专利名称：用于确定车辆的车轴几何学的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定车辆的车轴几何学的方法和装置。本发明尤其是涉及在车轴测量期间对转向几何学的检验和测量，具体而言涉及利用以下特征参量对转向轴线(“主销轴线”)进行三维测定主销内倾角(Spreizungswinkel )、主销后倾角(Nachlaufwinkel )、主销后倾移距(Nachlaufstrecke)和转向半径。
背景技术：
在车轴测量的领域中，确定并且必要时调节车辆的轮距角(Spurwinkel)和车轮外倾角(Sturzwinkel)。车轴测量的另一子任务是检验转向几何学。这通过在转向运动期间 对车轮的运动的测量来实现。通常，在此测量主销内倾角和主销后倾角。转向几何学的特征参量取决于转向装置的机械构造。在具有固定的主销轴线的经典几何学与所谓的立体式转向轴线之间存在区别。在标准DIN 70000中定义了用于描述具有固定的主销轴线的转向几何学的特征参量，比如像主销内倾角、主销后倾角、主销后倾移距和转向半径。为了确定所述特征参量，通常在转向运动(“转向盘回转程序”)期间测量轮距角和车轮外倾角。对于不同的车轮转向角来说，接下来由车轮的轮距值和车轮外倾值计算主销内倾角和主销后倾角的数值。在文献“HUNTER ENGINEERING CO, BRIDGETON, MO, USA: "STEERING GEOMETRYAND CASTER MEASUREMENT", SAE TECHNICAL PAPER SERIES,第 850219 期，1985，第 1-10页，XP008068693 WARRENDALE, PA, USA” 中，Daniel B. January 描述了由两个单次测量计算主销内倾角和主销后倾角，所述两个单次测量在车轮回转运动期间实施。因为仅实施了两个单次测量，仅两次轮距测量和车轮外倾测量的测量误差会导致在计算转向几何学时的相应大的误差。在文献EP I 739 390 BI中描述了多于两次轮距测量和车轮外倾测量的结合，以便通过将多项式与轮距角和车轮外倾角的测量曲线匹配(拟合)来提高测量精度。轮距测量和车轮外倾测量可以通过各种已知的、用于车轴测量的方法来进行。用于车轴测量的新方法允许通过对车轮运动的三维检测以光学方式来测量车轴几何学。在该方法中，求得车轮的旋转轴线和旋转中心的几何三维位置并且对准车轮的旋转轴线和旋转中心。这可以通过利用在车辆上的光学目标标记测量所谓的目标(例如参见文献DE 197 57763 AU EP I 042 643 BI)或通过三维检测车轮的表面、例如通过将图案投影到车轮表面来进行(例如参见文献 EP 187 51 64 BUffO 2008/046715 Al)。
发明内容
本发明的任务是提供一种能够实现简单地以高精度确定车轴几何学的方法。该任务通过根据独立权利要求I所述的方法和根据独立权利要求10所述的装置来解决。从属权利要求I至9描述了根据本发明的方法的有利的技术方案。本发明的基本构思是在使用转向几何学的运动学模型的情况下，针对不同的车轮转向角由车轮的旋转轴线和旋转中心来三维计算主销轴线的参数，其中车轮的旋转轴线和旋转中心通过对车轮位置的三维测量、例如通过测量在车轮上的光学目标或借助车轮的三维表面模型来确定。三维车轴几何学的光学测量允许在整个测量期间对车轮运动进行三维检测。对于转向回转测量而言这意味着，允许在测量的任何时刻知晓车轮的旋转中心的三维位置和车轮旋转轴线的三维的方向向量。这些测量数值根据本发明用于主销轴线的三维计算。一种根据本发明的、用于确定车辆的车轴几何学的方法尤其包括将固定在车辆的车轴上的车轮转向到具有不同的车轮转向角的多个转向位置上，并且在不同的转向位置上测量车轮的空间位置。在不同的转向位置上由对车轮的空间位置的测量的结果确定车轮 的相应的旋转轴线。如此匹配主销轴线的参数模型的参数，从而使得车轮的、由测量空间位置所确定的旋转轴线尽可能良好地与由参数模型计算出的旋转轴线相一致。车轴几何学的特征参量于是由主销轴线的如此匹配的参数模型来计算。车轴几何学的能够如此确定的特征参量尤其包括主销内倾角和主销后倾角。