施方案的优点在于，上述测量装置和相应的方法能够以有利的方式用于对机动车辆的完整的运行齿轮装置进行精确测量。
机动车辆的车轮定位测量系统的特征在于用于测量机动车辆车轮的轮缘相对测量装置的空间位置的测量装置，所述测量装置以如下方式安装在测量部位，使得测量装置分别与机动车辆的一个轮子结合，以便在执行测量期间确定测量装置的相对位置，由计算机将对机动车辆的轮子进行测量的测量结果处理成与测量装置的相对位置相关的车轮位置值，以及输出或显示车轮位置值的输出或显示装置。
本发明车轮定位测量系统的另一种优选实施方案的特征是，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过将测量装置可调整地安装在测量部位固定的。
本发明车轮定位测量系统的另一种优选实施方案的特征是，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过安装在测量装置上的参考系统确定的。
本发明车轮定位测量系统的另一种优选实施方案的特征是，在将两个照相机组装在测量装置上用于立体-测量系统时，所述照相机是相对测量装置的坐标系统校正的。
本发明的机动车辆的车轮定位测量系统的优点相当于业已结合对机动车辆进行车轮定位测量的方法所披露的优点。
下面将结合附图对本发明的实施方案进行说明，其中
图1表示具有标记平面的法向矢量的旋转体的示意图；图2表示阴影边界线如何随着光源的改变而改变的示意图，其中，以球体为例；图3表示环面的边缘轮廓或阴影边界线的示意图；图4表示通过机动车辆轮子的轮缘角部位的剖面示意图，具有密切环面的剖面圆环的带标记的位置；图5表示在交会平面Eφ环面的交会图像上的环面的交汇图像的示意图；图6表示通过与所述剖面图像中的环形物体几何形状进行典型的立体匹配进行故障重建的示意图；图7表示机动车辆轮子上的环面，轮子轴线和轮子中间平面的示意图；图8表示机动车辆轮子上环面与轮缘角的示意图；图9表示具有固定测量装置的车轮定位测量系统的示意图10表示具有固定测量装置和用于在彼此之间调整测量装置的参考系统的车轮定位测量系统的示意图；图11表示对机动车辆进行车轮定位测量的示意性总体流程图；图12表示对机动车辆进行车轮定位测量的详细的总流程图；图13表示进行轮缘振摆补偿或确定实际转动轴的流程图；图14表示用于确定实际轨迹和汽车前轮的外倾角的流程图。
确定旋转体的空间位置。
在确定旋转的空间位置，特别是旋转对称体的空间位置时，在所述对称体上不使用靶标或标记，并且所述旋转体没有从开始算起的可追踪的点，可以通过如下方法和方式获得局部几何形状细节。通过对所述主体的优选透视图像的算术重建，人们能够确定旋转体在空间的独特的几何形状细节(例如，点，边缘，表面)。人们在所述主体旋转期间跟踪所述独特的几何形状细节。3D点然后在空间中的圆形轨道上运动，边缘和表面靶线形成了环绕实际转动轴的旋转表面。
为此，首先使用优选的参数化的3D模型，它形成了旋转体的实际几何形状的良好的可定位部分。例如，所述3D模型可以是立方形、圆柱形、圆形表面，或者是完整的3D-CAD设计。根据在空间中的位置和3D模型的参数，人们可以计算所述3D模型的透视图像。如果反过来人们具有所述3D模型的透视图像的话，人们能够确定所述3D模型的空间位置和结构参数。由于实际主体的合适的图像剖面必须与该3D模型的透视图像完全匹配，因此，人们获得了算术拟合成特定主体的3-D模型。
如果原始主体的实际转动轴并非同时是拟合的3D模型的对称转动轴的话，人们可以计算原始主体从拟合3D模型的位置到旋转的位置。因此，在转动原始主体期间，密切平面的法向矢量并非垂直于转动轴，例如形成了圆锥形，它的圆心是所述转动轴，正如图1所示出的。
一旦确定了转动轴，人们就可以通过测量所述标记的平面推断转动轴的位置，即使旋转体的位置业已在此期间改变了。结合车轮定位测量，这种基本构思导致了如何获得不同轮缘几何形状的适度一般化的，局部的3D模型的问题。
