CN102272550A - 用于底盘测量的方法及用于测量机动车底盘几何参数的装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于底盘测量的方法包括以下步骤：提供一个具有四个相对彼此设置在已知位置中的测量头(2，4，14，16)的底盘测量系统，每个测量头具有一个单目的摄像装置(22，24，26，28)，其中，测量头(2，4，14，16)相对彼此的相对位置是已知的，并且前面的测量头(2，4)相对彼此的距离(dVA)不同于后面的测量头(14，16)相对彼此的距离(dHA)；在机动车(1)的至少一个第一驶入位置中通过后面的测量头(14，16)分别拍摄一个前轮(6，8)或安设在其上的测量靶；在第一主测量位置中及在机动车(1)的第二主测量位置中通过四个测量头(2，4，14，16)中的每个来拍摄四个车轮(6，8，10，12)或安设在其上的测量靶；执行局部三维重构，用于由车轮(6，8，10，12)的或安设在其上的测量靶的被拍摄的图像来确定车轮(6，8，10，12)的平移矢量(t1，t2，t3，t4)、旋转矢量(R1、R2、R3、R4)和在所述位置之间的车轮旋转角以及车轮旋转中心和车轮旋转轴线；通过行驶运动将这些局部比例尺适配到一个共同的全局比例尺上；将主测量的全局比例尺转用在所述驶入测量上；由在驶入位置中及在主测量位置中对所述前轮(6，8)或安设在其上的测量靶的测量来确定用于测量头(2，4，14，16)的绝对比例尺；和确定机动车(1)的底盘测量参数、尤其是车轮外倾、单前束和/或总前束。

Description

用于底盘测量的方法及用于测量机动车底盘几何参数的装置

技术领域

本发明涉及一种用于底盘测量的方法及一种用于测量机动车底盘几何参数的装置。

背景技术

由DE 107 57 763和EP 1 042 643B1公知了一种借助具有至少两个摄像装置的光学测量装置来确定机动车的车轮和/或轴的几何参数的装置。在此其涉及一种具有双目(立体)摄像装置的所谓立体测量系统。这种双目摄像装置既费事又昂贵。

在其它的轴测量系统、例如由US 613 47 92公知的轴测量系统中使用了具有控制点区的测量靶，这些测量靶必需以高精确度制造并且由此同样是昂贵的。此外这种高精确度的测量靶在车间日常工作中可能容易损坏或变形，这会导致不可控制的测量误差。

发明内容

因此本发明的任务是，提供一种能提供可靠的、成本有利的且精确的测量值的轴测量方法及一种所属的轴测量装置。

该任务通过独立权利要求的主题解决。由从属权利要求得到有利的扩展构型。

在根据本发明的用于底盘测量的方法中，首先提供一个具有四个相对彼此设置在已知位置中的测量头的底盘测量系统，这些测量头中的每个包括一个单目的摄像装置。这些测量头相对彼此的相对位置是已知的，并且前面的测量头相对彼此的距离不同于后面的测量头相对彼此的距离。在此，前面的和后面的测量头这样地设置在测量工位上，使得它们能够分别拍摄位于测量工位上的机动车的相对置的车轮的图像。

然后首先在机动车的至少一个驶入位置中通过后面的测量头分别拍摄一个前轮或安设在其上的测量靶。接下来让机动车运动到第一主测量位置中以及然后至少运动到第二主测量位置中，并且通过四个测量头中的每个来拍摄四个车轮或安设在其上的测量靶。

通过以局部比例尺执行局部三维重构，能够借助车轮的或安设在其上的测量靶的被拍摄的图像来确定车轮的平移矢量、旋转矢量、在驶入位置与主测量位置之间的车轮旋转角以及车轮旋转中心和车轮旋转轴线。这产生驶入测量和主测量的局部三维重构。

由在驶入位置中及在主测量位置中对前轮或安设在其上的测量靶的测量、例如由行驶运动或移动路径的平衡能够确定用于测量头的全局比例尺。通过行驶运动或移动路径的平衡将主测量位置的四个局部比例尺平衡到一个共同的局部比例尺。

