DE4419584A1

DE4419584A1 - Verfahren zur berührungslosen, dynamischen meßtechnischen Erfassung von Winkellagen eines rotierenden Rotationskörpers

Info

Publication number: DE4419584A1
Application number: DE19944419584
Authority: DE
Inventors: Hans-Wilhelm Dipl Ing Warnke
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1994-06-03
Filing date: 1994-06-03
Publication date: 1995-12-07

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen, dynamischen meßtechnischen Erfassung von Winkellagen eines rotierenden Rotationskörpers, insbesondere zur dynamischen Ermittlung von an dem Rad eines Fahrzeuges während der Fahrt auftretenden Spur- und Sturzwinkeln, sowie eine Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, Spur- und Sturzwinkel der Räder eines Fahrzeuges mit optischen Hilfsmitteln statisch zu vermessen, d. h. bei ruhenden Rädern. Bekannt geworden ist zwischenzeitlich auch eine dynamische Vermessung im Fahrbetrieb eines Fahrzeuges. Für eine derartige dynami sche Radwinkelvermessung wird für jedes Rad ein runder mit dem bewegten Rad zusammen rotierender Spiegel senk recht auf jeder Radachse (Felge) befestigt. Weiterhin ist für jeden Spiegel ein mittels einer mechanischen Halterung am Fahrzeug angeordneter Meßkopf vorgesehen, der jeweils senkrecht auf den zugehörigen Spiegel ausgerichtet ist und einen eingebauten Projektor, vorzugsweise Halogenlam pe, zur Projizierung eines Fadenkreuzes auf den Spiegel aufweist. Jedes Spiegelbild wird von einer zugeordneten ebenfalls mit der mechanischen Halterung am Fahrzeug be festigten Optik auf zwei Zeilenkamera-Arrays abgebildet, wobei mittels einer Auswerteeinrichtung aus den Meßwerten der Zeilensensoren Ablagesignale entsprechend den Sturz- und Spurenwinkeln der Räder ermittelt werden. Es handelt sich hierbei um ein direktes Meßverfahren ohne Umrechnun gen von der drei- in die zweidimensionale Abbildung. Von Nachteil ist, daß der Meßbereich aufgrund des Objektiv- Durchmessers und der engen Anordnung von Sensor und Spie gel sehr gering ist. Nachteiligerweise bringt die Anbrin gung der oben genannten Meßmittel an dem Fahrzeug eine er hebliche Verbreiterung der notwendigen Fahrspur mit sich, so daß ein Fahren des Fahrzeuges mit diesen Meßmitteln auf öffentlichen Straßen praktisch nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch wel ches eine dynamische Vermessung von Sturz und Spurwinkeln aller Räder eines Fahrzeuges vorzugsweise gleichzeitig mit genügender Genauigkeit auf öffentlichen Straßen möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die folgenden Ver fahrensschritte gelöst:

a) an dem Rotationskörper wird in vorgegebenem Abstand parallel zu seiner stirnseitigen Oberfläche eine runde Meßscheibe befestigt, wobei die Ausgangsstellung des Rotationskörpers zur Darstellung der Ruhe- bzw. Refe renzstellung der Meßscheibe herangezogen wird,
b) auf die Umfangsoberfläche der Meßscheibe werden mindestens zwei von einem Linienprojektor erzeugte Lichtlinien projiziert,
c) die von der Meßscheibe reflektierten Lichtlinienab schnitte werden von einer TV-Kamera aufgenommen, in deren zweidimensionalen Kamerabildern der Anzahl der vom Linienprojektor ausgesandten Lichtlinien entspre chende und jeweils die Kante der Meßscheibe darstel lende helle Punkte (Lichtlinienabschnitte) abgebildet werden,
d) in jedem Kamerabild wird eine durch die dargestellten hellen Punkte (Lichtlinienabschnitte) bestimmte Aus gleichsgerade rechnerisch ermittelt, und
e) durch Vergleich der Lage der ermittelten Ausgleichs geraden mit der Lage der durch die Referenzstellung der Meßscheibe vorgegebenen Referenz-Ausgleichsgeraden wird ein Sturz- bzw. Spurwinkel rechnerisch ermittelt, wobei eine horizontale Verschiebung bzw. eine Verdre hung der errechneten Ausgleichsgeraden gegenüber der Referenz-Ausgleichsgeraden einem Sturzwinkel bzw. Spurwinkel der Meßscheibe bzw. des rotierenden Rota tionskörpers proportional sind.