通过充分理解的，参数化的3D模型，这种方法基本上只需要一个透视图来重建几何形状。不过，为了提高精度，优选使用若干照相机。
确定轮缘的空间位置的用途然后可以根据透视图像获得物体的空间位置，即使人们在处理时没有可跟踪的均匀的空间轮廓或标记好的点，但对它具有充分的侧面了解，主要可能是参数化的3D模型形式的几何形状。例如，这一目的可以在环形表面的3D模型的例子上实施。不过，类似方法同样可应用于其他局部3D模型上。特别是对于车轮定位测量来说，通过轮缘角近似值，一般化的环形几何形状同样是值得考虑的。这种一般化环形表面的剖面曲线随后为圆弧，即由圆弧组成的片段状光滑曲线。
如果便于获得有关轮缘几何形状的扩展的知识的话(例如CAD设计)，基本可以将更复杂的3D拟合成轮缘几何形状，其中，除了轮缘角之外的部位也值得考虑它的近似值。
由于在轮胎的边缘部位的所有轮缘都局部呈现环形几何形状，将局部环形表面在这里拟合到轮缘的所述范围，以便通过照相机观察到的轮缘的边缘轮廓和上述拟合环形表面的几何形状相同。所述环形表面相当于轮缘角的密切表面部位，更确切地讲，相当于从照相机视野中观看的极端阴影边界线。
如果用点状光源照亮特定空间主体的话，人们可以获得位于所述空间里的发光的和发光的部位之间的大量的边界点，即一组曲线，阴影边界线。如果人们将阴影边界线的每一个点通过直线与光源点连接的话，就得到了边梁锥形结果，如图2所示。
通过对典型的轮缘进行点状照明，从侧面看，确实存在一个阴影边界线，它的边梁锥形包括所有其他的边梁锥形，例如，它可以是通过轮缘的凹陷产生的。这种阴影边界线相当于轮缘的外部轮廓，并且被称为极端阴影边界线。如果通过带孔照相机取代点状光源的话，它的投影中心与前面的光源点吻合，然后极端阴影边界线的透视图像以与背景相对的边缘轮廓形式出现，例如，轮胎。
环面或轮缘的极端阴影边界线一般不是均匀的空间曲线，特别是不是圆形，除非投影中心位于环面或轮缘的转动轴上。原则上讲，透视图像是非椭圆形的。对于具有不同的投影中心的两个带孔照相机来说，所述极端阴影边界线是不同的(图2)。这意味着将边缘轮廓解释为单一的空间曲线的图像，因为，通过epipolar条件进行的常规立体重建，必然导致不完美的重建。
轮缘的极端阴影边界线确实是根据观察者的位置和轮子的旋转角度改变的，不过它通常位于轮缘角的剖面曲面的最大弯曲范围内。在这种范围内，轮缘被转动，并且可能非常好地接近环面，该环面被称作密切环面。从带孔照相机中看，该环面的阴影边界线与轮缘的阴影边界线吻合。垂直于密切环面的对称转动轴的对称平面在以下被称作密切圆环平面或轮缘平面。
图3分别表示环面的阴影边界线，边缘轮廓或透视图像。外部轮廓a是极端阴影边界线的图像。内部轮廓b相当于环孔。图4表示通过机动车辆轮子的轮缘角部位的剖面，绘出了密切环面横截面圆的位置。极端阴影边界线通过用箭头标出的部位，其中，它横向通过横剖面。因此，将相应的透视图的密切环面的极端阴影边界线用作要拟合的3D模型。不过，密切环面的极端阴影边界线的参数同样能明确地确定密切环面本身。
下面将披露环面的透视图像的等值曲线的计算。为了从数学上全面说明环面的阴影边界线，对圆柱坐标系统进行定向，以便环面的旋转平面成为(r，φ)-平面，并且转动轴成为z-轴线。假定环面T具有中央圆形半径R和交叉圆形半径r，对于延伸通过所述环面转动轴的剖面来说，围绕0＝(0，0，0)，转动轴沿方向e3＝(0，0，1)，r＜R，这意味着环面的中央环位于x-y平面上。另外，z＝(ζ1，ζ2，ζ3)应当被设定为位于环面外部的中央透视投影中心，ζ3＜r，并且E是投影平面(等于照相机的芯片平面)，其中，z不包含在E中。如果u是与z的最低点在投影平面E上垂直，并且(n1，n2，n3)是正交基地的话，则n3=z-u||z-u||]]>(‖z-u‖＝z和u的距离)，(u，n1，n2)成为投影平面上的仿射图像坐标系统，这意味着，光学投影中心的方向垂直于仿射坐标系统的光轴的视网膜平面。