通过“几何参数相同”的前提将主测量的全局比例尺转用在驶入测量的三维重构上，因为共同的行驶运动不包括驶入测量在内。绝对比例尺例如通过下列的微分公式导出。

由此最后可以确定机动车的底盘测量参数、尤其是车轮外倾、单前束和/或总前束。

根据本发明的用于测量机动车的底盘几何参数的装置包括一个由四个相对彼此设置在已知位置中的测量头组成的装置，这些测量头中的每个测量头具有一个上述类型的单目的摄像装置。根据本发明的装置还包括一个分析处理装置，所述分析处理装置被设置用于在工作中通过执行局部的三维重构由在机动车的第一主测量位置及至少一个第二主测量位置中通过四个测量头中的每个拍摄车轮或安设在其上的测量靶来确定车轮的平移矢量、旋转矢量和在所述位置之间的车轮旋转角以及车轮旋转轴线，以及由在驶入位置及主测量位置中对前轮或安设在其上的测量靶的测量来确定用于测量头的绝对比例尺，并且由此确定机动车的底盘测量参数、尤其是车轮外倾、单前束和/或总前束。

根据本发明通过单目的摄像装置检测存在于车轮或靶上的几何细节，在此在至少一个驶入位置中及在至少两个主测量位置中对前轮或安设在其上的靶进行检测，以及在所述至少两个主测量位置中同时对后轮或安设在其上的靶进行检测。

在所有根据本发明的方法及装置中获得成本优势，因为不需要光学靶的高精度加工，因为对于每个测量头可取消第二个摄像装置，还因为不需要距离测量传感器。

根据本发明的方法及装置既可用测量靶也可不用测量靶来实现。

如果不用测量靶，而是观察车轮本身，那么可观察车轮的自然几何细节、例如轮圈边缘、阀、外观元素或轮胎壁上的字符。

如果用测量靶，则它不需要控制点区，由此可显著有利地制造测量靶，并且能可靠地避免由设有控制点区的精确靶在车间日常工作中的变形或损坏引起的不可控制的测量误差。

此外，根据本发明的方法可简单地实施并且所属的装置可简单地操作。当使用靶时，不需要这种靶的车轮适配器相对旋转轴线的精确定位。

借助来自图像处理的根据“structure from motion”原理的已知方法以及借助其在三维的底盘测量中的应用，分析处理由相关车轮或安设在其上的测量靶的至少两个图像组成的单目图序来确定几何参量。

由成像的几何细节的在所有拍摄的图像中测得的二维图像坐标得出其在局部车轮坐标系中的三维坐标、机动车的平移和旋转矢量及车轮在这些位置之间的旋转角以及对于轴测量所需的形式为旋转中心的三维位置和旋转轴线的空间方向的信息。该计算步骤在下面被称为三维重构。这对于技术人员是公知的并且在这里不需要进一步阐明。

在实现三维重构之后，几何细节在车轮坐标系中的位置形成一个控制点系统，使得可以在机动车静止时执行接下来的测量，例如用于在发现车轮的错误位置时调节前束和车轮外倾。三维重构仅确定车轮坐标系的形状，不确定其比例尺。每个单目的摄像装置以局部比例尺计算配属于它的车轮坐标系，该局部比例尺在重构中被任意地预设定。

对于轴测量的那些基本上基于角度计算的测量值，所有摄像装置的比例尺既不必相同也不必绝对已知。只有当要附加地确定米制的测量值或者后轮的单前束时，局部比例尺才必须相互适配。下面对于所有摄像装置共同的比例尺被称为全局比例尺。通过引入附加的、尺寸精确的、外部的信息使全局比例尺适配于绝对比例尺。

局部比例尺在下面指的是车轮的三维重构的任意引入的比例尺，全局比例尺指的是通过行驶运动平衡的用于所有四个重构的共同比例尺，而绝对比例尺指的是引入尺寸精确的、外部的信息来修正全局比例尺。在本发明中，绝对比例尺由两个距离dHA和dVA例如通过下面提到的公式得出。

根据本发明的第一实施方式，绝对比例尺由从局部三维重构中获得的、在驶入位置中测量时计算出的前轴轮距和在主测量位置中测量时计算出的前轴轮距与测量头的已知距离之比确定。在一个轴的右轮与左轮之间的距离称为轮距，由轮胎中心至轮胎中心测得。尤其可以根据以下公式确定用于将全局比例尺换算成绝对比例尺的修正系数：

