CN102971604B - 用于确定车辆车轮对准的系统和相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定车辆（3）的至少一个第一车轮（2）的定向的系统（1；1'），并且该系统设置有：至少一个第一目标（5；5'），一体地接合至第一车轮（2）；图像捕获装置（6a，6b），该图像捕获装置获得第一目标（5；5'）的第一二维图像；以及处理装置（8），操作性地连接至图像捕获装置（6a，6b）并且处理第一二维图像。第一目标（5；5'）具有适于限定根据已知的三维布置而布置的几何量的三维形状；处理装置（8）处理第一二维图像以识别几何量的投影并且基于投影的几何特征确定第一目标（5；5'）相对于参照系统的空间布置，以确定第一车轮（2）的定向特征。

Description

用于确定车辆车轮对准的系统和相关方法
技术领域
本发明涉及用于确定车辆车轮对准的系统和相关方法。
背景技术
已知用于确定车辆车轮对准的系统，特别是用于机动车辆的，其能够自动测量车轮的一个或多个特征角度，例如内斜角和外倾角，以检查车轮的正确相互对准。实际上，如已知的，不正确的对准会造成过度的或者不均匀的轮胎磨损并且还造成驱动和车辆稳定性问题。
通常地，用于确定车辆车轮对准的系统构造为检测每个车轮的平面相对于作为参照的单组三个正交轴的定向(应该注意的是，“车轮的平面”指的是车轮的外侧表面所在的平面)，从而能够采取适当的校正动作以恢复车轮的相互对准。
具体地，一些系统设想使用用于特征角度的检测元件，或者不管怎样使用合适的敏感元件，其经由特定的安装装置(所谓的“夹具”)直接连接到车辆的车轮，以识别设定的几何形状；在这种情形中，需要非常小心地将它们安装在车轮上，以避免损坏易碎部分。
其它系统将观察点移到车辆的外部，以通过不受车辆的定向限制的一个或多个图像获得装置通过观察车轮的角度变化相对于设定限定固定的参照系统。具体地，一些系统预期将图像获得装置直接定位在汽车升降机上(能够以已知的方式在观察下升高车辆)；其它系统预期将相同的图像获得装置定位在固定的或者可独立移动的结构上，该结构位于距离车辆和汽车升降机一定距离处并且相对于车辆和汽车升降机自由定位。在第一种情形中，图像获得装置跟随汽车升降机的移动，但是由此，它们必须动态地补偿失真；在第二种情形中，图像获得装置必须经由受控的移动锁定在汽车升降机上，以保持针对车轮，但是不需要补偿失真。
通常，这些系统使用安装在车辆的车轮上的适当的目标，以突出他们的旋转以及在空间中的位置。
具体地，目标具有描绘可以被图像获得装置识别的多种形状的二维图像的平的表面。接合到图像获得装置的处理装置通常地对在形成真实目标的一部分的大致平的表面上识别的二维图像的几何形状以及图像获得装置在它们的参照系统中提供的二维图像的几何形状执行所谓的“最佳符合”操作。该操作能够动态地确定目标的空间定向，并且因此限定关于每个车轮在单个参照系统(例如，车辆的参照系统)内的线性运动和角运动的基本旋转和平移。此后，这些基本旋转和平移(适当地联系在一起)用于限定更特别地关于车辆的设定和对准特征的其它更复杂的旋转和平移。
例如，WO2008/143614 Al公开了一种预期使用连接到车辆的车轮的目标的对准确定系统。每个目标由布置在多个平面上的彼此相互平行或者形成预设角度的一组二维目标元件(具体地，具有圆形的形式)形成。该系统提供从获得的图像识别它们的相关平面上的目标元件以及实施“最佳符合”算法，例如，均方数学算法，以确定目标相对于参照系统的定向。
然而，该解决方案没有脱离传统的解决方案，由于其仍然是通常的二维解析方法(通过最佳符合操作，即，一种机械的而不是几何的解决方案)，其考虑在相关平面上在获得的图像中识别的每个单独的点相对于真实目标的构造的位移。因此，对于给定尺寸的目标来说，即使该解决方案也不允许待实现的测量分辨率的增加。
尽管在一些方面是有利的，已知的系统具有要求用于图像获得的立体系统的缺点，其需要存在多个图像获得装置以及用于每个观察的目标的获得的图像。可替代地，在利用唯一的图像获得装置的情形中，变得需要在车辆的适当移动过程中(例如，向前和向后，所谓的“运行”操作)或者在目标自身的适当移动过程中通过观察目标来执行目标相对于唯一的图像获得装置的定向的适当的识别过程。
此外，由于目标的倾斜改变，二维目标的几何特征的获得变得困难，导致采用的测量精度的不一致。
因此，在预期将目标元件识别为表面上的几何点的已知的系统中，在这些目标元件中的一个或多个被隐藏的情形中或者，不管怎样，在通过图像获得装置不可见时，可能损坏测量精确度。
因此在该领域中感到需要开发这样一种用于确定车辆车轮的定向的系统：其在角度测量中提供更大的分辨率和精确度，未预期需要执行特定的车辆位移操纵以识别目标的定向，并且其还具有简单并且经济的实施。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种用于确定车辆车轮的定向的系统：其全部地或者部分地解决上述缺点并且满足上述要求。
根据本发明，因此提供了一种用于确定车辆车轮的定向的系统和方法，该系统包括：至少一个第一目标，构造为一体地接合至第一车轮；-图像捕获装置，构造为获得第一目标的第一二维图像；以及处理装置操作性地接合至图像捕获装置并且构造为处理第一二维图像，其中，第一目标包括根据三维几何构造相互地布置的具有三维形状的多个目标元件，三维几何构造能通过给定的解析表达式限定，其中，三维几何构造设计为限定一组三个正交的目标向量，该组三个正交的目标向量限定目标参照系统(SdRtrg)，目标参照系统的空间取向与第一车轮的取向相对应；处理装置构造为根据三维几何构造处理第一二维图像以识别目标元件在其中的位置和目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)的投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)，并且基于投影向量的几何特征确定目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于参照系统的空间布置，从而确定第一车轮(2)的定向特征，其中，处理装置构造为确定第一二维图像中的投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)的线性测量，并且根据线性测量和目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)的相应实际已知测量确定活该组三个正交的目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于参照系统的空间旋转角度。
