车轮定位系统的校准和操作的制作方法

专利名称：车轮定位系统的校准和操作的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车服务系统，例如车轮定位系统。本发明特别适用于采用基于图像 处理的定位技术和一种或多种其它定位技术的组合的车轮定位系统。
背景技术：
目前传统的车轮定位系统采用与车辆的车轮连接的传感器或感测头，来测量车轮 和悬挂系统的各种角度。上述角度被传达至主机系统，在主机系统它们被用于计算车辆定 位角度。在标准的传统定位器设置中，四个定位头被连接至车辆的车轮上。每个感测头包 括两个水平或束角测量传感器，和两个垂直或外倾角/纵倾角传感器。每个感测头还包括 电子器件，以便支持总体传感器数据采集，以及与定位器控制台、本地用户输入和本地显示 进行通信，用于获取状态反馈、诊断和校准支持。构成每个感测头的四个传感器和电子器件 以及机械外壳有必要重复四次，因为每个车轮需要一个。近年来，在一些店(工厂)中利用计算机辅助的三维(3D)机器视觉定位系统对机 动车的车轮进行定位。在所述系统中，一个或多个摄像机(照相机)观察与车轮连接的目 标，而定位系统中的计算机分析目标的图像，以确定车轮位置和车轮根据车轮位置数据的 定位。计算机通常根据从处理图像数据所获得的计算结果来引导操作者正确调整车轮，以 便精确定位。这种图像处理类型的车轮定位系统或定位器有时被称作"3D定位器"。采 用所述图像处理的车轮定位器的一个示例是Visualiner 3D或〃 V3D"，它可从John Bean Company of Conway, Ark 购买，该公司是 Snap-on Incorporated 的分公司。另外，机器视觉车轮定位系统可以包括一对被动头和一对主动感测头。被动头被 用于安装在要测量的第一对车轮上，而主动感测头被用于安装在第二对车轮上。每个被动 头包括一目标；而每个主动感测头包括重力计，用于测量后倾角和外倾角，和图像传感器， 用于产生图像数据，所述图像数据包括被动头之一的目标的图像，此时各个头安装在相应 的车轮上。系统还包括与至少一个主动感测头相联系的空间关系传感器，以便当主动感测 头安装在车轮上时能够测量主动感测头之间的空间关系。系统还包括计算机，它用于处理 与观察的目标相关的图像数据，以及来自空间关系传感器的位置数据，以便计算车辆的至 少一个测量值。传统车载传感器的车轮定位系统利用公知的校准固定装置可以简单地进行校准， 其中所述固定装置包括直杆和精确水平仪。3D机器视觉车轮定位系统还可以利用公知的技 术进行校准，所述公知技术例如，披露于授予Jackson等人的美国专利号5，809，658。用于 上述类型定位器的测量算法也是公知的。需要一种方法，它能够方便和有效地校准使用3D机器视觉和传统测量技术的组 合的定位测量系统。还需要用于所述定位系统的测量技术。

发明内容
本发明为利用3D机器视觉和传统传感器的组合的定位系统提供了校准技术，其
5中校准技术方便地实施于利用传统校准固定装置的领域。本发明还提供了用于所述系统的定位方法。根据本发明，前述和其它优点在某种程度上通过校准车轮定位系统的传感器单元 (sensor pod)的方法实现，所述传感器单元包括可旋转安装在心轴上的外壳，和外壳中的 图像传感器，具有沿基本垂直于心轴的旋转轴的方向定向的观测轴，用于对固定至一对象 (例如车轮)的目标进行成像。所述方法包括通过单元心轴将单元安装在固定装置上，使得 单元心轴是静止的；和对目标进行定位，以便用单元图像传感器对目标进行成像。转动所述 单元，使得它的图像传感器获得目标在至少两个旋转位置上的图像，并且目标在所述至少 两个旋转位置的图像被处理，以确定相对于图像传感器的心轴的旋转轴线的位置。根据本发明的另一方面，一种对机动车车轮进行定位的方法包括将目标连接至车 辆的第一轮轴的每个车轮，和将传感器单元连接至车辆的第二轮轴的每个车轮，每个传感 器单元上安装有图像传感器，用于对相应的一个目标进行成像。转动第一轮轴的每个车轮 而同时第二轮轴的车轮保持静止，以便图像传感器获得它们相应的目标在至少两个旋转位 置上的图像。对每个目标在至少两个旋转位置上的图像进行处理，以确定第一轮轴的每个 车轮的旋转轴线的方向。本发明的其它优点和其它特征部分会在随后的说明中进行陈述，而部分会在本领 域技术人员对下文进行查验或通过实施本发明后变得显而易见。本发明的优点可以如所附 权利要求书中具体指出的那样实现和获得。


