<Desc/Clms Page number 1>
WERKWIJZE VOOR HET DYNAMISCH METEN VAN DE POSITIE EN ORIËNTATIE VAN EEN WIEL
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten van de positie en/of de oriëntatie van een eerste onderdeel ten opzichte van een tweede onderdeel van een voertuig, waarop dit eerste onderdeel op een beweeglijke manier is gemonteerd, met behulp van een optisch meetsysteem met minstens één cameraeenheid, waarbij men minstens drie niet op een rechte gelegen referenties op een van deze onderdelen voorziet zodanig dat deze referenties kunnen worden waargenomen door de cameraeenheid. Genoemd voertuig bestaat bijvoorbeeld uit een personenwagen, een vrachtwagen, een bromfiets, etc., terwijl genoemde onderdelen bijvoorbeeld door een wiel en het koetswerk van dit voertuig worden gevormd.
Volgens de huidige stand van de techniek voert men metingen uit om de positie van het wiel van een voertuig ten opzichte van het koetswerk ervan te bepalen.
Hierbij verbindt men het wiel met het koetswerk via een mechanische meetarm die een aantal sensoren bevat. Bij een dergelijk systeem is het niet mogelijk om metingen te verrichten wanneer het wiel met hoge frequenties beweegt ingevolge de inertie van de meetarm. Metingen bij zeer lage frequenties kunnen evenmin met een voldoende nauwkeurigheid worden uitgevoerd. Bijgevolg is de bandbreedte van dergelijke metingen sterk beperkt. Bovendien wordt het gedrag van het koetswerk en het wiel beïnvloed door de erop gemonteerd meetarm.
Er zijn verschillende optische meetsystemen bekend voor het meten van de positie van een wiel van een voertuig of voor het bepalen van de vervorming van het koetswerk ervan op een testbank. Dergelijke meetsystemen bevatten relatief omvangrijke cameraeenheden en kunnen echter niet toegepast worden op een voertuig dat zich bijvoorbeeld op een testcircuit voortbeweegt.
<Desc/Clms Page number 2>
De uitvinding wil aan deze nadelen verhelpen door een werkwijze voor te stellen om de positie en oriëntatie van een wiel ten opzichte van een koetswerk van een voertuig te meten, terwijl dit voertuig zich voortbeweegt. Aldus kunnen positiemetingen van het wiel uitgevoerd worden in een zogenaamde reële wegsituatie en dit nagenoeg zonder het gedrag van het voertuig te beïnvloeden. Daarenboven laat de werkwijze volgens de uitvinding eveneens toe om op een zeer nauwkeurige manier de positie van het wiel te meten wanneer dit onderworpen wordt aan verplaatsingen met een heel hoge of een heel lage frequentie en dit zelfs voor grote verplaatsingen van het wiel.
Tot dit doel monteert men genoemde cameraeenheid vast ten opzichte van het andere onderdeel en meet men de positie van genoemde referenties met genoemd optisch meetsysteem voor opeenvolgende posities en/of oriëntaties van het onderdeel waarop deze referenties voorzien zijn.
Doelmatig bepaalt men de driedimensionale positie van het onderdeel waarop genoemde referenties zijn voorzien door een tweedimensionale positiemeting te verrichten voor elk van genoemde referenties voor een bepaalde positie van dit onderdeel, waarbij men op basis van de werkelijke afstand tussen de referenties en de gemeten tweedimensionale positie, de positie van de referenties, en dus van het onderdeel waarop genoemde referenties zijn voorzien, in drie dimensies bepaalt.
Op een voordelige wijze wendt men voor genoemde cameraeenheid een matrixcamera aan.
Op een bijzonder voordelige wijze stelt men genoemde cameraeenheid samen door twee lineaire camera's volgens twee verschillende richtingen in, bij voorkeur, eenzelfde vlak op te stellen. Bij voorkeur worden de lineaire camera's loodrecht ten opzichte van elkaar opgesteld.
De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het bepalen van de ruimtelijke positie van een object met behulp van een optisch meetsysteem dat een cameraeenheid bevat, waarbij men minstens drie referenties op dit object voorziet die door genoemde cameraeenheid kunnen waargenomen worden.
