非接觸式車輪定位傳感器以及方法

專利名稱：非接觸式車輪定位傳感器以及方法
技術領域：
本發明涉及用于確定三維對象相對于參照系的取向的測量設備，尤其 是，涉及一種包括一個或多個專門適用于機動車車輪的傳感器的測量系 統，傳感器使用投射到輪胎和車輪組件上的光束來限定車輪相對于預定取 向的取向平面。
背景技術：
在汽車工業中，適當的機動車質量需要在制造期間及其后機動車使用 壽命期間對車輪定位設置進行測量和調節。機動車車輪的適當定位和對 準，尤其是導向輪比如機動車的前輪，需要設置束角、外傾角角度以及后 傾角角度。束角是機動車徑向軸和通過該車輪/輪胎中心的平面之間的角度 而且影響該機動車的直前運作還有導向。外傾角角度是輪軸在豎直平面內 朝著道路表面的傾斜并且在該車l侖頂部朝著機動車中心傾斜時為負數。后 傾角角度是平行于機動車中心線方向的轉向軸的傾斜。朝著機動車后面傾 斜導致正的后傾角。在組裝和/或修理機動車期間，重要的是測量、調節或 監察、以及設置束角還有機動車車輪的外傾角和轉向角角度，尤其是導向 輪，所以該機動車會適當地開走并駕駛。
過去，使用了各種方法來測量機動車車輪的束角和外傾角，包括直接 和間接方法。直接測量方法需要人類司機或機制將測量工具放置成與機動 車接觸并且容易出現放置誤差和磨損。間接測量方法，有時稱為非接觸方 法，典型地包括在輪胎安裝到機動車上時察看或檢測投射在其上的光線圖 像，并使用計算機從這些圖像中算出輪胎定位以提供最終的定位信息。現 有公知的直接測量方法很麻煩、耗費時間、常常是勞動密集的、而且比理
6想的精確度低。現有的非接觸或間接方法涉及將一個或兩個光束投射到輪 胎的離散位置上，而且接收并處理從該輪胎反射的這些光束的圖像以重建 車輪/輪胎平面。
因此，確定了需要用來測量和確定機動車車輪更廣泛來說是任何三維 對象的取向的設備和方法，其都會使車輪或對象的平面得以為了定位為了 設置車輪/輪胎的束角和/或外傾角起見更精確并牢固地確定以指示車輪/輪 胎相對于車輛中心線的定位。

發明內容
因此，本發明提供一種用于確定三維對象的取向的設備和方法，而且 優選方式是有理想的定位特征的輪胎和車輪組件。傳感器在輪胎和車輪組 件上投射多個光束以形成多個大體上平行且水平的照明圖像。然后這些照 明線中的一些或所有所反射的圖像被傳感器接收。投射到輪胎上的多個照 明線和捕獲的圖像中這些線的定位使車輪的三維空間取向或幾何形狀能 夠算出。
根據本發明 一方面， 一種確定安裝在機動車上的輪胎和車輪組件的定 位特征的方法包括從第一光線投射儀投射多個光線平面到輪胎和車輪組 件上以在輪胎和車輪組件中的輪胎上形成多個大體上平行的照明線，用光 電裝置在相對于第一光線投射儀的投射角度的角度上接收從輪胎反射的 這些照明線中至少一些所反射的圖像，并且確定由來自被選擇的點的空間 坐標所限定的平面，該被選擇的點位于由光電裝置成像的每個照明線上， 該平面代表輪胎和車輛組件的取向。
從第一光線投射儀投射的多個光線平面可被發散地投射。反射裝置可 以用于投射多個光線平面而且/或者用于將所反射的圖像對準光電裝置。可 以將多個光線平面相對于車輪投射到輪胎僅一側上，或者可以同時投射在 周圍或在車輪周圍車胎完全相反的部分上。當輪胎和車輪組件旋轉時光電 裝置可以重復成像這部分被反射的照明線。在這種情況下，例如，可以對 于每一幀重復計算該平面并求平均值，或者可以對每個照明線上所選擇的點的空間坐標在重復的幀圖像上求平均值以限定該平面。
確定定位特征的方法還可以包括將從第二光線投射儀投射單一光線 平面到該輪胎和車輪組件上以形成該輪胎和車輪組件的輪胎上的單一參 考照明線，用光電裝置從輪胎接收該參考照明線被反射的圖像，而且確定 從參考照明線到非接觸式車輪定位傳感器的參考距離，該非接觸式車輪定 位傳感器包括第一和第二光線投射儀和光電裝置。該方法進一步包括使用 參考距離在接收被反射圖像的步驟識別哪些照明線被成像。根據這一方 面，第二光線投射儀相對于第一光線投射儀有角度地取向。
確定定位特征的方法還可以進一步包括為位于由光電裝置成像的每 個照明線上的多個點來判定三維空間坐標并推導出每個照明線的最佳擬 合曲線方程，包括確定該平面是對于推導出的曲線方程的最佳擬合切面。 該方法可以進一步包括在離參考平面最近的每個照明線上確定參考點并 隨后確定第 一平面為到來自每個照明線的這些參考點的最佳擬合平面。該 方法進一步迭代地確定平面是通過首先確定位于離先前確定的平面最近 的每個照明線上的被選擇點，然后確定新平面為到被選擇點的最佳擬合平 面，被選擇點位于離新確定的平面最近的每個照明線上。
還進一步來說，該方法可以包括從另 一個光線投射儀投射多個光線平 面到輪胎和車輪組件上以在輪胎上形成多個大體上平行的第二照明線。來 自第 一光線投射儀的照明線與來自其他光線投射儀的第二照明線間隔開， 由光電裝置接收的被反射的圖像包括由第 一光線投射儀形成的至少 一個 照明線和由其他光線投射儀形成的至少 一個照明線。
根據本發明另 一方面， 一種確定安裝在機動車上的輪胎和車輪組件的 定位特征的方法包括提供第一非接觸式車輪定位傳感器和在輪胎和車輪 組件中車輪周圍定位的第二非接觸式車輪定位傳感器，每個傳感器包括多 光線投射儀和照相機裝置。從第 一和第二傳感器中多光線投射儀投射多個 光線平面到輪胎和車輪組件上以在第一和第二輪胎部分上形成多個大體 上平行的照明線，而且用第一傳感器的照相機裝置接收來自第一輪胎部分 的照明線中至少 一些的被反射圖像并且用相對于多光線投射儀有角度偏 移取向的第二傳感器的照相機裝置接收來自第二輪胎部分的照明線中至少 一些的被反射圖像。該方法進一步包括確定由來自被選擇的點的空間坐
標系限定的平面，該;故選擇的點位于第一和第二傳感器中照相機裝置所成 像的每個照明線上，該平面代表輪胎和車輪組件的取向。
第一和第二傳感器中多光線投射儀可以發散地投射光線平面。每個傳 感器還包括單線參考投射儀，該方法進一步包括將單線平面從兩個單線參 考投射儀投射到輪胎和車輛組件上以形成第 一 和第二輪胎部分上的單個 參考照明線。該方法進一步包括用照相機裝置接收單個參考照明線所反射 的圖像并確定從第 一輪胎部分上的單個參考照明線到第 一傳感器的參考 距離，而且確定從第二輪胎部分上的單個參考照明線到第二傳感器的參考 距離。該方法可以進一步包括當輪胎和車輪組件旋轉時用第一和第二傳感 器中照相機裝置重復接收所反射的圖像。
根據本發明另一方面，用于確定安裝在機動車上的輪胎和車輪組件的 定位特征的非接觸式車輪定位傳感器包括第一多光線投射儀、照相機裝 置、以及處理器。第一多光線投射儀將多個光線平面投射到輪胎和車輪組 件上以在輪胎上形成大體上平行的照明線。照相機裝置在相對于第一多光 線投射儀的投射角的偏移角度上接收從輪胎反射的照明線中至少一些被 反射的圖像。該處理器確定由來自被選擇的點的空間坐標所限定的平面， 該被選擇的點位于由照相機裝置成像的每個照明線上，該平面代表輪胎和 車輪組件的取向。