参见附图，其中，具有相同附图标记的元件在本文中表示类似的元件，并且其中图1示意性地示出了用于实施本发明方法的目标和主动感测头相对于车轮的结 构。图IA和IB示出了可用于被动头的不同类型的目标。图2是图1所示一个主动感测头的局部剖视透视图。图3a是连接至车轮固定夹的图1所示一个主动感测头的透视图。图3b是图1所示一个主动感测头和车轮固定夹安装至车轮的侧视图。图4a和4b分别是用于实施本发明方法的传统校准固定装置的侧视图和俯视图。图5示意性地示出了用于实施本发明方法的目标和主动感测头安装在校准固定 装置上的结构。图6是用于实施本发明方法的校准目标的正视图。
具体实施例方式本发明的方法适用于一种车轮定位系统，所述车轮定位系统将图像处理的各方面 与一种或多种其它类型的测量技术组合。所述混合系统采用可见目标；例如，位于被动头 上，用于接受测试的两个车轮，以及在主动感测头上的光学成像传感器(例如，摄像机)和 其它定位传感器的组合，其中主动感测头连接至另外两个车轮。所述定位系统披露于待审 的美国专利申请号11/487，964，申请日为2006年7月18日，该专利文献的全文在此被结合 入本文引用。
图1示出了可以实施本发明方法的定位系统。该系统涉及目标和主动感测头相对 于待测车辆20的车轮22，24，26，28的结构；例如，用于测量一个或多个车轮定位参数。除 了车轮之外，车辆的部件被省略，以便于说明。车轮定位系统包括一对被动头21和23，在本文又被称作"目标"，安装在车辆的 相应车轮22和24上，在本例中为前转向轮。主动感测头25和27在本文中又被称作"传 感器单元(sensor pod)“，适于安装在相关的车辆的其它相应车轮26和28上，在这里是后 轮。每个主动感测头包括外壳200和用于产生图像数据的图像传感器210，它在各头安装至 车辆20的相应车轮20时预计包括被动目标21或23的图像。在本第一示例中，在主动感 测头25和27上的图像传感器210是二维(2D)成像装置，例如照相机(摄像机)。
头21和23是被动的，因为它们包括目标但不包括任何感测元件。每个被动头21 和23包括可由主动头25和27上的一个图像传感器210观察到的一种类型的目标。被动 头21或23上的目标(用于通过另一头上的传感器感测图像)，可以是主动或被动的。主动 目标，如发光二极管(LED)，是通过能源(功率)驱动的源，所述能源(功率)发射可由传感 器检测的能量(例如IR或可见光)。被动目标是不由功率驱动的元件，并且不发射能量以 供传感器检测。假设头25或27上有图像传感器，被动目标是以相应图像传感器可检测的 方式反射(或不反射)光线或其它能量的对象(物体)。在示例中，尽管目标可以包括一个 或多个发光元件，所述目标包括亮区和暗区，所述亮区和暗区在通过其它源照射并通过主 动感测头25和27上的照相机(摄像机)或类似装置成像时可被检测到。图IA示出了可用于任一被动车轮头21上的目标的第一示例。在该第一示例中，目 标是矩形的。图IB示出了可用于任一被动车轮头21上的目标的第二示例。在该第二示例 中，目标是圆形的。在每种情况，目标由具有图案的平板组成，其中所述图案是不同大小的 圆圈以预定的形式和图案标记在或安装在板表面上。尽管图IA和IB示出了特定的图案，很 显然大量的不同图案可用于每个目标上。例如，可以包括更多或更少量的点，并且其它大小 和形状可用于所述点。作为另一个示例，多层面板或物体也可用于目标。很多示例采用多 个反光元件排列以形成每个目标。更多信息可参见授予Jackson的美国专利号5，724，743。系统还包括空间关系传感器，它与至少一个主动感测头25或27关联。当主动感 测头安装在车轮上时，空间关系传感器能够测量主动感测头25和27之间的空间关系。一 般，空间关系传感器可以根据所用的传感器类型测量相对位置和/或方向。位置测量是指 从透视图或在测量装置的坐标系统中所测量物的相对位置。位置的测量一般采用标准坐标 系，如笛卡儿坐标或极坐标。定向可以从三维位置测量获得，或者定向可以独立于位置而进 行测量。定向与被测量装置相对于测量装置在标准坐标系所表示的旋转位置相关。定向一 般以在三个正交参考面的转动角表示。对于本领域技术人员显而易见，本文所讨论的车轮定位系统可以用各种不同类型 的空间关系传感器进行实施。在本例中，系统采用两个传统的一维(ID)角度传感器230来 测量主动感测头25和27在束角平面的相对角度。主动头25和27还包括传统的重力传感器或类似装置，以测量所述头的倾角，通常 是外倾角和纵倾角。在本第一示例中，头25包括一个或多个倾角传感器220 ；而头27包括 一个或多个倾角传感器220。