CN103453857A - 车轮定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种混合车轮定位系统和方法使用用于第一对车轮（例如前轮）的从动靶标和用于另一对车轮（例如后轮）的主动传感测量头。主动传感测量头将用于采集靶标图像的图像传感器与用于感测主动传感测量头之间的关系的至少一个空间关系传感器结合起来。主动传感测量头之一或二者可以包括倾斜计之类的装置，用于感测各个传感测量头的一个或多个倾角。可以将来自于主动传感测量头的数据发送到主计算机来进行处理，以得出一项或多项车辆测量结果，例如，车轮定位应用中要用到的参数的测量结果。

Description

车轮定位系统和方法

技术领域

本主题涉及利用基于图像处理的定位技术和一项或多项其它定位技术的组合来实现车轮定位的技术和设备。

背景技术

当前普遍使用的车轮定位系统使用附在车轮上的传感器或测量头来测量车轮和悬挂的各种不同角度。将这些角度传送给主机系统，在主机系统中，在车辆定位角度的计算中使用这些角度。在标准的常规定位仪构造中，在车轮上附有四个定位测量头。各个传感器头包括两个水平或束角测量传感器和两个垂直或外倾角/前后俯仰传感器。各个传感器测量头还包含支持全体传感器数据获取以及与定位仪控制台通信的电子电路，本地用户输入端，和用于状态反馈、诊断和校准支持的本地显示器。必须准备四套构成各个测量头的四个传感器和电子电路以及机械外壳，因为每个轮子要有一套。

近年来，在某些店铺中已经用上了计算机辅助的三维（3D）机器视觉定位系统来定位汽车车轮。在这样的系统中，一个或多个摄像机观测附在车轮上的靶标（target），并且定位系统中的计算机对靶标的图像进行分析，以确定车轮的位置并且根据车轮位置数据确定车轮的定位。该计算机典型地根据通过图像数据的处理获得的计算结果指导操作者正确地调整车轮来实现精确定位。这种图像处理型的车轮定位系统或定位仪有时称为“3D定位仪”。使用这样的图像处理的车轮定位仪的例子是可通过商业手段从John Bean Company（阿肯色州康威市）得到的Visualiner3D（三维可视定位仪）或“V3D”，John Bean Company是实耐宝公司（Snap-on Incorporated）的分公司。

具有直接安装在车轮上的传感器的常规非视觉定位系统正在变成大路货。由于竞争激烈并且图像处理型的、没有安装在车轮上的传感器的定位系统得到了广泛认可，常规系统的市场价位持续走低。主流传统定位系统依旧需要很高的精度和既定功能集，然而成本较低的技术和制造工艺更受欢迎。不幸地是，这些进步可能仍然仅仅实现了依靠增加成本达到的改良。期望得到的是使用既降低了成本又保持精度和功能不变的新式轮装传感器测量头的系统。

发明内容

本文的教导通过将图像处理定位仪型的用于一个或多个带有摄像机成像设备的测量头的靶标与其它车轮测量头中的位置/取向传感器相结合而改善了传统定位系统。

例如，车轮定位系统可以包括一对从动测量头和一对主动传感测量头。从动测量头适合于与要通过车轮定位系统的操作进行测量的第一对车轮相结合地安装。主动传感测量头适合于与车辆的第二对车轮相结合地安装。各个从动测量头包括靶标，例如可由图像传感器观测到的靶标。各个主动传感测量头包括用于产生图像数据的图像传感器，在各个测量头都安装到了车辆的各车轮上或与车辆的各车轮相结合地安装时，所产生的图像数据应该包括从动靶标的图像。该系统还包括与至少一个主动传感测量头相关联的空间关系传感器。空间关系传感器能够在将这些主动传感测量头安装在车轮上时实现主动传感测量头之间的空间关系的测量。该系统还包括计算机。该计算机处理与靶标的观测有关的图像数据以及来自至少一个空间关系传感器的位置数据。该数据处理能够实现车辆的至少一项测量结果的计算。

按照本发明的另一个方面，用在车轮定位系统的主动传感测量头包括用于安装在要通过车轮定位系统的操作进行测量的车轮上的外壳和安装在该外壳中的图像传感器。该图像传感器产生图像数据。在测量操作中，图像数据典型地包括与车辆的另一个车轮相结合的靶标的图像。传感测量头还包括安装在外壳中的至少一个斜度传感器，用于在将主动传感测量头安装在车辆的车轮上时感测主动传感测量头的倾角。空间关系传感器安装在外壳中，用于测量主动传感测量头与安装在车辆的不同车轮上的另一个主动传感测量头之间的空间关系。通信接口使得反映了图像数据、所感测的倾角和由横跨位置传感器测得的位置关系的数据能够从主动传感测量头传送到车轮定位系统的主计算机。

一种采取至少一种按照本文讲授的原理的车辆测量的方法涉及利用与车辆的第二车轮相结合地安装的第一测量头中的图像传感器来采集与车辆的第一车轮相结合的靶标的图像，以产生第一图像数据。与车辆的第三车轮相结合的靶标的图像是利用与车辆的第四车轮相结合地安装的第二测量头中的图像传感器来采集的，以产生第二图像数据；该方法此外还需要测量第一测量头和第二测量头之间的空间关系。对第一图像数据和第二图像数据以及空间关系测量结果进行处理，以计算车辆的至少一个测量结果。

将会在接下来的说明中给出部分额外的优点和新颖特征，并且一部分优点和新颖特征对于仔细阅读了下文和附图的本领域技术人员而言是显而易见的，或者可以通过生产或操作这些例子来领会。本文的教导的优点可以通过实践或使用所附权利要求中具体指出的方法、手段和组合来实现和获得。

