用于确定车轮旋转轴线与旋转中心的方法

摘要

本发明涉及一种在考虑在车轮上现有的或者为测量而安置的多个车轮特征(10)和在车身上现有的或者为测量而安置的至少一个车身特征的情况下利用至少两个图像记录单元和一个分析评估装置来确定车轮的旋转轴线和旋转中心的方法，所述图像记录单元在汽车行驶期间在位置和姿态方面相互对应，所述分析评估装置布置于所述图像记录单元之后并且对记录下的图像信息进行处理，其中，在时间上同步地检测所述车轮特征(10)和所述至少一个车身特征的二维坐标，并且据此以一定时间间隔计算出所述车轮特征(10)和所述至少一个车身特征的三维坐标，然后在考虑所述至少一个车身特征相对于基准位置所经过的路程的情况下将所述三维坐标反算到事先设定的基准时刻或者车轮的相应基准位置。为了尤其是在真实道路上行驶时得到尽可能无误差的测量结果，在分析评估中，对所述车轮特征(10)和所述至少一个车身特征的轨迹曲线进行分析，即分析转向轮回转、转向运动、道路不平度、速度变化这些影响因素中至少一个的作用，并且由所述分析获得用于修正所述作用的修正值或者补偿函数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用至少两个图像记录单元和一个分析评估装置借助车轮上现有的或者为测量而安置的多个车轮特征以及车身上现有的或者为测量而安置的至少一个车身特征在测试台坐标系中对车轮的旋转轴线和旋转中心的几何姿态进行确定的方法，所述图像记录单元在汽车行驶期间在位置和姿态方面相互对应，所述分析评估装置布置于图像记录单元之后并且对记录下的图像信息进行处理，其中，在时间上同步地检测所述车轮特征和所述至少一个车身特征的二维(2D)坐标，并且据此以一定时间间隔计算出所述车轮特征和所述至少一个车身特征的三维(3D)坐标，然后在考虑所述至少一个车身特征相对于基准位置所经过的行驶路程的情况下将所述三维坐标反算到事先设定的基准时刻或者车轮的相应基准位置。

背景技术

在DE 100 50 653 A1中就阐述了这种类型的方法。在这种已知的方法中，借助摄像机、试验台上的基准坐标系以及车轮和车身上的光学特征，在汽车经过具有图像记录单元的光学测量装置时确定行驶轴线以及其他车轮和车轴几何数据。在DE 199 34 864 A1和DE 197 57 760 A1中也阐述了对车轮和车轴几何数据进行光学测量的类似方法，其中同样也是在汽车经过时进行测量。

上述方法基于对汽车上现有的或者专为测量而安置的特征的测量，其中除了车轮特征之外，还设有至少一个车身特征和用来对测量装置进行基准定位的基准特征阵列。对于(就旋转角而言)不同的车轮姿态以及不同的汽车位置，使用测量装置连续地记录在时间上同步的图像，以便确定车轮旋转平面。在此，利用车身上现有特征的时序坐标确定汽车相对于基准特征阵列的运动轨迹。根据车轮在不同旋转姿态时所测得的车轮特征坐标的位置，在考虑汽车运动的情况下确定车轮旋转平面。其间可以测定和考虑轮辋的形状误差(轮辋偏摆)的大小。现在可以利用这些信息计算出汽车坐标系以及车轮和车轴的几何数据。没有公开对用于确定车轮旋转平面的方法的详细描述。

为了确定作为车轴测量校正量的轮辋偏摆，迄今为止仍然是在汽车静止状态下使用辊组或者反向运动的滑板来转动车轮。

也有人公开了如下方法：即在车轮上安装角度传感器或者在车轮上安装由精确排列的可光学检测到的单个面组成的光靶，当车轮处在车轴测试台的非常平坦的面上的三个不同的滚动位置中时，由相应的车轴测量系统检测角度传感器或者光靶的角位置，然后据此计算出轮辋偏摆补偿量。例如在US 6,252,973中就有对这类靶标的详细描述。

现今大多数汽车制造商均不再允许抬起车轮来确定轮辋偏摆，因为放下车轮之后车轮悬架的张紧会导致在随后进行车轴测量时出现过大误差。

在DE 42 12 426 C1所述的方法中，汽车的车轮在V型托辊中旋转，而汽车则不动。车轮在旋转轴线之外具有一个可被光学记录的标记，在车轮旋转过程中利用两个同步摄像机检测该标记。根据该标记在车轮上的空间姿态确定旋转轴线以及前束(Spur)和外倾角。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于确定车轮的旋转轴线和旋转中心的方法，在行驶过程中，尤其是在真实的道路上行驶时通过该方法同样能获得尽可能可靠且准确的测量结果。