根据本发明的一个方面，用于确定车辆车轮的定向的系统方法包括：-捕获一体地接合至第一车轮的至少一个第一目标的第一二维图像；以及-处理第一二维图像，其中，第一目标包括根据三维几何构造相互地布置的具有三维形状的多个目标元件，三维几何构造能通过给定的解析表达式限定，其中，三维几何构造设计为限定一组三个正交的目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)，该组三个正交的目标向量限定目标参照系统(SdRtrg)，目标参照系统的空间取向与第一车轮的取向相对应；并且上述处理步骤包括：根据三维几何构造处理第一二维图像；识别目标元件在第一二维图像中的位置和目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)在第一二维图像中的投影；以及基于投影向量的几何特征确定目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于参照系统的空间布置，从而确定第一车轮的定向特征；其中，确定空间布置的步骤包括：确定第一二维图像中的投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)的线性测量；以及基于线性测量和目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)的相应实际已知测量确定该组三个正交的目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于参照系统的空间旋转角度。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将仅通过非限制性实例并且参照附图描述一些优选的实施方式，在附图中:
图1是根据本发明一个方面的车辆车轮对准系统的示意图；
图2a和图2b分别示出了在图1中的系统中使用的三维目标的一部分的平面图和前视图；
图3a和图3b示出了在存在相同车轮的不同定向角度时接合到车辆的车轮的目标的示意性立体图；
图4示出了通过图1中的系统的处理单元执行的用于确定定向以及用于确定车辆的设定的操作的流程图；
图5示出了关于与目标和捕获其二维图像的图像获得装置相关的参照系统的相互(reciprocal)布置的示意图；
图6和图7a-图7b是在图1中的系统中使用的目标的另一个实施方式的立体图；
图8示出了可以在图1中的系统中使用的有源(active)类型的目标的又一个实施方式的立体图；以及
图9示出了根据本发明的不同实施方式的车辆车轮对准系统的示意图。
具体实施方式
图1是示出了用于确定车辆3的车轮2的定位的由标号1作为整体表示的系统(示意性示出)。在示出的实例中，车辆3是装配有相对于车辆的纵向轴线A分别在左侧和右侧上成对布置的四个车轮2的机动车辆；车辆3被示出为定位在已知类型的并且示意性示出的汽车升降机4上。
系统1包括示意性示出的多个目标5，这些目标在数量上等于车轮2的数量，每个目标5(其结构和功能将进一步详细描述)通过安装元件或者“夹具”(这里未示出)机械地接合到相应的车轮2；该安装元件可以例如制造成如在由相同申请人提交的意大利实用新型IT-0000254272和IT-0000254273中所描述的。
系统1还包括第一和第二图像捕获装置6a和6b，例如，这些图像捕获装置包括相对于纵向轴线A分别布置在车辆3的右侧和左侧上的照相机。特别地，第一图像捕获装置6a布置为使得相应的观察区域包括车辆3的左侧上的车轮；类似地，第二图像捕获装置6b布置为使得相应的观察区域包括车辆3的右侧上的车轮。特别地，图像捕获装置6a和6b相对于车辆3和关联的车轮2布置为使得每个目标5仅通过这些图像捕获装置6a和6b中的一个观察。
每个图像捕获装置6a和6b具有通过一组三个正交轴xtel、ytel和ztel限定的相应的图像参照系统SdRtel，其中横轴xtel和ytel限定与通过相应图像捕获装置6a和6b捕获的二维图像相关的像平面(即，在其上物体的尺寸通过像素的数量估算的平面)，并且正交轴ztel与相同图像获得装置6a和6b的光轴重合。
在示出的实施方式中，第一和第二图像捕获装置6a和6b承载在相同的支撑结构7上，该支撑结构包括在其端部承载相同的图像捕获装置6a和6b的水平横梁；支撑结构7构造为能够相对于车辆3自动或者手动定位(或者，以类似的方式，相对于汽车升降机4)图像捕获装置6a和6b。可替代地，以这里未示出的方式，图像捕获装置6a和6b可以被限制于相应的相互独立的竖直构造，例如可以竖直地滑动，以能够锁定到汽车升降机4的调节位置上，或者被限制于相同的汽车升降机4以跟随它的运动。
系统1还包括处理装置8，例如，该处理装置为个人计算机或者装配有处理器或类似的计算装置的任何其它计算机装置的形式，可操作地连接到第一和第二图像捕获装置6a和6b；特别地，处理装置8通过构造为实施无线或有线数据传送(利用任何已知的技术)的第一通信界面9a连接到第一图像捕获装置6a，并且通过也构造为实施无线或有线数据传送(再次，利用任何已知技术)的第二通信界面9b连接到第二图像捕获装置6b。如将进一步详细描述的，处理装置8构造为参照相应的图像参照系统处理由图像捕获装置6a和6b提供的二维图像，以确定车辆3的车轮2的空间定位特征。