根據該發明一方面，多光線投射儀可以分散地投射多個光線平面。該 傳感器還可以包括單線參考光線投射儀，該投射儀將單個光線平面投射到 輪胎和車輪組件上以形成該輪胎上的參考照明線，使該單線參考光線透視
儀取向成在從所述第一多光線投射儀偏移一個角度上投射。該非接觸式車 輪定位傳感器可以可選地包括第二多光線投射儀，該投射儀將第二多個光 線平面投射到輪胎和車輪組件上以在輪胎上形成大體上平行的照明線的 第二集合。由第 一 多光線投射儀形成的照明線與由第二多光線投射儀形成 的大體上平行的照明線的第二集合在該輪胎上有選擇性間隔。該傳感器還 可以可選地包括反射裝置朝著輪胎投射光線平面并且/或者朝著照相機裝 置反射圖像。
9本發明對現有的為定位起見而測量和計算三維對象比如機動車車壽侖 的取向的公知設備和方法提供了顯著優勢。本發明的非接觸式傳感器將多 個照明線投射到對象上，比如輪胎和車輪組件中的輪胎上，還有接收這些 照明線所反射的圖像。從所反射的圖像中，該傳感器確定該輪胎上照明線 所選擇的點的三維空間坐標而且通過所確定的三維空間坐標來確定平面， 該平面代表該輪胎和車輪組件的取向并從其中算出束角和外傾角，還有其 他定位特征。投射多個照明線提供了更多的測量點，并因而更精確地確定 了壽&胎和車輪組件的取向，還增加了傳感器可以運作的工作領域。投射多 個光線平面還使輪胎和車輪組件上這些光線平面的投射角或照明線的視 角能夠被傳感器所增加，這進而加強了傳感器的靈敏度。輪胎和車輪組件 取向可以對于由該傳感器成像的每個照明線來計算，由此提高冗余度、魯
;唪性而且使噪聲減少。還進一步來說，由于4侖胎大體上圓環形狀和投射到 輪胎側壁表面上的照明線被關聯確定的頂點，單一圖像可以用來計算外傾 角、束角角度、以及車輪中心位置。
一旦結合圖形來看下面的說明書，本發明這些和其他目標、優勢、目 的和特點就將越發清晰。


圖1是挨著機動車的輪胎和車輪組件的根據本發明所述的一對傳感器 的透^L圖2是對機動車的輪胎和車輪組件的束角角度的圖示說明；
圖3是對機動車的輪胎和車輪組件的外傾角角度的圖示說明；
圖4是根據本發明所述的傳感器的示意性透視圖，示出該傳感器內部 部件的位置和取向；
圖5是圖4的傳感器去掉箱體蓋的透視圖以圖示說明內部光線投射 儀、參考光線投射4義、以及照相機裝置。
圖6是圖5傳感器組件的側視10圖7是根據本發明所述另一個傳感器的透視圖8A是圖7的傳感器去掉箱體蓋的透視圖以圖示說明內部光線投射 儀、參考光線投射儀、照相機裝置、以及反射構件。
圖8B是圖7傳感器組件的側視圖9是根據本發明所述另 一個傳感器的側視圖IO是根據本發明所述還有一個傳感器的側視圖11是機動車的輪胎和車輪組件的透視圖，圖示說明合適的坐標軸參 照系；
圖12是輪胎和車輪組件的透視圖，圖示說明將光線平面從光線投射 儀(未示出)投射到輪胎和車輪組件上以形成照明線；
圖13是輪胎和車輪組件的前視圖，圖示說明投射到輪胎左側與右側 部分上的照明光線；
圖13A是輪胎和車輪組件的透視圖，圖示說明投射到輪胎左側與右側 部分上的照明線而且示意性說明沿著這些照明線的輪胎上的點和對該組 寸牛的切面；
圖13B是框圖流程圖，圖示說明一種使用根據本發明所述的傳感器得 到與輪胎和車輪組件相切的平面的方法；
圖14圖示說明相對于坐標軸參照系，在各種校準位置之上被反射的 照明線的多個校準曲線；
圖15圖示說明相對于坐標軸參照系，XI平面與對應于特定照明線的 校準曲線相交的點和通過這些相交點的多項式曲線；
圖16圖示說明在確定真正的平面之前輪胎和車輪組件的多個潛在平 面；以及
圖17安裝到機動車試驗臺上根據本發明所述的傳感器的透視圖，位 于試驗臺上的校準框用于校準該傳感器。
具體實施例方式
現在將參照附圖描述本發明，在下面所寫的描述內容中被標號的元件
對應于附圖中相同標號的元件。測量系統或設備50,在圖1圖示說明的實 施例中，包括一對非接觸式車輪定位傳感器52a、 52b,用于確定車輪定位 特征比如束角、外傾角、后傾角、定位軸傾斜(SAI),還有車輪中心、對 稱軸、以及后止推角度。圖2圖示說明要確定的束角角度54,圖3圖示說 明要確定的外傾角角度56。雖然只有一個輪胎和車輪組件50在圖1中圖 示說明，但是應當理解的是包括兩個傳感器52a、 52b的測量系統可以放置 在前或后輪胎和車4侖組件處或者在在機動車60的四個輪胎和車4侖組件中 每一個上。作為選擇，可以在每個輪胎和車輪組件處使用單個傳感器52。
如下面更詳細描述的，每個傳感器52,參照圖4-6,投射多個光束， 在該圖示說明的實施例中包括在安裝到機動車60上的輪胎和車輪組件58 處投射的光線平面62 (62a-62d圖12)以在輪胎側壁上形成或生成多個大 體上平行且水平的照明圖^f象，其被圖示說明為輪胎66左右兩側上的照明 線64 (圖1和13 )， 一個傳感器52a在左側66a投射，另 一個傳感器52b 在右側66b投射(圖1和13 )。圖12顯露光線平面62凈皮發散地投射。作 為選擇，這些光線平面可以平行地投射。雖然只圖示說明了有限的數量， 每個傳感器52可以在4合胎66上形成近似十五個照明線64。然后一些或所 有的照明線64所反射的圖像(未示出)被傳感器52接收，比如在近似十 至十二個照明線之間。投射到輪胎66上的多個照明線64和這些線64在 所捕獲的圖像中的位置使車輪58的三維空間取向或幾何形狀能夠基于傳 感器52的視場和景深在傳感器52的工作區域各處而算出。
傳感器處理器68 (圖4)用于分析傳感器52從傳感器52的視場內接 收的被反射圖像，基于傳感器52的校準，得到指示車輪和輪胎組件58取 向的數據。在一個實施例中，處理器68推導出代表每個照明線64的方程 并使該圖像被選擇的點與三維空間值相關。用來推導三維空間值的被選擇 的點可以選擇成照明線的頂點。側壁自然膨脹得使照明線64在其上形成 曲線，這樣的曲線的頂點旨在代表或位于輪胎側壁沿著照明線64長度的 物理頂點處。然后處理器68可以進一步確定或擬合平面到所確定的頂點上，所確定的平面代表輪胎和車輪組件58的束角和外傾角取向。
作為選擇，處理器68可以在傳感器52視場內對沿著每個照明線64 的多個點確定三維空間坐標并為每個照明線64推導出曲線方程，比如通 過基于每條線的三維空間坐標將曲線擬合到照明線64上。與所確定的曲 線方程相切的平面代表輪胎和車輪組件58的束角和外傾角取向而且與照 明線64的頂點相交。這樣，處理器68還可以基于所確定的切面與所確定 的曲線方程的相交處來確定所查看的照明線64的頂點的三維空間坐標。
預先記錄的校準設置，比如下面所述的，可以用來執行曲線參數向三 位坐標的轉換。由于三維空間頂點坐標需要同心取向，所確定的頂點限定 代表安裝到車輪上的輪胎的三維中的圓。然后處理器68可以進一步基于 所確定的圓的中點的確定來確定車輪的中心，該圓由照明線64的三維頂 點所限定。基于所確定的車輪中點，然后還可以確定其他參數比如車輪軸 的幾何形狀參數。如從圖1中所理解的，可以將車輪組件58定位在滾筒 69上，在測量期間該滾筒運作以旋轉車輪組件58。然而，作為選擇，可 以在車輪組件58靜態條件下執行測量。