系统还包括与主动感测头进行通信的计算机(未示出)，用于处理来自主动感测头有关观测目标的图像数据和倾角数据。计算机还处理来自至少一个空间关系传感器的空 间关系数据。数据处理能够计算车辆的至少一个测量结果。计算机用于以电子方式执行本 文所述方法的处理步骤。在车轮定位系统中采用图像处理技术进行测量从根本上不同于采用传统角度测 量技术进行测量。尽管基础的图像处理技术对本领域技术人员来说是已知的，为清楚起见 在本文提供简要说明。主体的图像根据观察所述主体的视角而不同，并且图像的不同直接 与观察所述主体的观察路径的透视角相关并且可以根据所述透视角确定。另外，已知只通 过将该物体的透视图像与其真实的非透视图像关联来确定所观察物体的透视角是可行的。 反之，通过将物体的透视图像与其非透视图像进行比较来确定物体所定向的观察路径(或 与其垂直的平面)的角度是可行的。在实践中，对应真实图像(即通过垂直于其主平面来观察目标所获得的图像)的 数学表示或数据以及目标的尺寸(维数)被预编程到计算机的存储器中，以便在定位过程 中，计算机具有目标的所观察透视图像可以进行比较的参考图像。 计算机计算目标定向的方式是识别目标上的某些几何特征，获取这些特征的透视 测量值，并且将这些测量值与在先被预编程到计算机存储器中的真实图像进行比较。另外，由于目标的实际尺寸被预编程到计算机的存储器中，本发明的方法和装置 可用于确定车轮在三维空间中的精确位置。这可以通过下述方式实现首先确定目标上图 案的某些元素(元件)的透视图像(例如，圆圈之间的距离)，并且将该图像的尺寸与所述 元素(元件)的实际尺寸进行比较。这会产生所述元素(元件)并因此是目标相对于图像 传感器的距离。对于本文所讨论的车轮定位系统，主动头上的图像传感器观察与车轮连接的目 标，并且生成表述目标的透视图像的图像数据。计算机使目标的透视图像数据与目标的实 际形状相关联。通过这样，计算机将目标的某些已知几何元素的尺寸与透视图像中相应因 素的尺寸相关联。因此，通过将车轮/目标组件移动到多个位置，在这些位置上对目标进行 成像，并随后进行某些三角计算(或通过任何其它合适的数学或数值方法)，计算机计算车 辆车轮的定位。计算机还可以计算与被动目标相关联的车轮(轮轴)的旋转轴的定向。有关基于目标图像处理的测量的更多信息，同样可以参见授予Jackson的美国专 利号 5，724，743，以及授予 Jackson 的美国专利号 5，943，783 ；5，535，522 ；和 6，148，528，和 授予Jackson等人的美国专利号5，809，658，上述每篇专利文献的全文在此被结合入本文 引用。图1的传感器单元25，27之一在图2中更详细地示出。所述单元包括外壳200，其 内安装有二维摄像机(照相机)210 (例如，传统摄像机)；重力计220，用于测量外倾角和纵 倾角(即后倾角)；一维交叉束角传感器230 ；和交叉束角目标(未示出)。所述单元还包 括轴(心轴)240，外壳200可旋转地安装至心轴240;和转动(传动)传感器250。所述单 元通过心轴240连接至图3a所示的车轮固定夹组件300，从而外壳200可以相对于固定夹 组件300绕心轴240的旋转轴A转动。该转动由转动传感器250测量。图3b示出了传感 器单元和固定夹组件300连接至车辆轮胎/车轮组件335。在本示例中，心轴240的轴线在它和固定夹组件300安装至车辆时近似垂直于车 辆的纵向轴线，并且摄像机210的观察轴安装在外壳上，定向沿基本垂直于心轴的旋转轴的方向，用于对固定至车辆同侧车轮的目标进行成像(参见图1)。因此，外壳200在重力作用下绕心轴240旋转，以便如果目标所安装的车轮335转动，摄像机210指向目标，并且仍 然可以对其前方车轮上的目标进行成像。交叉束角传感器230沿心轴240的旋转轴线定向，用于感测安装在车辆相对侧的 车轮上的另一传感器单元的交叉束角目标。传统的交叉束角传感器230是一维阵列的传感 元件(例如，CCDs)，其前面具有狭缝，它跨过车辆面向另一单元上的光学交叉束角目标，如 LED。两个单元之间的角度以传统的方式根据LED目标照射哪个传感元件进行计算。在利用上述系统进行车轮定位程序之前，必须执行校准程序，以使传感器单元的 传感器彼此定向。下文将详细描述所述校准程序的示例。在校准期间，传感器单元25，27连接至如图4a和4b所示的固定装置，所述固定装 置被称作"零杆"400。该校准固定装置400可以是用于校准传统非视觉定位系统的传感 器单元的固定装置。