在示出的实施方式中，系统1还包括接合结构10，该接合结构还将在下面详细地描述，构造为确保保持与图像捕获装置6a和6b相关的图像参照系统SdRtel之间的期望的相互定位和定向关系，从而能够建立相关的角度测量之间的关系，并且从而确定车轮2在单个共同参照系统(例如，车辆3的参照系统)中的对准特征。
根据本发明的第一个方面，同样参照图2a和图2b并且参照下面的图3a和图3b，每个目标5具有特定的“真实”三维几何形状，以能够识别根据已知的三维布置布置的向量数量，具体地，识别与相同的目标5的定向相关的三个正交轴的组，也可以通过处理来自唯一的图像捕获装置的单个二维图像来识别(并且不执行任何“运行”操作)。
特别地，每个目标5包括多个目标元件12，这些还具有三维形状，布置为一个整体以形成同一目标5的三维结构并且具有诸如使得能够通过在图像捕获装置6a和6b获得的二维图像中容易识别的几何形状。目标元件12根据通过给定的解析表达式可限定的三维几何构造可相互地布置(并且与“规范的”三维几何形状相关联)，该解析表达式描述这些相同目标元件的相互布置。
在上述图2a、图2b和图3a、图3b中示意性示出了目标5的实例(非限制性的)；在示出的实施方式中，目标5包括目标元件12的两个同心圆环，其中一个圆环布置在另一个中(外部第一环直径d1大于内部第二环的直径d2)。两个圆环以各自的中心O1和O2分开距离h的方式相互平行且重叠地布置在两个不同的平面上。
特别地，目标元件12沿着相应的外圆环或内圆环的圆周彼此在角度方面均布。在示出的实施方式中，外环例如包括十二个目标元件12(它们在上述图2a和图2b中通过沿着逆时针方向的标号识别并且标示为Ti，1<i<12)，而内环包括八个目标元件12(这些目标元件12在上述图2a和图2b中也被沿着逆时针方向编号并且标示为Ti'，13<i'<20)；因此，外环的目标元件12以第一角距离相互布置，第一角距离在该实例中等于30°，而内环的目标元件12以第二角距离相互布置，第二角距离大于第一角距离并且在该实例中等于45°。
如先前指出的，各目标元件12具有三维几何形状，并且特别地具有球体形状。有利地，该球体形状确保，无论从哪个角度观察相同的目标元件12，它们在二维图像中都保持不变的形状(在给定的角度范围内)，以这种方式变为易于识别的；特别地，在下文中定义为“球体中心”的相关的几何中心在这些二维图像中是易于识别的。事实上，球体显示了关于形状和关于反射的各向同性特征。考虑到它们的形状保持圆形，因此即使在目标元件由于观察角度保持被其它目标元件部分覆盖的情形中也能够知道单个目标元件12的位置。此外，考虑到它们的球体形状，由测量环境中的光源造成的表面上的任何反射都存在于全部目标元件12上的相同位置中(如果主光照与图像捕获装置6a和6b的光轴共轴，则典型地在中央)；因而易于通过后处理消除由这些反射引起的效果。
具体地，能够使一组三个正交轴Xtrg、Ytrg和Ztrg与目标5关联，以限定目标参照系统SdRtrg，目标参照系统SdRtrg的空间取向与车轮2的取向相对应，相同的目标5一体地接合至该车轮。
具体地，一组三个相互正交的向量在目标5的内部被识别，各向量都沿着各自的正交轴Xtrg、Ytrg和Ztrg对准。特别地，与连接由目标元件12形成的外部圆环和内部圆环的两个中心O1和O2的向量相对应的正交向量vztrg被识别。在这方面，应该注意的是，在所述实施方式中，位于两个平行平面上的两个同心环上的目标元件12的布置是有利的；实际上，即使两个环由于目标5的倾斜而在像平面上可能呈现为两个椭圆形，但相关中心O1和O2始终是可识别的，并且连接这些中心O1和O2的向量始终呈现为与真实的目标5的轴Ztrg相关的正交向量vztrg。于是可知，确定中心O1和O2的位移使得能够确定该轴Ztrg的倾斜度。
此外，球体的图像通常一定是可叠加在两个椭圆形上的事实使得能够检测并校正在图像处理过程中可能犯的错误(例如那些由于可能不可避免被加入背景中的噪声)。在此方面，通过图像处理算法返回的位置被校正，因此使它们尽可能地接近插入球体的位置的椭圆，为此图像处理过程返回在预设阈值以下的形状错误。该校正操作为球体在像平面中的定位以及因此为测量提供了更多的稳定性。具体地，发现目标元件12的球体形状在这方面是有利的，允许应用形状因素评估算法(目标元件12的形状在二维图像中实际上必须是圆形的)。
基于特定目标元件12的位置的第一与第二横向向量vxtrg和vytrg也在相同的目标5内识别。例如，第一横向向量vxtrg与连接外圆环的目标元件12的球体中心的向量相对应，在上述图2a、图2b和图3a、图3b中通过标号T4和T10表示(沿着轴Xtrg对准)，而第二横向向量vytrg与连接目标元件12的球体中心的向量相对应，再次属于外圆环并且通过标号T1和T7表示(沿着轴Ytrg对准)；横向向量vxtrg和vytrg因此是相互正交的向量并且位于外部圆环的目标元件12的平面上。在下文中，上述向量vxtrg、vytrg和vztrg应该被称作为“目标向量”(由于它们与目标5的真实结构相关)。
为了方便识别在从图像捕获装置6a和6b获得的二维图像中限定横向向量vxtrg和vytrg的目标元件12，目标5可以有利地包括指示定向的一个或多个参照元件14，这些参照元件也具有三维几何形状并且特别地球体形状，例如，具有比目标元件12更小的直径(从而可容易地识别)。在上述图2a、图2b和图3a、图3b中示出的实例中，仅具有一个单个参照元件14，该参照元件在内圆环的平面上布置在由标号T13表示的目标元件12附近。然而，显然，参照元件14的数量可以变化(并且特别地多于一个)，由于它们空间布置也变化。相对于目标元件12布置在预定位置处的适当的参照元件14也可以用于相对于纵向轴线A区分与右侧相关的目标5和与车辆3的左侧相关的那些目标。