多個光線平面62的投射和接收在確定車輪定位特征上提供幾個優勢， 包括精確度更高而且傳感器52的可能的工作體積相對于傳感器52的視場 和景深而擴大。例如，在輪胎左右區域66a、 66b之上投射多個照明線64 提供更多測量點。此外，在所投射的照明線64和傳感器52之間所成的角 度可以比用其他投射更少線比如單線的方法保持更大，并因此敏感度增 強。進一步來說，可以對由傳感器52所見的被投射照明線64中每一個來 計算車輪58的定位，由此提供冗余度、而且此后提供魯才奉性并減少噪聲。 另夕卜，當車輪58和傳感器52之間的距離增加時， 一些照明線64從視場 中消失，而其他照明線進入，由此在更大深度上保持功能性。還有進一步 來說，對來自傳感器52的單個圖像進行處理可以提取足夠信息來計算外 傾角角度。而且，雖然準確度更低，但是單個圖像還包含提取車輪中心位 置的信息，以及束角角度。
現在參照圖4的實施例，示出每個傳感器52包括多光線投射儀或光 源或第一或上方光線透視儀70。每個傳感器還包括定位在光線投射儀70
13下面的參考光線投射儀或光源或第二或下方光線透視儀72。參考光線投射 儀72投射參考光線平面以在輪胎66上生成參考照明線74 (圖13 )。如下 面更詳細描述的，參考光線透視zf義72可以用于確定或建立從4侖胎66反射 的照明線64中哪些是由傳感器52所接收的，包括在傳感器52內所反射 的照明線的位置或取向。在該圖示說明的實施例中，光線投射儀70和參 考光線投射儀72是能夠投射激光的激光器，光線投射儀70適合用來投射 多個光線平面而且參考光線投射儀72適合用來投射單個光線平面。
傳感器52進一步包括圖像捕捉裝置或光電裝置或數字照相機裝置76 以及處理器68。照相機裝置76可以包括電荷耦合裝置(CCD )或用來接 收照明線64所反射的圖像的互補金屬氧化物半導體(CMOS )傳感器而且 將這些圖像轉換成用于處理器68分析的像素。照相機裝置76可以有一個 兆像素的分辨率，但是想要或需要時可以更大或更小。照相機設備76還 可以包括窄帶濾波器，只允許光線通入有與光線投射儀70和參考光線投 射儀72輸出的光線的波長近似相等的波長的照相機76。處理器68在圖4 中示出為獨立部件，然而，照相機裝置76可以包括比如通過CPU的處理 能力，并且/或者可以利用位于傳感器52箱體78外部的獨立處理系統來執 行數學處理。
如圖4中所示，光線投射儀70，參考光線投射儀72、照相機裝置76、 以及處理器68安裝在箱體78內。如從圖4中理解的，光線投射儀70通 過窗口 80投射光線平面62，參考光線投射儀72通過窗口 82投射。將照 明線64和參考照明線74的圖像通過窗口 84反射回照相機76。現在參照 圖5和6，示出光線投射儀70,參考光線投射儀72、以及光電裝置76安 裝到框架86上，框架86安裝在箱體78內并進而可以安裝到包含傳感器 52的系統的板托架部件上或這類部件。傳感器52可以安裝到試驗臺卯上 (圖17 )，試驗臺90用來放置并測試機動車60從而測量車輪定位特征。 再參考圖4的實施例，照相機裝置76相對于箱體78的長軸大體上正交地 安裝在箱體78,以便使用時照相機裝置76大體上豎直地朝向輪胎和車輪 組件58。
如從圖4-6中所理解的，安裝光線投射儀70以使其相對于照相機裝置76的觀察方向成銳角朝向，角度92近似為30度。類似地，將參考光線投 射儀72相對于照相機裝置76成更小的銳角來安裝，角度94近似為10度。 如先前所指出的，光線投射儀70將多個光線平面62投射在輪胎和車輪組 件58處，而參考光線投射儀72投射單個光線平面。應當明白的是，由于 更大角度的取向，在一些例子中不是所有從光線投射儀70投射的光線平 面62都會是照相機裝置76可觀察到的，比如當傳感器52離輪胎和車輪 組件58較近或較遠放置時。與此相反，由于角度94相對角度92角度較 淺，由參考光線投射儀72投射到輪胎66上的參考照明線74將是照相機 裝置76在傳感器52相對于輪胎和車輪組件58的各處工作位置或距離上 都可觀察到的。
在本發明范圍內可以采用傳感器的替換排布。例如，照相機裝置可以 相對于傳感器箱體和/或輪胎和車輪組件向上或者向下成角度。在這樣的排 布中照相機還可以經由成朝著照相機反射圖像的角度的反射器或反射裝 置比如鏡子來觀察輪胎和車輪組件。類似地，光線投射儀和/或參考光線投 射儀可以將圖像投射到鏡子上，其進而將圖像投射或反射到輪胎和車輪組 件上。
將這樣的替換傳感器的一個例子圖示說明為圖7-8C中的傳感器152。 應當明白的是傳感器152是與傳感器52大體上相同的結構，傳感器152 的共同或類似的部件或元件用與圖4-6中所用的類似的附圖標記來示出， 但是將附圖標記"100"添加到圖4-6的附圖標記中。應當理解的是，因為 傳感器152與傳感器52類似，相同附圖標記部分的具體結構和替換方案 并非都會被論述。
傳感器152包括光線投射儀170,參考光線投射儀172、以及照相機 裝置176。光線投射儀170大體上豎直向上并離開光線投射儀反射器或反 射器裝置171來投射圖像，其在圖示說明的實施例中形式為鏡子。進而將 這些圖像反射出箱體178的窗口 180。參考光線投射儀172,與傳感器52 的參考光線投射儀72大體上相同方式取向并突出窗口 184。照相機裝置 176大體上豎直朝下以接收從輪胎和車輪組件反射到照相機反射儀或反射 儀裝置177上并離開裝置177向上的圖像，裝置177在圖示說明的實施例
15中還是鏡子。
現在參照圖9和10，示出替換傳感器252和352的示意圖為與傳感器 52和152大體上相同的結構。傳感器252和352的共同或類似部件或元件 用與關于傳感器52和152的圖4-8B中使用的類似的附圖標記來示出，但 是分別使用標記系列"200"和"300"。應當理解的是，因為傳感器252 和352與傳感器52和152類似，，相同附圖標記部分的具體結構和替換方 案并非都會被論述。
圖9的傳感器252包括多光線投射儀270、單線參考光線投射儀272、 照相機裝置276、以及處理器(未示出)。如所示的，光線投射儀270和參 考光線投射儀272大體上朝下，參考光線投射儀相對于投射儀270成角度 取向。傳感器252進一步包括反射器裝置271用來引導從光線投射儀270 投射的光線平面262和從參考光線投射儀272向輪胎和車輪組件投射的單 個參考光線平面265。如圖示說明的，光線投射儀270發散地投射光線平 面262，然后在輪胎側壁上形成多個平行的照射線。類似地，參考光線平 面265還在輪胎側壁上形成參考照明線。
第二反射器裝置277分別引導投射儀270和參考投射儀272產生的照 明線和參考照明線中從輪胎和車輪組件反射的圖像，在照相機276處，照 相機276大體上朝上。如圖9中圖示說明的，照相機276因而具有在其之 內能夠接收照明線和參考照明線中從輪胎和車輪組件反射的圖像的視場 267。視場267相對于光線平面262的投射而取向，以及存在多個光線平 面262在輪胎上形成多個照明線，改進了傳感器252能夠運作的工作區域 或體積。如圖示說明的，傳感器252有工作深度279,在圖示說明的實施 例中近似為250-300mm，其中照明線會由光線平面262在輪胎和車輪組件 上形成而且其中照相機276將能夠察看照明線。
