用于校准一车辆测量用的参考系统的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于校准一车辆测量用的参考系统（3）的测量场系统（33），具有至少一个图像拍摄装置（9、61、62）；一校准装置（32），其具有多个校准装置参考特征（29）；以及一校准框架（1），其具有至少三个支承点（7），所述支承点构造用于容纳待校准的参考系统（3）用的参考系统支架（4）。所述校准框架（1）具有至少三个校准框架参考特征（20）并且所述支承点（7）和所述校准框架参考特征（20）在一共同的坐标系（K）中的位置是已知的。
【专利说明】用于校准一车辆测量用的参考系统的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于校准一例如在车辆测量时使用的参考系统的一种系统和一种方法。
【背景技术】
[0002]从WO 2010/028946 Al中公开了一种利用两个测量单元来对一立于测量场上的车辆进行车辆测量的装置，其中，所述两个测量单元中的每一个都具有一参考系统。所述参考系统分别构造成，用于相互地确定各测量单元的水平的和竖直的位置以及所述测量单元的角度。
[0003]为了在车辆测量时获得准确的结果，必须将所述参考系统在实施所述测量之前进行校准。
[0004]从DE 10 2010 039 246中公开了用于校准在一共同的测量场坐标系中的两个参考系统的一种方法和一种装置。所述校准是针对两个参考系统设计的，因为两个相互对置地布置的参考系统能够实现相互的参照。
【发明内容】
[0005]本发明的任务在于，提出一种装置和一种方法，能够实现对单个的参考系统进行校准。
[0006]该任务通过一种按照独立权利要求1所述的测量场系统以及一种按照权利要求8所述的用于校准一参考系统的方法解决。从属权利要求描述了根据本发明的测量场系统或根据本发明的方法的有利的设计方案。
[0007]根据本发明的用于校准一车辆测量用的参考系统的测量场系统具有至少一个图像拍摄装置；一校准装置，其具有多个校准装置参考特征；和一校准框架，其具有至少三个支承点，所述支承点构造用于容纳一承载待校准的参考系统的参考系统支架。所述校准框架还具有至少三个校准框架参考特征。所述支承点和所述校准框架参考特征在一共同的坐标系中的位置是已知的。
[0008]根据本发明的用于在一根据本发明的测量场系统中校准一车辆测量用的参考系统的方法包括如下步骤，将所述校准装置和所述校准框架置入到所述测量场系统中，利用所述图像拍摄装置光学地探测所述校准装置参考特征、所述校准框架参考特征和所述支承点，并且确定所述校准装置参考特征和所述校准框架参考特征在一共同的坐标系中的坐标。
[0009]由于所述校准框架的支承点关于所述校准框架参考特征的相对位置根据本发明是已知的，因此所述支承点的且因此应用到所述支承点上的参考系统关于所述校准装置参考特征的位置也是已知的。这能够实现，对一个唯一的参考系统进行校准。特别是不需要将两个参考系统相互对置地布置，如在在现有技术中已知的那样，用以实施所述校准。
[0010]在一种实施方式中，所述校准框架参考特征中的至少三个校准框架参考特征不位于一共同的直线上。这样一种校准框架能够实现所述参考系统在所有三个空间几何中准确地进行校准，在该校准框架中，至少三个校准框架参考特征不位于一共同的直线上。
[0011 ] 在一种实施方式中，所述校准框架参考特征中的至少三个校准框架参考特征不位于一共同的平面中。在一种替选的实施方式中，所述三个校准框架参考特征位于一共同的平面中，但不位于一共同的直线上。
[0012]所述校准可以替选地不仅利用位于一共同的平面中的校准框架参考特征，也利用不位于一共同的平面中的校准框架参考特征来实施，只要所述校准框架参考特征不布置在一共同的直线上。这能够实现所述校准框架的灵活的构造并且实现了所述校准框架参考特征在所述校准框架上的灵活定位。