固定装置400包括垂直件410和刚性横杆420，所述刚性横杆可旋转地 安装至垂直件410。横杆420通过它们的心轴240支撑单元25，27，使得心轴240基本彼此 同轴，因此它们的旋转轴线A是相同的。由于单元外壳200可转动地安装在它们的心轴240 上，外壳200在重力作用下绕它们的相应心轴240自由旋转，从而当如图5所示设置时，它 们的摄像机210在横杆420转动时指向目标21，23。固定装置400安装跨过传统的定位台 架(未示出)，因此横杆420基本上平行于台架的表面。横杆420对于校准目的来说被认为 是“完美的”，因为它是刚性的，并且安装在定位台架上方的已知高度。现参见图5，设置目标21，23使得它们的每一个处于一个摄像机210的视野范围 内。在所示的示例中，在校准过程中目标21，23被安装至传统的校准固定装置500，并且设 置在定位台架(未示出)上，使得目标21，23面向单元25，27，并且每个目标21，23可以由 位于台架同侧的单元25，27的摄像机210进行成像。为了开始校准程序，确定每个单元心轴240在其摄像机210的坐标系统中的位置。 这通过转动单元25，27，使得它的图像传感器210 (即，摄像机或照相机)获得其相应目标 21，23在至少两个旋转位置上的图像；并且处理目标在所述至少两个旋转位置上的图像， 如同通过计算机利用公知的旋转轴计算公式，以确定心轴240的旋转轴线A相对于图像传 感器210的位置而实现。在校准之后，心轴轴线A对于定位测量和计算是参考坐标系统。在一种示例校准技术中，单元25，27和标准目标21，23安装在它们的相应校准杆 上，并且每个单元独立于另一单元被校准。转动每个单元外壳200，使得它的相应目标靠近 摄像机210视野的上部，对目标进行成像，随后转动外壳200，使得目标靠近摄像机210视野 的下部，并且再次对目标进行成像。随后通过计算机以传统的方式处理图像，以便计算心轴 的旋转轴线A。在采用该技术时，旋转轴线计算的精确性得到改进，因为单元外壳200，并因此摄 像机210的旋转角度增大。通常为2英尺正方形或更小的标准目标21，23只会允许摄像机 的转动角度为大约15度。为了增大该角度，在另一示例中，采用了更大的目标21，23，如8 英尺长的目标，以使摄像机旋转角度增大到约45度。不过，由于目标的尺寸和成本，在实地中使用大目标是不利的。因此，在另一个示 例中，如图6所示的校准目标600安装在固定装置500上，而不是目标21，23。目标600 包括直杆610，直杆610具有一希望的长度，在其两个远端的每一个上具有光学元件(目标)620，630。光学元件620，630相对于彼此的位置是已知的。校准目标600安装至目标校 准固定装置500的一端，并且所述杆设置使得单元摄像机210通过较大角度的转动(如45 度)，可转动以对一个目标620进行成像，并随后转动以对另一个目标630进行成像。所述至 少两个图像随后如在其它讨论的示例中所述的那样被进行处理，以便计算单元心轴240的 旋转轴线A。该技术是有优势的，因为它可以在实地使用，这是由于杆610和光学元件620， 630相对较小、重量轻并且不昂贵。例如，光学元件620，630可以分别是8英寸和12英寸 尚ο转动传感器250也可被校准，其中单元和目标安装至它们相应的校准固定装置；例如，在确定心轴240的位置的同时校准转动传感器。为了校准转动传感器250，在目标21， 23进行成像的单元25，27的每个(至少两个)旋转位置获得转动传感器测量值，并且根据 所获得的传感器测量值确定测得的角(心)轴旋转。然后处理目标21，23在至少两个旋转 位置上的图像，以确定计算的角(心)轴旋转，并且所测得的角(心)轴旋转与所计算的角 (心)轴旋转进行比较。如果所测得的旋转角不同于所计算的旋转角，两者之间的差异用于 校准转动传感器250。在确定了心轴轴线A的位置之后，确定单元中其它传感器(S卩，重力计220和交叉 束角计230)相对于心轴240的位置。关于重力计220，它们通常在工厂相对于重力校准，采 用传统的技术，即将它们安装在已知水平夹具(jig)上，记录所述测量计读数，并且从测量 计的随后测量值中减去所述读数，以得到关于重力的实际读数。为了校准每个单元25，27相对于定位台架的外倾角测量计，传感器单元如图4a和 4b所示安装至刚性可旋转的校准杆420上，并且校准固定装置400设置跨过定位台架，如图 5所示。由于固定装置400平行于定位台架，所述台架对于外倾角(即，左/右倾角)成为 零基准，即使台架不是完全水平。