该任务通过权利要求1的特征解决。为此，在分析评估中对车轮特征和至少一个车身特征的轨迹曲线进行分析，即分析转向轮回转、转向运动、道路不平度、速度变化这些影响因素中至少一个的作用，并且根据分析获得用于修正这些作用的修正值或者补偿函数。

在不平整的真实道路上真实行驶的过程中，利用这些措施实际上很大程度地消除了在真实条件下遇到的影响因素对测量结果的可能影响，从而提高了测量精度与可靠性。

发明人在最近的研究中发现，在确定车轮的旋转轴线和旋转中心时，真实道路的不平度和真实的汽车运动对测量精度可能有实质影响。尤其要注意在车轮旋转过程中由于轮毂、轮胎以及可能的附加车轮适配器的形状误差引起的车轮、轮毂或车轮适配器的摆动运动(轮辋偏摆)，在行驶过程中由于道路不平度或速度变化而引起的车轮和车身的弹簧运动，以及在并非一直向前行驶的情况下由转向盘而引起或者在行驶过程中由转向盘运动而引起的车轮转向运动。

本发明的主要优点在于能够在真实道路上行驶的过程中精确地确定车轮的旋转轴线和旋转中心。由此在确定作为车轴测量校正量的轮辋偏摆补偿时无需使用附加的机械装置，例如用来使车轮在汽车静止状态下转动的辊组或者滑板。

例如在检验线上验收汽车的过程中进行快速车轴测量时(其中汽车在车间地板上滚动)，可在汽车驶上车轴测试台的过程中使用该方法来确定轮辋偏摆补偿量，或者在不同行驶状态下的行驶过程中使用该方法进行车轴测量。

这样就可以显著降低当前对车轴测试台的平整度的要求，从而可在普通车间地板上或者在良好的道路表面上进行测量。

在此，不需要在车轮或车身上安置任何专门标记，而是可以使用现有的特征，或者根据例如DE 10 2005 017 624所述的特殊方法进行确定。

原则上也可将该方法用于可选的光学车轴测量系统，例如具有栅线投影功能的车轴测量系统。

在从属权利要求中给出了本发明的有利实施方案。

用于分析评估并且准确确定车轮的旋转轴线和旋转中心的各种实施方案包括，在对3D坐标进行反算之前，或者在反算时在一个共同补偿计算期间对轨迹曲线进行所述分析。

根据汽车左侧和右侧的车身特征的运动轨迹的差别得出摆动角数据，将其作为修正值或者补偿函数，由此基本上消除了影响因素的不利影响。

能够用来消除影响因素的其它不利影响的其它有利措施包括，根据车身特征运动轨迹和车轮旋转中心运动轨迹在z轴方向上的差别求出弹簧运动数据，将其作为修正值或者补偿函数，还包括在3D运动轨迹在道路平面上的投影中，根据车轮特征相对于车身特征运动轨迹的运动轨迹和/或据此推导出的相对速度和/或相对加速度，求出车轮的转向角数据，其中，为了推导出修正值或者补偿函数，至少对左侧车轮或至少对右侧车轮，或者同时对两侧车轮进行分析。

如果车轴测试台被设计成升降台形式，则根据对升降台上现有的或者安置的至少一个测量特征的运动轨迹的分析得出升降台以及升降台上的汽车的动态的和/或准静态的运动数据，由此能够在推导测量结果的过程中至少很大程度地杜绝惯性力和加速力对升降台的不利影响。

通过检测车轮特征和/或车身特征的运动轨迹的时间过程中的较高动态过程并且在进一步的数据分析中将其隐去，由此可限制补偿函数的复杂度。

用来消除不利影响因素对测量结果的影响的其它有利措施包括，引入附加修正数据或者修正函数来考虑前束角和外倾角与弹簧压缩状态和与转向角之间的关系。

在此，一种有利的方法是：通过车轴测量系统中现有的汽车数据库为所涉及的汽车类型提供修正数据。

另一种有利的方法是：当缺少特定汽车数据时，将所涉及的汽车自动归入预先定义的汽车类别并且从数据库提供要使用的修正数据，其中按照对于行驶机构重要的参数对汽车进行分类。