Ein Vorteil der Erfindung ist in der berührungslosen Mes sung von Schwingungsteilen bis zu einer Frequenz von 25 Hz in Echtzeit zu sehen. Weiterhin ist von Vorteil, daß ne ben den Verdrehungsmessungen (Sturz und Spurwinkel) auch translatorische Bewegungen der bewegten Rotationskörper bis zu einer vorgegebenen Genauigkeit meßtechnisch erfaßt werden können.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Unteranspruch 11 beansprucht.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 12 bis 17 aufgeführt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit Linienprojektor, Meßscheibe und TV-Kamera in Seitenansicht und Draufsicht sowie drei von der TV-Kamera bereitgestellte zweidimensionale Kamerabilder.

Fig. 2 zweidimensionale Kamerabilder zur Darstellung von Translations- und Rotationsanteilen,

Fig. 3 eine einen Linienprojektor und eine TV-Kamera enthaltendes Sensorgehäuse, und

Fig. 4 eine die vier Räder eines Fahrzeuges vermessende Gesamtanlage.

In Fig. 1 werden von einem Linienprojektor 1, vorzugsweise einer gepulsten Laser-LED, beispielsweise vier Lichtlinien auf die Umfangsoberfläche einer runden Meßscheibe 2 proji ziert. Die Meßscheibe 2 ist an einem zeichnerisch nicht dargestellten Rotationskörper, vorzugsweise einem Fahrzeug rad, in einem vorgegebenen Abstand parallel zur stirnseiti gen Oberfläche des Rotationskörpers befestigt, wobei die Ruhestellung des unbewegten Rotationskörpers zur Darstel lung der Referenzstellung der Meßscheibe 2 herangezogen wird. Sowohl bei unbewegtem Rotationskörper (Ruhe- bzw. Referenzstellung der Meßscheibe 2) als auch bei bewegtem Rotationskörper (Meßstellung der Meßscheibe 2) werden die von den Kanten der Meßscheibe 2 reflektierten Lichtlinien von einer TV-Kamera 3 aufgenommen. Hierbei kann es sich um eine im Shutterbetrieb betriebene vorzugsweise fremd synchronisierte CCD-Kamera handeln, zu der die Laser-LED synchron angesteuert wird. Die verwendete Belichtungszeit sollte beispielsweise kleiner als 1/250 Sekunden sein. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind der Linienprojektor 1 und die TV-Kamera 3 zusammen mit ihren zugehörigen Ob jektiven 4 und 5 sowie den zeichnerisch nicht dargestell ten Stromversorgungseinrichtungen in einem Sensorgehäuse 6 derart angeordnet und ausgerichtet, daß sich ihre opti schen Achsen in einer durch die Umfangsfläche der Meß scheibe 2 örtlich festgelegten Arbeitsebene schneiden. Es ist vorgesehen, daß der von den optischen Achsen des Linienprojektors 1 und der TV-Kamera 3 gebildeten Win kel α möglichst klein ist. Auch ist es möglich, daß der TV-Kamera ein nicht dargestellter Monitor zur visu ellen Funktionskontrolle nachgeordnet ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, werden in den von der TV-Kamera 3 erzeugten zweidimensionalen Kamerabildern 8a bis 8c helle Punkte, d. h. Lichtlinienabschnitte 9 abgebildet, die der Anzahl der vom Linienprojektor 1 ausgesandten Lichtlinien entsprechen und jeweils eine Kante der Meßscheibe 3 darstellen. In jedem Kamerabild 8a bis 8c wird jeweils eine durch die Lichtlinienabschnit te 9 bestimmte Ausgleichsgerade 10, 11 bzw. 12 rechnerisch ermittelt. Im Kamerabild 8a ist die Referenzausgleichs gerade 10 dargestellt, die bei unbewegtem Rotationskörper, d. h. durch in der Ruhe- bzw. Referenzstellung der Meß scheibe 3 rechnerisch ermittelt wurde. Durch Vergleich der Lage der Referenzausgleichsgeraden 10 mit den Lagen der ermittelten Ausgleichsgeraden 11 bzw. 12 wird ein Sturz- bzw. Spurwinkel rechnerisch ermittelt. So ist eine aus dem Kamerabild 8b ersichtliche horizontale Ver schiebung der errechneten Ausgleichsgeraden 11 gegenüber der Referenzausgleichsgeraden 10 einem bei dem rotieren den Rotationskörper bzw. der Meßscheibe 2 auftretenden Sturzwinkel proportional. Hingegen läßt sich aus der Ver drehung der Ausgleichsgeraden 12 gemäß Kamerabild 8c ge genüber der Referenzausgleichsgeraden 10 der bei dem Ro tationskörper bzw. der Meßscheibe 2 auftretende Spurwin kel rechnerisch ermitteln. Hierbei wird vorteilhafterwei se eine störsichere und fremdlichtunempfindliche Bildver arbeitungsmethode mit einem hohen Signal/Störabstand ver wendet, wobei der Einsatz von vorhandenen Echtzeit-Bild verarbeitungshardware, z. B. von Kontrasttrackern möglich ist.