有利地，根据本发明的方法也包括在不同的转向位置上确定车轮的相应的旋转中心，并且主销轴线的参数模型也包括车轮的旋转中心。在这种情况下，由参数模型除了能够确定主销内倾角和主销后倾角之外还可以确定主销后倾移距和转向半径。利用这样的方法，在车轴测量期间通过直接计算主销轴线的参数而不用目前通常地通过求得轮距值和车轮外倾值过渡就能够确定主销轴线的四个特征参量。三维运动几何学的完全建模能够以高精度确定主销轴线的参数。在根据本发明的方法的一种实施方式中，在使用最小二乘法的情况下实现主销轴线的参数模型与由三维测量所确定的旋转轴线的匹配。最小二乘法表示一种有待可靠而简单地实施的方法，所述方法用于使主销轴线的参数模型与所测得的值匹配。在一种实施方式中，车轮的空间位置的测量包括对车轮的至少一个表面的光学检测和分析。所述对车轮的至少一个表面的光学检测和分析能够特别简单而精确地确定车轮的空间位置，例如像在文献EP 187 51 64 BI和WO 2008/046715 Al中所公开的那样。在一种实施方式中，该方法包括将三维测量的结果变换到固定在车辆上的坐标系中。为此，车辆的运动例如通过连续地测量至少一个车轮的旋转中心和/或旋转向量来确定，所述至少一个车轮安置在车辆的未转向的车轴上。通过变换到固定在车辆上的坐标系中，在测量过程期间出现的车辆运动被补偿。当车辆在测量过程期间运动时，所述测量也可以以高精度实施。提高了该测量方法的可靠性并且简化了其实施。在一种实施方式中，车辆的回转仅包括从笔直位置开始的、小差异的偏转、尤其是不多于5°的偏转。在有差异的偏转时，也可以可靠地确定具有所谓的立体式转向轴线(Raumlenkerachse)的车辆的车轴几何学。尤其是可以确定转矩旋紧轴线(Momentanschraubachse)的几何数值并且由此对主销轴线的三维数值进行求导。在一种实施方式中，代替转向半径确定在车轮中点上的转向杆臂(Lenkhebelarm)和在行车道平面中的转向杆臂。这样可以确定转向几何学的其他参数。
在一种实施方式中，该方法包括将车轮的、所测得的实际运动与车轮的、所储存的额定运动进行比较。这样可以确定车辆的车轴几何学的质量。尤其可以确定并且评价车轴几何学的变形(V erzerrung ),例如像由于车辆的事故损伤所引起的那样。实际值例如可以以表格的形式储存在存储器中。在该表格中并不存在的中间值可以附加地通过内插值法来计算。在一种实施方式中，所储存的车轮的额定运动是车辆的车轮转向角和/或弹动状态(Einfederzustand)的函数。这能够特别精确地实现车轮的实际运动与所储存的额定运动的比较。尤其可靠地避免了在评价车轴几何学时的误差，所述车轴几何学由车辆的不同车轮转向角和/或弹动 状态引起。在一种实施方式中，参数模型也包括车轮悬架的运动链的几何建模，该几何建模例如由铰链、棒状导向件、三角形导向件或梯形导向件构成。这能够实现转向装置几何学的所选的运动参数的确定和/或控制。
以下参照附图对本发明的实施例进行详细解释。在此示出
图I是用于实施根据本发明的车辆底盘测量的测量台的示意性的视 图2是车轮的三维双变点分布的示意性的视图，所述车轮具有由车轮的三维表面模型计算的车轮旋转轴线；
图3是车轮的示意性的前视图，所述车轮具有转向几何学的选出的特征参量；并且 图4是车轮的示意性的侧视图，所述车轮具有转向几何学的选出的其它特征参量。
具体实施例方式图I示出了测量台的示意性的俯视图，该测量台适于实施根据本发明的车辆底盘测量，该测量台具有布置在测量台上的有待测量的车辆2。车辆2具有两个车轴8a、8b、即前轴8a和后轴8b，它们彼此平行地相对于车辆2的纵向伸展呈直角地布置。在这两个车轴8a和8b的两个端部上分别安装有车辆2的车轮4a、4b。前轴8a上的车轮4a是可转向的，后轴8b上的车轮4b是刚性的。在图I所示的示图中，安置在车辆2的前轴8a上的车轮4a从笔直位置偏转了车轮转向角β。在车辆2的侧面上，与车轮4a、4b中的每个对置地分别布置有一个测量头6。四个测量头6中的每个都具有照明设备6a，配置所述照明设备以便对车辆2的、与相应测量头6对置的车轮4a、4b进行照明。