已知(1)对每一个点x＝(ξ1，ξ2，ξ3)εT来说，存在精确的角度φε
]>其中，‖z-u‖是矢量z□u的长度，因此，投影中心z距离投影平面E的距离，和<x-z|v>同样表示x□z与矢量v的无向积。
公式如下p(x)=u+||z-u||⟨x-z|n3⟩·(⟨x-z|n1⟩n1+⟨x-z|n2⟩n2)]]>因为x-z＝<x-z|n1>n1+<x-z|n2>n2+<x-z|n3>n3通过将sφ插入p，人们可以获得边缘轮廓直角坐标上的φ→p(sφ)。
在投影平面E的图像坐标中
是边缘轮廓的函数方程，即，阴影边界线。
应当指出的是，边缘轮廓的函数方程不仅取决于r和R，而且还取决于z和E相对环面T的位置。如果保持z和E固定，并且移动环面的话，人们可以获得相同的边缘轮廓，正如人们将环面保持在法向位置上所能获得的，不过，是沿相反的方向移动z和E。因此，边缘轮廓的形状确定了环面主平面相对照相机坐标系统(n1，n2，n3)的相对位置。
在固定视网膜平面的法向矢量和视网膜平面的投影中心焦距之后，人们由此确定了固定的中央投射点p。属于φ的边缘轮廓点是p(sφ)，它可以按上述方式表达。
应当指出的是，该中央投影的固有参数，即投影中心的位置z，视网膜平面的焦距和法向矢量，是在校正照相机的过程中获得的。因此，它们是在测量过程之前已知的。
计算的目标是通过以下方式解释的计算的目的是，根据边缘轮廓重建密切环面表面，即轮缘角的极端阴影边界线的透视图。为此，改变了密切环面的模型参数(在非线性方法的过程中)，直到密切环面的外部轮廓与测量的极端轮缘的阴影边界线吻合。所述密切环面的旋转平面的法向矢量随后可用于精确地重建转动轴。
根据边缘轮廓重建密切环面，可以作为非线性优化问题提出。环面的极端阴影边界线取决于以下参数环面的第一半径R和第二半径r，环面中心的位置c和环面相对照相机坐标系统(n1，n2，n3)的旋转平面的法向矢量n，并且取决于带孔照相机的投影中心的位置z。因为z是事先通过计算确定的，下面将不再对这种从属性作任何说明。除非将法向矢量n的坐标转换到z-轴线上，并且将环面中心c转移到起点，极端阴影边界线的公式业已按上述方法进行了推导。
为了根据参数R，r，c和n表达这种图像的依赖性，人们将轮廓点p(sφ)视为函数，这导致了上述p(sφ)的图像，当人们将照相机坐标系统转换成上面使用过的坐标系统时。
如果根据带孔照相机的中央透视图像业已确定了足够多的边缘轮廓点x1，.....，xn，并且如果照相机的参数，以及投影中心z，主要点u，以及照相机坐标系统(n1，n2，n3)(参见附录1)的位置是根据前面进行的校正已知的话，人们就可以查找参数矢量c和n以及半径r和R，对于与x1，...，xn相关的合适的极角sφ1，....，φn来说，误差平方 变得最小，在这里‖y-z‖表示在图像平面上两个点y，z的欧几里德距离。
通过已知的密切环面半径R，它可以设定为固定的，因此作为未知量被消除。在理想情况下，属于边缘点x1，.....，xn角度争议φ1，....，φn的确定应当包括在它的部分中，形成总体上的最小化。不过，在本发明中，良好的预先近似启发性就足以提供具有高精度的角度争议。尽管密切圆环平面的法向矢量n也可以根据透视图明确地确定，但是对于c，r，R来说不够有效。不过，采用已知的R，一幅照相机图像就足够了。
同样由于较高的误差稳定性，特别是在轮缘的转动轴附近的观察位置上的稳定性，使用两个照相机精确测量空间位置(立体系统)。然后提供上述平方的总和，使第二个带孔照相机具有类似的误差项。
为了在轮胎背景上足够精确地确定轮缘的边缘轮廓，图像处理的标准等高线提取方法不是足够的，因为通常轮缘角相对轮胎的外侧的反差不够。因此使用了精细的轮廓估算器，同时采用了对环面边界几何形状特征的侧面了解。
如果轮子转动轴在空间的位置改变的话，所述轮子会在空间发生自由运动(平移或转动)。由于在车轮定位测量中，转动轴相对拟合3D模型的相对位置保持稳定，人们可以根据转动轴返回的拟合3D模型的位置了解。如果所述拟合3D模型具有其他对称性的话，人们需要位置识别参数。为此，对于密切环面来说，表示密切圆环平面的极角是必须的。