$s=\frac{w{\mathrm{HA}}_{3D}-w{\mathrm{VA}}_{3D}}{\mathrm{dVA}-\mathrm{dHA}}$

在此，dVA和dHA是在前面的摄像装置与后面的摄像装置之间的在机动车横向上的距离，如其在分析处理装置中作为额定值被存储那样。参量wVA_3D和wHA_3D是在通过前面的摄像装置和后面的摄像装置在机动车横向上测量时由在使用全局比例尺的情况下的三维重构求得的机动车前轴的轮距。

根据本发明的另一种实施方式，在机动车向前运动期间在驶入位置及主测量位置中进行测量头的拍摄，而不需使机动车在此之间停住。由此得到根据本发明的底盘测量方法的顺畅的且用户友好的执行。

根据本发明的另一种实施方式，在驶入位置中及在主测量位置中拍摄时分别拍摄由多个图像组成的图序。由此能够进一步提高所获得的机动车底盘测量参数的精度。

根据本发明的另一种实施方式，通过测量头同步地或者以相同的测量频率拍摄车轮的或安设在其上的测量靶，或者两次图像拍摄之间的时间间隔是精确已知的。

也可以进行运动路程的平衡。在此，如果至少一个平移矢量是已知的，那么不同步的摄像机的测量数据被输送给一个共同的三维重构。如果机动车不是连续地运动，而是在至少两个位置上停住，例如在图序开端和末端停住，并且如果所有的摄像机检测静止的车轮的至少一个图像，那么平移矢量可以在摄像装置的相应的局部三维坐标系中这样被缩放，使得至少一个平移矢量在所有四个摄像装置中具有相同的长度。

也可以使运动轮廓平衡。在此，如果机动车以不恒定的速度运动，则将不同步的摄像机的测量数据输送给一个共同的三维重构。如果机动车加速或减速，则可以由每个摄像装置的测量数据产生一个运动轮廓。由运动轮廓的适配得出用于共同的三维重构的缩放。

在此，仅用于一个摄像装置的比例尺可以被引入并被转用在另一个摄像机上。机动车作为刚形体运动并且被所有的摄像装置观察。机动车的运动信息被用于将四个测量头的局部三维重构中的四个未知的比例系数减少为一个唯一的共同的比例系数。在所有四个测量头中的比例尺这时是相同的。通过引入摄像装置的全局比例尺可以定义所有摄像机在全局比例尺中的测量值。

在所有四个摄像装置中在时间上同步摄像时，直接实现一个共同的三维重构。平移矢量在摄像装置的相应的局部三维坐标系中这样地被缩放，使得所有四个摄像装置具有相同的长度。

附图说明

以下借助实施例参照附图详细地描述本发明。

图1从上方示出一个根据本发明的用于测量机动车的底盘几何参数的装置及一个在驶入位置EFP中及在主测量位置HMP中的机动车的示意图；

图2示意地示出无全局比例尺的轴几何参数的三维重构。

具体实施方式

图1从上方示出一个根据本发明的用于测量机动车1的底盘几何参数的装置及一个在驶入位置中及在主测量位置中的机动车1的示意图。

该装置具有四个测量头2，4，14，16，它们分别相互成对地对立布置在机动车1的两侧。测量头2，4，14，16在其向着机动车1的一侧各具有一个单目的摄像装置22，24，26，28，它们例如构成为摄像机。测量头2，4，14，16在测量工位的坐标系中的位置是已知的并且在测量期间不会改变。

在此，前面的测量头2和4在机动车横向上以距离dVA相对彼此设置，而后面的测量头14和16在机动车横向上以距离dHA相对彼此设置。前面的测量头2和4的距离dVA在此明显大于后面的测量头14和16的距离dHA。为了能够根据本发明确定全局比例尺，关键是前面的测量头2和4相对彼此的距离不同于后面的测量头14和16相对彼此的距离，其中，与在以上实施例中不同，后面的测量头14和16的距离显然也可以大于前面的测量头2和4相对彼此的距离。