圖10的傳感器352包括一對互相成角度取向的多光線投射儀370a和 370b,但是不包括參考光線透視儀。光線投射儀370a發散地投射多個光線 平面262a，光線投射儀370b發散地投射多個光線平面262b,光線平面262a 和262b在反射器裝置371處投射。反射器裝置371使光線平面262a和262b 在輪胎和車輪組件處改向，光線平面262a在輪胎側壁上形成一系列平行的照明線而且光線平面262b在輪胎側壁上形成第二系列平行的照明線。在 所投射的光線平面262a和262b之間形成空隙或間隔373是通過光線投射 儀370a和370b互相間并相對于反射器裝置371有角度的取向。傳感器352 還包括與第二反射器裝置377 —起的照相機裝置376和處理器(未示出)， 提供第二反射器裝置377引導從所投射的光線平面262a和262b在輪胎側 壁上形成照明線的輪胎和車輪組件上反射的圖像至照相機裝置376上。照 相機裝置376因而具有視場367,在這之內照相機裝置376能夠接收所反 射的圖像。然后處理由照相機裝置376所接收的圖像以確定輪胎側壁頂點 的切面和三維坐標，比如通過例如利用該處理器。類似于傳感器252,傳 感器352具有改進了的工作深度379,在圖示說明的實施例中近似為 250-300mm，在這之內照明線會由光線平面362在輪胎和車輪組件上形成 而且在這之內照相機376將能夠查看照明線。
傳感器52、 152、 252、以及/或者352可以由各部件構造或者包括各 部件，這些部件由加拿大、英屬哥倫比亞、三角洲的LMI技術公司提供。 由LMI技術公司提供的這種部件可以包括光線投射儀、參考光線投射儀、 照相機裝置、以及處理器、還有用來處理由這種照相機裝置接收的被反射 照明線的圖像的軟件。由LMI技術公司開發、擁有、準許、或使用的技術 的例子利用基于高速照相機的傳感器來提供尺寸測定在如下美國專利中 公開美國專利號5,811,827、 5,510,625、 5,362,970、以及5,164,579。
圖9、 IO和12圖示說明投射有限量的光線平面，圖1、 13和13A圖 示說明有限量照射線在輪胎側壁上形成。應當明白的是傳感器52、 152、 252和/或352作為選擇適用于投射眾多光線平面，例如每個投射20至30 個光線平面。在這樣的實施例中關聯的照相機裝置的視場不可以顯像所有 最后得到的在輪胎側壁上形成的照明線。例如，照相機裝置只可以觀察15 個這樣的照明線。在一個優選實施例中，傳感器投射近似15個光線平面 并^L看近似10至12個照明線。如下面所述的，因而它對傳感器確定哪些 照明線在視場中以確定代表車輪束角和外傾角的切面來說是必需的。
如圖1、 12和13中圖示說明的，由于輪胎側壁中的自然曲線或膨脹 而且光線平面62成角度投射到輪胎66上，從光線投射儀70投射的光線
17平面62導致在輪胎66上形成弧形照明線64。從參考光線投射儀72投射 的單個投射的光線平面類似地在輪胎66上創建參考照明線，但是比上面 指出的角度更小。雖然照明線64和參考照明線74同時在圖13中輪胎66 上示出，應當理解的是，如下所述，將照明線74獨立才殳射而且不和照明 線64 —起投射。在將近似直角取向的光線平面投射到輪胎側壁上的各排 布中最終得到的照明線的彎曲與光線平面成角度投射時相比更不明顯。
然而，在這種實施例中照相機裝置對輪胎側壁成角度取向，或者照相 機裝置的視場成角度取向，導致檢測到的照明線的圖像被觀看成由輪胎側 壁中的自然膨脹引起的曲線。還進一步來說，發散投射的光線平面可以導 致比如圖9中圖示說明的， 一部分光線平面近似直角取向投射， 一部分光 線平面形成朝下的彎曲照明線，而且一部分光線平面形成朝上的彎曲照明 線。還應當明白的是圖示說明的發散角度和遍及各示說明的照明線的 曲率不是按比例繪制。
現在將參照傳感器52來描述傳感器的一般運作。如所指出的，輪胎 66上照明線64所反射的圖像由傳感器52接收。在運作中，將由照相機裝 置76捕獲的圖像發送給處理器68進行圖像處理操作，在圖像中查找屬于 特定照明線64的像素。因而，該處理將每條線的像素分組或分類。下面 更完整地描述用這種方式在圖像中識別特定照明線64。照明線64的彎曲 形狀由最小二級多項式近似。 一旦在圖像中識別出所反射的照明線64，用 它們的參數來對位于輪胎66上的彎曲照明線64上具體的或所選擇的點計 算三維空間坐標。在該圖示說明的實施例中，這個處理在傳感器52的處 理器68中執行。然而，應當明白的是，這樣的處理可以在替換系統中進 行，比如遠程中央計算機或這類系統。還如下面詳細描述的，與傳感器52 有關的預先記錄的校準數據集合可以用來執行成像曲線參數向位于輪胎 上的彎曲照明線64的三維空間坐標系的轉換。
參照圖13A，所確定的所選擇的或具體的點的三維空間坐標可以用于 確定投射到輪胎66上的照明線64的頂點(為圖示說明起見表示成圖13A 中的55)的位置，比如是通過三角測量和/或通過與預先記錄的與該傳感 器有關的校準數據集合比較。從通過這些點55算出的最佳擬合平面57中可以由公知技術確定輪胎和車輪組件58的外傾角和束角角度。進一步來 說，因為這些頂點55限定在圓形輪胎和車輪組件58中點61周圍的空間 中同心的圓59,可以計算該車輪中心的三維空間位置。另外，通過對機動 車60周圍這四個輪胎和車輪組件58中每一個確定平面57和車輪中心61, 機動車軸的定位和取向可以算出或確定而且束角和外傾角角度可以相對 于此并對機動車中線來參照。
平面57可以通過由單個傳感器52基于車輪中心周圍頂點的非線性、 同心取向而產生的被選擇的頂點55來計算，單個傳感器52運作以投射照 明線64并接收在輪胎66僅一側上它的反射圖像。然而，使用在輪胎66 兩側對稱放置的兩個傳感器52a、 52b，如圖1中所示，加強束角角度測量 的精確度，將兩個傳感器52的輸出組合以精煉束角角度54的計算，還有 車輪中心位置。還進一步來說，單個傳感器，比如傳感器52、 152、 252、 或352可以取向成同時將光線平面投射到車輛周圍車胎的兩側。然后傳感 器處理器或其他集中的計算機系統在這樣的實施例中例如基于它們從其 上反射的輪胎該側來區分所反射的照明線，比如通過將照相機裝置內各組 像素與車輪周圍特定的輪胎側壁區域關聯起來。由Waldecker等人提交的
名稱為VEHICLE WHEEL ALIGNMENT APPARATUS AND METHOD (機 動車車輪定位設備和方法)號碼為4,745,469的美國專利公開了一種基于 投射到輪胎側壁上的等高線來推導三維空間坐標的方法并通過參引并入 其中。