Deze werkwijze heeft als kenmerkt dat men, met genoemde cameraeenheid, de positie van genoemde referenties in twee dimensies meet, waarbij men vervolgens, uitgaande
<Desc/Clms Page number 3>
van de werkelijke afstand tussen genoemde referentiepunten, de ruimtelijke positie van genoemde referenties berekent.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hierna volgende beschrijving van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding ; deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de draagwijdte niet van de gevorderde bescherming ; de hierna gebruikte verwijzingscijfers hebben betrekking op de hieraan toegevoegde figuren.
Figuur 1 is een schematische perspectiefvoorstelling van een wiel met een koetswerk van een voertuig waarop een cameraeenheid van een optisch meetsysteem, volgens een eerste uitvoeringsvorm, volgens de uitvinding, is geplaatst.
Figuur 2 is een schematische perspectiefvoorstelling van een wiel met een koetswerk van een voertuig waarop een cameraeenheid van een optisch meetsysteem volgens een tweede uitvoeringsvorm, volgens de uitvinding, is geplaatst.
In de verschillende figuren hebben dezelfde verwijzingscijfers betrekking op dezelfde of analoge elementen.
In deze beschrijving omvat het begrip positie zowel de ruimtelijke locatie van een voorwerp als de oriëntatie ervan. Aangezien een voorwerp in een driedimensionale ruimte zes vrijheidsgraden vertoont, met name drie translationele en drie rotationele vrijheidsgraden, is de positie van dit voorwerp bepaald wanneer deze zes vrijheidsgraden vastliggen. De positie van een punt, dat bijvoorbeeld wordt voorgesteld door de hieronder beschreven referenties, wordt bepaald door de drie translationele vrijheidsgraden ervan vast te leggen.
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten van de positie van een eerste onderdeel ten opzichte van een tweede onderdeel van een voertuig. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze, volgens de uitvinding, worden deze onderdelen gevormd door respectievelijk een wiel en het koetswerk van een voertuig en meet men de positie en/of oriëntatie van dit wiel relatief ten opzichte van het koetswerk waarop het gemonteerd is. Bij deze werkwijze wordt een cameraeenheid 1 van een optisch meetsysteem met behulp van een statief 7 op het koetswerk 2 bevestigd, zoals schematisch is weergegeven in figuur 1.
De cameraeenheid 1 bevat een zender en ontvanger die via een antenne 8 in verbinding staan met een verwerkingseenheid 9 die eveneens samenwerkt met een zender en
<Desc/Clms Page number 4>
ontvanger 10. Op een dergelijke manier is het mogelijk om signalen van de cameraeenheid 1 naar de verwerkingseenheid 9 te zenden en om met behulp van deze laatste de cameraeenheid 1 te besturen.
Verder worden minstens drie referenties 4,5 en 6 aangebracht op het wiel 3. Deze referenties 4,5 en 6 worden bijvoorbeeld gevormd door een lichtemitterende diode (LED) en kunnen worden waargenomen door genoemde cameraeenheid 1. Wanneer aldus, met behulp van het optisch meetsysteem, op een zichzelf bekende manier, de ruimtelijke positie van de referenties 4,5 en 6 wordt gemeten is eveneens de ruimtelijke positie van het wiel 3 gekend. De positie van deze drie referentiepunten 4,5 en 6, die vast zijn met het wiel 3, bepaalt namelijk eenduidig de ruimtelijke positie van dit laatste.
Teneinde op een eenvoudige manier berekeningen uit te voeren, wordt een wielcooördinatensysteem 14 gekozen dat vast is met het wiel 3. Aldus worden de referenties 4,5 en 6 gedefinieerd door hun positie in dit wielcoördinatensysteem 14.
Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze, volgens de uitvinding, wordt een basis-assenstelsel geassocieerd met de cameraeenheid 1 of het koetswerk 2. Meer bepaald kiest men een voertuigcoördinatensysteem 15 dat vast is met het voertuig en een cameracoördinatensysteem 16 dat vast is ten opzichte van de cameraeenheid 1. Aldus worden de coördinaten van de gemeten positie van de referenties 4,5 en 6 door het optisch meetsysteem bij voorkeur berekend ten opzichte van het voertuigcoördinatensysteem 15.