例如，该极角可以通过获得车轮空气阀的旋转位置确定。不过，原则上讲，确定旋转角的很多其他方法是可行的。原则上讲，为了确定转动轴在空间中的位置，除了密切环面中央相对轮子转动轴的可以忽略的偏差之外，小于1度的旋转角的精度一般就足够了。
正如业已指出过的，轮缘的阴影轮廓是根据透视观察位置而各自不同的，正如结合图2进行说明的。然后从图6中可以看出，这导致了对于环形几何形状来说通过典型立体配合进行的不完美的重建。边缘轮廓的观察光线的交会点并不与圆环平面平行。通过两个照相机观察到的边缘轮廓来自不同的空间曲线的不同的观察位置。因此，如果人们在错误假设的前提下执行典型的立体重建(通过推测的观察光柱的交会)的话，与一个和相同的空间曲线相关，人们就会得出不位于轮缘上的空间曲线的错误的重建，人们将它改变为实际轮缘。一般，所述表面上的轮缘曲线的拟合平面并不与上述密切圆环平面相当。具体地讲，对于方向盘的更大的转动角度来说，相应的法向矢量的误差不再是可以忽略的。
车轮定位测量系统.
图6表示业已结合图1进行过一般性说明的几何关系，分别相当于机动车辆的轮缘或轮子的关系。当所述圆环平面拟合在轮缘面上时，所述圆形平面是轮缘平面。这同样可以结合旋转的轮子以高精度重建。因此，它是轮子的独特的平面。假设该平面的法向矢量是沿转动轴方向的矢量，不过在一般情况下是不正确的(轮缘跑偏！)。不过，通过以控制的旋转角转动轮子，轮缘的法向矢量会围绕实际转动轴在旋转圆锥体上运动。可以根据至少三个这样的旋转位置计算轮子的实际转动轴，并且可以提供它相对轮缘平面的法向矢量的空间角度位置。轮缘平面的法向矢量和转动轴之间的这种固定的、稳定的关系，随后使得能够根据对轮缘平面和轮子本身的旋转角的了解精确地确定转动轴。
只有通过生产计算确保无振摆安装的轮子，轮缘平面的法向矢量可以等于实际转动轴的矢量。在任何场合下，必须确定轮缘平面，以便确定转动轴。
在理想化轮缘上，环面中心的位置是通过示意性轮缘平面，它的屈服，以及法向矢量，所述立体系统的测量结果作为轮子转动轴的突破点查看的。
图8示意性地表示轮缘4的轮缘角2。正如图中所示出的，轮缘角半径是通过环面以良好的近似性提供的，在通过安装在轮缘侧面的照相机捕捉的范围内。
图9表示测量部位10，要对它的齿轮进行测量的机动车辆12放置在该部位，在测量部位10，静止地排列着四个测量装置，示出了其中的三个测量装置14，16，18，而第四个测量装置是通过机动车辆覆盖的。图10表示机动车辆12的测量部位20，其中，同样示出了测量装置24，26，28，而第四个测量装置是通过机动车辆覆盖的。
测量装置14，16，18分别包括接地板30和两个照相机32，34，它们是以相对机动车辆12的相关的轮子36不同的角度安装的。在图9所示实施方案中，测量装置14，16，18固定安装在测量部位10，其中，测量装置之间的相对角度位置，以及它们之间的距离是通过它们的安装固定的，并且随后保持不变。
在图10所示实施方案中，测量装置24，26，28同样具有接地板40和两个照相机42，44，它们是以不同的角度朝向相关的轮子36的。在测量装置24，26，28的接地板40，46，48上，提供了参考系统测量头50，52，54，它们能够对测量测量装置24，26，28(以及通过机动车辆12覆盖的测量装置)的相对角度位置和距离进行光学测定。为此，每一个测量头，例如测量头50，具有两个发射/接受装置56，58，它们朝向纵向朝向车轮定位的测量头或朝向横向朝向机动车辆的测量头。通过这种类型的参考系统，对测量装置24，26，28的大致调整安装就足够了，并且测量装置之间的相对位置和距离的确定可以连续地测量，并且还可以预先调节。