[0013]在一种实施方式中，所述校准框架参考特征和所述支承点布置在所述校准框架上的准确预设的位置上。这能够实现所述参考系统的准确的校准，不必事先利用坐标测量器具来测量所述校准框架参考特征和所述支承点。所述校准的准确性得以提高，因为避免了在事先测量时的错误和不准确性。
[0014]在一种实施方式中，所述校准框架参考特征构造成配合记号或配合孔。在一种实施方式中，所述校准框架参考特征能够以配合记号的形式插入到所述配合孔中。所述配合记号提供了光学上可较好地探测的校准框架参考特征。所述配合孔提供了如下的校准框架参考特征，它们能够以较高的准确性布置在预设的位置上。
[0015]在一种实施方式中，所述配合记号能够适配到所述支承点上。所述配合记号提供了光学上可较好地探测的校准框架参考特征，所述支承点提供了针对所述校准框架参考特征的可较好地复制并且需简单地测量的坐标。
[0016]在根据本发明的方法的一种实施方式中，将至少三个校准框架参考特征与所述校准装置的参考特征同时地进行光学探测。通过所述校准框架参考特征和所述校准装置的参考特征的同时的光学探测，可以特别快速地并且有效的实施所述方法。
[0017]在一种实施方式中，所述方法包括，将具有至少一个图像拍摄系统和所述待校准的参考系统的参考系统支架应用到所述校准框架的支承点上，用以校准所述参考系统。
[0018]在一种实施方式中，所述方法包括，在所述光学探测之前，将所述配合记号应用到用于所述参考系统支架的支承点上并且将所述配合记号在所述探测之后从所述支承点上去除。所述配合记号提供了光学上可较好地识别的校准框架参考特征。
[0019]如果将所述配合记号直接应用到所述支承点上，则所述配合记号的位置与所述支承点的位置相同，从而可以舍弃将用作校准框架参考特征的配合记号的位置换算成所述支承点的位置。与所述换算相结合的错误和所述准确性的丧失如此地被可靠地避免。
[0020]在根据本发明的方法的一种实施方式中，所述校准框架参考特征和所述支承点在一共同的坐标系中的位置是已知的。在此情况下，可以舍弃，在实际的校准之前测量所述校准框架参考特征和所述支承点的坐标。因此，所述校准可以在没有时间延迟的情况下实施，并且如此可靠地避免了从所述校准框架参考特征和所述支承点的坐标的不准确测量中得出的错误。
[0021]在一种替选的实施方式中，在校准之前，利用一坐标测量器具测量所述校准框架参考特征和所述支承点的坐标。在所述校准框架参考特征和所述支承点的坐标的准确测量之后，可以以较高的准确性来实施所述校准；特别是可以在校准时考虑例如由于温度波动而出现的所述坐标的改变。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面参照附图中展示的实施例详细阐释本发明。其中:
图1示出了具有一参考系统支架的根据本发明的校准框架的俯视图；
图2示出了具有一参考系统支架的根据本发明的校准框架的侧视图；
图3示出了具有三个校准框架参考特征的根据本发明的校准框架的示意性俯视图；
图4示出了根据本发明的校准框架的一个部分的示意性侧视图；
图5示出了用于利用一校准装置来校准一参考系统的测量场系统的示图，以及图6示出了用于利用一校准装置来校准一参考系统的测量场系统的示图，具有位于其中的根据本发明的校准框架。
【具体实施方式】
[0023]图1示出了根据本发明的校准框架I的示意性俯视图，在所述校准框架上定位一具有一参考系统3的参考系统支架4。
[0024]所述校准框架I在图1中所示的实施例中基本上呈正方形地构造有两个相互平行延伸的第一支架11和两个与所述第一支架11成直角地延伸的第二支架13。一第三支架15平行于所述第二支架13地布置在所述两个第一支架11之间的中心。
[0025]在由所述第一和第二支架11、13形成的正方形的一个侧面上安装一第四支架17，其与所述第二支架13中的一个第二支架的中心成直角地平行于所述第一支架11向外延伸。