照明设备6a可以如此构造，从而使得其或者均匀地或者利用结构化的光图案对车轮4a、4b进行照明。照明设备6a尤其可以分别具有一个激光器并且如此构造，从而使得其分别产生一个结构化的激光图案并且投影到与相应的测量头6对置的车轮4a、4b上。除了照明设备6a之外，每个测量头6还具有立体接收设备6b、6c，所述立体接收设备在图I中所示的实施例中分别包含两个摄像机6b、6c，所述摄像机6b、6c彼此间隔距离地布置在测量头6的内部的相应的照明设备6a的两侧上，并且对准车辆2的与相应的测量头6对置的车轮4a、4b。测量头6中的每一个于是提供与其对置的车轮4a、4b的立体图像。
测量头6通过电导线12与分析单元10连接，该分析单元分析由测量头6提供的立体图像，以便确定车辆2的车轴几何学。在一种简化的、在附图中未示出的实施方式中，测量台配备有少于四个测量头6。尤其能够仅设置两个测量头6，所述测量头布置在车辆2的、彼此对置的侧面上。在此情况下，针对两个轴8a、8b以两个分离的、相继的步骤实施车轴测量。图2以示意图示出了车轮4a的三维测量双变点分布(3D_Messpunktwolke),如由测量头6所接收的立体图像所计算的那样。例如在文献EP I 875 164 BI中描述了由立体图像来确定三维测量双变点分布的细节。在文献WO 2008/046715中描述了利用车轮的参数表面模型由三维测量双变点分布计算旋转轴线。图2还示出了车轮4a的旋转轴线的方向向量η (向量以下通过粗体示出),如其能够由车轮4a的参数模型确定的那样，该参数模型如在文献WO 2008/046715中所描述的那样与三维测量双变点分布匹配。
车轮4a的、在图2中示出的旋转中心Z也能够由参数模型来确定。图3示出了具有车轮半径R和主销轴线S的车轮4a的示意性的前视图。在图3中还示出了转向半径IV主销内倾角σ、用于主销轴线的位置向量Os以及方向向量ns，所述位置向量从固定在车辆上的坐标系K的坐标原点Φ指向主销轴线S ;所述方向向量说明了主销轴线S的方向。图4示出了车轮4a的示意性的侧视图，在示出的示图中为了沿着行驶方向V从右向左运动设置所述车轮，其中示出了所述主销后倾角τ和主销后倾移距Γτ。图5示出了根据本发明的方法的示意性的流程图。首先，针对具有不同的车轮转向角β i的多个转向位置(Einlenkposition)测量所述车轮4a的位置(步骤10)。为此，车轮4a转向到车轮转向角Pi，针对相应的车轮转向角1接收车轮4a的至少一个立体图像，并且由所述立体图像计算三维测量双变点分布。车轮4a的旋转轴线Iii以及旋转中心Zi通过将参数表面模型与三维测量双变点分布匹配来确定(步骤11)。在一种替选的方法中，由固定在车轮4a上的目标标记(目标)接收图像，确定所述目标标记的位置并且由所述目标标记的位置计算车轮4a的旋转轴线Iii以及旋转中心Z”此外还确定车辆2的可能存在的运动(步骤12)，并且将步骤11中求得的旋转轴线Iii和旋转中心Zi变换到固定在车辆上的坐标系K中(步骤13)。该方法步骤针对车轮4a的m个不同的车轮转向角β i进行重复。作为结果，在相应的转向回转期间，针对m个不同的车轮转向角Pi在固定在车辆上的欧几里得坐标系统中存在车轮4a的旋转中心Zi的m个三维坐标xKi以及车轮4a的旋转轴线的m个三维方向向量nKi。具有位置向量Os和方向向量ns的主销轴线S的运动学模型
. =R[β A ]xd + I1-r^Λ ])0: =L [β；Λ -A ^ ]
β.竹jj-f7; βι 5
描述了在转向过程的每个时刻i (i=l. . . m),三维旋转中心xD和三维旋转向量nD取决于车轮转向角β 运动。主销轴线S在此相当于空间的旋转轴线。向量Os是相对于主销轴线S上的一个点的三维位置向量并且限定在车辆坐标系K中。向量ns= [nx, ny, njT是主销轴线S的三维方向向量(参见图3 )。由车轮4a的围绕主销轴线S的车轮转向角Pi得到3X3旋转矩阵R，该旋转矩阵根据罗德里格斯公式，例如参见文献Murray，R. M. ；Li, Z.;和Sastry，S. S., AMathematical Introduction to Robotic Manipulation, FL: CRC Press, 1994,可以表不为