附图说明

附图描绘了按照本文教导的一个或多个实现方式，仅仅作为实例，而非作为限制。在这些附图中，相同的附图标记指代相同的或类似的元件。

图1以示意图方式图解说明靶标和主动传感测量头相对于车轮的第一种布局。

图1A和图1B图解说明了可以用在从动测量头上的各种不同类型的靶标。

图2是混合车轮定位系统的功能框图，它的元件安装在受检车辆的车轮上（不过为了简明，省略了车辆的其它一些元件）。

图3是该系统的某些安装在车轮上的部件的侧视图，其中主动传感器测量头之一以局部横截面详细视图的方式示出。

图4是解释摄像机轴线与测得重力向量的前后俯仰平面之间的关系时使用的主动传感器测量头之一的侧视图。

图5是解释摄像机与测得重力向量的外倾角平面之间的关系时使用的主动传感器测量头之一的后视图。

图6是主动传感器测量头之一的部件的功能框图。

图7以示意图方式图解说明了靶标和主动传感测量头相对于车轮的另一种布局，在这种情况中，使用额外的靶标和图像感测来测量主动测量头之间的空间关系。

图8是图7的系统的一些安装在车轮上的部件的侧视图，其中主动传感器测量头之一以局部横截面详细视图的方式示出，总体上类似于图3；但是其中空间关系传感器采用另一台摄像机。

图9是图7中的详细视图示出的主动传感器测量头的部件的功能框图。

图10到图18以示意图方式图解说明了一系列的可选布局，这些可选布局具有与车轮的不同组合相关联的各种不同的测量头/靶标并且使用各种不同的构造或设备来进行空间关系感测。

具体实施方式

在下文的详细介绍中，以举例的方式给出了大量具体细节，为的是提供相关教导的透彻理解。不过，对于本领域技术人员而言，有一点应该是显而易见的，本文的教导无需这些细节即可实践。在其它范例中，公知的方法、过程、零部件和电路是不涉及细节地以相对较高的层次介绍的，为的是避免不必要地混淆本文教导的要点。

各个附图中示出的例子给出了成本相对较低的定位系统。这些示范性系统本质上是“混合的”，因为它们将图像处理的要点与一项或多项其它类型的测量技术结合了起来。这样的混合系统对于受测车辆的两个车轮使用可见靶标，例如从动测量头上的靶标，并且该系统在附在车辆的另外两个车轮上的主动传感测量头中使用光学成像传感器（例如摄像机）和其它定位传感器的组合。从动测量头比传统定位系统中使用的测量头制造起来明显便宜得多。主动传感测量头的成本一般来说可以与传统车轮定位系统的两个测量头的成本差不多。

使用成像技术测量车辆两个前轮的位置和取向贡献了额外的优点，包括得出在正常情况下在低成本系统中不可能得到的与基于图像处理的车轮定位相关联的测量结果的能力。这些额外的测量结果可以包括磨胎半径（US6,532,062）、滚动半径（US6,237,234）和主销后倾（US6,661,751）。

现在对附图中示出和下文讨论的例子进行详细说明。

图1绘制了靶标和主动传感测量头相对于受测车辆20的车轮的第一种布局，例如用来测量一个或多个车轮的定位参数。为了便于图示，省略了车辆的除了车轮之外的零件。

该车轮定位系统包括安装在车辆的各个车轮22和24上的一对从动测量头21和23，在这个例子中，这两个车轮是前转向轮。主动传感测量头25和27适合于与车辆的其它各个车轮26和28相联合地安装，在这种情况下这两个车轮是后轮。各个主动传感测量头包括用于产生图像数据的图像传感器29或31，在各个测量头都安装到了车辆20的各车轮上时，所产生的图像数据应该包括从动靶标的图像。在这个第一实例中，主动传感测量头25和27中的图像传感器29和31是二维（2D）成像装置，例如摄像机。

测量头21和23是从动的，因为它们包括靶标，但是不包括任何传感元件。各个从动测量头21和23包括可由主动测量头25和27中的图像传感器29或31之一观测到的类型的靶标。从动测量头21或23上的用来由另一个测量头上的传感器进行图像感测的靶标可以是主动的或从动的。主动靶标，比如发光二极管（LED），是在电源驱动下发射可由传感器检测的能量（例如IR或可见光）的源。从动靶标是不由电源驱动并且不发射用来由传感器检测的能量的元件。假设测量头25或27中有图像传感器，则从动靶标应当是以可由相应图像传感器检测的方式反射（或不反射）光或其它能量的物体。在该例中，这些靶标包括在受到其它光源照射时能够检测到并且能够由主动传感测量头25和27中的摄像机之类的装置成像的明亮和黑暗区域，不过这些靶标可以包括一个或多个发光元件。

图1A中示出了可以用在任何一个从动车轮测量头21上的靶标的第一个例子。在这个第一个例子中，靶标是矩形的。图1B中示出了可以用在任何一个从动车轮测量头21上的靶标的第二个例子。在这个第二个例子中，靶标是圆形的。在各个情况下，靶标都由带有不同大小的圆形图案的平板构成，这些圆形是以预定的格式和样式标记在或安装在该平板上的。虽然图1A和图1B示出的是特定的图案，但是很显然，在各个靶标上可以使用很多种不同的图案。例如，可以包括数量或多或少的点并且可以为这些点使用其它的大小和形状。作为另一个例子，也可以为这些靶标使用多面板或物体。很多例子采用多个反光元件排布形成各个靶标。更加详尽的信息，可以关注授予Jackson的美国专利US5724743。