[0026]在所述第四支架17以及所述第二支架13中的没有安装所述第四支架17的第二支架上，安装具有配属的调节元件2的足部21。在所述足部21和各支架13、17之间的竖直间距可通过操作、例如转动所述调节元件2来改变。所述调节元件2结合所配属的足部21能够实现，由所述校准框架I的支架11、13、15撑开的平面在空间中的精确取向。
[0027]所述足部21可以磁性地构造或者构造有吸盘，以便能够将所述校准框架I可靠地但可松开地固定在一测量装置上。在所述第四支架17上还设置一排出器24，其能够实现将所述校准框架I翻倒，用以将所述足部21从所述测量装置上松开。相比于所述足部21与所述第二支架13的间距，所述排出器24以与所述第二支架的更大的间距来安装，从而在松开所述足部21的情况下，通过操作所述排出器24能够利用所述校准框架I的杠杆作用。
[0028]在所述校准框架I的支架11、13的面向观察者的上侧面上构造多个容纳点或者说支承点7，它们构造用于容纳一参考支架板4的配合的支承点。
[0029]在图1中所示的实施例中，具有一参考支架系统3的所述参考支架板4以如下方式布置在所述校准框架I的支承点7上，使得基本上呈矩形的参考支架板4以其纵向平行于所述校准框架I的第一支架11延伸。在所述参考支架板4上，除了一包括至少一个倾角发送器31的参考系统3之外，还安装两个摄像机支架6，它们分别具有两个向外指向的图像拍摄装置61。
[0030]所述摄像机支架6在图1中所示的实施例中如此布置，使得所述摄像机61在图1中的左边示出的所述参考系统支架4的侧面上相互具有比在图1中的右边示出的侧面的更大的间距，也就是说，所述摄像机支架6从左向右呈V形地汇集到一起。但其它的摄像机系统也是可行的。
[0031]在所述第四支架17上在所述调节元件2和与所述第四支架17连接的所述第二支架13之间布置一水准元件8，其构造用于确定通过所述三个支承点7撑开的平面的空间取向。所述水准元件8可以例如构造成水准仪(水平器)或构造成电子的倾角发送器。
[0032]借助于所述水准元件8可在需要时准确地确定通过所述三个支承点7撑开的平面的空间取向。通过在同时监控所述水准元件8的显示器或输出设备的情况下操作所述调节元件2，能够以尽可能高的准确性来调节所述校准框架I的空间取向。特别是所述校准框架I可以如此调节，使得通过所述第一、第二和第三支架11、13、15撑开的平面准确地与重力场成直角地取向。经由所述支架板4借助于所述支承点7布置在所述校准框架I上的一参考系统3能够以高的准确性进行校准，其中，所述校准框架I准确地与重力场成直角地取向。
[0033]在所述第一和第二支架11、13上构造配合点20和/或配合孔18，所述配合孔适合于容纳配合点20。所述配合点20和所述配合孔18的功能在下面参照图3和4来描述。
[0034]图2示出了在图1所示的框架承载系统I的侧视图。
[0035]在图2中可较好地观察具有所述调节元件2的可调整的足部21和所述排出器24。所述足部21特别是通过设有一外螺纹的轴22支撑在所述支架11、17上。通过转动所述调节元件2，将所述轴22转动到在所述支架11、17中构造的并且分别设有一内螺纹的钻孔中，从而在所述轴22上以及在所述钻孔中构造的螺纹引起所述足部21和各支架11、17之间的间距的改变。所述钻孔在图2中不可见。
[0036]所述支承点7是金字塔形地构造的并且在图2中所示的实施例中由三个沿着轴向相叠布置的柱体7a、7b、7c构成，其中，每个柱体7a、7b具有一比分别在其下方布置的柱体7b,7c更小的直径。最上面的柱体7a以如下方式构造，使得其可无间隙地插入到在所述参考系统支架4中构造的相应的(在图2中不可见的)各纳开口中。具有所述参考系统3的所述参考系统支架4如此地通过所述支承点7的最上面的柱体7a插入到所述参考系统支架4的相应的容纳开口中而无间隙地支撑在所述校准框架I上。
[0037]在拍摄一图像序列之前，将所述校准框架I置入到一校准装置中并且与其固定地连接，用以在接下来的测量期间防止所述校准框架I的无意的移动或转动。