可替代地，或者甚至另外地，使用参照元件14，并且再次为了方便识别与目标5相关的三个正交轴Xtrg，Ytrg和Ztrg的组，可以在系统1中使用与目标元件12(或者明确地识别每个目标元件12的其它方式)相关的特别设置的颜色代码。例如，根据能够识别相互定位的预定代码，属于外部圆环的目标元件12可以具有相互不同的颜色(或者不同的色度、色调或者颜色对比)。通过使用通过图3a和图3b中的实例的方式示出的颜色代码，能够通过观察三个(或者在模糊的情形中至多四个)沿着相应圆环的相互连续的目标元件12的序列识别目标元件12中的每个。以大致类似的方式，还可以设置成使用用于目标元件12的不同几何特征(例如，可以通过不同直径的球体形成多种目标元件12)。在任何情形中，图像捕获装置6a和6b都能够识别目标5在相关参考系统中的绝对定位。
在使用中，特别地参照图3a和图3b，目标5通过使用特定安装元件(夹具)接合到车辆3的相应车轮2，使得其可以呈现期望的定向(例如，使得由轴Ytrg和Ztrg限定的平面接近与车轮自身的平面平行的一个平面并且轴Xtrg接近其常态)。目标的参照系统与车轮的参照系统之间的关系通过构造或者通过执行适当的校准和调节过程确保。
具体地，图3b示出了车辆3的车轮2的不同角度的作用，车轮相对于图3a中示出的布置转动给定的角度；应该注意的是，与相同的车轮2关联的目标5如何定位，并且与这里表示为关联的目标参照系统SdRtrg'的X'trg、Y'trg和Z'trg的三个正交轴的组因此改变。
现在将参照图4中的流程图描述用于确定车辆3的车辆2的对准的由系统1的处理单元8执行的操作。
在第一步骤中，通过标号20表示，第一和第二图像捕获装置6a和6b拍摄它们相应的目标5并且经由相应的界面9a和9b将在相应的图像参照系统SdRtel中获得的二维图像(以已知的方式包含表示捕获的图像的一组像素)发送到处理单元8。
然后，在连续的步骤21中，处理装置8数字地处理每个目标5的二维图像，以识别认为有效(significant)的目标元件12的位置，即，以预定的方式识别与目标5相关的三个正交轴的组；具体地，处理装置8识别目标向量vxtrg，vytrg和vztrg在像平面上的投影，此后分别表示为vxtrg_prj、vytrg_prj和vztrg_prj(并且被称作为“投影向量”)。
更具体地，在识别目标元件12的球体中心的位置之后，处理装置8确定投影向量vxtrg_prj、vytrg_prj和vztrg_prj在获得的二维图像中的位置(利用先前描述的标准)并且然后确定其尺寸(根据像素的数量)。具体地，对于上述每个投影向量，处理装置8计算像平面中的尺寸(△xpix、△ypix)i，其表示为沿着相同像平面的横轴Xtel和Ytel的像素的数量(这里，指数i表示从vxtrg_prj、vytrg_prj或vztrg_prj中选择的相对投影向量)。表示在选择的长度测量单元中的这些投影向量的尺寸(例如以mm)将随后表示为(△xmm、△ymm)i。
具体地，在相同的长度测量单元中已知目标向量vxtrg、vytrg和vztrg的真实尺寸(因为按照设计已知目标5的几何尺寸)；这些真实尺寸(例如以mm表示)此后表示为△xtrg、△ytrg和△ztrg。
在接下来的步骤22中，然后处理装置8利用先前获得的信息确定目标5在相应的图像参照系统SdRtel中的定向，并且还确定沿着光轴ztel计算的目标5的中心与相关的图像捕获装置6a与6b的像平面之间的距离D。
具体地，对于每个目标5来说，限定旋转矩阵MatRottrg，该旋转矩阵将目标5的目标参照系统SdRtrg中的一组已知长度的三个向量(例如以mm表示)转换成图像捕获装置6a和6b的图像参照系统SdRtel中的另一组可推断长度的三个向量(例如也以mm表示)；换句话说，在相同的测量单元中，旋转矩阵MatRottrg施加旋转，通过该旋转将在真实目标上识别的并且例如以mm表示的向量投影在穿过目标的中心的与像平面平行的平面上并且确定其尺寸。
通过应用几何考虑，这还应该通过参照图5中的图表更好地理解，能够证明上述旋转矩阵MatRotTrg可以以下面的方式表示：
这里α、β和γ，如上述图5中示出的，代表表示与目标5相关的三个正交轴相对于图像捕获装置6a和6b的图像参照系统SdRtel的旋转的旋转的未知角度。
更具体地，假设三个正交轴X”'Y”'Z”'的组与图像参照系统SdRtel重合，并且三个正交轴XYZ的组与目标参照系统SdRtrg重合，上面指出的旋转矩阵MatRotTrg可以被视为三次连续旋转的结合：
-γ°的第一次旋转，施加在第一参照系统(XYZ)≡SdRtrg与第一中间参照系统X'Y'Z'之间，通过使轴Y经由第一中间旋转矩阵γRotMat围绕轴X在轴Y'(朝向轴Z)的方向上转动；
-α°的第二次旋转，施加在第一中间参照系统(X'Y'Z')与第二中间参照系统(X”Y”Z”)之间，通过使轴Z'经由第二中间旋转矩阵αRotMat围绕轴Y'在轴Z”的方向上(朝向轴X')转动；以及
-β°的第三次旋转，施加在第二中间参照系统(X”Y”Z”)与图像参照系统(X”'Y”'Z”')≡SdRtel之间，通过使轴X”经由第三中间旋转矩阵βRotMat围绕轴Z”在轴X”'的方向上(朝向轴Y”)转动。
上述第一、第二和第三中间旋转矩阵βRotMat、αRotMat和γRotMat限定如下：
βRotMat
cos(β) -sin(β) 0
sin(β) cos(β) 0
0 0 1
αRotMat
cos(α) 0 sin(α)
0 1 0
-sin(α) 0 cos(α)
γRotMat
1 0 0
0 cos(γ) -sin(γ)
0 sin(γ) cos(γ)
如前面指出的，通过旋转矩阵MatRottrg表示描述目标参照系统SdRtrg与图像参照系统SdRtel之间的旋转的整个旋转，该旋转矩阵作为上述中间旋转矩阵βRotMat、αRotMat和γRotMat乘在一起的乘积并且按照指示的顺序而获得。