记录外倾角测量计读数，然后将杆420转动到多个不同位 置(例如，四个位置)，以消除杆420的偏位(runout)的影响，并且测量值是由外倾角测量 计220在每个旋转位置获得的。传感器单元25，27在该过程中会保持水平，因为它们可旋 转地安装至固定装置400。以传统的方式处理在每个旋转位置的外倾角测量计的测量值，以 便分别为每个单元25，27获得零外倾角参考值。每个单元的交叉束角传感器230可以与外倾角测量计同时进行校准。每个交叉束 角传感器230在杆420的每个旋转位置(例如，四个位置)上感测相对传感器单元的交叉 束角目标230a。随后以传统的方式处理关于交叉束角目标230a的所得到数据，以确定每个 相应交叉束角传感器230的零束角参考值。重力后倾角计220，又被称为"纵倾角计"，通常在工厂进行校准，采用基本水平 的(即，水平线的)定位台架。单元25，27安装在图4a和4b所示的校准固定装置400上， 固定装置400设置跨过水平定位台架的一端，以便单元摄像机210面向定位台架的另一端， 并且目标21，23被安装在传统转盘550而非固定装置500上，从而它们可通过摄像机210进 行成像。转盘以公知的方式调节，使得它们的旋转轴基本垂直，例如沿两个方向校平转盘。 在另一个示例中，目标21，23可转动地安装在垂直心轴而非转盘上；例如，安装至垂直固定 装置的心轴。随后，转动每个目标21，23，使得其相应的单元摄像机210获得目标在至少两个旋 转位置上的图像；所述旋转位置例如至少间隔30度。每个目标在至少两个旋转位置上的图像以传统的方式处理，以分别确定每个目标的旋转轴线的位置。随后利用公知的数学原理 处理每个目标的旋转轴线的位置，以分别获得每个单元的零后倾角参考值。换句话说，由于 每个纵倾角测量计具有特定的非零值，当测量计220读取该非零值时，已知实际的后倾角为零。在本发明的另一个示例中，传感器单元25，27的重力外倾角测量计220与重力纵 倾角测量计220同时进行校准；就是说，利用水平定位台架。在本例中，对安装在垂直转盘 550上的每个目标21，23的旋转轴线的位置进行处理，以分别获得每个单元25，27的零外倾 角参考值。因为台架是水平的，该技术确定相对于重力的外倾角，而不是相对于定位台架的 外倾角(如同上文所讨论的第一种外倾角测量计校准方法)。因此，在本例中消除了外倾角 的现场校准；定位系统的使用者只是被指示确保其定位台架是水平的，并且不需要进一步 的外倾角校准。在校准了单元中所有的传感器之后，系统准备好对车辆进行定位测量。如图1所 示，目标21，23通过车轮固定夹(如图3所示的车轮固定夹组件300)连接至车辆的第一轮 轴的每个车轮22，24 ；即，车辆的前车轮；并且传感器单元25，27，例如利用固定夹组件300， 连接至车辆的第二轮轴的每个车轮26，28 ； S卩，车辆的后车轮。传感器单元25，27的心轴240由于所述固定夹结构通常不平行于车轮的中心，因 此每个心轴的定向必须相对于它所连接的车轮26，28的中心进行确定。这被称作"偏位 (runout)“并且利用传统程序进行计算，其中，车辆被顶起使车轮抬升，并且每个车轮26， 28旋转至三个位置，大致间隔120度。在每个位置，记录每个单元的外倾角测量计读数的变 化，以及心轴转动传感器250的读数。随后利用公知的数学算法来计算每个车轮26，28的 偏位。偏位程序的输出为正弦曲线，它的幅度是轮轴和单元心轴240之间的角度，并且它的 起点由角度值表示(即，曲线在车轮旋转开始的地方)。因此，根据在任何给定车轮/固定 夹组件位置上的转动传感器读数，可以对外倾角和束角读数应用校正系数。还可以在安装有目标21，23的前轮22，24上进行偏位程序。车辆被顶起使轮胎离 地，并且后轮26，28 (其上安装有传感器单元)保持静止。转动每个前轮22，24，使得每个传 感器单元25，27的摄像机210获得它们相应目标21，23在至少两个旋转位置上的图像。随 后处理每个目标21，23在多个旋转位置上的图像，以确定每个前轮22，24的旋转轴线的位 置。在这里，可以确定车轮相对于目标的位置，因为目标牢固安装至车轮。车辆的车轮随后安置在定位台架上，并且进行定位测量。后轮外倾角以传统方式 计算，始于外倾角测量计220读数，校正偏位(即，轮轴和单元心轴240之间的位置差异)， 并且校正外倾角测量计读数和在先在前述校准程序中确定的重力之间的差异。利用由单元的交叉束角传感器230获得的总束角和车辆的几何中心线确定各后轮束角。总束角以传统方式通过用交叉束角传感器230感测交叉束角目标230a来确定。几 何中心线通过在空间中定位每个目标21，23，指定空间中相对于每个目标21，23的点P，并 且计算从每个后单元25，27到其相应点P的矢量来确定。更具体地讲，每个目标用它们相 应的单元摄像机进行成像，以确定它们在空间的位置，随后相对于目标的点P相对于车轮 固定夹300上的已知点被指定。这被称作"爪点"。随后计算每个单元25，27和相应爪点 P之间的矢量。每个后轮的各束角测量值是根据车辆的每个车轮的相应侧的矢量和总束角 计算的。