[0038]一校准框架I，如其在图3中所示，具有至少三个(在图3中展示的例子中为四个)校准框架参考特征20，它们在第一步骤中与所述校准装置的参考特征共同地被一图像拍摄装置光学地进行探测。所述至少三个校准框架参考特征20允许位于一个共同的平面中，但不允许位于一共同的直线上。
[0039]为了所述校准，必须已知所述校准框架参考特征20和所述支承点7在一个共同的坐标系中的位置。如果所述校准框架参考特征20和所述支承点7的位置不是已知的，则所述校准框架参考特征20和所述支承点7在校准之前，例如利用一坐标测量器具进行测量，用以确定它们的位置(坐标)。
[0040]图3示例性示出了这样一种坐标系K，其通过用于所述参考系统支架4的支承点7来预设。在该坐标系K中，还必须已知所述校准框架参考特征20的位置，如通过虚线所示。所述坐标系K定义了一测量场坐标系。[0041]另一种可能性是采用所谓的配合记号20作为参考特征。在制造所述校准框架I时，在所述校准框架I的支架11、13中构造所谓的配合孔18。所述配合孔18和所述支承点7在一共同的坐标系中的位置是已知的。在利用所述图像拍摄装置来拍摄图像之前，将光学上可较好地探测的配合记号20插入到所述配合孔18中，如在图4中示意性示出，其中，所述配合记号在它们的面向所述图像拍摄装置的上侧面上分别具有至少一个光学上可较好地探测的参考特征(目标点)。
[0042]在一种替选的实施例中，将所述配合记号20直接适配到所述支承点7上。在用于探测所述校准框架参考特征20的图像拍摄之后，将所述配合记号20去除并且将具有所述参考系统3和所述摄像机61的所述参考系统支架4应用到所述支承点7上，用以实施所述校准。
[0043]所述校准框架参考特征20的坐标要么直接在用于确定所述校准装置的参考特征的平衡过程中使用，以便确定所述测量场坐标系K，要么进行一单独的、设置在所述平衡过程之后的、到所述测量场坐标系K中的转换。这样确保了，所述摄像机61和所述参考系统3在一个共同的测量场坐标系K中进行校准。
[0044]图5示出了根据本发明的测量场系统33的一个实施例。
[0045]所述测量场系统33包括一具有多个参考特征29的校准装置32，和至少一个用于确定所述参考特征29的3D坐标的图像拍摄装置9。所述至少一个图像拍摄装置9定位在所述校准装置32的上方，从而基本上所述校准装置32的所有参考特征29都能够被所述图像拍摄装置9拍摄到。
[0046]在图5中所示的校准装置32具有四个平坦的板25、26、27、28，它们在它们的边缘处以如下方式相互连接，使得它们形成一 U形的测量框架，所述测量框架在三个侧面(左、右和后)限定一测量室30。所述参考特征29布置在所述板25、26、27、28的面向所述测量室30的侧面上。
[0047]所述板25、26、27、28可以相互钎焊、熔焊或通过插接连接或螺旋连接来相互连接。所述板25、26、27、28中的两个板作为侧面板25、27基本上相互平行地布置，其中，在其上构造有所述校准装置32的参考特征29的两个表面相互面对。两个其它的板27、28 (底面板)并排地在一共同的平面中相互连接并且形成一底面，所述底面基本上相对于所述两个侧面板25、26的平面成直角地取向。
[0048]代替所述四个平坦的板25、26、27、28，所述测量框架也可以由仅三个板组合而成，其中，所述底面由一个唯一的底面板形成。替选地，所述测量框架可以由多于四个板组合而成，其中，所述四个板25、26、27、28中的一个或多个被拆分成更多的分板。
[0049]所述校准装置32的参考特征29可以作为2D面或3D体以已知的几何形状，例如圆的、三角形的、矩形的、球形的、立方体的、直角平行六面体等等的几何形状来构造，从而它们必要时在利用特殊的照明条件的情况下具有相对于它们周围的较好的对比度。它们可以特别是构造成反射的特征。以这种方式构造的参考特征29具有如下优点，即它们可以特别简单地在一拍摄的图像中被识别到并且通过它们已知的几何形状能够实现较高的测量准确性。可以为所述参考特征29配设一编码，用以简化它们的识别。