该系统还包括与至少一个主动传感测量头25或27相关联的空间关系传感器。空间关系传感器能够在将主动传感测量头25和27安装在车轮上时实现这些主动传感测量头之间的空间关系的测量。一般来说，取决于所使用的传感器类型，空间关系传感器可以测量相对位置和／或取向。位置测量结果指的是被测物从测量装置的角度出发的或在测量装置的坐标系内的相对位置。位置的测量通常使用标准坐标系，比如笛卡儿坐标或极坐标。取向可以从三维位置测量结果中得出，或者可以与位置无关地测量取向。取向与用标准坐标系表示的被测装置相对于测量装置的旋转位置有关。取向一般用三个正交基准面中的旋转角表示。

本领域技术人员很容易明白，本文讨论的车轮定位系统可以利用各种不同类型的空间关系传感器来实现。在这个第一个例子中，该系统使用两个传统的（1D）角度传感器33和35来在束角平面内测量主动传感测量头25和27的相对角度。

主动测量头25和27还包含重力传感器或类似装置，用来测量测量头的斜度，典型地是测量外倾角和前后俯仰。在这个第一个例子中，测量头25包括一个或多个斜度传感器37；测量头27包括一个或多个斜度传感器39。

后面的例子将会更加详细地示出（参见图2），该系统还包括计算机。该计算机处理来自于主动传感测量头的与靶标观测有关的数据和斜度数据。该计算机还处理来自于至少一个空间关系传感器的空间关系数据。该数据处理能够实现车辆的至少一项测量结果的计算。

在车轮定位系统中，使用图像处理技术进行的测量本质上不同于使用传统的角度测量技术。虽然基本的图像处理技术是本领域技术人员公知的，但是为了清楚起见，会给出简要的介绍。主体的图像随着观看这一主体的透视而改变，并且图像的变化与观看主体所沿的观看路径的透视角度直接相关且可从该透视角度确定出来。此外，我们知道仅仅通过将物体的透视图像与它真实的非透视图像关联起来就可以确定透视角度。反过来说，可以通过将物体的透视图像与它的非透视图像进行比较来确定物体以何种角度面向观看路径（或与其垂直的平面）。

在实践中，将靶标的数学表达或与靶标的真实图像（即，通过与靶标的主平面垂直地观看而取得的图像）和尺寸相应的数据预先编程到计算机的存储器中，从而在定位处理期间，计算机具有可以与靶标的视见透视图像进行比较的参考图像。

计算机计算靶标方位的方式是识别靶标上的某些几何特征、取得这些几何特征的透视测量结果并且将这些测量结果与之前预先编程到计算机存储器内的真实图像进行比较。

此外，由于将靶标的真实尺寸预先编程到了计算机的存储器中，因此可以使用本发明的方法和设备来确定车轮在三维空间内的精确位置。这可以通过首先确定靶标上图案的某些元素的透视图像（例如，圆形之间的距离）并且将这一图像的尺寸与这些元素的真实尺寸进行比较来完成。这样将会得出该元素与图像传感器之间的距离，相应地，将会得出靶标与图像传感器之间的距离。

对本文讨论的车轮定位系统，主动测量头中的图像传感器观看附在车轮上的靶标并且产生描述靶标的透视图像的图像数据。计算机将靶标的透视图像数据与靶标的真实形状关联起来。在这样做的过程中，计算机将靶标的某些已知几何元素的尺寸与透视图像中的相应元素的尺寸联系起来，并且通过进行某些三角计算（或者通过任何其它的适当数学或数值方法），计算车轮的定位。计算机还可以计算与从动靶标相关联的车轮的旋转轴（车轮轴）的三维位置和取向。

对于与基于靶标图像处理的测量有关的额外信息，可以再次关注授权给Jackson的美国专利US5724743。

图2描绘了低成本混合车轮定位系统50的一个更加泛泛的例子以及车辆的四个车轮41，43，45和47（为了简明起见，没有示出其它的部分）。系统50包括用于安装在图中用文字表示的车轮41、43、45和47上或者与车轮41、43、45和47相关联的四个测量头51，53，55和57。可以使用各种各样不同类型的安装装置。在这个例子中，将从动测量头51和53安装在前轮41和43上，并且前测量头51和53使用反光靶标。当如图所示那样安装在车轮上时，反光靶标面向后方，以便可由各个主动传感测量头中的图像传感器观测。这些反光靶标可以与三维（3D）机器视觉定位系统中使用的靶标类似。安装在后轮45和47上的测量头55和57是主动传感测量头，因为它们包括图像感测元件。在这个例子中，如下文将要讨论的，测量头55和57此外还包括斜度和空间关系感测元件，用于获得由车轮定位系统50的主机系统100处理的信息。

类似于V3D摄像机的成像传感器位于各个后测量头中。各个这种摄像机的光轴沿着车辆的轨迹指向前方，以便测量附在前轮上的靶标的位置和取向。这些摄像机不必直接处于车轮的轨迹上，就是说，处于车轮的滚动线路上。这些摄像机只需从旁侧面向车轮轨迹，就足以观看到并且采集与前轮相联合的从动测量头51、53上的靶标的图像。在该例中，主动传感测量头55包括包含具有沿着左车轮的轨迹面向前的摄像机61的形式的图像传感器的图像感测模块或类似装置。在这样安装时，摄像机61的视野包括安装在左前轮41上的从动测量头51的靶标部分。类似地，主动传感测量头57包括包含具有沿着右车轮的轨迹面向前的摄像机63的形式的图像传感器的图像感测模块或类似装置。在这样安装时，摄像机63的视野包括安装在右前轮43上的从动测量头53的靶标部分。