Een eerste meting wordt bijvoorbeeld uitgevoerd wanneer het voertuig stilstaat en het wiel 3 zich in een rustpositie bevindt. De positie van de referenties 4,5 en 6 in deze rustpositie bepalen aldus een referentiepositie. Vervolgens worden positiemetingen van de referenties 4,5 en 6 uitgevoerd wanneer het voertuig in beweging is en worden deze gemeten posities vergeleken met genoemde referentiepositie. Op een dergelijke manier wordt bijgevolg de relatieve verplaatsing en de overeenkomstige positie van het wiel 3 bepaald ten opzichte van het koetswerk 2.
Aldus is het bijvoorbeeld mogelijk om het gedrag van een voertuig te bestuderen wanneer dit in beweging is en bijvoorbeeld over een testbaan rijdt. Dit laat
<Desc/Clms Page number 5>
meer bepaald toe om de ophanging en de vering van een wiel 3 ten opzichte van het koetswerk 2 te bestuderen, evenals bijvoorbeeld de wegligging van het voertuig.
Volgens een bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze, volgens de uitvinding, worden de posities van genoemde referenties 4,5 en 6 met behulp van de cameraeenheid l in twee dimensies gemeten. Meer bepaald, worden hierbij, voor een bepaalde positie van het wiel 3, de coördinaten van de positie van elk van de referenties 4,5 en 6 bepaald volgens twee, bij voorkeur loodrechte, richtingen in een vlak dat loodrecht op de optische as van de cameraeenheid l staat.
Vervolgens wordt de werkelijke driedimensionale positie van de referenties 4,5 en 6 berekend uitgaande van de, aldus tweedimensionaal gemeten posities van de referenties 4,5 en 6 en de werkelijke afstand tussen elk van deze referenties 4,5 en 6.
Bij een tweedimensionale positiemeting wordt, meer bepaald, de positie van genoemde referenties 4,5 en 6 op een vlak dat loodrecht staat op de optische as van de cameraeenheid 1 gemeten. Door er echter rekening mee te houden dat deze referenties 4,5 en 6 een vaste positie ten opzichte van elkaar innemen, berekent men op basis van de werkelijke ruimtelijke afstand tussen deze referenties 4,5 en 6 en de tweedimensionaal gemeten coördinaten ervan, de coördinaat van elk van de referenties 4,5 en 6 volgens de richting van de optische as van de cameraeenheid 1. Deze berekening wordt uitgevoerd volgens klassieke goniometrische berekeningsmethodes.
Vervolgens worden de coördinaten van de referenties 4,5 en 6 eventueel uitgedrukt ten opzichte van genoemde basis-assenstelsel in drie dimensies teneinde de aldus bepaalde positie van de referenties 4,5 en 6, bijvoorbeeld, te vergelijken met genoemde rustpositie.
Op een voordelige wijze bevat de cameraeenheid l twee zogenaamde lineaire camera's. Een dergelijke lineaire camera bevat een rechte rij met opeenvolgende sensoren waarmee een beeld kan worden waargenomen zodat hiermee een positiemeting in één dimensie kan uitgevoerd worden.
Aldus bevat de cameraeenheid 1 twee lineaire camera's die volgens twee verschillende richtingen in eenzelfde vlak worden opgesteld. Dit houdt in dat genoemde rijen met sensoren van de camera's zich in eenzelfde vlak uitstrekken volgens twee snijdende rechten. Teneinde berekeningen te vereenvoudigen worden
<Desc/Clms Page number 6>
deze lineaire camera's bij voorkeur loodrecht opgesteld zodanig dat genoemde rijen met sensoren loodrecht ten opzichte van elkaar staan in eenzelfde vlak. De optische as van de cameraeenheid 1 strekt zich dan loodrecht op dit vlak uit.
Met behulp van een dergelijke cameraeenheid 1, met twee lineaire camera's, wordt de positie van genoemde referenties 4,5, en 6 in twee dimensies gemeten. Hierbij wordt met elk van de lineaire camera's de positie van de referenties volgens de richting van de overeenkomstige rij met sensoren gemeten.
Zoals hierboven beschreven, worden vervolgens, uitgaande van deze tweedimensionale meting en de werkelijke afstand tussen de referentiepunten 4,5 en 6, de coördinaten van de referenties 4,5 en 6 in genoemd basis-assenstelsel berekend.
Het is uiteraard eveneens mogelijk dat genoemde cameraeenheid 1 bijvoorbeeld een matrixcamera bevat. Deze matrixcamera laat toe om genoemde tweedimensionale positiemeting uit te voeren. Hierbij strekt de optische as zich nagenoeg loodrecht op het waamemingsvlak van de matrixcamera uit.