前轮的外倾角和束角通过计算每个前轮轴相对于它们相应的单元摄像机210的位置和定向来确定，例如执行上文所讨论的前轮偏位程序。前轮轴绕垂直轴线的旋转表示 车轮的束角，而轮轴相对于水平面的倾角表示车轮的外倾角。前轮的后倾角利用类似技术，通过确定每个前轮22，24相对于其相应传感器单元 25,27的转向轴线SA的位置来确定。在本发明的该方法中，前轮22，24在它们被阻止开启 它们的轮轴(即它们的心轴)时被转向，例如通过采用车辆的刹车，而携带有传感器单元 25,27的后轮26，28保持静止。传感器单元25，27的摄像机210获得它们相应的目标21， 23在至少两个转向位置上的图像。随后对每个目标在至少两个转向位置上的图像进行处 理，以便利用公知的数学方程式来确定每个车轮22，24的转向轴线SA的位置。随后用已知 的方式可以方便地导出每个车轮的后倾角(即，转向轴相对垂直面的前/后倾角)。除了后 倾角之外，每个目标21，23在至少两个转向位置上的相同图像还可被处理，以确定转向轴 倾斜角(SAI)，它是转向轴SA相对垂直面的内/外倾角。再次参见图1，在本发明方法的另一示例中，只在车辆的一个轮轴的一对相对的车 轮上进行"两轮定位"，例如前轮22，24。这为车辆拥有者提供了更廉价的定位，因为它用 更少的时间来完成定位。在该例中，目标21，23连接至要定位的一对车轮22，24的每一个， 并且并非如图所示将传感器单元25，27通过车轮固定夹300连接至后轮26，28，传感器单元 被设置在(不必然通过它们的心轴240安装)定位台架上，以允许用每个单元图像传感器 (摄像机210)对目标21，23中的一个进行成像，以及允许通过另一单元的交叉束角传感器 230感测每个单元的交叉束角目标230a。随后转动要定位的每个车轮22，24，例如通过推动台架上的车辆，使得摄像机210 获得它们相应的目标21，23在至少两个旋转位置上的图像，同时单元25，27保持静止。对 每个目标21，23在至少两个旋转位置上的图像进行处理，以确定要定位的每个车轮的图像 导出的束角。通过利用前述的交叉束角传感器230感测交叉束角目标230a，以传统方式确 定交叉束角。要定位的车轮22，24的总束角随后根据每个车轮的图像导出的束角和单元的 交叉束角；例如，通过将每个车轮的图像导出的束角添加至交叉束角值，来进行计算。应该 注意，在本例中不能计算每个车轮22，24的单独束角。为了确定每个车轮22，24的外倾角，对每个目标21，23在至少两个旋转位置上的 图像进行处理，以确定每个车轮22，24相对于其相应摄像机210的图像导出的外倾角。还 获得了每个外倾角测量计220的测量值。每个车轮22，24的外倾角随后根据每个车轮的图 像导出的外倾角和相应单元的外倾角测量计测量值进行计算；例如，车轮24的图像导出的 外倾角和传感器单元27的外倾角测量计220的读数之间的差异是车轮24的实际外倾角。前轮的后倾角利用类似技术确定，通过确定每个前轮22，24的转向轴SA相对于它 的相应传感器单元25，27的位置进行确定。在本发明的该方法中，前轮22，24在它们被阻 止开启他们的轮轴(即，它们的心轴)时被转向，例如通过采用汽车的刹车，而传感器单元 25，27保持静止。传感器单元25，27的摄像机210获得它们相应的目标21，23在至少两个 转向位置上的图像。随后对每个目标在至少两个转向位置上的图像进行处理，以便利用公 知的数学方程式确定每个车轮22，24的转向轴SA的位置。随后通过已知的方式可以方便 地导出每个车轮的后倾角(即，转向轴相对垂直面的前/后倾角)。除了后倾角之外，每个目标21，23在至少两个转向位置上的相同图像还可以被处理，以确定SAI。可以处理相同的图像，以及车轮直径的测量值(通过已知方式根据目标在 至少两个旋转位置上的图像确定)，以确定"后倾角拖距"，它是车辆轮胎接触定位台架 (即，地面)的中心点和转向轴SA与定位台架相交点之间的前/后距离。同时可以确定的 相关测量值被称作"摩擦半径"，它是车辆轮胎接触定位台架(即，地面)的中心点和转向 轴线SA与定位台架相交点之间的内/外距离(即，横向于车辆纵向轴线的距离)。上述车 轮尺寸、摩擦半径等的确定详细披露于授予Jackson的美国专利号6，532，062 ；6, 661，505 ； 和6，237，234，上述每篇专利文献的全部内容在此被结合入本文引用。