通过使用其它的几何形状考虑，还可以基于图像获得装置6a和6b的特征来获得投影向量(△xpix、△ypix)i的像素中的尺寸与长度测量单元(△xmm、△ymm)i中的相应尺寸之间的关系。
具体地：pixIMGdx和pixIMGdy被限定为分别沿着像平面的横轴Xtel和Ytel通过图像捕获装置6a与6b捕获的二维图像的像素中的总尺寸；dfX和dfY被限定为沿着相同的横轴Xtel与Ytel的焦距，其建立观察距离(以mm表示)与该距离处的最大可观察尺寸(也以mm表示)之间的关系；lCCD和hCCD被限定为沿着横轴Xtel和Ytel由图像捕获装置6a和6b(在该实施方式中是CCD—电荷耦合器件)使用的传感器的长度单元中的尺寸(在该实例中以mm表示)；L和H被限定为沿着相同的横轴Xtel和Ytel在距离D处从图像捕获装置6a和6b可见的最大尺寸。
于是可以证明下面的关系是正确的：
dfX＝D·1CCD/(L+1CCD)
dfY＝D·hCCD/(H+hCCD)
此外，利用下面的关系：
L＝pixIMGdx·△xmm/△xpix
H＝pixIMGdy·△ymm/△ypix
得到：
dfX＝D·1CCD/(pixIMGdx·△xmm/△xpix+1CCD)
dfY＝D·hCCD/(pixIMGdy·△ymm/△ypix+hCCD)
由此获得像平面上的投影向量的在像素中和长度测量单元中的尺寸之间的基础关系：
△xpix＝△xmm·pixIMGdx·dfX/(D·lCCD-dfX*lCCD)
△ypix＝△ymm·pixIMGdy·dfY/(D·hCCD-dfY*hCCD)
因此，通过使用旋转矩阵MatRotTrg，对于目标5的每次旋转，能够识别联系在一起的关系：真实模型(△xtrg、△ytrg、△ztrg)中的任何已知向量的长度单元中的尺寸(例如以mm)；像平面(△xpix、△ypix)上的相关投影向量的像素中的尺寸；以及表征该旋转的未知的量(旋转角度α、β和γ以及距离D)：
△xpix＝(△xtrg·ax+△ytrg·bx+△ztrg·cx)·(pixIMGdx·dfX/(D·lCCD-dfX·1CCD)
△ypix＝(△xtrg·ay+△ytrg·by+△ztrg·cy)·(pixIMGdy·dfY/(D·hCCD-dfY·HCCD)
这里ax、bx、cx和ay、by、cy是旋转矩阵MatRotTrg的元素，如先前限定的。
为了得到四个未知的量(α、β、γ以及距离D)的值，因此足以观察认为有效的至少两个向量的行为，以获得四个关系式(具体地，对于两个有效向量中的每个，两个上述关系式)，获得四个未知的变量中的四个等式的可解析的系统；例如，向量vxtrg和vytrg或者，可替代地，在真实世界中已知其尺寸(例如以mm表示)的目标向量vxtrg、vytrg和vztrg中的任何其它一对目标向量可以考虑用于该目的。
四个未知的变量的值完全地限定目标参照系统SdRtrg与图像参照系统SdRtel之间的旋转和平移功能；从对于每个目标5识别(并且参照相关车轮2的定位)的这些值开始，能够得到(以已知的方式)限定车辆3的设定的特征角的值。
具体地，处理装置8因此能够检测每个目标5在相关图像获得装置6a和6b的图像参照系统内的定向(按照旋转角α、β、γ)。
为了检测车辆3的车轮2在单个参照系统(例如在相同车辆3上识别的参照系统)中的对准，在接着步骤22的步骤23中(再次参照图4)，处理装置8确定相对于单个参照系统的图像捕获装置6a和6b之间的相互定向，并且因此将在先前步骤22中确定的角度值和线性值转换成该单个参照系统中的相应正确值。
为了动态地确定与图像捕获装置6a和6b相关的图像参照系统之间的相互定位和定向关系，如前面指出的，系统1包括接合结构10，该接合结构例如包括类似的并且每个与图像捕获装置6a和6b中的一个关联的两个光学装置10a和10b。光学装置10a和10b包括例如装配有一个或多个LED的光学发射台，并且包括例如装配有一个或多个CCD的光学接收台，接收通过与其它装置关联的光学发射台发射的光辐射。根据通过每个光学装置捕获的图像中的光源的位置，处理装置8以已知并且因此未详细描述的方式连续地确定图像捕获装置6a和6b(根据相互旋转和平移)之间的相互位置和定向。
作为可替代方案，系统1可以包括也以标号10a表示的以与第一图像捕获装置6a成一体的方式布置的另一图像捕获装置，并且包括也以标号10b表示的以与第二图像捕获装置6b成一体的方式布置的另一目标。例如，可以使另一图像捕获装置10a和目标10b以与前述关于确定连接到车辆3的车轮2的目标5的定向角度类似的方式操作。
可替代地，为了以静态地方式解决确定图像捕获装置6a和6b的相互位置的问题，处理装置8可以在特定的调节步骤期间建立相关的图像参照系统之间的关系，在此通过图像捕获装置6a和6b同时识别测量仪器(或者参照元件)。
在任何情形中，在上述步骤23结束时，在步骤24中，处理装置8根据车辆3的车轮2的特征设定角度(例如在单个参照系统(诸如与车辆3相关的参照系统)中表示的内斜角和外倾角)确定该结果；处理装置8还控制这些结果在适当的显示装置上的显示，例如用于将它们呈现给操作者。
在未示出的方式中，系统1可以通过包括用于每个图像捕获装置6a和6b的相关的照明装置而完成，该照明装置用于确保相对于纵向轴线A的车辆3的两侧上的充足照明，以用于处理获得的图像；该照明适当地被目标元件12反射，使得能够识别这些目标元件。具体地，用于该照明操作的辐射的波长可以根据选择的目标5限定，因为可以是其闪光频率；例如，可以使用可见或红外光源。
在一个实施方式中，如图6中所示，目标5包括在内部限定凹球表面(或者球面的一部分)的支撑结构28，目标元件12设计为布置在该支撑结构上。例如，支撑结构28可以包括凹球盖。有利地，该形状允许通过目标元件12的多种相互三维布置容易地限定与目标5相关的三个正交轴的组(其与也在像平面上可识别的三个线段或向量的组相对应，在此它们以像素测量)。