Volgens een zeer interessante uitvoeringsvorm van de werkwijze, volgens de uitvinding, worden genoemde referenties 4,5 en 6 vast op een drager 11 gemonteerd. Op deze manier wordt ervoor gezorgd dat de afstand tussen de referenties 4,5 en 6 nagenoeg constant is. De drager 11, die voorgesteld is in figuur 1, wordt gevormd door een vlakke driehoekige plaat en wordt, bij voorkeur, losneembaar op het wiel 3 gemonteerd.
Doordat de referenties 4,5 en 6 op een drager worden bevestigd, kan op een eenvoudige manier de werkelijke afstand tussen deze referenties gemeten worden.
De werkwijze, volgens de uitvinding laat eveneens toe om de positie van de rotatieas van het wiel 3 ten opzichte van de referenties 4,5 en 6, of ten opzichte van genoemd basis-assenstelsel, te bepalen door het wiel 3 in minstens drie verschillende standen te roteren rond de rotatieas ervan.
Tijdens deze rotatiebeweging worden opeenvolgende posities van minstens één referentie 4,5 of 6 gemeten. Deze gemeten posities bevinden zich op een cirkelboog. Het middelpunt van de cirkel waarop de cirkelboog ligt en het vlak dat deze cirkelboog bevat worden berekend om de juiste positie van het rotatiepunt en de rotatieas te bepalen. Aldus valt het rotatiepunt van het wiel 3 samen met dit middelpunt en valt de rotatieas ervan samen met de middelloodlijn van deze cirkel,
<Desc/Clms Page number 7>
welke de rechte is die door het rotatiepunt gaat en die loodrecht staat op het vlak van de cirkel.
Teneinde te detecteren of de cameraeenheid 1 een vaste positie inneemt ten opzichte van het koetswerk 2, wordt, op een voordelige wijze, een bijkomende referentie op het koetswerk 2 bevestigd in de nabijheid van het wiel 3. Deze bijkomende referentie wordt gedefinieerd door de coördinaten ervan in genoemd voertuigcoördinatensysteem 15 en wordt eveneens waargenomen door de cameraeenheid 1. Bij het meten van de ruimtelijke positie van de referenties 4,5 en 6 die op het wiel 3 zijn bevestigd, wordt eveneens de tweedimensionale positie van deze bijkomende referentie gemeten. Wanneer men aldus vaststelt dat de positie van deze referentie is gewijzigd in genoemd cameracoördinatensysteem 16, bepaalt men hieruit de verplaatsing van de cameraeenheid l ten opzichte van het koetswerk 2.
Dit laat toe om de gemeten posities van het wiel 3 te corrigeren aan de hand van de vastgestelde verplaatsing van de cameraeenheid 1 of om bij de interpretatie van de uitgevoerde positiemetingen hiermee rekening te houden.
Teneinde op een exactere wijze rekening te houden met een eventuele beweging van de cameraeenheid 1 ten opzichte van het koetswerk 2, kunnen bijvoorbeeld drie referentiepunten op het koetswerk 2 in de nabijheid van het wiel 3 aangebracht worden. Hierbij wordt de exacte afstand tussen deze referenties bepaald, en kan op eenzelfde manier, zoals hierboven beschreven de ruimtelijke positie van het koetswerk 2 ten opzichte van de cameraeenheid 1 worden bepaald.
Verder kan voor meer dan één wiel 3 van het voertuig een cameraeenheid 1 bevestigd worden. Aldus is het mogelijk om, bijvoorbeeld, voor elk van de wielen 3 van het voertuig gelijktijdig, de werkwijze, volgens de uitvinding, toe te passen en kunnen de posities van de verschillende wielen ten opzichte van elkaar gemeten worden. Dit laat bijvoorbeeld toe om het dynamisch gedrag van de wielen 3 ten opzichte van elkaar te bestuderen.
Teneinde in een dergelijk geval de onderlinge positie van de verschillende cameraeenheden te bepalen, worden vaste referenties op het koetswerk aangebracht die door minstens twee cameraeenheden 1 waarneembaar zijn.