立体测量系统的校正包括校正“内部照相机参数”和校正测量装置的安装位置。作为“内部参数”，示出了照相机所特有的所有的参数，即通过照相机的组装固定的参数。内部参数是通过光学传感器的安装位置，物镜及其安装位置，光圈调整和焦距调整固定的。通过可变焦距物镜，固定的焦距是额外决定性的，只要照相机没有发生机械改变或改变物镜参数，所述内部参数就可以被认为是稳定的。所述参数是借助于完全已知的物体确定的。目前，对3D物体的校正是优选的，例如，采用在不同的空间位置上具有很多足够突出的点和平面目标的结构。
在将两个照相机安装在测量装置上以便形成立体-测量系统时的安装位置的校正，必须相对测量装置的坐标系统进行。为此，在测量装置上提供了相应的安装轴，安装表面和/或指针，可以相对它对安装参考测量系统和立体测量系统进行校正。另外，还可以进行光学校正。
借助于现有的测量图像检查照明的质量。其中，检查了足够的可分割性，即阴影边界线的反差质量，如果没有提供足够的可分割性，就要对照明度进行调整。
参考系统数据的测量与已知车轮定位测量系统中的方法相同，所不同的是，距离测量。参考系统的测量结果是单个测量装置彼此之间的位置，包括单个测量装置与垂线的距离和位置。距离测量是通过对具有已知距离的两个发光二极管(LED’s)的角度测量进行的。
测量顺序图11表示测量的示意性流程顺序，其中，假设上述参考系统的测量和测量装置的校正已经完成。在步骤60中，开始是所述测量，通过步骤62，执行单个测量装置14，16，18或24，26，28的测量，其中，将测量结果输入计算机(未标示出)。在步骤64，66中，由计算机在步骤68中根据参考测量值(BM-结果)确定变换矩阵，上述结果来自参考系统测量的结果。在步骤70中，测量装置(MK)的立体测量的结果矢量通过偏斜角和距离参考系统(RKS□轴)的距离转换成算术坐标系统，其中，所述测量装置的坐标系统是作为算术坐标系统任意地固定的。在步骤71中，所述计算机随后确定在空间中的车轮位置值，它具体地表示前轮的独立的航迹角度，所谓的几何驱动轴等正如通常的情况，具有常见的车轮定位测量系统。在进行上述测量时，结果矢量之间的位置是在算术坐标系统中评估的，并且根据评估结果，计算相应的车轮定位测量值。在步骤76中，最后将车轮位置值的结果，即拱形，航迹角和由航迹角推算的角度值提供给显示装置和/或保存待用。
图12更详细地表示测量装置测量的一系列流程图。在步骤80中，提供测量开始信号。然后，在步骤82中，开始图像投射，其中，首先，在步骤84中，检查用于测量的照明度是否充分，如果必要的话，对照明度进行调整。所述调整可以包括用于照明的更大或更小的光照强度，其中，在任何场合下，目的都是获得尽可能好的通过照相机观察到的轮缘部分或轮缘角的对比度。在步骤86中，安装在轮子轴线右侧或左侧的照相机被启动，并且用于检查照明状态，以及用于在完成照明度设计之后获得轮缘的立体图像。在步骤88中，对轮缘进行分割，其中，在步骤90中，对机动车辆轮子的空气阀进行分割，这意味着确定空气阀的角位置。步骤92-98起着分割轮缘的作用，其中，在步骤92中，进行预分割，在步骤94中，进行细分割，在步骤96中进行亚像素分割，并且在步骤98中，确定实际轮缘轮廓相对发生的模型假设。进行这种分割，是为了测量轮缘的确定的角度范围，并且能够在确定轮缘平面时考虑所述测量值。
在步骤100中，对此前所获得的测量结果进行重新计算，考虑内部照相机参数，以便在步骤102中消除测定特有特征(例如气孔)的位置时的光学畸变，在步骤104中，光学畸变与轮缘的图像相应。在步骤106中，考虑外照相机参数，在步骤108中，重建空气阀的3D位置，在步骤110中，重建轮缘的位置。步骤108的结果是有关空气阀的3D位置的信息(步骤112)。为了进行轮缘重建，在步骤114中，首先执行第一次轮缘平面近似。然后，在步骤116中，计算角度争议，在步骤118中，分别进行环面模型拟合，或最终确定轮缘平面。在步骤120中，显示计算结果，即轮缘平面的法向矢量和中点和/或保存用于进一步的计算。然后对在步骤112和120中建立的结果进行进一步的加工，以便计算车轮方位角值，正如在步骤68-76中业已结合图11所披露的。