在图6的实施方式(其仅出于示意性目的而再次涉及目标元件12布置在两个相互平行的平面上的情形)中，限定外圆环的目标元件12通过例如粘贴而接合到支撑结构28的边缘部分，而限定内圆环的目标元件12接合到相同支撑结构28的内部。在该情形中，外部和内部圆环布置在相互平行并且与目标的轴正交的包在球形盖内的球缺(spherical segment)的两个部分上。在该情形中，在目标元件12的内部圆环内部，参照元件14接合到相同的支撑结构28。
使用具有包括其中含有目标元件12的凹球盖状的支撑结构28的构造的目标5允许在宽的观察角度范围上(例如，在-30°与+30°之间)识别与目标相关的三个正交部分的组。
此外，如图7a-图7b中示出的，支撑结构28的特定的球体形状还使目标5的二维图像的不同处理成为可能，在目标元件12布置在两个平行平面上的情形中也是正确的。目标元件12可以实际上位于在支撑结构28的内部限定的经线上并且彼此在角度方面均布，布置在多个平面层上或者可替代地布置在与球面交叉的通用平面(相互不平行)上并且，对于特定的情形，也布置在两个相互平行的平面上(如在上述实例中)。
在任何情形中，存在相对于确定几何中心和多个经线的交叉点的支撑结构28居中地布置的另一目标元件12是有利的。
具体地，如示意性示出的，目标元件12的三维布置使得能够至少识别大致相互正交的第一和第二经线m1和m2(由在支撑结构28的中心处交叉的半椭圆形曲线构成)，目标元件12中的一些的球体中心沿着这些经线对准(在此情形中，目标元件12通过相关的一对参照元件14以适当的方式识别)。此外，在图像中识别的经线的数量可以有利地是多于两条，例如六条，这些经线以30°的角度相互在角度方面均布；在这种情形中，识别六条经线允许识别六个相应的在角度方面均布的方向，从而实现测量稳定性的增加。
例如，如图7b中所示，尽管沿着六条经线布置，但是目标元件12不是仅布置在两个平行的平面上，而是大致位于与支撑结构28内部的凹球面交叉的平面层上(在这种情形中，不是仅布置在两个同心环上)。在这种情形中，目标元件12的布置也使得能够识别目标5内部的期望的三维几何特性。
用于识别目标5以及相关的车轮2的旋转的二维图像上的处理操作可以设想确定经线的倾斜(例如，对应于中心目标元件12的位置测量)以确定与目标5相关的向量的方向，该目标相对于参照系统的旋转可以通过已知的技术获得；当车轮的旋转角度变化时，并且因此当相关的目标5相对于图像捕获装置6a和6b的参照系统的旋转角度变化时，还可以分析经线的变形(以及相对应的方向)。
从上面的描述，根据本发明的用于确定车辆车轮对准的系统和方法的优点显而易见。
具体地，应该再次强调，使用三维目标(具体地，由目标元件的三维布置形成)，并且具体地，使用也是三维的目标元件，使得能够利用单个图像捕获装置以精确且安全的方式确定每个目标相对于固定的参照系统(以及相同目标所连接的车轮)的绝对位置和定向，而不需要移动车辆或车辆的车轮以改变目标的空间位置，移动目标，或者采取使用立体获得系统。实际上，容易确定与空间中的目标(识别参照目标元件)相关的一组三个正交轴，并且通过这种方式确定相同目标在给定参照系统内部的空间定位。
所述解决方案还允许相对于标准解决方案增大测量分辨率，并且例如不要求增大使用的目标的尺寸。
换句话说，三维信息有利地并且本质地与目标相关，由此可以即使仅从一个二维图像的处理开始确定空间定向(基于目标的特定几何结构，将由图像捕获装置提供的二维信息转换成三维信息)。
此外，由于目标元件12的相互布置通过已知的三维几何形状(通过解析表达式表示)限定的事实，可以识别三个正交向量的组，即使在这些相同目标元件中的一个或多个不可见的情形中，例如，由于多个目标元件叠加在像平面上。该优点实际上源自目标元件12的结合处理，这些目标元件被认为是属于相同的已知三维几何图像。
特别地，由于使用具有各向同性特征的球状三维目标元件，当目标的倾斜相对于图像捕获装置6a和6b的图像参照系统变化时，测量精度保持不变。
最后，应该理解的是，在不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情形下，可以对这里描述和示出的进行改变和修改。
通常地，目标5可以具有不同的三维形状。在任何情形中，目标形成为使得允许根据已知的三维布置限定向量的数量，特别地从而允许确定与其(例如，通过识别相同目标上的有效点或平面)相关的一组三个正交轴，优选地在不同的视角下(例如在-30°至+30°之间的角度范围中)。例如，正交向量vztrg可以通过目标5的有效点和平面识别，诸如源自该点并且与该平面正交的向量。具体地，用于目标5的描述的构造允许测量分辨率保持恒定并且在考虑的整个角度范围上最大化。
目标5中的一个或多个还可以由有源类型的目标代替，即，由目标元件构成，而非反射入射辐射，能够产生并且发射可见频率范围或可替代地红外范围内的电磁辐射。
具体地，如图8中所示，这里以标号5'表示的目标包括以标号28'表示的支撑结构，该支撑结构包括底座圆盘30和与上面的底座圆盘40连接的并且具有与相同底座圆盘30的直径一致的外径的圆形边缘31；例如，圆形边缘31经由适当的接合元件(例如包括螺钉和圆柱间隔件)连接到底座圆盘30。
外环的这里以标号12'表示的目标元件机械地接合到圆环边缘31，而内环的目标元件12'机械地接合到底座圆盘30。每个目标元件12'包括例如由一对LED构成的发射器单元32、以及连接到印刷电路板34的相关的控制电子器件33。