将一个或多个传感器附在后测量头55、57上并且将所述一个或多个传感器定位成用来测量两个主动传感测量头之间的空间关系。可以使用各种各样的可用感测技术，并且稍后将讨论两个实例。在图2中所示的例子中，主动传感测量头55包括传感器65；主动传感测量头57包括传感器67。传感器65和67在这一应用中用于感测主动传感测量头55和57之间的相对角关系，而对来自摄像机61和64的图像信号进行处理是为了计算常规的前轮定位参数，比如外倾角和束角。

各个后测量头55或57还装有一个或多个倾斜计，这些倾斜计用作斜度传感器，用来测量各个后测量头相对于重力的相对外倾角和前后俯仰角。这些倾斜计，例如，可以包括设计为集成在轨迹摄像机的印刷电路板上的MEMS型装置。

图3是本系统的一些车轮安装部件的侧视图。这个左视图示出了附在左前轮41上的左前测试头51，左前测试头51带有它的从动靶标。该侧视图还示出了附在左后轮45上的左后主动传感测量头55。图3还部分地以剖面图方式给出了主动传感测量头55的元件的放大详图。

如图所示，测量头55包括外壳71。为了清晰，省略了将外壳安装到车轮上的硬件。外壳71包含前向轨迹摄像机61。在这个例子中，空间关系传感器65使用射束角检测技术，稍后将参照图6对此进行讨论，不过也可以使用其它类型的传感器。该外壳还包含用于用户激活测量头55的键盘74和包含用于对来自于（多个）摄像机和其它传感器的数据进行处理以及与主计算机的通信的数据处理电子电路的印刷电路板75。为了形成混合系统的传感测量头，板75还支撑着前后俯仰斜度传感器77和外倾角斜度传感器79。虽然所示出的是分开的，但是该两个斜度传感器77、79可以是单独一个倾斜计模块的元件。传感器77、79将斜度读数传送给板75上的用来将摄像机数据发送到主计算机系统100的处理器。

图4和图5是主动传感测量头55的以侧视图和后视图形式给出的多少有些程式化的图解说明，这两个附图图解说明由斜度传感器测量的轴与其它元件的相互关系。为了讨论，这里假设斜度传感器77-79是单独一个MEMS倾斜计的元件。该倾斜计确定相对于前后俯仰平面（图4）的重力向量（图4）和相对于外倾角平面的重力向量（图5）。当然，对另一个主动传感测量头57（图2）也要采取类似的测量。这样，可以对各个测量头相对于重力的取向加以处理，以将各个面向轨迹的摄像机的光轴与重力关联起来（图4和图5）。这样还可以通过处理图像数据和重力向量数据测得各个前靶标与重力的关系。

图6是主动传感测量头之一的元件的功能框图，在这种情况下是测试头55的功能框图，不过在这个第一个例子中测试头57的元件总体上是类似的。

如前面所讨论的，主动传感测量头55包括包含具有轨迹摄像机61形式的图像传感器的图像感测模块81或类似装置，轨迹摄像机61在使用时会沿着左轮的轨迹面向前方，以使得该摄像机能够获得包含从动测量头51的靶标的图像（也见图2）。图6中所示的面向轨迹的图像传感器模块81包括LED阵列83，该LED阵列作为发光器使用，用来为安装在车辆同一侧的车轮41上的测量头51上的靶标实现期望的照度而发射光线。摄像机61是为了车轮定位应用而感测图像的数码相机。在操作中，摄像机61基于在图像中与像素对应的点上感测到的光的模拟强度来生成各个图像像素的值。将该值数字化并且将其读出到主印刷电路板75上的电路中。可以在摄像机传感器芯片上或之外对该值数字化。

在这种实现方式中，空间关系传感器模块65包括IR LED85、缝隙86和线性图像传感器87（比如电荷耦合器件（CCD）或CMOS单元）。IR LED85朝向相对一侧的测量头57中类似的束角传感器投射光束。按照类似的方式，相对一侧的测量头57包括朝向测量头55投射光束的IR LED。

从相对一侧的测量头57的IR LED发出的IR光/辐射由线性图像传感器87经由缝隙86感测。传感器87上检测到来自于另一个测量头的IR光的精确点表明了来自于相对一侧测量头的光在测量头55中的传感器87上的相对入射角度。以类似的方式，来自于测量头55的IR LED85的IR光/辐射由相对一侧的测量头57中的线性图像传感器经由缝隙感测；相对一侧的线性图像传感器上检测到来自于LED85的IR光处的精确点表明了来自于测量头55的光在测量头57中的线性传感器上的相对入射角度。来自于两个线性传感器的角度检测数据的处理能够实现两个主动传感测量头中的摄像机61和63的摄像机光轴之间的角度关系的确定。

电路板75包括数字信号处理器（DSP）或其它图像处理器类型的电路和伴随的数据/程序存储器91。在操作中，各个摄像机61、63向图像处理电路89供应数字图像数据。如图所示，主动传感测量头55还包括外倾角斜度传感器79和前后俯仰斜度传感器77。这些倾斜计元件向处理器89供应重力角度测量值（见图4和图5的讨论内容）。图像处理电路89针对这些数据进行一项或多项操作并且将这些数据供应给通信接口93，以便发送给主计算机系统100。

电路89的图像处理操作可以涉及对各种不同的数据进行格式化，以便通信。按照另外一种可选方案，处理器89可以在向主计算机系统100发送之前进行一定程度的预处理。就图像数据而言，图像预处理可以包括梯度计算、背景消除和／或行程长度编码（run-length encoding）或其它数据压缩（见例如由Robb等人申请的美国专利US6,871,409)。处理器89还可以响应于来自于斜度传感器77、79的斜度数据和／或空间关系测量数据，将图像数据处理到一定程度。按照另外一种可选方案，可以将斜度和横跨位置数据简单地转送到主计算机系统，以备在图像数据的进一步处理中使用。