图13表示用于连续图12所示用于轮缘振摆补偿的方法的示意性顺序流程图。对于步骤122中的轮缘振摆补偿来说，考虑在步骤112和120(图12)中所获得的有关特有特征，例如空气阀，或法向矢量和轮缘平面的中点的3D位置的结果，以便获得参数集“转动轴”，它表示在球面坐标中实际转动轴相对法向矢量和空气阀位置的关系。为了执行并且检查轮缘振摆补偿，需要测量轮子旋转，在转动角测量过程中主销倾角的确定，以及在调整脚轮期间角轮角度的确定。为了执行和检查轮缘振摆补偿，需要进行低精度的测量。轮子转动大约10个角分的决定是适当的。另外，可以检测轮子的任意的转动，以便空气阀的追踪和测量是足够的。空气阀在圆周上是独一无二的，并且能够以相应的精度定位。
为了在转动角测量过程中确定主销倾角，并且在调整脚轮时确定脚轮的变化，以至少两个角分的精度确定轮子转动。然而，轮子的随意转动并非必须是可检测的。为此，可以执行空气阀3D位置的确定。另外，可以执行轮缘上非旋转边缘或结构或特征的测量和追踪，其中，可以使用用于轮缘确定的相应的算法。
图14表示用于根据图12所示的步骤112和120以及图13a所示的步骤124所示结果计算航迹角和汽车前轮的外倾角的示意性序列流程图，即最终计算航迹角和汽车前轮的外倾角，同时考虑轮缘振摆。换句话说，将有关空气阀的3D位置的信息，以及有关法向矢量和轮缘平面的中点，和参数集“转动轴”的信息用于步骤126中，用来确定转动轴的位置。步骤126的结果在步骤128被转换成计算机的参考坐标系统，随后在步骤130中，由计算机计算航迹角和汽车前轮的外倾角。
在下面，披露了用于计算车轮定位参数的计算基础。
术语BM参考测量系统现有的标准角度测量系统，具有它自身的坐标系统Bmi 安装在相应的轮子上的多个参考测量系统KMK 坐标系统MK 右侧角度坐标系统。BM的照相机2
的轨迹LED上的起点。x-方向在BM旁边(不是驱动方向)。y-方向抬起BM的轴线-轮子。z-方向与通过省略符号表示的地球重力方向相反。
KMKi相应的测量头Mki的坐标系统RKS算术坐标系统 用于计算所有MKs，以便获得车轮定位测量的任意的但是有意义的固定的坐标系统i＝ 按照现有的惯例对单个系统进行1....x 1....x的编号，以便提供给测量值接收器。
测量和算术数量dv距离MK’s，横向轨迹，前dh距离MK’s，后di距离MK’s，左dr距离MK’s，右A，B，C，D，E，F，G，H参考系统的航迹角I，K，L，M，N，O，P，Q参考系统的倾角(x’，y’，z’) KMK中的矢量(测量装置的坐标系统)(x”，y”，z”) 平行于RKS的矢量(算术坐标系统)(x，y，z) RKS中的矢量(算术坐标系统)(xn，yn，zn) 轮子轴线的矢量方向，车轮外侧结果矢量在测量装置(测量头)i(KMKi)的坐标系统中，单个的立体测量系统I具有以下结果矢量ei′ρ=xi′yi′zi′*λixi′yin′zin′;]]>转换成RKS借助于来自参考系统的结果将所述结果矢量转换成算术坐标系统。
步骤1将所述结果矢量转换成水平的坐标系统和在所有方向上与RKS平行的坐标系统。
Cardanic类型的组合转动x′′y′′z′′=Rz(τ)Ry(κ)Rx(γ)x′y′z′]]>步骤2在RKS中矢量的起始点的位移。
其中，确定了以下偏斜角设定KMK4＝RKS偏斜角KMK2→KMK4f24＝(F+D)/2；偏斜角KMK3→KMK4f34＝(H+G)/2；偏斜角KMK1→KMK3f13＝(E+C)/2；其中，C，E彼此相对的左移跟踪传感器
D，F彼此相对的右移跟踪传感器G，H彼此相对的后移跟踪传感器在RKS中的KMK2的移动 在RKS中KMK3的移动 在RKS中KMK1的移动 上面为了说明起见，业已对本发明的优选实施方案进行了说明。本发明并不局限于所披露的实施方案。本领域技术人员在阅读上述说明之后，所述实施方案的多种可能性和改变是显而易见的，并且本发明的保护范围仅仅是由所附权利要求书限定的。