如通过分析图8而显而易见的，在这种情形中，目标5'也具有三维构造(通过圆形边缘31在底座圆盘30上的叠加并且通过多个目标元件12'的相互布置提供)，在该实例中，相关的目标元件12'沿着相应的外部和内部圆环布置在平行且叠加的平面上。再次，参照元件还可以在目标元件12'的内环内存在于与认为有效的给定目标元件相对应的位置处，这里参照元件以标号14'表示并且由承载在底座圆盘30上的单个LED构成(或者通过发射可见或红外辐射的类似的发射元件)。因此，通过使用先前详细说明的大致相同的标准，还可以在该有源目标结构中以明确的方式识别向量的数量。通常地，应该注意的是，LED也满足通过无源目标的目标元件12满足的各向同性原理，由于当从不同角度观察时，它们保持它们的形状，至多减小光强度，由于倾斜角增加。
有源解决方案相对于使用无源目标元件12的优点在于，不需要照明装置的事实，这除了潜在地为操作者带来麻烦之外，即使在发射红外线辐射的情形中，也必须从一定距离处照亮目标，不管怎样，造成较高的电能消耗。
所述系统还可以包括更大数量的图像捕获装置，特别地多于两个，这些图像捕获装置相对于车辆3的纵向轴线A以相等数量布置在右手和左侧上。此外，还可能的是，可以使用单个图像捕获装置，能够设计与车辆3的车轮2相关的全部目标，由此期望确定定向。
此外，如图9中示意性示出的(为了便于说明，其仅涉及车辆3的一侧)，这里以标号1'指出的对准确定系统关于图像捕获装置6a和6b的布置可以具有不同的构造。在此情形中，预期例如仅连接到车辆3的前车轮的仅一对目标5；在此情形中，并非连接到车辆3的外部的支撑结构7(构成所谓的有源“测量头”)，图像捕获装置6a和6b(如图9中示出的，仅对于车辆3的右侧)实际上通过特定的安装装置直接连接到车轮，在该实例中，直接到相同车辆的后车轮。在此情形中，由于在车辆的外部没有建立获得图像的参照系统之间的关系的装置，因此将建立关于车辆的两侧的测量之间的关系的特定的光学装置10a和10b(例如，具有参照图1描述的类型)安装在测量头上并且连接到车辆3的车轮2；通过彼此相互地测量，光学装置10a和10b提供测量头之间的相互定向。
应该注意的是，用于确定三维目标在空间中的定向的其余系统和方法与先前描述的再次提供从通过图像捕获装置6a和6b获得的二维图像开始的目标5的三维特征的再构造的系统和方法没有很大不同。
以未示出的大致类似的方式，对准确定系统还可以设想，将图像捕获装置6a和6b直接安装在汽车升降机4上，再次关于测量和使用从观察与车辆3的车轮2相关的三维目标获得的信息没有很大区别。
通常地，将显而易见的是，从与图像捕获装置6a和6b的不同布置关联的计量观点来看的区别在于，识别相对于其返回测量的参照系统；具体地，在图9中示出的实施方式中，该参照系统定位在车辆3上。
最后，所述系统和方法也明显地允许确定车辆3的仅单个车轮2的空间定向，其图像通过单个图像捕获装置6a或6b获得。

Claims (15)

1.一种用于确定车辆(3)的至少一个第一车轮(2)的定向的系统(1；1')，包括：
-至少一个第一目标(5；5')，构造为一体地接合至所述第一车轮(2)；
-图像捕获装置(6a，6b)，构造为获得所述第一目标(5；5')的第一二维图像；以及
-处理装置(8)，操作性地接合至所述图像捕获装置(6a，6b)并且构造为处理所述第一二维图像，
其特征在于，所述第一目标(5；5')包括根据三维几何构造相互地布置的具有三维形状的多个目标元件(12；12')，所述三维几何构造能通过给定的解析表达式限定，其中，所述三维几何构造设计为限定一组三个正交的目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)，所述一组三个正交的目标向量限定目标参照系统(SdRtrg)，所述目标参照系统的空间取向与所述第一车轮(2)的取向相对应；所述处理装置(8)构造为根据所述三维几何构造处理所述第一二维图像以识别所述目标元件(12；12')在其中的位置和所述目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)的投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)，并且基于所述投影向量的几何特征确定所述目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于给定参照系统的空间布置，从而确定所述第一车轮(2)的定向特征；
其中，所述处理装置(8)构造为确定所述第一二维图像中的所述投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)的线性测量，并且根据所述线性测量和所述目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)的相应实际已知测量确定所述一组三个正交的目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于所述给定参照系统的空间旋转角度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述目标元件(12；12')具有这样的三维形状，该三维形状相对于通过所述图像捕获装置(6a，6b)的所述第一目标(5)的观察角度的变化具有各向同性特征。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述目标元件(12)具有球体形状；并且所述处理装置(8)构造为确定所述目标元件(12)的球体中心在所述第一二维图像内的位置并且将所述目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)的所述投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)中的至少一个确定为连接有效的一对所述目标元件(12)的球体中心的向量。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一目标(5)还包括相对于所述有效的一对所述目标元件(12)具有预定布置的至少一个参照元件(14)；并且其中，所述处理装置(8)构造为基于对所述参照元件(14)的位置的识别来识别所述有效的一对所述目标元件(12)。