作為選擇，傳感器處理器68可以從由關聯的照相機裝置76接收的照 明線64的反射圖像中另外確定沿著每個照明線64的多個另外的點的三維 空間坐標，比如是通過三角測量和/或通過與預先記錄與傳感器有關的校準 數據集合比較。例如，另外確定照明線64上的頂點55,處理器68可以確 定頂點55兩側三維空間的點或者甚至沿著整個照明線64的三維空間的 點，比如基于照相機76中的像素。然后可以通過利用每條線64的多個三 維空間坐標將曲線擬合到輪胎66上每條照明線64上來推導代表每個三維 曲線的獨立方程。所確定的與這些曲線相切的平面57因而代表車輪束角 和外傾角。所確定的平面57與算出的三維曲線方程的交叉點還由處理器
19確定，這些交叉點代表照明線64的頂點55。頂點55可以如先前所指出的 用來確定車輪中點61從而用公知技術計算另外的軸集合形狀包括在機動 車中線周圍。
現在將參照圖13A和13B論迷其中沿著照明線64獲得多個三維空間 坐標的一個特定實施例的運作。當輪胎和車輪組件58在旋轉時照相機裝 置76在照相機視場(圖9中的267 )內給所反射的照明線64拍快照或幀 圖像。對于每一幀，沿著每個被成像的照明線64在輪胎66上多個點的三 維坐標被確定而且對于每條線推導出三維最佳擬合曲線方程。接著，對每 一幀圖像，首先將該三維曲線方程1參考平面(圖13B中的P0)比較，在 此參考平面PO可以代表圖11中的平面Y-0。搜索每個曲線方程查找離平 面P0最近的點PTi。 一旦確定每個曲線方程的點PTi，就得到新平面Pi作 為到點PTi上的最佳擬合平面。接著，再搜索曲線方程查找每個曲線方程 的離平面Pi最近的點PTi + 1 。再者，推導出 一個新平面PTi + 1作為到點 PTi+1上的最佳擬合平面。這被迭代地重復，例如每一幀三至四個迭代， 得出平面57。因此，最后的點PTi+y，在此y是迭代的數量，會代表照明 線64的頂點55。為每一幀圖像確定的平面57可以一起取平均值以得出平 均切面^f直。
值得注意地，在圖13B的運作中，所確定的沿著照明線64放置的輪 胎66上各點的三維空間值不是一幀圖像一幀圖像地保留在處理器68內存 中，也不是推導出的代表所保持的照明線64的最佳擬合曲線方程。另夕卜， 傳感器處理器68可以輸出多個與被成像的照明線64對應的三維空間坐標 從而由獨立處理器比如中央計算機隨后確定對應的三維曲線方程。作為選 擇，傳感器處理器68本身可以確定三維曲線方程，該三維曲線方程對應 于與每個^t成^^的照明線64關J[關的多個三維空間坐標。
如先前所指出的，取決于傳感器52相對于輪胎和車輪組件58的位置， 由于光線投射儀70的投射角度92，投射到輪胎66上的照明線64中只有 某些朝著照相機裝置76反射并被照相機裝置76接收。有必要確定照明線 64中哪些由照相機裝置76成像，因為這將影響輪胎66上照明線64的被 選擇點的空間位置的確定。例如，如果光線投射儀70將二十個照明線投射到輪胎66上，應當明白的是傳感器52和輪胎66之間的距離會取決于 是第一組十個還是第二組十個照明線64被照相機裝置76成像而不同。
進一步來說，由于輪胎66上照明線64之間比生成的較靠近的分組或 距離，由照相機裝置76從所反射的圖像中生成的錯亂圖像可以創建或經 受與輪胎66上豎直方向較高的照明線64關聯的像素在錯亂圖像中成像的 事例，該錯亂圖像由比屬于豎直方向較低的照明線64的像素處于更低位 置或取向的照相機裝置76生成。
因而，作為初始事項有必要確定或識別照明線64中哪些被照相機裝 置76反射并接收而且有必要識別與各個照明線64被接收的圖像關聯或屬 于各個照明線64被接收的圖像的像素組。采用離散位置處的單線的非接 觸式傳感器系統不包含像只有單線被觀看到這樣的困難。類似地，將充分 隔開的兩條線投射在對象上的傳感器系統由于基于分隔對像素分組的清 晰定義所以也不包含這樣的困難。
在比如采用多光線投射儀70和單線參考光線投射儀72的圖4-6中這 樣的實施例中，使用參考光線投射儀72和參考照明線74的兩步驟處理用 來完成對哪些照明線64被成像的這個確定并由此判定哪些像素與照明線 64各種被反射圖像中每一個相關聯或屬于照明線64各種被反射圖像中每 一個。
初始，激活參考光線投射儀72以便在輪胎66上生成參考照明線74。 參考照明線74被反射的圖像由照相機裝置76所接收，處理器68執行對 傳感器52和參考照明線74之間距離的初始第一距離估值。第一距離估值 基于在具體的X,Z位置處的三角測量計算而執行(見關于X，Y，Z參考坐標 系的圖ll)。接下來，激活光線投射儀70以便在輪胎66上生成照明線64 而且被反射的圖像由照相機裝置76接收。然后由處理器68執行的更精確 的距離測量是使用第一距離估值作為輸入，由此對哪些照明線64朝著照 相機裝置76反射并由照相機裝置76接收進行確定。例如，基于初始校準， 比如以下面所述的示例性方式，每個照明線64和參考照明線74之間的關 系對于對象離傳感器52各種距離來說可以是已知的。照此，基于由照相 機裝置76接收的被反射圖像，可以由處理器68進行確定，所有可能出現
21的照明線64中哪個是最靠近參考照明線74的特定照明線64。對于每個候 選照明線64,最終得到的測量距離會對應于所選的候選解答而且最接近距 離估值的照明線64的距離是所選的候選解答以使照明線64的數量可以確 定。隨后，其余照明線64的線數通過增加或降低級數而易于確定。
在圖示說明的實施例中，投射光線平面62以便在輪胎66上形成大體 上均勻的照明線64。在替換實施例中，可以投射照明線使朝照相機裝置反 射并由照相機裝置接收的特定照明線能夠識別而不用參考光線投射儀和 參考照明線。例如，照明線的投射可以遺漏中央光線平面以使輪胎上的中 央照明線不出現，或者可以生成比其余照明線更互相接近的兩個照明線， 或者可以生成比其余照明線更密集的照明線，或者這類照明線。以這種方 式處理器可以用照明線的不均勻性和不規則性作為參考而易于辨別朝照 相機裝置反射并被照相機裝置接收的各種照明線的標識和位置。應當明白 的是，在這樣的實施例中，參考光線投射儀可以不需要。
在圖10的傳感器352中，來自多光線投射儀370a的光線平面362a 和來自多光線投射儀370b的光線平面362b之間的空隙373可以被傳感器 352內的處理器使用以辨別從輪胎側壁反射的各種照明線的標識和位置。
一旦確定照明線64中哪些朝照相機裝置76反射并被照相機裝置76 成像，就掃描各種被反射的照明線64的圖像以使用本領域公知技術對屬 于每個被反射圖像的像素進行分類。 一旦為噪聲減少和過濾創造條件，就 逐個像素掃描所捕獲的圖像以使每個像素都可以基于其照明水平并基于 其鄰近#~素來分類或分組成屬于特定的照明線64或與特定的照明線64關 耳關、或者作為選擇不與參考線關聯。這個分類程序既在測量期間又在下述 的校準期間在每個圖像上執行。
校準
現在參照圖14-17，下面將提供對一種用于校準傳感器52的可能方法 的解釋il明，傳感器52可以用來確定^^胎66上照明線64的頂點或被選 擇點的實際三維空間取向(見圖11用于坐標X, Y, Z參照系)。如圖17A 中所示，具有水平和豎直凹槽或線路構成的網格98的豎直取向的校準塊 96查看與傳感器52關系時置于試驗臺90上。將校準塊96大小確定成使傳感器52投射的所有照明線64都通過傳感器52的全部視場投射到校準 塊96上。