在各种其他有利的实施方案中，以补偿函数为基础进行的补偿计算涉及到整个汽车、分别涉及前桥和后桥或者涉及每一个车轮。

附图说明

以下将依据实施例参照附图对本发明进行详细解释。其中：

图1示出了在车轮旋转且车轮滚动时车轮特征的运动轨迹，

图2示出了四个车轮特征在八个车轮滚动位置中的坐标，

图3示出了在反算到基准位置之后，四个车轮特征在图2所示的八个车轮滚动位置中的坐标，

图4示出了车身特征的轨迹曲线和车轮特征重心的轨迹曲线在x、y道路平面中的投影，

图5与图像编号相关地示出了车轮特征及车身特征的与速度成比例的量，和

图6示出了两个车身特征和车轮特征重心之间的距离在弹簧伸张(Ausfedern)和弹簧压缩(Einfedern)情况下的关于图像编号的曲线示意图。

具体实施方式

图1左半图像所示为两个车轮特征10的运动轨迹，即：位于旋转中心附近的内侧车轮特征10.1的运动轨迹和位于外围的外侧车轮特征10.2的运动轨迹，且这些车轮特征布置在随滚动路程s变化的高度h上。当汽车静止而车轮作旋转运动时(例如汽车被抬起)，运动轨迹11在此是圆形轨迹。此外，在图1中还示出了在汽车运动且车轮因此而滚动时内侧车轮特征10.1的运动轨迹12，其中假设汽车在理想平面上作直线运动，则运动轨迹12就是旋轮线。可以使用开头提及的专利文献中详细描述的具有图像记录单元的测量装置来记录运动轨迹11或12，其中从不同的视角以时间上同步的方式记录图像。图2所示为四个车轮特征10.1在八个车轮滚动位置中的关于滚动路程s的坐标，而图3所示为在反算到基准位置之后，图2所示的四个车轮特征在八个车轮滚动位置中的坐标。

图4所示为车身特征的轨迹曲线(点划线)与补偿曲线(实线)以及车轮特征重心的轨迹曲线(虚线)与补偿曲线(实线)在x、y道路平面中的投影。图5所示为通过与速度成比例的量关于图像编号而不是关于时间表示的、车身特征与车轮特征重心的速度，其中同样引入了相应的补偿曲线。根据不同的速度曲线能够确定转向运动。

图6示出了车身特征和车轮特征重心之间的距离h随图像编号的变化，所涉及的是车轮前桥。在此，图中双箭头旁边所示的正弹簧行程“+”表示加速时的弹簧伸张，负弹簧行程“-”表示减速时的弹簧压缩。

当车轮在平坦道路上直线滚动时，如图所示，车轮特征在旋转中心外面沿着旋轮线形式的轨迹曲线12运动，而车身特征则沿着行驶路程在直线轨迹上运动。在此，各条旋轮线由车轮特征围绕旋转中心的旋转运动和所经过的行驶路程或滚动路程s组成，如图1所示。为了执行该方法，像开头提及的专利说明书所述的那样，在车轴测量系统的测量范围内时间上同步地检测车轮特征和车身特征的二维坐标(2D坐标)，然后据此计算出与之相应的三维坐标(3D坐标)。在汽车的行驶过程中，通过这种方式以相当于测量频率的一定时间间隔沿着车轮特征10的旋轮线12和车身特征的轨迹曲线测量车轮和车身特征的3D坐标。

在采集到测量值之后，首先在考虑车身特征相对于基准位置所经过的行驶路程的情况下将按照时间顺序依次测得的车身特征的所有坐标反算到之前所设定的基准时刻或者车轮的相应基准位置。其后，车轮特征10均布置在围绕车轮空间旋转轴线的圆形轨迹11上。这样所获得的结果相当于汽车静止时每个车轮特征的旋转过程，如根据图3从根据图2的示意图所做的反算。由于存在车轮形状误差，或者由于车轮特征在车轮上的空间姿态，车轮特征10在平行于车轮旋转平面的旋转平面上运动。现在可根据反算出的车轮特征10的3D坐标在考虑各个车轮特征10的旋转平面的平行度的情况下确定车轮的旋转矢量，并且在考虑平行的旋转平面的间距的情况下确定旋转中心。