权利要求
1.用于测定轮缘相对包括至少一个照相机的测量装置的空间位置的方法，其中，所述轮缘位于照相机视场中，该方法包括通过模型参数，提供可以体现可定位的轮缘几何形状细节的模型体，以及模型体相对测量装置的空间位置的模型；用所述照相机获得轮缘的轮缘几何形状细节的图像；通过改变所述模型的模型参数，将通过所述模型参数得到的所述模型体的图像拟合到所述轮缘几何形状细节的图像中；在拟合时跟踪所述模型参数的变化，以便与轮缘几何形状细节的模型体的位置相关的数据能够体现轮缘的空间位置几何形状细节，并且，在所述图像来自轮缘几何形状细节的所述模型体的模型参数时，所述轮缘本身与所获得的轮缘几何形状细节的图像在标称的允许误差范围内吻合。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述模型体是所谓的密切环面或3D-CAD图形。
3.如权利要求2的方法，其特征在于，对于密切环面来说，所述模型的模型参数是环面的第一半径R和第二半径r，环面中心的位置c，环面旋转平面的法向矢量n，和通过它观察所述密切环面的带孔照相机的投影中心的位置z。
4.如权利要求1-3之一的方法，其特征在于，所述轮缘几何形状细节是轮缘轮廓的阴影边界线。
5.如权利要求4的方法，其特征在于所述阴影边界线是通过至少一个照相机获取的；根据所述阴影边界线计算极端阴影边界线曲线；根据所述极端阴影边界线曲线，通过正交投影计算出轴线，所述轴线垂直于由所述轮缘展开的平面，因此确定了所述轮缘的空间位置。
6.如权利要求1的方法，其特征在于，所述轮缘轮廓是通过两个照相机获得的，这两个照相机以不同的角度朝向轮子。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，将所述轮缘的图像用于确定在轮缘上的角位移参考点。
8.如权利要求7的方法，其特征在于，为了测定在轮缘上的旋转角-参考点，利用了在轮子上的特有特征的位置。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，作为用于确定旋转角-参考点的特有特征，利用了在轮缘上的特有特征。
10.如权利要求8的方法，其特征在于，作为确定旋转角-参考点的特有特征，利用了轮子的空气阀。
11.如权利要求7-10之一的方法，其特征在于，为了对轮缘的周长进行分割，进行预分割和细分割。
12.如权利要求11的方法，其特征在于，除了预分割和细分割之外，进行亚-像素分割。
13.如权利要求1的方法，其特征在于，通过改变所述模型的模型参数，将模型体的轮缘几何形状细节的图像拟合到轮缘几何形状细节的图像中，以便首先获得轮缘平面的近似图形，然后完成角分辨计算，最后，将最终的环面模型拟合在最终的轮缘平面上。
14.如权利要求1的方法，其特征在于，输出获得显示相当于所述模型的模型参数的数据，这些参数在将模型体的轮缘几何形状细节的图像拟合到获得的轮缘几何形状细节的图像上时确定了轮缘的空间位置。
15.如权利要求1的方法，其特征在于以下步骤开始图像投射；分割轮缘，其中，对机动车辆的系统进行分割；分割轮缘，以便测量轮缘的标称的角度范围；重建轮缘的3D位置；显示计算的结果，即轮缘平面的法向矢量和中点和/或保存数据以便进一步计算。
16.如权利要求15的方法，其特征在于，重建特有特征的位置，同时考虑外部照相机参数，以便获得参数集“转动轴”，即相对法向矢量的实际转动轴。
17.如权利要求15或16的方法，其特征在于，在开始图像投射之后，首先检查照明度是否足以进行测量，并且对照明度进行相应的调整。
18.如权利要求15或16的方法，其特征在于，所述调整包括用于照明的光线的更大或更小的长度。
19.用于确定轮缘相对包括至少一个照相机的测量装置的空间位置的测量装置，其中，所述轮缘位于照相机视场中，其特征在于，计算机进行编程以便执行权利要求1-16之一的方法。