可以将主动测量头之一中的处理器89构成为从另一个测量头接收数据并且在内部进行车轮定位参数计算，并且然后仅仅将车辆测量结果发送到主计算机系统100。而且，可以将主动测量头之一中的处理器89构成为计算所有的定位值并且还生成用户界面。在这种情况下，主动测量头可以担当网络服务器的职责，供应实现车轮定位系统的用户界面的网页，并且主计算机可以由带有网页浏览器并且没有车轮定位专用软件的任何通用计算机构成。不过，为了使成本最低，可以在主机中执行数据处理的主要部分，在这种情况下，可以将DSP/处理电路89进行的处理（并且因而DSP/处理电路89的复杂度）保持在最低水平上。

板75上的处理器89或另一个控制器（没有单独示出）还提供针对主动传感测量头55的操作的控制。例如，控制元件（处理器89或其它控制器）将会控制LED阵列83和IR LED85发射的时机和强度以及摄像机81和线性图像传感器87的时机和可能的其它操作参数。主动传感测量头55还包括用于用户激活测量头55的键盘74，并且处理器89或另一个控制器将会检测和响应经由键盘74的输入。

计算机通信接口93为主动传感测量头55的部件与主计算机100（图2）提供双向数据通信，并且在某些配置下提供主动测量头之间的双向数据通信。通信接口93符合适用的数据协议标准并且提供与期望物理媒介的接合，从而能够以期望的速度和以具体安装形式所期望的方式实现向和从主计算机100的数据通信。例如，主通信接口可以是带有用于与主计算机100中的匹配接口进行电缆连接的USB接头的USB接口。本领域技术人员将会认识到，在车轮定位系统中可以使用其它的数据通信接口，比如以太网、RS-232、RS-422、RS-485、WIFI或无线以太网、Zigbee、蓝牙、UWB（超宽带）、IrDA或任何其它适当的窄带或宽带数据通信技术。

板75上的电子电路以及图像感测模块81和空间关系传感器模块85的元件从电源94接收电力。可以使用任何电压和电流水平足够的常规电源。如果系统50使用电缆，则电源可以来自于常规的AC电网或者通过USB或以太网接线接收电力。如果测量头55和57是无线的，则电源可以使用电池电源，或者从可充电的或可抛弃的电池接收电力。按照另外一种可选方案，用于无线测量头的储能介质可以由特大电容构成。

回到图2，主计算机系统100处理来自于主动传感测量头55、57的数据并且为系统50提供用户接口。如前面所指出的，数据处理可以在主动传感测量头55、57之一或二者中的DSP或类似器件中完成。不过，为了使测量头55和57的成本最低，可以由主计算机系统100或类似的数据处理设备提供主要的处理能力。在本例中，系统100可以由台式个人计算机（PC）或者诸如笔记本计算机、UMPC（超级移动PC）或类似装置之类的其它计算机装置来实现。还可以使用客户机服务器方案，在这样情况下，服务器会执行主处理并且主动测量头之一或另一个用户装置会承担客户机的职责来提供用户接口。虽然熟知先进车轮定位技术的人员应该是熟悉各种适当计算机系统的部件、程序和操作的，但是给出一个简要的例子还是可能有帮助的。

计算机系统100包括中央处理单元（CPU）101和用于提供用户接口的伴随元件。CPU部分101包括总线102或其它用于传送信息的通信机制，和与总线102相接的用来处理信息的处理器104。计算机系统100还包括与总线102相接的用来存储信息和要由处理器104执行的指令的主存储器106，比如随机存取存储器（RAM）或其它动态存储装置。主存储器106还可以用于存储处理器104执行指令期间的临时变量或其它中间信息。计算机系统100此外还包括与总线102相接的用来为处理器104存储静态信息和指令的只读存储器（ROM）108或其它静态存储装置。提供了用于存储信息和指令的存储装置110，比如磁盘或光盘，并且存储装置110与总线102相接。虽然仅仅示出了一个，但是很多计算机系统包括两个或更多存储装置110。

所示的计算机系统100的实施例还提供了例如本地用户接口，从而使得该系统表现为在车轮定位场区或汽车维修车间中可能用到的个人计算机或工作站。计算机系统100可以经由总线102与用于向计算机用户显示信息的显示器112相接，比如阴极射线管（CRT）或平板显示器。输入装置114（包括字母数字和其它按键）与总线102相接，用来向处理器104传达信息和命令选择。另一种类型的用户输入装置是光标控制器116，比如鼠标、轨迹球或者光标方向键，光标控制器116用于将方向信息和命令选择传达到处理器104，CPU101继而又使用方向信息和命令选择来控制光标在显示器112上的移动。光标输入装置116典型地具有在第一轴（例如，x轴）和第二轴（例如，y轴）两个轴上的两种自由度，这使得该装置能够指定平面内的位置。用户接口元件112-116与CPU101之间的接合可以是有线的或者可以使用光学或射频无线通信技术。

CPU101还包括一个或多个用于通信的输入/输出接口，以举例的方式作为用于与主动传感测量头55和57进行双向数据通信的接口118示出了这样的输入/输出接口。对于车轮定位应用而言，接口118使得CPU能够接收来自于主动传感测量头55和57的图像数据、空间关系测量数据和斜度数据。典型地，接口118还使得主计算机系统100能够向主动传感测量头55和57发送操作命令和可能的软件下载。例如，通信接口118可以是带有用于与主动传感测量头55、57中的匹配接口93进行电缆连接的USB接头的通信接口118。本领域技术人员将会认识到，在车轮定位系统中可以使用其它的数据通信接口，比如以太网、RS-232、RS-422、RS-485、WIFI或无线以太网、Zigbee、蓝牙、UWB、IrDA或任何其它适当的窄带或宽带数据通信技术。虽然没有示出，但是如果需要的话，另一个通信接口可以提供经由网络的通信。这一额外的接口可以是调制解调器、以太网卡或任何其它适合的数据通信装置。接至额外的（多个）通信接口以及从其中接出的物理链路可以是光学的、有线的或无线的。