权利要求
1.用于确定车辆(2)的车轴几何学的特征参量的方法，所述方法具有如下步骤 将固定在所述车辆(2)的车轴(8a)上的车轮(4a)转向到具有不同的车轮转向角(^i)的不同的车轮转向位置上； 在不同的车轮转向位置上确定所述车轮(4a)的空间位置； 在相应的车轮转向位置上由空间位置的确定的结果确定所述车轮(4a)的旋转轴线Cni)； 建立所述主销轴线(S)的参数模型(f ( β i; ns，os, nD))； 针对不同的车轮转向位置由所述主销轴线(S)的参数模型(f ( β i; ns，os, nD))确定所述车轮(4a)的旋转轴线； 将所述主销轴线(S)的参数模型(f ( β i; ns，os, nD))与所述车轮(4a)的、由在所述不同的车轮转向位置上测量的空间位置所确定的旋转轴线Ui)匹配； 由所述主销轴线(S)的经过匹配的参数模型(f ( β i; ns，os, nD))确定所述车轴几何学的特征参量。
2.按照权利要求I所述的方法，其中由所述主销轴线(S)的经过匹配的参数模型(f(β i，ns，os, nD))所确定的特征参量包含主销内倾角(σ )和/或主销后倾角(τ )。
3.按照权利要求I或2所述的方法，其中 所述方法包括在所述不同的车轮转向位置上确定所述车轮(4a)的相应的旋转中心(Z)； 所述主销轴线(S)的参数模型(f ( β i,ns,os,nD))包括所述车轮(4a)的旋转中心(Z); 所述方法包括由所述主销轴线(S)的经过匹配的参数模型(f确定主销后倾移距(r,)和/或转向半径(rQ)。
4.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述车轮(4a)的空间位置的确定包括对所述车轮(4a)上的光学的目标标记或者所述车轮(4a)的至少一个表面的光学检测和分析。
5.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括将所述车轮(4a)的空间位置的确定的结果变换到固定在车辆上的坐标系(K)中。
6.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述车轮(4a)的回转仅包括从笔直位置开始的小偏转，所述偏转不超过5°的车轮转向角(β P。
7.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其中确定在车轮中点(Z)上的转向杆臂或在行车道平面中的转向杆臂。
8.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括将所述车轮(4a)的、所测得的实际运动与所述车轮(4a)的、所储存的额定运动进行比较。
9.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述主销轴线(S)的参数模型(f(β i;ns, os, nD))包括转向装置的运动链的几何建模。
10.用于确定所述车辆(2)的车轴几何学的特征参量的装置，构造所述装置以实施按照权利要求I至9中任一项所述的方法。
全文摘要
一种用于确定车辆(2)的车轴几何学的特征参量的方法，所述方法具有如下步骤将固定在车辆(2)的车轴(8a)上的车轮(4a)转向到具有不同的车轮转向角(βi)的不同的车辆转向位置上；在不同的车轮转向位置上确定车轮(4a)的空间位置；在不同的转向位置上由空间位置的确定的结果确定车轮(4a)的旋转轴线(ni)；建立主销轴线(S)的参数模型(f(βi，ns，os，nD))；将主销轴线(S)的参数模型(f(βi，ns，os，nD))与车轮(4a)的、由测量空间位置所确定的旋转轴线(ni)匹配；并且由主销轴线(S)的经过匹配的参数模型(f(βi，ns，os，nD))确定车轴几何学的特征参量。
文档编号G01B21/26GK102893125SQ201180024471
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月18日
发明者S.阿伯拉罕 申请人:罗伯特·博世有限公司