在校準期間，校準塊96在負Y方向以準確已知的步驟從傳感器52逐 步移開。貫穿各步在每個已知的Y定位處給投射到校準塊96上的照明線 64拍攝圖像(比如圖17B中所示的)，以使圖像可以映射成大體上如圖14 中圖示說明的形式。對于每個已知的Y定位，處理器68確定擬合曲線的 方程，該曲線穿過在從校準塊96反射并由照相機裝置76接收的圖像中識 別的每個照明線64。被擬合的曲線方程因而將Z圖像坐標描述為X圖像 坐標的函數。因而用于傳感器52的Y校準數據對于每個被校準的Y定位 上的每個照明線由被擬合XZ曲線的多項式系數構成。在測量期間傳感器 52由此能夠將三維空間Y坐標計算成被反射照明線64由照相機裝置76 確定的成像坐標的函數。
計算X和Z的三維空間坐標可以通過在X-Z方向^f交準來完成。這樣 的校準可以例如使用校準塊96的網格98來執行。如所指出的，網格98 包括多個豎直和水平線路或凹槽，網格98在凹槽之間有已知間隔。校準
線照射到網格上而改進明暗對比。然后照相機裝置76用來將網格98的圖 像記錄在多個已知的Y定位處。然后處理器68識別網格98的線路以及它 們在圖像中的XZ坐標。因而由照相機裝置76成像的各線路的X和Z圖 像距離與網格98上各線路實際已知的實數距離或間距之間的對應關系是 在幾個已知的Y定位上校準。
參照圖14-17,如所指出的圖14圖示說明用于每個被反射的照明線64 在各種校準定位上的多個校準曲線。圖15圖示說明XI平面與對應于特定 照明線64和多項式曲線的校準曲線的交叉點通過這些交叉處而擬合。圖 16圖示說明在實數平面的確定經由參考照明線74而完成之前輪胎和車4侖 組件58的多個潛在平面，如下面所述。圖16中圖示說明的每條虛線100 都代表穿過連續幾個照明線64的測量點的可能平面。然而，只有一個這 樣的平面是輪胎和車輪組件58的實際平面以便為了獲得該實際平面而必 須執行這個確定。
23因而用以上方式既在Y方向又在X-Z方向校準使傳感器52能夠輸出 三維空間絕對XYZ坐標值。這個坐標系由網格98 (X-Z)并由轉換表(Y) 提供用來對校準塊96進行定位。然后所確定的傳感器XYZ空間坐標系可 以通過^f吏用例如總裝裝配架而轉換成機動車坐標系。對總裝裝配架進行具 體測量，并且基于這些測量進行計算允許數據從傳感器坐標系(XYZ)至iJ 機動車坐標系轉換。
應當明白的是在本發明的范圍內可以采用替換校準程序，包括但不限 于使用替換的校準塊和數學或計算方法。
測量算法
現在下面將提供對一種可能的測量算法的更詳細描述，可以在傳感器 52運作期間確定三維輪胎和車輪組件58取向時使用。然而，應當明白的 是，在本發明的范圍內可以采用替換方法或算法。
在測量進程期間， 一旦照相機裝置76中被反射并被接收的照明線64 已按照多項式擬合來識別并用參數表示，屬于該曲線的任何一點都可以其 三維空間絕對(XYZ)坐標為特征。例如，考慮該點(X1，Z1)。對于屬于 單個被投射光線平面62的每個被擬合的XZ曲線而且對于每個被校準Y 定位，可以對XI計算對應的Z圖像坐標。這對每個被校準的Y定位而執 行并且獲得一系列YZ坐標(X=X1 )。曲線擬合，第二或第三級，穿過這 些點而完成并且生成YZ多項式曲線方程。然后可以算出這個曲線與Z=Z1 平面的交叉點，其給出X=X1和Z二Z1的點，從這點知道實數Y坐標，是 Y方向上到傳感器52的距離。對光線投射儀70所投射的每個光線平面62 來計算這一點，并對應地，計算每個照明線64及其對應的Y校準圖像。 合矢量是坐標XlYiZl點的集合。確定這些點所屬于的具體的照明線64和 對應的光線平面62使正確的測量坐標能夠精確確定。
回頭參照參考光線投射儀70和參考照明線74,先前描述的距離估算 經由參考照明線74而執行，這使實際或實數測量點能夠確定。 一旦為給 定的坐標點確定正確的Y坐標，它反射自其上的照明線64就可以確定。 對于這一點基于XZ校準來計算實數XZ坐標。然后，對于測量圖像的照 相機裝置76中的其他線來說，特定照明線64的數量和因而所投射的光線
24平面62然后得知。然后取一點X1，Z1并計算X1Y1Z1的三維空間坐標的進程可以重復，得知它所屬于的被投射的光線平面62以便只存在一個最終得到的坐標測量點。
每個圖像只進行一次頂點的距離估值，對于離第一估值測量的照相機裝置76的圖像中所查看的被反射并被接收的參考照明線74最近的被反射并被j妄收的照明線64的頂點。 一旦確定點源自其上的凈皮4殳射的光線平面62和照明線64，就得知以上和以下纟t良射并被接收的照明線64來自依次在前和隨后的光線平面62的照明線64投射。以這種方式可以計算并識別照相機裝置76的圖像中每個被反射并被接收的照明線64的頂點以使輪胎66上照明線64的這些點的三維空間坐標可以算出。對應地，所確定的三維空間頂點坐標使由此穿過的最佳擬合平面得以用直接建立外傾角和束角角度56 、 54的機動車坐標系中這個平面的各角度來計算。
應當明白的是被確定位置的頂點對于照相機裝置76所成像的照明線64給定的二維圖像來說不必是輪胎66在給定照明線64處的物理頂點，而可以是最靠近照相機裝置76定位的輪胎66的點。例如，如果輪胎和車輪組件58基本垂直于傳感器52,以便大體上沒有束角角度，則被確定位置的頂點是輪胎66的物理頂點。然而，如果存在非零的束角數值則情況不是并非如此。因此，二維圖像曲線可以隨著重新計算最后得到的照明線64的新頂點而在^R初始估值出的束角數值上旋轉，得到新的束角數值。對這個進程進行多個迭代之后將生成穩定的束角數值，這些數值可以被認為是實際的束角數值。
對由照相機裝置76成像的照明線64給定的二維圖像被確定位置的頂點和輪胎66在給定照明線64處的物理頂點之間的區別進行補償的替換方法是通過計算屬于照明線64的多個被選擇點的三維空間坐標并且生成三維曲線方程。然后可以計算與該三維曲線方程相切的平面，其直接代表穿過輪胎66頂點的平面并且可以直接得出外傾角和束角角度56、 54。
上面提供兩種用來補償由照相機裝置76成像的照明線64給定的二維圖像被確定位置的頂點和輪胎66在給定照明線64處的物理頂點之間差異的替換技術。在第一種方法中，被成像的照明線64的頂點在二維坐標中確定，轉換成三維坐標而且算出穿過這些三維坐標擬合的平面。在第二種
方法中，被成像的照明線64曲線被初始轉換成三維坐標并直接計算穿過
它們的切面。第二種方法不涉及束角估值的迭代進程和曲線旋轉，由此在確定最后的束角和外傾角數值之前不計算初始或被估值的束角。然而，應當明白的是，這樣的補償可以取決于該應用或具體測量參數而不需要