虽然计算机100可以服务于店铺中的其它用途，但是定位系统50使用计算机系统100来处理来自于测量头55、57的数据，以从这些测量头提供的数据中得出期望的定位测量结果，并且为系统50提供用户接口。计算机系统100典型地运行各种各样的应用程序和存储通过比如112-116这些元件提供的数据来实现期望的处理，能够经由用户接口实现一项或多项交互。对于车轮定位应用，程序将包括适当的代码以处理从测量头55、57的具体实现方式接收到的数据，包括从来自于测量头55和57的各种数据得出期望的车轮定位测量参数的计算。主计算机100典型地运行通用操作系统和应用程序或专门适合于执行与定位有关的数据处理的外壳程序（shell），并且提供用于输入和输出用于定位测量和相关服务的期望信息的用户接口。由于是通用系统，因此系统100可以运行大量其它合乎需求的应用程序中的任何一种或多种。

计算机系统100中包含的部件是典型地在用作服务器、工作站、个人计算机、网络终端之类的通用计算机系统中找得到的那些部件。事实上，这些部件原本就是打算用来代表本领域中公知的这些计算机部件的宽泛范畴。

在不同的时候，用于车轮定位应用的有关程序可以驻留于数个不同介质中的一个或多个上。例如，可以将某些或全部程序存储在硬盘或其它类型的存储装置110上并且加载到CPU101中的主存储器106中来由处理器104执行。该程序也可以驻留在用来装载到系统100中的其它介质上或者由所述其它介质输送，以实质性地安装和／或升级它的程序。由此，在不同的时候，用于任何或所有软件组件的所有或部分可执行代码或数据可以驻留在物理介质中或者由电磁媒介携带或经由各种各样的不同媒介传送，来程控特定的系统和／或主动传感测量头55、57的电子电路。如本文中所用，诸如计算机或机器“可读介质”这样的术语因此指的是参与了向处理器提供指令来执行的过程的任何介质。这样的介质可以采取任何形式，包括但不局限于，非易失性介质、易失性介质和传输媒介（例如电线、光纤等等）以及可以在系统之间或系统部件之间传递数据或指令的各种类型的信号。

象传统的常规定位测试头一样，可以通过抬升后轮并且使用外倾角传感器测量偏摆向量，然后抬升前轮并且在靶标围绕着前轮的轴旋转的同时使用摄像机对靶标成像，来对测量头进行偏摆补偿。一种备选的方法可以是通过沿着升降机滚动车轮并且在轨迹摄像机对前靶标以及升降机、车辆或其它固定物体上的固定靶标进行成像来建立固定坐标系的同时用倾斜计对测量头进行偏摆测量，来避免抬升车轮。

如前所述，后测量头55、57装有倾斜计型的斜度传感器，用来测量各个后测量头相对于重力的相对外倾角和前后俯仰角。一旦取得了偏摆值并且测得了倾斜计角度值，就可以对各个测量头相对于重力的取向进行处理，以将各个面向轨迹的摄像机的光轴与重力关联起来。使用面向轨迹的摄像机与重力的关系和所测得的前靶标与面向轨迹的摄像机的关系，可以计算出前靶标与重力的关系。由传感器65和67测量空间关系，以确定轨迹摄像机61和63之间的空间关系。

前束角、后倾角和SAI应该是使用与诸如V3D定位仪之类的成像定位仪中嵌入的那些技术类似的技术来测量的。后推进角、各个后单个束角和轨迹摄像机彼此之间的水平角度关系可以是根据由后空间关系传感器获得的测量结果得出的。倾斜计会通过公共重力向量基准将各个轨迹摄像机彼此关联起来。利用沿着后推进线的轴线彼此有效相关的轨迹摄像机，可以在与推进角度和重力直接相关的坐标系中确定各个前靶标的位置和取向。

可以按照与当前校准常规测量头大致相同的方式通过将各个后测量头安装在直的校准条（calibration bar）上来进行校准。首先对校准条进行旋转来补偿偏摆。然后可以设置后空间关系传感器的零偏移并且通过调平校准条，可以设置各个外倾角传感器的零偏移。前后俯仰的零偏移是通过用精密水准仪调平测试头并且记录前后俯仰倾斜计的值来设置的。通过增加另一个适合于从轨迹摄像机的角度安装前靶标的校准条，可以实现增强的摄像机校准度（见例如JamesDale,Jr提交的美国专利申请公开第2004/0244463号）。在进行了上述初始校准之后，轨迹摄像机在前靶标和校准条围绕前校准条的轴线旋转的同时测量前靶标的取向。可以计算一台摄像机与另一台摄像机的关系并且这样计算出各个摄像机与经过检查或校准的后空间关系的关系。通过调平前靶标校准条，还可以检查各个轨迹摄像机与本地倾斜计的固定关系。这一冗余检查有可能包括针对要求测量精度跟踪能力的客户的ISO检查。