能够确定后倾角拖距是有利的，因为它可用于诊断和解决车辆"牵引(pull)"的 问题，所述问题仅利用后倾角读数不易诊断。例如，两个前车轮的后倾角可以相等，不过车 辆会牵引。如果测量后倾角拖距并发现在一侧超出规定，可以调整该车轮的后倾角，以校正 后倾角拖距并消除牵引。可以通过采用传统材料、方法和设备实施本发明。因此，本文中没有详细陈述所述 材料、设备和方法的细节。在前文的说明中，陈述了多个特定细节，如特定的材料，结构，化 学物，工艺等，以便提供对本发明的充分理解。不过，应当认识到，本发明可以在不采用具体 提供的所述细节的情况下实施。在其它情况，公知的处理结构没有进行详细说明，以防对本 发明的特征造成不必要的模糊。尽管上文描述了被视为的最佳模式和/或其它示例，但应当理解，可以对它进行 各种改进，并且本发明的主题能够以不同形式和示例实施，并且本发明可应用于多个用途， 本文只描述了其中的某些。所附权利要求书希望要求保护落入本发明实质范围的任何和所 有用途、改进和变化。
权利要求
一种用于校准车轮定位系统的传感器单元的方法，所述传感器单元包括可转动地安装在心轴上的外壳，和位于所述外壳中的图像传感器，它具有观察轴，所述观察轴定向沿基本垂直于心轴的旋转轴线的方向，用于对固定至对象诸如车轮的目标进行成像，所述方法包括通过单元心轴将单元安装在固定装置上，使得单元心轴是静止的；对目标进行定位，以允许用单元图像传感器对目标进行成像；转动所述单元，使得它的图像传感器获得目标在至少两个旋转位置上的图像；和处理目标在至少两个旋转位置上的图像，以确定心轴的旋转轴线相对于图像传感器的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，包括提供具有杆的目标，所述杆在两个远端的每一个 上具有光学元件；其中，确定单元的心轴旋转轴线相对于图像传感器的位置包括转动所述单元，使得图 像传感器获得每个光学元件的至少一个图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述单元还包括重力型外倾角测量计，并且所述 固定装置包括可旋转杆，所述方法包括通过单元心轴将所述单元安装在固定装置的可旋转杆上； 安置固定装置，使得固定装置基本平行于参考面的表面； 将所述杆转动至多个旋转位置；在所述杆的多个旋转位置的每一个上获得外倾角测量计的测量值；和 处理外倾角测量计的测量值，以便获得单元的零外倾角参考值。
4.根据权利要求1所述的方法，包括提供一对传感器单元，每个传感器单元包括外壳中的交叉束角传感器和交叉束角目 标，所述交叉束角传感器定向沿心轴的旋转轴线方向，用于感测另一传感器单元的交叉束 角目标；通过单元心轴将单元安装在固定装置的可旋转杆上，使得单元心轴彼此基本同轴； 转动固定装置的杆，以获得在多个旋转位置上与交叉束角目标相关的数据；和 处理与交叉束角目标相关的数据，以确定每个交叉束角传感器的零束角参考值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述单元还包括重力型纵倾角测量计，所述方法 包括将固定装置设置在基本水平的表面上；对所述目标进行定位，以便它可绕基本垂直的轴线转动；转动目标，以便所述单元图像传感器获得目标在至少两个旋转位置上的图像；处理目标在至少两个旋转位置上的图像，以确定目标的旋转轴线的位置；和处理目标的旋转轴线的位置，以获得所述单元的零后倾角参考值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述单元还包括重力型外倾角测量计，所述方法 包括处理目标的旋转轴线的位置，以获得所述单元的零外倾角参考值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单元包括位于其心轴上的转动传感器，用于 测量心轴旋转的角度量，所述方法包括获得在所述单元的至少两个旋转位置的每一个上的转动传感器测量值；根据所获得的转动传感器测量值确定测量的心轴角转动；处理目标在至少两个旋转位置上的图像，以确定计算的心轴角转动；和比较所测量的心轴角转动和所计算的心轴角转动，以便校准转动传感器。