圖1圖示說明使用在輪胎和車輪組件58左右側66a、 66b周圍大體上對稱定位的傳感器52a、 52b。然而，應當明白的是，在本發明范圍內可以采用使用傳感器的替換測量設備排布并且仍有想要有的功能。例如，替換排布可以采用投射照明線并在整個輪胎和車輪組件處接收被反射的圖像的單個傳感器。這樣的傳感器可以包含替換光學器件以在更寬的區域上展開光線平面，替換照相機裝置具有更大或更寬的視場。在這個排布中，被反射的圖像可以與從輪胎一部分或一側反射的圖像劃分或分隔開，從這部分或這側反射的圖像與從輪胎另 一部分反射的圖像分開處理，將以上指出的算法應用到所反射的照明線被分開接收并處理的部分。
在激光作為光線投射儀的情況下，應當指出的是激光在更大的區域上展開則可以用相同的激光功率投射更少的照明線就得到相同光線強度的激光線，也就是說想要有與較多的較短線可比的強度則線越長可以在相同功率下投射越少的線。因此這個方法的準確性會由于線減小且圖像分辨率更低而降低。然而，在考慮到潛在的成本更低的測量設備可以接受更低的準確性的應用中想要有這個方法。
還有另 一個替換測量設備排布會要釆用取向成投射照明線并接收從該輪胎頂部反射的圖像的第三傳感器，比如大體上十二點鐘取向。這樣的第三傳感器可以相對于圖1中所示的傳感器52a、52b水平定位或排布以使一條或多條照明線在輪胎上大體上豎直排布。這既增加了測量點的數量又由于它們在Z方向上的分隔而增大了最低和最高測量點之間的分隔距離，導致角分辨率的改進和外傾角可以測量得準確性更高。
傳感器還可以采用對漂移的內部補償，比如熱漂移，漂移作為應力松弛、波長漂移、或這類事件的結果而發生。環境溫度變化并且/或者傳感器部件生成熱量時就會產生熱漂移。這個熱不穩定性可以影響光線投射儀、
26參考光線投射儀、以;^/或者照相機裝置而且影響測量精確度。 一種熱漂移
補償方法是才交準傳感器，比如傳感器52、 152、 252、以及/或者352,在多個不同溫度上以確定在給定范圍上溫度對傳感器的影響。然后可以在傳感器正常運作期間確定車輪定位時監測傳感器溫度，基于溫度的校準數據經由內插法而應用以得到在被補償的溫度處的定位數值。
另 一種熱漂移補償方法可以通過識別照明線光線圖樣中的不變量而完成。無論傳感器正在操:作的對象如何這些都是有恒溫就在圖像中不改變的參數。例如，代替包括水平多線圖樣的照明線，可以使用水平和豎直線構成的多線替換圖樣，這些線的交叉處在系統中形成不變量。在被定位的系統中期望這些不變量在^皮反射的圖像中豎直線上移動。可以使用數學求值來模仿這些交叉處經由漂移比如熱漂移的不穩定性移動，允許對這種情況下導致不穩定性的溫度變化進行估值。進而，這使測量設備中熱漂移能夠補償。
一種替換的補償方法可以是將被反射的二維照明線圖樣的 一 部分脫離一個或多個照明線并且在照相機裝置所保留的CDD元件上捕獲被偏離部分的圖像。這可以通過鏡子和透鏡的光學系統來完成以反射并使直接向照相機裝置反射的照明線偏離。因為這個光學系統通過設計而固定，照相機裝置的CDD上被偏離照明線的任何漂移都可以歸因于光線投射儀的漂移，比如熱漂移。對被反射的照明線相對于校準位置偏離的部分進行的求值被比較以使傳感器的漂移可以在測量進程期間動態補償。
應當明白的是在本發明的范圍內可以采用來自以上所述設備的傳感器的替換排布和結構并且仍有想要的功能。例如，可以構建傳感器，由此光線投射儀和/或參考光線投射儀大體上垂直于輪胎和車輪組件而取向，照相機裝置相對該輪胎和車輪組件成角度。進一步來說，光線投射儀和/或參考光線投射儀可以取向成相對于照相機裝置向上投射。參考光線投射儀還可以投射不只一個光線平面或替換成形的光線而且/或者光線投射儀可以相對于圖示說明的光線平面投射替換成形的光線。
還進一步來說，如上面所指出的，傳感器52投射光束，在圖示說明的實施例中是光線平面62形成如照明線64所顯露的照明圖像。然而，作為選#^,可以投射其他形式的光束以創建替換類型或形式的照明圖像。例 如，可以投射像射線創建點或聚光點那樣形成的光束，或者可以投射顯露 幾何形狀的光束，比如圓形、正方形、十字形、橢圓形、或這類形狀。
另外，雖然在上面指出的測量系統50中將每個傳感器52公開為包括 獨立的處理器68，應當明白的是可以將處理器替換排布。例如，可以采用 單個處理器，這個處理器不是在傳感器內部就是在外部^:置，比如在遠程 中央計算系統中。還進一步來說，測量系統可以用兩個光線投射儀和單個 照相機裝置或者單個光線投射儀和兩個照相機裝置來構建。在這兩種排布 無論哪一種中，可以使用一個或多個參考光線投射儀，甚至如果將一個或 多個光線投射儀構建成才更射如上所述的不規則圖樣則可以省略一個或多 個參考光線投射儀。
傳感器52在上面^^皮描述為用于確定輪胎和車輛組件58的定位特征。 然而，還應當明白的是，可以采用傳感器52在應用中測量或確定替換參 凄丈，在此例如在測量對象上所投射的線生成線分布圖，該線分布圖允許經 由所反射的線來提取具體點以使這些點的三維空間坐標可以確定。這樣的 替換應用的一個例子是測量機動車擋泥板高度。多個被投射并被反射的照 明線允許對車輛擋泥板上多個點進行三維空間計算。每個被投射并被反射 的照明線都將示出該擋泥板上的具體下降點，所確定的穿過這些點的曲線 用相當于機動車擋泥板高度的曲線最高點來描述擋泥板。
本發明測量系統的非接觸式傳感器將多個照明線投射到對象上，比如 輪胎和車輪組件中的輪胎，以及接收這些照明線被反射的圖像。從所反射
的圖像中，傳感器確定輪胎上照明線被選擇的點的三維空間坐標而且確定 穿過^皮確定的三維空間坐標的平面，這個平面代表輪胎和車^"組件的取向 并可以從中算出束角和外傾角，以及其他定位特征。投射多個照明線提供 確定輪胎和車輪組件取向上的更高精確度，比如通過提供更多的測量點， 而且增加了傳感器可以運作的工作領域。另外，投射多個光線平面使光線 平面的投射角度能夠增加，其進而加強了傳感器的靈敏度。可以為傳感器 所成像的每個照明線計算輪胎和車輪組件的取向，由此提供冗余度、魯棒 性，并且使噪聲減小。還進一步來說，由于輪胎大體上圓環形狀和投射到
284合胎側壁表面上的照明線被關聯確定的頂點，單一圖像可以用來計算外傾 角、束角角度、以及車輪中心位置。
在具體描述的實施例中可以進行改變和修改而不脫離本發明的原理， 本發明的原理意圖在于只受所附權利要求的范圍的限制限制，如根據包括 等效的法律原則的專利法原理所解釋的。
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權利要求
1.一種確定安裝在機動車上的輪胎和車輪組件的定位特征的方法，所述方法包括從第一光線投射儀投射多個光線平面到輪胎和車輪組件上以在輪胎和車輪組件中的輪胎上形成多個大體上平行的照明線；用光電裝置接收所述照明線中至少一些被反射的圖像，所述光電裝置在相對于所述第一光線投射儀的投射角的角度上接收從輪胎反射的所述照明線的圖像；并且確定由來自被選擇的點的空間坐標所限定的平面，該被選擇的點位于由所述光電裝置成像的每個所述照明線上，所述平面代表輪胎和車輛組件的取向。
2. 如權利要求1所述的方法，其中從所述第一光線投射儀所述投射所述多個光線平面包括從所述第 一光線投射儀發散地投射所述多個光線平面。