[0050]替选地，也可以将无论如何都存在的、所述板25、26、27、28的自然特征，例如边棱或从所述板25、26、27、28的纹理中得出的随机的对比度模式，来作为所述校准装置32的参考特征29。自然的和人工的参考特征29的组合也是可行的。
[0051]此外，所述校准装置32的参考特征29的几何形状的信息可以是已知的并且在评价时进行使用，例如所述校准装置32的参考特征29之间的间距，或所述参考特征29在所述校准装置32的至少一个部分的局部的2D或3D坐标系中的坐标。当存在这种信息时，所述信息在计算地评价时特别是导入一具有相应的公差的平衡过程中。
[0052]为了校准一参考系统3，在第一步骤中通过所述至少一个图像拍摄装置9来拍摄所述校准装置32的参考特征29，并且确定它们的3D坐标。所述图像拍摄装置9设计有一多面的(flkhenhaften)图像传感器并且可以是所述参考系统3的摄像机61或一额外的图像拍摄装置9，其不属于所述参考系统3并且仅用于确定所述参考特征29的3D坐标。也可以使用两个图像拍摄装置9，例如所述参考系统3的两个摄像机61用于同时进行拍摄。所使用的图像拍摄装置9与一评价单元14连接。
[0053]所述校准装置32针对确定所述参考特征29的3D坐标的持续时间适宜地位置固定地进行安置。在此情况下其如此布置，使得所述校准装置32的参考特征29可以从至少两个视角来拍摄。所述板25、26、27、28且因此所述校准装置32的参考特征29不允许运动，直到所有所需的或者说待调节的视角都已被探测并且随后的校准都已实施。
[0054]所述校准装置32的参考特征29的探测是顺序地进行的，其中，通过在固定的拍摄位置的情况下改变拍摄方向来从所述校准装置32的一端至另一端进行的所述校准装置32的参考特征29的拍摄顺序是适宜的。所拍摄的图像必须重叠并且具有至少四个共同的、所述校准装置32的参考特征29。在从一个拍摄位置对所有所需的图像的拍摄结束之后，改变所述图像拍摄装置9的拍摄位置，并且重新顺序地拍摄所述校准装置32的所有参考特征29。
[0055]有利地，可以使用在附图中未示出的、用于对所述图像拍摄装置9进行保持和取向的辅助适配器。所述辅助适配器为所述图像拍摄装置9预设一定义的拍摄位置和拍摄方向，由此确保了很大程度地不受操作者影响的准确性。
[0056]所述图像拍摄可以连续地进行。在此情况下产生的图像数据要么完全进行评价要么由所述评价单元14减小到为了确保所希望的或者说所需的准确性所必要的数量。
[0057]操作者可以在图像拍摄时得到支持。实际的拍摄位置和拍摄方向可以在它们从由所述图像拍摄装置9探测到的所述校准装置32的参考特征29的评价中被计算之后，在一与所述评价单元14连接的显示器16上显示。
[0058]由此操作者可以特别简单地将所述图像拍摄装置9调节到下一要求的拍摄位置和拍摄方向上，并且所述评价单元14可以为了确保所述准确性而要求所需的拍摄数量和覆盖率。也可以由所述评价单元14实施关于正确地使用一附属适配器方面的互动的操作者引导和监控。
[0059]所述图像的评价例如按照静态的平衡方法来进行，因为从所述图像拍摄网中得出的大量的观察结果通常面临未知量。所述校准装置32的参考特征29在所述图像中的位置与所述图像拍摄装置9的拍摄位置和拍摄方向共同形成所述方程系统中的未知量，所述未知量通过在一平衡过程中的协调得以确定。在所述校准装置32的参考特征29的3D坐标被确定之后，可以检测单个的标准，例如完整性和间距的可信度。所实现的以从协调的系统的评价中的标准偏差为形式的3D坐标的准确性可以用于检测。只有当所有标准都被肯定地检测过时，才允许将所述参考特征29的3D坐标用于校准。由此即使在通过非本领域技术人员使用时也确保了校准的正确性和准确性。