Vorteilhafterweise können weitere dynamische Kennwerte eines Fahrzeuges, wie z. B. der Fahrweg oder Traslatio nen eines Fahrzeugrades ermittelt werden. So zeigt Fig. 2 das Ergebnis der Ermittlung von Translations- und Rota tionsbewegungen eines Fahrzeugrades, wobei die auf die Umfangsfläche des Fahrzeugrades auftreffenden vier von dem Linienprojektor 1 ausgesandten Lichtlinien durch schwarze rechteckige Markierungen 15 gekennzeichnet sind. Für Translationsbewegungen des Fahrzeugrades in Achsrich tung sowie für Rotationsbewegungen des Fahrzeugrades um eine vertikale Achse ergeben sich die in den Kamerabildern 8d und 8e ersichtlichen Verschiebungen der Lichtlinienab schnitte (Lichtpunkte) 9 innerhalb der als beispielhaft angegebenen Bereiche.

Es ist die Verwendung einer fremdsynchronisierten TV- Kamera mit Kurzzeitbelichtung vorgesehen, wobei vorteil hafterweise der Linienprojektor 1 zur Erzeugung der Licht linien und die kurzzeitbelichtete TV-Kamera 3 zur Erzeu gung scharfer Kamerabilder von einer Auswerteeinheit syn chron angesteuert werden. In den Kamerabildern auftreten de Störungen können aufgrund von Plausibilitätsprüfungen bis zu einem vorgegebenen Grad ignoriert werden. Zur rechnerischen Ermittlung der Referenzausgleichsgeraden 10, der Ausgleichsgeraden 11 und 12, der Sturz- und Spur winkel sowie weiterer dynamischer Fahrzeugkennwerte ist der TV-Kamera 3 ein vorzugsweise mikroprozessorgesteuer tes Echtzeitbildverarbeitungssystem nachgeordnet, welches beispielsweise nach einem Kontrasttrackverfahren arbeitet. Von diesem System können die ermittelten Sturz- und Spur winkel als positive bzw. negative Winkelwerte relativ zur Ruhe- bzw. Referenzstellung des Rotationskörpers bzw. der Meßscheibe 2 ausgegeben werden. Beispielsweise kann die Meßscheibe 2 von der TV-Kamera 3 kontinuierlich im 20 ms- Halbbildtakt abgetastet werden. Die eingangs erwähnte CCD-Kamera und das nachgeschaltete Echtzeitbildverarbei tungssystem vermessen die Meßscheibe 2 alle 20 ms. Das bedeutet eine Abtastfrequenz von 50 Hz. Die Erfüllung des Abtasttheorems erfordert eine mindestens zweimalige Mes sung der Meßscheibe während einer Schwingungsdauer. Damit sind Schwingungen der Meßscheibe 2 bis zu < 25 Hz meßbar. Das Ausgangssignal der CCD-Kamera 3 entspricht der CCIR- Norm. Zur Bestimmung der Belichtungszeit wurde beispiels weise von einer maximalen Winkelgeschwindigkeit von < 40 Grad/sec. ausgegangen, wobei die maximale Winkelamplitude < 2 Grad beträgt. Bei einer Meßscheibe 2 von 300 mm Durch messer und einer Schwingung mit der Amplitude 2 Grad er gibt sich umgerechnet auf den Rand der Meßscheibe eine maximale Geschwindigkeit von 2,12 mm pro Halbbild. Bei einem Bildfeld von ca. 109 mm _* 81 mm und 520 Bildpunkten auf 109 mm ergibt sich horizontal: 1 mm = 4,8 Bildpunkte, woraus sich eine Geschwindigkeit von 500 BP pro Sekunde errechnet. Bei einer zulässigen Unschärfe von 1 Bildpunkt sollte die Belichtungsdauer t = 1/506 sec. betragen. In der Praxis dürfte auch eine Belichtungsdauer von 1/250 Sekunde ausreichend sein.