此外，可以将小的靶标固定在能够实现额外的测量或转角的交叉检查的各个前转盘上。

还可以使用V3D车身高度指示器来为了车身高度或其它车体指标的用途而测量前车身点。

本领域技术人员很容易明白，本文讨论的车轮定位系统可以利用各种不同类型的空间关系传感器来实现。图像传感器是空间关系传感器的一种类型。图像传感器可以由具有感测元件的二维阵列的摄像机构成，感测元件的二维阵列产生代表期望包含处于该传感器的视野之内的靶标的图像的数据。可以对来自于图像传感器的数据进行处理，以确定与所观看到的靶标相关的位置和取向信息，从而确定与测量头、车轮或与靶标相关联的其它物体相关的位置和取向信息。现有技术中图像传感器的例子是可通过商业手段从John Bean Company（阿肯色州康威市）得到的Visualiner3D中使用的摄像机，JohnBean Company是实耐宝公司（Snap-on Incorporated）的分公司。角度传感器是另一种类型的适用的空间关系传感器。角度传感器产生表示传感器相对于一点的角度的数据。各种不同类型的角度传感器一般来说都是公知的。角度传感器的一个例子是可从John BeanCompany买到的Visualiner中使用的那种线性CCD传感器。

由此，现在考虑这样一个例子可能是有帮助的：用类似于轨迹摄像机的成像型摄像机代替前面针对图3和图6介绍的缝隙和线性图像传感器风格的空间关系感测布局。图7到图9是类似于图1、图3和图6的视图/示意图，只是这一第二实现方式的图解说明表示的是这样的使用靶标和图像传感器来实现空间关系感测功能的替换技术。与图1、图3和图6的实现方式的车轮和元件类似的车轮和元件采用类似的附图标记并且是以与前面介绍的方式本质上相同的方式构造和操作的。这个例子在前轮41和43上使用从动二维靶标51和53；并且它在后轮上使用主动测量头55'和57'，用于在车辆轨迹的旁侧进行测量，与图1的例子中差不多。后主动传感测量头使用摄像机61、63或类似的2D图像传感器来获得前测量头51、53上的靶标的图像，并且确定靶标相对于主动测量头的相对位置和取向，和前面针对图2详细讨论的一样。不过，两个主动测量头55'、57'的空间关系是通过至少一个2D图像传感器97来确定的，该图像传感器97获得安装在相对一侧主动测量头上的2D靶标67'的图像。在这个例子中，主动测量头57'具有类似于测量头51和53上的靶标之一的相关靶标67'，但是测量头57'并不包括用于实现空间关系测量功能的传感器。主动传感测量头55'使用图像处理型的办法，基于对靶标67'进行成像来实现跨越车辆后部的空间关系测量。图像传感器97典型地可以类似于图2的例子中用作2D图像传感器的摄像机或类似装置。

如图8和图9中更加详细地示出的，空间关系传感器95使用与面向轨迹的图像传感器模块81类似的图像感测模块。空间关系图像感测模块95包括数码摄像机97和LED阵列99。LED阵列99起到发光器的作用。针对空间关系感测的应用，LED阵列99产生红外线（IR）照明。另一个后测量头57'包括IR敏感的反光靶标67'（图7），该反光靶标67'要由LED阵列99照射，继而由摄像机97感测反光靶标97'的反射光。

空间关系摄像机97代替另一个空间关系传感器对位于成对的另一个测量头（横跨车辆的后部）上的靶标67'进行成像。摄像机61和97二者可以共享一个测量头中的公共处理板，而另一个测试头可以简单地使用单独一个摄像机（用于轨迹）和靶标（用于横跨）。由摄像机97获得的靶标图像的处理可以计算后测量头之间的角度空间关系，其方式大致与图1和图2的例子中对来自主动测量头摄像机的图像进行处理来确定安装在车轮上的靶标的相对角度和／或位置的方式相同。不是象前面的例子中那样测量空间关系角，而是图像感测模块和相关的图像处理测量相对一侧的主动测量头上的靶标的3D空间关系。对于与基于靶标图像处理的测量有关的额外信息，可以再次关注授权给Jackson的美国专利US5724743。

在图7到图9的系统中，至少一个主动测量头包含重力传感器，用来测量测量头的外倾角和前后俯仰度。由于安装在相对一侧主动测量头上的靶标的成像使得该系统能够获得两个主动测量头之间的三维（3D）空间关系测量结果，因此只需要一个主动测量头具有重力传感器。除此之外，结构、操作和计算总体上与前面的例子相同。

在前面讨论的例子中，都是将主动测量头与后轮相联合，并且将靶标与车辆前轮相联合。不过，本领域的技术人员会理解，前面讨论的基本构造有很多的变型。而且，有成像传感器与其它传感器的各种不同组合来确定可以使用的空间关系。下面将介绍和示出几种组合。

图10例如示出了一种类似于图1的布局，其中主动测试头和靶标测试头位置相反。图10的车轮定位系统包括安装在车辆的各个车轮222和224上的一对从动测量头221和223，在这个例子中，这两个车轮是后轮。主动传感测量头225和227适合于与车辆220的各个前轮226和228相结合地安装。同样，各个主动传感测量头包括用于产生图像数据的图像传感器229或231，在各个测量头都安装到了车辆的各车轮上时，所产生的图像数据应该包括从动靶标的图像。在这个例子中，主动传感测量头225和227中的图像传感器229和231是二维（2D）成像装置，例如与前面例子中的轨迹摄像机类似的摄像机。

测量头221和223是从动的，因为它们包括可以由主动测量头225和227中的图像传感器之一观测的那种类型的靶标，但是它们不包括任何感测元件。典型地，这些靶标包括在受到其它光源照射时能够检测到并且能够由主动传感测量头225和227中的摄像机之类的装置成像的明亮和黑暗区域。