3. 如權利要求1或2所述的方法，還包括從第二光線投射儀投射單一光線平面到該輪胎和車輪組件上以形成該輪胎和車輪組件中輪胎上的單一參考照明線；用所述光電裝置從輪胎接收所述參考照明線被反射的圖像；以及確定從所述參考照明線到非接觸式車輪定位傳感器的參考距離，該非接觸式車輪定位傳感器包括所述第一和第二光線投射儀和所述光電裝置。
4. 如權利要求3所述的方法，還包括在使用所述參考距離在所述接收步驟識別哪些所述照明線凈皮成像。
5. 如權利要求3或4所述的方法，其中所述第二光線投射儀相對于所述第 一光線投射儀有角度地取向。
6. 如權利要求1至5中任何一個所述的方法，其中所述投射多個光線平面的步驟包括從所述第一光線投射儀投射所述多個光線平面到反射裝置上，所述反射裝置將所述多個光線平面射向該輪胎和車輪組件。
7. 如權利要求1至6中任何一個所述的方法，其中所述接收所述照明線中至少 一些被反射的圖像的步驟包括用反射裝置將所述照明線中所述至少 一 些對準所述光電裝置。
8. 如權利要求1至7中任何一個所述的方法，其中所述投射多個光線平面的步驟包括從所述光線投射儀投射所述多個光線平面同時到笫一輪胎部分和第二輪胎部分上，第 一輪胎部分相對于第二輪胎部分放置在該車輪周圍。
9. 如權利要求8所述的方法，其中所述接收所述照明線中至少一些^^射的圖像的步驟包括接收從第一和第二輪胎部分反射的圖像。
10. 如權利要求1至9中任何一個所述的方法，還包括從位于每個所述照明線上的所述^t選"t奪點來確定由空間坐標限定的圓，所述圓與該輪胎和車輪組件同心，并且確定所述圓的中點，所述中點代表該輪胎和車輪組件的中心。
11. 如權利要求1至10中任何一個所述的方法，還包括在輪胎和車輪組件旋轉時重復所述接收所述照明線中至少 一些被反射的圖像的步驟從而由所述光電裝置成像多個幀。
12. 如權利要求11所述的方法，還包括對由來自被選擇的點的空間坐標所限定的平面進行所述確定對于由所述光電裝置成像的每一幀進行重復，該被選擇的點位于由所述光電裝置成像的每個所述照明線上。
13. 如權利要求11所述的方法，其中所述確定步驟包括通過空間坐標對于由所述光電裝置成像的每一幀取平均值而確定平面，這些空間坐標來自位于每個所述照明線上的被選擇點。
14. 如權利要求1至11中任何一個所述的方法，其中所述確定平面的步驟包括為位于由所述光電裝置成像的每個所述照明線上的多個點來判定三維空間坐標；為使用三維空間坐標的每個所述照明線推導最佳擬合曲線方程；并且將所述平面確定為到來自所述推導步驟的每個所述照明線的曲線方程的最佳擬合切面，其中所述平面與曲線方程的交叉處限定位于每個所述照明線上的所述^L選擇點。
15. 如權利要求14所述的方法，其中所述確定所述平面為最佳擬合切面包括使用來自所述推導步驟的曲線方程在離參考平面最近的每個所述照明線上確定參考點；將第 一平面確定為到來自每個所述照明線的這些 參考點的最佳擬合平面；并且迭代地確定所述平面是通過首先確定位于離 先前確定的平面最近的每個所述照明線上的所述一個^皮選擇點，然后確定 新平面為到所述被選擇點上的最佳擬合平面，所述被選擇點位于離新確定 的平面最近的每個所述照明線上。
16. 如權利要求1至15中任何一個所述的方法，其中將多個光線平 面從所述第一光線投射儀到輪胎和車輪組件上的所述投射在輪胎上形成 近似十五個大體上平行的照明線，而且其中用光電裝置對所述照明線中至 少 一些的被反射圖像進行的所述接收包括接收所述照明線中近似十至十 二個照明線被反射的圖像。
17. 如權利要求l所述的方法，還包括從另一個光線投射儀投射多 個光線平面到輪胎和車輪組件上在輪胎上形成多個大體上平行的第二照 明線，來自所述第一光線-投射儀的所述照明線與來自所述另 一個光線投射 儀的所述第二照明線間隔開；其中用光電裝置對所述照明線中至少一些的 被反射圖像進行的所述接收包括接收由所述第 一光線投射儀形成的至少 一個所述照明線的被反射圖像而且接收由所述另 一個光線投射儀形成的 至少 一個所迷第二照明線的凈皮反射圖像。
18. 如權利要求1所述的方法，還包括在所述投射和所述接收步驟期 間監測溫度，而且還包括在所述確定步驟期間補償溫度。
19. 用于確定安裝在機動車上的輪胎和車輪組件的定位特征的非接觸 式車輪定位傳感器，所述傳感器包括第一多光線投射儀，將多個光線平 面投射到輪胎和車輪組件上以在輪胎上形成大體上平行的照明線；照相機 裝置，在相對于所述第一多光線投射儀的投射角的偏移角度上接收從輪胎 反射的所述照明線中至少一些^^射的圖像；處理器，確定由來自被選擇 的點的空間坐標所限定的平面，該被選擇的點位于由所述照相機裝置成像 的每個所述照明線上，所述平面代表輪胎和車輪組件的取向。
20. 如權利要求19所述的非接觸式車輪定位傳感器，其中所述第一 多光線投射儀發散地投射所述多個光線平面。
21. 如權利要求19或20所述的非接觸式車輪定位傳感器，還包括將 單個光線平面投射到輪胎和車輪組件上在輪胎上形成參考照明線的單線 參考光線投射儀。
22. 如權利要求21所述的非接觸式車輪定位傳感器，其中將所述單 線參考光線投射儀取向成在從所述第一多光線投射儀偏移的角度上投射。
23. 如權利要求19或20所述的非接觸式車輪定位傳感器，還包括第 二多光線投射儀，將第二多個光線平面投射到輪胎和車輪組件上在輪胎上 形成大體上平行的照明線的第二集合。
24. 如權利要求23所述的非接觸式車輪定位傳感器，其中由所述第 一多光線投射儀形成的所述照明線在輪胎上與由所述第二多光線投射儀 形成的大體上平行的照明線的所述第二集合間隔開。
25. 如權利要求19至22中任何一個所述的非接觸式車輪定位傳感器， 還包括第 一反射裝置，來自所述第 一多光線投射儀的所述多個光線平面由 所述第一反射裝置反射到輪胎和車輪組件上。
26. 如權利要求25所述的非接觸式車輪定位傳感器，還包括第二反射裝置，所述照相機裝置接收由所述第二反射裝置反射的所述照明線中所 述至少一些的圖Y象。
全文摘要
一種確定對象的取向比如安裝在機動車(60)上的輪胎和車輪組件(58)的定位特征的傳感器和方法，包括從第一光線投射儀(70)投射多個光線平面(62)到輪胎和車輪組件(58)上以在輪胎和車輪組件(58)中的輪胎(66)上形成多個大體上平行的照明線(64)，用光電裝置(76)在相對于第一光線投射儀(70)的投射角的角度上接收從輪胎(66)反射的照明線(64)中至少一些被反射的圖像，并且確定由來自被選擇的點(55)的空間坐標所限定的平面(57)，該被選擇的點(55)位于由該光電裝置(76)成像的每個照明線(64)上，該平面(57)代表輪胎和車輛組件(58)的取向。
文檔編號G01B11/26GK101680754SQ200880014747
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月2日 優先權日2007年5月4日
發明者克里斯·德·索羅維樂, 狄迪爾·伯格胡恩, 科恩·維哈爾特 申請人:寶克E·博特機械公司;維哈爾特新產品和服務公眾有限公司