In dem Echtzeitbildverarbeitungssystem wird jedes von der TV-Kamera 3 gelieferte Halbbild durch eine vorgegebene dy namische Schwelle derart binärisiert, daß als überschwellige Werte die Reflexionen der Meßscheibe 2, entsprechend der An zahl projizierter Lichtlinien verbleiben. Aus den lokalen überschwelligen Bildpunkten können die Schwerpunkte der er mittelten Lichtlinienabschnitte 9 bestimmt werden, deren Ko ordinatenwerte zur rechnerischen Ermittlung der Ausgleichs geraden 10, 11 oder 12 herangezogen werden.

Gemäß Fig. 4 wird die Vermessung von Spur- und Sturzwinkeln an jedem Rad eines Fahrzeuges 13 gleichzeitig vorgenommen. Dazu werden insgesamt vier sogenannte Sensorköpfe 14, die jeweils einen Linienprojektor und eine TV-Kamera enthalten, verwendet. Die vier Sensorköpfe sind horizontal auf der Höhe der Radachsen vorne und hinten am Fahrzeug 13 befestigt, wo bei die Meßscheiben 2 unter allen zu messenden Winkeln von Spur und Sturz erfaßbar sein müssen. Mit jedem Sensorkopf 14 werden die Veränderungen einer Meßscheibe (Durchmesser = 300 mm, Dicke = 3 mm) gemessen, die mit einem bestimmten Abstand (z. B. 50 mm) zum Rad, senkrecht auf der Achse, befestigt wurde. Für die in Fig. 4 dargestellte Anordnung ergeben sich beispielsweise folgende Kennwerte:

Die Kamera hat ein 1/2′′ CCD-Array und ist mit einem Objek tiv von f = 35 mm ausgestattet. Die mittlere Arbeitsentfer nung beträgt 600 mm. Daraus ergibt sich ein Bildfeld von ca. 109 mm (horizontal) _* 82 mm (vertikal). Bei einer Di gitalisierung mit 10 MHz ergeben sich 520 Bildpunkte/Zeile, bzw. 520 Bildpunkte entsprechen 109 mm. Damit wird ein Mil limeter in 4,8 Bildpunkten aufgelöst. Kamera, Optik und nachfolgende Bildverarbeitung können daraus Meßwerte auf besser 1 Bildpunkt genau bestimmen. Bei der definierten Entfernung ist der Tiefenschärfebereich ausreichend. Im angegebenen Fall ergibt sich eine Vordertiefe von 577 mm und eine Hintertiefe von 625 mm bei Blende 8.

Bezugszeichenliste

1 Linienprojektor/Laser LED
2 Meßscheibe
3 TV-Kamera/CCD-Kamera
4 Optik von 1
5 Optik von 2
6 Sensorgehäuse
7 Arbeitsebene
8a)
8b) zweidimensionale Kamerabilder
8c)
8d)
8e)
9 Lichtlinienabschnitte / Lichtpunkte
10 Referenzausgleichsgerade
11) Ausgleichsgeraden
12)
13 Fahrzeug
14 Sensorkopf
15 rechteckige Markierungen

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen, dynamischen meßtechni schen Erfassung von Winkellagen eines rotierenden Rota tionskörpers, insbesondere zur dynamischen Ermittlung von an dem Rad eines Fahrzeuges während der Fahrt auftretenden Spur- und Sturzwinkeln, gekennzeichnet durch folgende Ver fahrensschritte:

a) an dem Rotationskörper wird in vorgegebenem Abstand parallel zu seiner stirnseitigen Oberfläche eine runde Meßscheibe (2) befestigt, wobei die Ausgangsstellung des Rotationskörpers zur Darstellung der Ruhe- bzw. Referenzstellung der Meßscheibe (2) herangezogen wird,
b) auf die Umfangsoberfläche der Meßscheibe (2) werden mindestens zwei von einem Linienprojektor (1) erzeugte Lichtlinien projiziert,
c) die von der Meßscheibe (2) reflektierten Lichtlinien werden von einer TV-Kamera (3) aufgenommen, in deren zweidimensionalen Kamerabildern (8a bis 8c) der An zahl der vom Linienprojektor (1) ausgesandten Licht linien entsprechende und jeweils eine Kante der Meß scheibe (2) darstellende helle Punkte (Lichtlinien abschnitte) abgebildet werden,
d) in jedem Kamerabild (8a bis 8c) wird eine durch die dargestellten hellen Punkte (Lichtlinienabschnitte (9)) bestimmte Ausgleichsgerade (10, 11) rechnerisch ermittelt, und
e) durch Vergleich der Lage der ermittelten Ausgleichs geraden (11, 12) mit der Lage der durch die Referenz stellung der Meßscheibe (2) vorgegebenen Referenz- Ausgleichsgeraden (10) wird ein Sturz- bzw. Spurwin kel rechnerisch ermittelt, wobei eine horizontale Verschiebung bzw. eine Verdrehung der errechneten Ausgleichsgeraden (11 bzw. 12) gegenüber der Referenz- Ausgleichsgeraden (10) einem Sturzwinkel bzw. Spur winkel der Meßscheibe (2) bzw. des rotierenden Rota tionskörpers proportional sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer fremdsynchronisierten CCD-Kamera (3) mit Kurzzeitbelichtung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Linienprojektor (1) zur Erzeugung der Licht linien und die TV-Kamera (3) zur Erzeugung scharfer Kame rabilder von einer Auswerteeinheit synchron angesteuert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß in den Kamerabildern auftretende Störungen aufgrund von Plausibilitätsprüfungen bis zu einem vorge gebenen Grad ignoriert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ausgleichsgeraden (10, 11, 12) so wie die Sturz- und Spurwinkel von einem der TV-Kamera (3) nachgeordneten mikroprozessorgesteuerten Echzeitbild verarbeitungssystem ermittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sturz- und Spurwinkel von dem Echtzeitbildverar beitungssystem nach einem Kontrasttrackverfahren ermit telt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Sturz- und Spurwinkel von dem Echtzeitbildverarbeitungssystem als positive bzw. negative Winkelwerte relativ zur Ausgangsstellung der Meß scheibe (2) bzw. des Rotationskörpers ausgegeben werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Meßscheibe (2) von der TV-Kamera (3) kontinuierlich im 20 ms-Halbbildtakt abgetastet wird, und daß von dem Echtzeitbildverarbeitungssystem eine mindestens zweimalige Messung während einer Schwingungsdauer ausge wertet wird, so daß Schwingungen der Meßscheibe (2) bis zu 25 Hz meßbar sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Echtzeitbildverarbeitungssystem jedes von der Kamera (3) gelieferte Halbbild durch eine vorgegebene dynamische Schwelle derart binärisiert wird, daß als überschwellige Werte die Reflexionen der Meßscheibe (2) aufgrund der Linienprojektionen verbleiben, daß aus den lokalen überschwelligen Bildpunkten die Schwerpunkte der hellen Punkte (Lichtlinienabschnitte (9)) bestimmt werden und daß die Koordinatenwerte der Schwerpunkte zur rechneri schen Ermittlung der Ausgleichsgeraden (10, 11, 12) heran gezogen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Sturz- und Spurwin keln des Rotationskörpers dessen durch horizontale Bewe gungen hervorgerufene sowie eine Verschiebung der Arbeits ebene zum Linienprojektor (1) und zur TV-Kamera (3) bewir kenden Translationsbewegungen meßtechnisch erfaßt werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Linienprojektor (1) und die TV-Kamera (3) in einem Sensorgehäuse (6) derart angeordnet und ausgerich tet sind, daß sich ihre optischen Achsen in einer durch die Umfangsfläche der Meßscheibe (2) örtlich festgeleg ten Arbeitsebene (7) schneiden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung von Linienprojektor (1) und TV- Kamera (3) zueinander, daß ihre optischen Achsen einen möglichst kleinen Winkel (α) einschließen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch die Verwendung einer gepulsten Laser-LED als Linien projektor (1).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine synchron zum Shutterbetrieb der CCD-Kamera (3) ge pulsten Laser-LED.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß in dem Sensorgehäuse (6) eine Stromversorgung für die TV-Kamera (3) und den Linienpro jektor (1) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11, 12 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der TV-Kamera (3) ein Monitor zur visuellen Funktionskontrolle nachgeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die an allen Rädern eines Fahrzeuges auftretenden Spur- und Sturzwinkel gleichzeitig ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Rad des Fahrzeuges (13) je weils ein einen Linienprojektor (1) und eine TV-Kamera (3) enthaltender Sensorkopf (14) horizontal auf der Höhe der zugeordneten Radachse vorne und hinten am Fahrzeug (13) befestigt ist, und daß auf den Radachsen zum jeweils zu gehörigen Rad in vorgegebenen Abständen angeordnete Meß scheiben (2) senkrecht befestigt sind, deren Sturz- und Spurwinkel meßtechnisch erfaßt werden.