测量头2，4，14，16通过数据线30与用于分析处理由测量头2，4，14，16接收及求得的数据的分析处理装置18相连接。该分析处理装置18与用于显示测量结果的显示器20相连接。此外，该分析处理装置18设有一个在图1中未示出的输入装置，例如一个用于控制分析处理装置18的键盘。

在图1中示出机动车1，它的四个车轮6，8，10，12在以虚线所示的驶入位置EFP中及在以实线所示的主测量位置HMP中。在驶入位置EFP中，前轮6和8位于后面的测量摄像机14和16的摄像装置26和28的视野中。在主测量位置HMP中，前轮6和8位于前面的测量头2和4的摄像装置22和24的视野中，而后轮10和12位于后面的测量头14和16的摄像装置26和28的视野中。

为了执行测量，让机动车1运动到测量工位中。在该运动期间右后侧的摄像装置26检测前轮6的图序1，而摄像装置16检测左侧的前轮8的图序2。在图1中示例地示出在检测这些图序1和2期间的驶入位置EFP。

接下来让前轮6和8运动通过前面的摄像装置22和24的视野，右前侧的摄像装置22检测右侧的前轮6的图序3并且左前侧的摄像装置24检测左侧的前轮8的图序4。此外，右后侧的摄像装置26检测右侧的后轮10的图序5，并且左后侧的摄像装置28检测左侧的后轮12的图序6。在图1中示例地示出在检测这些图序3、4、5和6期间的主测量位置HMP。

在上面的实施例中，图序1和2的检测及图序3至6的检测分别是同步的。变换地也可以的是，如上所述以相同的测量频率、以精确已知的在这些摄像之间的时间间隔、通过运动路程的平衡或者通过运动轮廓的平衡来检测这些图序。

现在由现有的六个图序进行三维重构和运动确定。如上所述，几何细节的由图序3至6的三维重构通过机动车运动在比例尺上相互适配。

如果将机动车1看作刚性体，那么在机动车1或前轮6和8的局部坐标系中由图序1和2的分析处理得到的几何细节的三维坐标必须在尺度上等于由图序3和4的分析处理得到的三维坐标。因此，比例尺也可以转用于图序1和2。变换地，这也适用于轮距作为旋转中心至前轴的距离。

由通过图序1和2及3和4对前轴的测量，现在允许求得缺少的绝对比例尺。为此，在使用全局比例尺的条件下确定在驶入位置中测量时前轴轮距wHA_3D以及在主测量位置中测量时前轴的轮距wVA_3D。在绝对比例尺正确的情况下，这两个轮距必须是大小相同的。全局比例尺与绝对比例尺之间的修正系数s由轮距差与已知的在摄像装置之间的实际距离差的比得出，如其存放在分析处理装置中那样，例如根据以下公式得出：

$s=\frac{w{\mathrm{HA}}_{3D}-w{\mathrm{VA}}_{3D}}{\mathrm{dVA}-\mathrm{dHA}}$

即在使用全局比例尺的条件下在通过前面的测量系统的测量中计算前轴的轮距。该轮距根据绝对比例尺的误差是有误差的。

在使用车轮上的点的三维重构和全局比例尺的条件下，由在驶入位置中对机动车的测量、即由后面的测量系统的测量计算出前轴的轮距。如果全局比例尺是正确的，即等于绝对比例尺，那么计算出的两个轮距是相等的，即wVA_3D＝wHA_3D。如果不是这样，那么可以由该差值计算出用于比例尺的修正系数s。

几何细节可以是车轮6，8，10，12的自然几何细节，例如轮圈边缘、阀、外观元素或字符，或施加在车轮6，8，10，12上的测量靶。通过使用自然几何细节可省去施加及以后取下测量靶的步骤，以致测量可更快地实现。而另一方面测量靶具有高对比度，由此可被摄像装置22，24，26，28特别好地识别。测量靶尤其能够即使在光照条件差的情况下实现精确的底盘测量。

因为摄像装置22，24，26，28指的是单目的摄像装置22，24，26，28，所以当局部比例尺相互适配时，几何细节在相应的测量头2，4，14，16的三维坐标系中的位置仅除局部比例尺与绝对比例尺之间的、或全局比例尺与绝对比例尺之间的未知比例系数外可被确定。