实践证明：当真实汽车在不平坦的(真实)道路上行驶时，使用这种简单的模型无法达到所需的精度。

因此，在对所测得的车轮特征和车身特征的3D坐标进行反算时，还要考虑下列影响机制：

-如果转向系不是设定为一直向前行驶，则会使得空间运动的车轮特征和车身特征在道路平面上的投影中不在一条直线上、而是在一条曲线上运动。

-转向盘运动会使得车轮特征和车身特征尤其是在这些运动特征的空间曲线在道路平面上的投影中不在一条直线上、而是在具有拐点的曲线上运动。

-道路不平度会使得车轮特征和车身特征的运动发生变化，尤其是在垂直于道路的方向上(z轴方向)。车轮支承点处的不同不平度会引起汽车的摇摆和/或俯仰运动、车轮载荷分布或者各个车轮的压缩状态的变化。道路断面的剧烈变化会引起动态惯性力，这些动态惯性力尤其会引起车身(车轮悬架中的弹簧元件)和轮胎的弹簧运动。

-速度变化会引起加速力或减速力，这些力尤其会引起车身(车轮悬架中的弹簧元件)和轮胎的弹簧运动。

-如果车轴测试台被设计为升降台形式，则上述动态惯性力和加速力甚至会引起升降台的运动。

因此，在第一种实施方式中，在如上所述反算车轮特征的3D坐标之前，首先对车轮特征和车身特征的轨迹曲线进行分析，以便掌握上述影响机制在当前测量过程中的影响。分析结果为修正值或者补偿函数，然后在进行反算之前，利用修正值或修正函数来修正例如道路不平度、转向运动或者速度变化对测得的3D坐标的影响。在此例如可确定下列修正值或者补偿函数，然后将其用来修正测量值：

-根据汽车左侧和右侧的车身特征的运动轨迹的差别确定的摆动角，

-根据车身特征运动轨迹和车轮特征重心(近似相当于车轮旋转中心)运动轨迹在z轴方向上的差别确定的弹簧运动，

-在3D运动轨迹在道路平面上的投影中，根据车轮特征重心相对于车身特征运动轨迹的运动轨迹和/或据此推导出的相对速度和/或相对加速度确定的车轮转向角，其中，同时对左侧和右侧车轮进行分析，以便推导出修正值或者补偿函数，

-由对升降台上现有的或者所安置的测量标记的运动轨迹进行的分析得到的升降台连同升降台上的汽车的动态运动。

为了限制补偿函数的复杂度，检测出在时间过程中在一个参数(例如转向角或弹簧行程)作为另一个参数(例如行驶路程)的函数的变化曲线中的较高动态部分，并且为了进一步进行分析将位于允许的尺度范围之外的较高动态部分从所测得的测量值变化曲线中隐去。在此以对汽车(车身和/或车轮)的加速度或制动减速度进行分析为例，利用已知的物理关系能够从路程/时间曲线或者速度/时间曲线推导出所述加速度或者制动减速度。此外，可通过图像检测单元的触发时间进行的时间测量(也就是两连续的图像之间的时间)。所述触发时间是对于测量系统预设定和定义的时间间隔。这样就使得随图像顺序变化的示意图等效于时间示意图(见图5)。

需要时，为了进一步提高精度，可使用附加的修正值或者修正函数，它们考虑前束角和外倾角与压缩状态和与转向角的关系。这些修正函数因汽车而异。因此在修正计算之前，通过车轴测量系统中现有的汽车数据库来给具体的汽车类型提供修正数据。在开始车轴测量之前已经按照标准规定实施汽车识别。

如果没有汽车专用数据可供使用，就将具体汽车自动地归入预先定义的汽车类别，然后从汽车数据库提供可用于该汽车类别的修正数据。在此，应根据对于行驶机构重要的参数对汽车进行分类，所述参数例如是驱动方式(例如前轮驱动，后轮驱动)、汽车类别(例如跑车、高级轿车、SUV)或者汽车尺寸(例如小型车、中级、高级)。

只有在按照以上所述修正了车轮特征的3D坐标之后，才将其反算到预先定义的基准时刻或相应的基准位置，随后确定每一个车轮的旋转矢量和旋转中心。

在另一种实施方式中，车轮特征和车身特征的轨迹曲线的分析并非如上所述在各个步骤中进行，而是在一个共同的补偿计算中进行，如在3D图像测量技术领域已知的那样。在变型方式中，该补偿计算可以涉及整个汽车、分别涉及前桥和后桥或者涉及每一个单个车轮。这时根据弹簧压缩状态以及根据转向角在需要时对于前束角和外倾角使用前述修正函数。