8. 一种对机动车的车轮进行定位的方法，所述方法包括 将目标连接至车辆的第一轮轴的每个车轮；将传感器单元连接至车辆的第二轮轴的每个车轮，每个传感器单元上安装有图像传感 器，用于对相应的一个目标进行成像；转动第一轮轴的每个车轮，同时第二轮轴的车轮保持静止，以便图像传感器获得它们 的相应目标在至少两个旋转位置上的图像；和处理每个目标在至少两个旋转位置上的图像，以确定第一轮轴的每个车轮的旋转轴线 的定向。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，每个传感器单元具有可转动地安装在心轴上的 外壳，和外壳中的交叉束角传感器，所述交叉束角传感器定向沿心轴旋转轴线的方向，用于 感测另一传感器单元的交叉束角目标，其中图像传感器具有观察轴，所述观察轴定向沿基 本垂直于心轴旋转轴线的方向，用于对其相应的目标进行成像，所述方法还包括用目标相应的图像传感器在单个位置对每个目标进行成像；计算每个图像传感器和在空间中相对于它们相应目标的相应点之间的矢量；利用交叉束角传感器获得与交叉束角目标相关的数据；根据与交叉束角目标相关的数据计算第二轮轴的车轮的总束角；和根据所述矢量和交叉束角数据计算第二轮轴上每个车轮的单独束角测量值。
10.根据权利要求8所述的方法，包括根据第一轮轴的每个车轮的旋转轴线的位置计 算第一轮轴的每个车轮的束角和外倾角中的至少一个。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，第一轮轴的车轮是可转向的，所述方法包括 对第一轮轴的车轮进行转向，同时防止第一轮轴的车轮绕所述轮轴转动，并且第二轮轴的车轮保持静止，以便图像传感器获得它们的相应目标在至少两个转向位置上的图像； 和处理每个目标在至少两个转向位置上的图像，以确定第一轮轴的每个车轮的后倾角和 转向轴倾斜角中的至少一个。
12. —种对机动车的一个轮轴的一对相对的车轮进行定位的方法，所述方法包括提供一对传感器单元，每个传感器单元具有图像传感器，用于对固定至对象诸如车轮 的目标进行成像；和交叉束角传感器，用于感测另一传感器单元的交叉束角目标； 将目标连接至要定位的一对车轮的每一个；对传感器单元进行定位，以允许用每个单元图像传感器对目标中的一个进行成像，并 允许通过另一单元的交叉束角传感器感测每个单元的交叉束角目标；转动要定位的每个车轮，以便图像传感器获得它们的相应目标在至少两个旋转位置上 的图像；利用交叉束角传感器获得与交叉束角目标相关的数据；处理每个目标在至少两个旋转位置上的图像，以确定要定位的每个车轮的图像导出的 束角；处理与交叉束角目标相关的数据，以确定单元的交叉束角；和 根据每个车轮的图像导出的束角和单元的交叉束角，计算要定位的车轮的束角。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，每个传感器单元包括重力外倾角测量计，所述 方法包括处理每个目标在至少两个旋转位置上的图像，以确定要定位的每个车轮相对于它们的 相应图像传感器的图像导出的外倾角； 获得每个外倾角测量计的测量值；和根据每个车轮的图像导出的外倾角和相应单元的外倾角测量计的测量值，计算要定位 的每个车轮的外倾角。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，要定位的车轮是可转向的，所述方法包括 对要定位的车轮进行转向，同时阻止所述车轮转动，以便图像传感器获得它们的相应目标在至少两个转向位置上的图像；和处理每个目标在至少两个转向位置上的图像，以确定要定位的每个车轮的后倾角，后 倾角拖距，摩擦半径和转向轴倾斜角中的至少一个。
全文摘要
提供了一种用于校准车轮定位系统的传感器单元的方法，所述传感器单元包括可旋转地安装在心轴上的外壳，和外壳中的图像传感器，具有观察轴定向沿基本垂直于心轴的旋转轴线的方向，用于对固定至对象(如车轮)的目标进行成像。所述方法的一个示例包括通过单元心轴将单元安装在固定装置上，使得单元心轴是静止的，并且对目标进行定位，以允许用单元图像传感器对目标进行成像。转动所述单元，使得它的图像传感器获得目标在至少两个旋转位置上的图像，并且对目标在至少两个旋转位置上的图像进行处理，以确定心轴的旋转轴线相对于图像传感器的位置。
文档编号G01B11/26GK101809404SQ200880109731
公开日2010年8月18日 申请日期2008年8月1日 优先权日2007年8月1日
发明者D·A·杰克逊, S·L·格里克曼 申请人:实耐宝公司