图2示意地示出没有全局比例尺的轴几何参数的三维重构并且举例地说明比例尺不确定性。

由图2可清楚看出：比例尺变化导致所有的距离长度以相同的因子缩放。一个大的远的物体(这里为具有比例尺M2的车轮6，8，10，12)的图像与位于离相应的摄像装置22，24，26，28更近的、在比例上缩小的具有比例尺M1的车轮6，8，10，12的图像相同。

由机动车1的两个主测量位置HMP在图像中的几何细节的差别及在引入车轮的旋转中心、旋转轴线及旋转角的情况下形成刚性体在这两个位置之间的三维运动，现在可确定车轮6，8，10，12的平移矢量t1，t2，t3和t4以及旋转矢量R1，R2，R3和R4。这可通过在相应测量头2，4，14，16中或在分析处理装置18中的逻辑来实现。

因为对于该测量而言机动车1被视为刚性体，所以当机动车1运动时，车轮6，8，10，12相互间的相对位置不改变。因此，车轮6，8，10，12的平移矢量t1，t2，t3和t4在全局坐标系中必需具有相同长度。因而测量头2，4，14，16的四个局部比例尺可折合到一个共同的全局比例尺上，其方式是平移矢量t1，t2，t3和t4被这样地缩放，使得它们具有相同的长度。

为了缩放平移矢量t1，t2，t3和t4及为了适配到一个共同的比例尺上，通过测量头2，4，14，16的摄像装置22，24，26，28对所有四个车轮6，8，10，12的检测必需在时间上同步，因此四个车轮6，8，10，12总是在机动车1的相同位置上被检测。

在最简单的方案中，机动车1如上所述地在至少两个位置上、例如在两个主测量位置上停住并且在机动车1的这两个位置上确定几何细节的位置。这时不需要附加的摄像时刻的时间同步。机动车1也可在其它位置上停住，以便在该位置上确定几何细节的位置及提高测量的精确度。

由测量出的数据可以借助公知的方法确定车轮6，8，10，12在相应测量头2，4，14，16的坐标系中的旋转轴线及旋转中心。

该分析处理可按车轮、即对所有四个车轮6，8，10，12分开地进行，可按轴、即对于一个轴的对置的车轮6，8，10，12共同地进行或对于所有车轮6，8，10，12共同地进行。对于按轴的分析处理和所有车轮6，8，10，12的共同分析处理，必需建立摄像的时间同步。

除了车轮6，8，10，12的几何细节外，可以检测机动车1的车身上的几何细节，以便检测机动车1的转向及弹簧运动及进行数学上的补偿。

如上所述，每个测量头的3D坐标仅除比例系数外是可确定的，即重构的三维点云(Punktwolke)的形状是已知的，但其大小不是已知的(见图2)。由平移矢量t1，t2，t3和t4的平衡可得到一个共同的比例尺，这些平移矢量描述几何细节在空间中的运动。

而由图2可看出：缩放到一个共同比例尺不会导致线段之间角度的改变。因此该角度，例如车轮6，8，10，12的外倾角、前轴的单前束及前后轴的总前束与全局比例尺无关及由此不用知道共同比例尺即可确定。

线段长度所要求的测量参量相反地与共同的、绝对的比例尺相关。这例如涉及轮距及轨距或机动车纵向中间平面M的计算，该计算对于后轴的单前束的计算是必需的。

Claims (10)

1.用于底盘测量的方法，包括以下步骤：

提供一个具有四个相对彼此设置在已知位置中的测量头(2，4，14，16)的底盘测量系统，所述测量头中的每个测量头具有一个单目的摄像装置(22，24，26，28)，其中，所述测量头(2，4，14，16)相对彼此的相对位置是已知的，并且前面的测量头(2，4)相对彼此的距离(dVA)不同于后面的测量头(14，16)相对彼此的距离(dHA)；

在机动车(1)的至少一个驶入位置中通过所述后面的测量头(14，16)分别拍摄一个前轮(6，8)或安设在其上的测量靶；

在所述机动车(1)的第一主测量位置中及在至少一个第二主测量位置中通过所述四个测量头(2，4，14，16)中的每个来拍摄四个车轮(6，8，10，12)或安设在其上的测量靶；