[0060]在第一步骤中确定了所述校准装置32的参考特征29的3D坐标之后，在第二步骤中将一根据本发明的校准框架I布置在一测量室30中，所述校准框架具有所述支承点7和所述校准框架参考特征20。
[0061]在图5中展示了一种实施例，其中，一根据本发明的校准框架I利用支承点7居中地定位在由所述板27和28形成的底面上。
[0062]安装在所述校准框架I上的校准框架参考特征20按照与之前所述校准装置32的参考特征29相同的方法由所述图像拍摄装置9光学地进行探测并且利用相同的方法来确定它们的位置，利用该方法也确定了所述参考特征29的位置。
[0063]图6示出了在将一参考系统3布置在所述校准框架I的支承点7上之后的情况，如其在图1和2中所示。所述参考系统3的摄像机61在此情况下如此取向，使得它们分别探测所述校准装置32的参考特征29的一个选择。
[0064]由于所述校准框架参考特征20和所述校准框架32的支承点7的相对位置是已知的，所述支承点7以及应用到所述支承点7上的参考系统3关于所述校准装置32的参考特征29的位置也是已知的。单个的参考系统3可以如此简单地并且以较高的准确性进行校准，不必参照一第二参考系统3。
【权利要求】
1.用于校准一车辆测量用的参考系统(3)的测量场系统(33)，具有 至少一个图像拍摄装置(9、61、62)； 一校准装置(32)，其具有多个校准装置参考特征(29)；以及 一校准框架(1)，其具有至少三个支承点(7)，所述支承点构造用于容纳待校准的参考系统(3)用的参考系统支架(4)； 其特征在于， 所述校准框架(I)具有至少三个校准框架参考特征(20 )并且所述支承点(7 )和所述校准框架参考特征(20)在一共同的坐标系(K)中的位置是已知的。
2.按照权利要求1所述的测量场系统(33)，其中，所述校准框架(I)的至少三个支承点(7)不位于一共同的直线上。
3.按照权利要求1或2所述的测量场系统(33)，其中，至少三个校准框架参考特征(20)不位于一共同的直线上。
4.按照权利要求3所述的测量场系统(33)，其中，至少三个校准框架参考特征(20)不位于一共同的平面上。
5.按照前述权利要求中任一项所述的测量场系统(33)，其中，所述图像拍摄装置(9)是所述参考系统(3)的图像拍摄装置(61)。
6.按照前述权利要求中任一项所述的测量场系统(33)，其中，所述校准框架参考特征构造成配合记号(20 )和/或配合孔(18 )。
7.按照权利要求6所述的测量场系统(33)，其中，所述校准框架配合记号(20)能够插入到所述配合孔(18)中和/或能够适配到所述支承点(7)上。
8.用于在一按照根据权利要求1至7中任一项所述的测量场系统(33)中校准一车辆测量用的参考系统(3)的方法，其中，所述方法包括下列步骤: 确定校准装置参考特征(26)在所述测量场系统(33)的坐标系中的坐标， 将校准装置(32 )和校准框架(I)置入到所述测量场系统(33 )中， 利用图像拍摄装置(9、61、62)光学地探测校准装置参考特征(29)、校准框架参考特征(20)和支承点(7)并且 确定所述校准装置参考特征(20)在所述测量场系统(33)的坐标系(K)中的坐标。
9.按照权利要求8所述的方法，其中，所述方法包括，将配合记号(20)应用到所述支承点(7)上并且将所述配合记号(20)在所述光学探测之后从所述支承点(7)上去除。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其中，所述方法包括，将具有待校准的参考系统(3)和至少一个图像拍摄装置(61)的参考系统支架(4)应用到所述支承点(7)上。
【文档编号】G01B11/275GK103443580SQ201280015767
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年1月12日 优先权日:2011年3月29日
【发明者】J.巴克斯, S.霍迪森, V.尤芬坎普, C.瓦格曼, D.普尼克 申请人:罗伯特·博世有限公司