20.用于执行权利要求6的方法的如权利要求19的测量装置，其特征在于，提供两个照相机，由它们获得轮缘轮廓的透视图像，并且以不同的角度对准轮子。
21.如权利要求19的测量装置，其特征在于，每一个照相机包括光学传感器，物镜，光圈调整装置和焦距调整装置，并且，所述传感器和物镜的安装位置，光圈调整和焦距调整是预先调整的。
22.如权利要求20的测量装置，其特征在于，对于可变焦距物镜来说，另外，焦距的设定是预先调整的。
23.用于执行权利要求14的方法的如权利要求21的测量装置，其特征在于，分别提供输出或显示系统，以便分别输出或显示与模型参数相关的数据，这些模型参数在模型体的轮缘几何形状细节的图像与获得的轮缘几何形状细节的图像拟合时确定了轮缘的空间位置。
24.用于对机动车辆进行车轮定位测量的方法，其特征在于，对机动车辆的车轮执行上述权利要求之一的方法，确定用于执行测量的测量装置的相对位置，机动车辆表示为与测量装置的相对位置相关的车轮位置值，和输出或显示车轮位置值。
25.如权利要求24的方法，其特征在于，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过将测量装置可调整地安装在测量部位固定的。
26.如权利要求25的方法，其特征在于，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过安装在测量装置之间的参考系统确定的。
27.如权利要求24的方法，其特征在于通过以下步骤用每一个测量装置执行测量；将测量结果输入计算机；根据参考系统测量的结果计算变换矩阵；通过偏斜角和相对参考测量系统的距离，将测量装置的结果矢量转换成算术坐标系统；通过评估结果矢量彼此之间的位置，确定在算术坐标系统中的车轮位置值，以便计算相应的车轮定位测量值；将车轮方位角值的结果提供给显示系统，和/或将所述结果保存留作他用。
28.机动车辆的车轮定位测量系统，其特征在于如权利要求之一的测量装置，所述测量装置以如下方式安装在测量部位，使得测量装置分别与机动车辆的一个轮子结合，以便在执行测量期间确定测量装置的相对位置，计算机，它将机动车辆轮子测量的测量结果处理成与测量装置的相对位置相关的车轮位置值，并且通过输出或显示装置输出或显示车轮位置值。
29.如权利要求28的车轮定位测量系统，其特征在于，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过将测量装置可调整地安装在测量部位固定的。
30.如权利要求28的车轮定位测量系统，其特征在于，用于执行测量的测量装置的相对位置是通过参考系统测定的，该参考系统安装在测量装置上。
31.如权利要求28的车轮定位测量系统，其特征在于，在将两个照相机组装在测量装置上用于立体-测量系统时，所述照相机是相对测量装置的坐标系统校准的。
全文摘要
用于测定轮缘相对具有至少一个照相机的测量装置的空间位置的方法和装置，其中，所述轮缘位于照相机视场中，包括通过模型参数，提供能体现可定位的轮缘几何形状细节的模型体，以及模型体相对测量装置的空间位置的模型，用所述照相机获得所述轮缘的轮缘几何形状细节的图像，通过改变所述模型的模型参数得到的模型体的图像拟合成轮缘几何形状细节的图像，并且在拟合时跟踪所述模型的模型参数的变化，以便与轮缘几何形状细节的模型体的位置能体现轮缘的空间位置几何形状细节，以便当所述图像来自轮缘几何形状细节的模型参数时，所述轮缘本身在标称的误差范围内与获得的轮缘几何形状细节的图像拟合。本发明还涉及车轮定位测量方法，以及采用所述方法和所述装置的车轮定位测量系统。
文档编号G01B11/275GK1826508SQ200580000718
公开日2006年8月30日 申请日期2005年3月18日 优先权日2004年3月18日
发明者卡林·多纳, 赫曼·布克斯, 斯德梵·斯考莫, 鲁道夫·英格 申请人:贝斯巴斯公司