以局部比例尺执行局部三维重构，用于由所述车轮(6，8，10，12)的或安设在其上的测量靶的被拍摄的图像来确定所述车轮(6，8，10，12)的平移矢量(t1，t2，t3，t4)、旋转矢量(R1、R2、R3、R4)和在所述位置之间的车轮旋转角以及车轮旋转中心和车轮旋转轴线；

通过机动车运动的平衡将所述主测量位置的四个局部比例尺适配到一个共同的全局比例尺上；

通过所述前轴的相同几何参数的平衡将所述全局比例尺转用在所述驶入测量位置的三维重构上；

由在所述驶入位置中及在所述主测量位置中对所述前轮(6，8)或安设在其上的测量靶的测量来确定用于所述测量头(2，4，14，16)的绝对比例尺；和

确定所述机动车(1)的底盘测量参数、尤其是车轮外倾、单前束和/或总前束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，由从所述局部三维重构中计算出的轮距与所述测量头(2，4，14，16)的已知距离之比来确定所述绝对比例尺。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述机动车运动期间在所述驶入位置中及在所述主测量位置中进行所述测量头(2，4，14，16)的拍摄。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，当所述后面的测量头(14，16)在所述机动车(1)的驶入位置中拍摄时分别拍摄由所述前轮(6，8)的或安设在其上的测量靶的多个图像组成的图序，并且当所述测量头(2，4，14，16)在所述机动车(1)的主测量位置中拍摄时分别拍摄由所述车轮(6，8)的或安设在其上的测量靶的多个图像组成的图序。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，通过所述测量头(2，4，14，16)同步地拍摄所述车轮(6，8)或安设在其上的测量靶。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述测量头(2，4，14，16)以相同的测量频率进行拍摄或者两次图像拍摄之间的时间间隔是已知的。

7.用于测量机动车(1)的底盘几何参数的装置，具有：

一个由四个相对彼此设置在已知位置中的测量头(2，4，14，16)组成的装置，所述测量头中的每个测量头具有一个单目的摄像装置(22，24，26，28)，所述摄像装置被设置用于在工作中检测所述机动车(1)的各一个车轮(6，8，10，12)的或安设在其上的测量靶的图像，其中，所述测量头(2，4，14，16)相对彼此的相对位置是已知的，并且前面的测量头(2，4)相对彼此的距离(dVA)不同于后面的测量头(14，16)相对彼此的距离(dHA)；和

一个分析处理装置，所述分析处理装置被设置用于在工作中

由在所述机动车(1)的第一驶入位置(EFP)中及在第二驶入位置(EFP)中通过两个测量头(14，16)中的每个对车轮(6，8)或安设在其上的测量靶的拍摄来确定所述车轮(6，8)的平移矢量(t1，t2)和旋转矢量(R1、R2)、所述车轮(6，8)的在所述驶入位置之间的车轮旋转角以及车轮旋转中心和车轮旋转轴线；

由在所述机动车(1)的第一主测量位置(HMP)中及在第二主测量位置(HMP)中通过所述四个测量头(2，4，14，16)中的每个对所述车轮(6，8，10，12)或安设在其上的测量靶的拍摄来确定所述车轮(6，8，10，12)的平移矢量(t1，t2，t3，t4)和旋转矢量(R1、R2、R3、R4)、所述车轮(6，8，10，12)的在所述主测量位置之间的车轮旋转角以及车轮旋转中心和车轮旋转轴线；

由在所述驶入位置(EFP)中及在所述主测量位置(HMP)中对所述前轮(6，8)或安设在其上的测量靶的测量来确定用于所述测量头(2，4，14，16)的绝对比例尺；和

确定所述机动车(1)的底盘测量参数、尤其是车轮外倾、单前束和/或总前束。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述分析处理装置(18)还被设置用于在工作中由从所述局部三维重构中计算出的轮距与所述测量头(2，4，14，16)的已知距离之比来确定所述绝对比例尺。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述前面的测量头(2，4)的距离(dVA)大于所述后面的测量头(14，16)相对彼此的距离(dHA)。

10.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述前面的测量头(2，4)的距离(dVA)小于所述后面的测量头(14，16)相对彼此的距离(dHA)。

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