Op een zeer voordelige manier is genoemde drager 11 via een hoekencoder 13 op het wiel 3 gemonteerd ter hoogte van het rotatiepunt ervan, terwijl de
<Desc/Clms Page number 8>
drager 11 zelf aan het koetswerk 2 van het voertuig is bevestigd, zoals schematisch is voorgesteld in figuur 2. De drager 11 wordt, bij voorkeur, op een elastische manier met het koetswerk 2 verbonden met behulp van bijvoorbeeld mechanische veren 12.
Aldus roteren de referenties 4,5 en 6, die op de drager 11 zijn voorzien, niet tezamen met het wiel 3 rond de wielas wanneer het voertuig in beweging is.
Het gebruik van een dergelijke hoek-encoder 13 laat bijvoorbeeld toe om alleen de verplaatsing en de oriëntatie van het wiel 3 ten opzichte van het koetswerk 2 te meten, waarbij de rotatie van het wiel 3, rond de as ervan, niet met behulp van de cameraeenheid 1 wordt waargenomen. Met behulp van de hoekencoder 13 wordt bijvoorbeeld de omwentelingssnelheid van het wiel 3 bepaald, zodat hiermee rekening kan gehouden worden bij de interpretatie van de gemeten positie en/of oriëntatie van het wiel 3.
In een eenvoudige variante op deze uitvoeringsvorm, wordt de drager 11 zodanig op het wiel 3 gemonteerd dat deze vrij roteerbaar is rond de wielas ervan.
De drager 11 is dan met het koetswerk 1 verbonden met behulp van één of meerdere veren 12 zodanig dat deze drager 11 nagenoeg geen rotatie rond de as van het wiel 3 kan ondergaan.
Het is duidelijk dat de werkwijze en de inrichting, volgens de uitvinding, niet beperkt zijn tot het meten van de positie en/of oriëntatie van het wiel van een voertuig ten opzichte van het koetswerk ervan. Zo kan de uitvinding toegepast worden om de positie of de verplaatsing van om het even welk object te bepalen ten opzichte van het koetswerk van een voertuig.
Aldus worden genoemde referenties 4,5 en 6 bijvoorbeeld bevestigd aan een testpop die in het voertuig is geplaatst, bij voorkeur aan het hoofd van een dergelijke testpop, tijdens een zogenaamde crashtest of aan het motorblok van een voertuig.
Ook is het mogelijk om met behulp van de werkwijze en de inrichting, volgens de uitvinding, bepaalde vervormingen van het koetswerk 2 te meten. Meer bepaald kunnen torsies van het koetswerk 2 bepaalde worden door genoemde referenties 4,5 en 6 op het koetswerk zelf aan te brengen en vervolgens, bij belasting van het koetswerk, de positie en/of oriëntatiewijziging van het vlak waarin deze referenties liggen te bepalen.
<Desc/Clms Page number 9>
De uitvinding is natuurlijk niet beperkt tot de hierboven beschreven werkwijze en de in bijgaande figuur voorgestelde inrichting.
Zo kunnen meer dan drie referenties op het wiel aangebracht worden.
Eventueel kan een vierde referentie gekozen worden die niet in het vlak van de drie eerste referenties ligt.
Bijkomende referenties kunnen eveneens op de band die rond het wiel zit worden voorzien om aldus bijvoorbeeld de vervorming of samendrukking van de band te meten. Verder is het uiteraard niet vereist dat de verwerkingseenheid 9 via een zender en ontvanger samenwerkt met de cameraeenheid 1. De verwerkingseenheid 9 kan, bijvoorbeeld, in het voertuig zelf geplaatst worden en rechtstreeks in verbinding staan met de cameraeenheid 1.
De cameraeenheid 1 kan eventueel meer dan twee lineaire camera's bevatten. Aldus kan de positie van genoemde referenties met een hogere nauwkeurigheid bepaald worden ingevolge de redundantie die optreedt bij het meten en het berekenen van de positie ervan.
Ook is de vorm van drager 11 niet beperkt tot een vlakke plaat zoals hierboven beschreven. De drager 11 kan bijvoorbeeld gevormd worden door een piramidaal, cilindrisch of conisch ruimtelijk lichaam waarop genoemde referenties worden voorzien. Verder kunnen meer dan drie referenties op de drager bevestigd worden en kan genoemde werkelijke afstand tussen de referenties bijvoorbeeld de afstand volgens een cirkelboog zijn die zich volgens het oppervlak van de drager uitstrekt.