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其中，所述目标元件(12；12')布置为形成布置在不同的平面上并且限定第一中心和第二中心(O1，O2)的第一环和第二环；并且其中，所述处理装置(8)构造为将所述投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)中的正交的投影向量(vztrg_prj)限定为连接所述第一中心和第二中心(O1，O2)的向量。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一环和第二环大致是圆形的；并且其中，所述处理装置(8)构造为将所述投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)中的第一横向投影向量和第二横向投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj)限定为连接形成所述第一环和第二环中的一个环的相应一对目标元件(12；12')的几何中心的向量。
7.根据上述权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，所述第一目标(5)还包括在内部限定凹球面的支撑结构(28)；并且其中，所述目标元件(12)机械地接合至所述支撑结构(28)并且布置在所述球面上，从而形成所述三维几何构造。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述目标元件(12)中的至少一些至少分别沿着由所述支撑结构(28)的所述球面限定的第一经线和第二经线(ml，m2)布置。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述支撑结构(28)大致具有凹球盖形状，并且所述目标元件(12)沿着由所述球面限定的相互在角度方面均布的六条经线布置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述目标元件(12)布置在包在所述支撑结构(28)内的球缺的至少两个相互平行的部分上。
11.根据上述权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，所述目标元件(12')是有源类型的并且发射可见辐射或红外辐射。
12.根据上述权利要求1-3中任一项所述的系统，还包括：至少一个第二目标，一体地接合至所述车辆(3)的第二车轮；并且其中，所述图像捕获装置(6a，6b)构造为获得所述第二目标的第二二维图像，并且所述处理装置(8)构造为处理所述第二二维图像以确定所述第二车轮的定向特征，并且共同地处理所述第一车轮和第二车轮的定向特征，以确定所述车辆(3)的对准特征。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第二车轮布置在相对于所述车辆(3)的纵向轴线(A)与所述第一车轮(2)沿直径相对的位置中；并且其中，所述图像捕获装置包括：第一图像捕获装置(6a)，构造为获得所述第一目标(5；5')的所述第一二维图像；以及第二图像捕获装置(6b)，构造为获得所述第二目标的所述第二二维图像；所述系统还包括用于确定所述第一图像捕获装置(6a)和第二图像捕获装置(6b)的相互定向的确定装置(10)，所述确定装置操作性地接合至所述处理装置(8)，以用于确定所述车辆(3)的对准特征。
14.一种用于确定车辆(3)的至少一个第一车轮(2)的定向的方法，包括：
-捕获一体地接合至所述第一车轮(2)的至少一个第一目标(5；5')的第一二维图像；以及
-处理所述第一二维图像，
其特征在于，所述第一目标(5；5')包括根据三维几何构造相互地布置的具有三维形状的多个目标元件(12；12')，所述三维几何构造能通过给定的解析表达式限定，其中，所述三维几何构造设计为限定一组三个正交的目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)，所述一组三个正交的目标向量限定目标参照系统(SdRtrg)，所述目标参照系统的空间取向与所述第一车轮(2)的取向相对应；并且所述处理步骤包括：根据所述三维几何构造处理所述第一二维图像；识别所述目标元件(12；12')在所述第一二维图像中的位置和所述目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)在所述第一二维图像中的投影向量；以及基于所述投影向量的几何特征确定所述目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于给定参照系统的空间布置，从而确定所述第一车轮(2)的定向特征；
其中，所述确定空间布置的步骤包括：
确定所述第一二维图像中的所述投影向量(vxtrg_prj，vytrg_prj，vztrg_prj)的线性测量；以及基于所述线性测量和所述目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)的相应实际已知测量确定所述一组三个正交的目标向量(vxtrg，vytrg，vztrg)相对于所述给定参照系统的空间旋转角度。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：捕获一体地接合至所述车辆(3)的第二车轮的至少一个第二目标的第二二维图像；处理所述第二二维图像，以检测所述第二车轮的定向特征；以及共同地处理所述第一车轮和第二车轮的所述定向特征，以确定所述车辆(3)的对准特征。
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