和前面的例子中一样，该系统还包括与至少一个主动传感测量头225或227相关联的空间关系传感器。空间关系传感器能够在将这些主动传感测量头安装在车轮上时实现主动传感测量头225和227之间的空间关系的测量。在这个例子中，该系统使用两个传统的（1D）角度传感器333和335来在束角平面内测量主动传感测量头225和227的相对角度。主动测量头225和227还包含重力传感器或类似装置来测量测量头的斜度，典型地是测量外倾角和前后俯仰。由此，测量头225包括一个或多个斜度传感器337；并且测量头227包括一个或多个斜度传感器339。

和前面的例子中所示的一样（例如图2），该系统还包括计算机。该计算机处理来自于主动传感测量头的与靶标观测有关的数据和斜度数据。该计算机还处理来自于至少一个空间关系传感器的空间关系数据。该数据处理能够实现车辆的至少一项测量结果的计算。

如所指出的，这个例子实质上是将图1的例子的靶标/主动感测测量头位置前后颠倒的形式。虽然没有给出所有的变型，但是本领域技术人员将会理解，对于本文讨论的每种其它的可选布局，也可以实现类似形式的前后颠倒变型和／或左右颠倒变型。

图11图解说明另一种可选布局。在这个例子中，将两个主动传感测量头安装在车辆一侧上，并且将两个从动传感器安装在车辆的相对侧上。如图所示，靶标在从动测量头上的安装提供了一定程度的远离车轮的延展，从而使得主动测量头中的图像传感器能够看到并对靶标成像。各个主动测量头包含对附在车辆相对一侧的对应车轮上的靶标的图像进行获取的图像传感器。和前面的例子中一样，各个主动测量头包含重力传感器以测量测量头的外倾角和前后俯仰。其中，两个主动测量头的空间关系是通过两个传统角度传感器测量两个测量头之间的束角平面角度来确定的。由于结构、操作和计算总体上类似于早前的例子，因此在这里没有给出更加详细的讨论的情况下，本领域技术人员也应当理解图11的例子。

图12图解说明另一种可选布局。在这个例子中，将两个主动传感器安装在车辆一侧上，并且将两个从动传感器安装在车辆的另一侧上。各个主动测量头包含对附在车辆相对一侧的对应车轮上的靶标的图像进行获取的图像传感器。其中，两个主动测量头的空间关系是由对安装在相对一侧主动测量头上的靶标的图像进行获取的一个或多个图像传感器所确定的。在该例中，前主动测量头包括靶标，并且后主动测量头包括用于以类似于图7到图9的例子中的3D空间测量的方式获得该靶标的图像的2D成像传感器。至少一个主动测量头包含重力传感器，用来测量测量头的外倾角和前后俯仰。由于这个系统获得两个主动测量头之间的3D位置和取向测量结果，因此仅需要一个主动测量头具有重力传感器。同样，由于结构、操作和计算总体上类似于早前的例子，因此在这里没有给出更加详细的讨论的情况下，本领域技术人员也应当理解图12的例子。

图13是再另一种可选布局。这个例子使用第一主动传感测量头，该第一主动传感测量头包含单独一个2D图像传感器，用来获得安装在车辆的同一侧的另一个车轮上的第一从动测量头上的从动靶标的图像。第一从动测量头安装在与第一主动测量头处于车辆同一侧的车轮上。在该图中所示的具体实例中，第一主动测量头安装在左后轮上，并且第一从动测量头安装在左前轮上。第一从动测量头上的一个靶标可以用来由与左后轮相组合的2D图像传感器进行成像，就是说，沿着车辆这一侧的车辆轨迹成像。

不过，第一从动测量头还包含相对于它的第一从动靶标的相对位置已知的第二从动靶标。第二从动靶标伸出到车轮的前方，从而可以由车辆相对一侧的相应2D图像传感器观看到，以便在空间关系测量中进行成像。由此，第二主动测量头安装到第一从动测量头对面，就是说，在所图示的布局中安装在右前轮上。第二主动测量头包含两个2D图像传感器。这两个传感器之一获得安装在附于相对一侧（左前）轮上的第一从动测量头上的靶标的图像，以便进行空间关系测量。第二主动测量头中的另一个2D图像传感器获得安装在第二从动测量头上的靶标的图像，第二从动测量头安装在车辆的同一侧，就是说，在这个例子中在右后轮上。第二从动测量头包含单独一个靶标，并且这个测量头安装在第一主动测量头的对面。

在图13的布局中，至少一个主动测量头包含重力传感器，用来测量测量头的外倾角和前后俯仰。由于这个系统获得两个主动测量头之间的3D位置和取向测量结果，因此仅仅需要一个主动测量头具有重力传感器。总的来说，图13的系统的实现方式和操作的细节应该是可以从这个简要讨论和早前图1-图9的例子的详细公开中明显看出的。

图14中所示的例子总体上类似于图13的例子，只是在图14的系统中，第一主动测量头还包含第二图像传感器。在该测量头中的第二图像传感器获得附在第二从动测量头上的第二靶标的图像。这种构造优于图13的布局的优点是，它仅需要两种唯一的测量头硬件构造，而不是四种。两个主动测量头是相同的，并且两个从动测量头是相同的。各个主动测量头可以是类似于图8和图9中所示的测量头55'。应当将一个主动测量头认定为前测量头，并且将另一个认定为后测量头。这一般可以用嵌入式处理器中的固件来实现。

这种构造（图14）的第二个优点是，第二空间关系测量结果是计算车轮定位不需要的冗余信息。这一冗余信息可以用作对系统的校准检验。如果两个主动测量头都包含重力传感器，则可以验证外倾角和束角二者。如果只有一个主动测量头包含重力传感器，则可以验证束角校准。

在图15所示的例子中，该系统使用安装在各个前轮上的带有靶标的从动测量头，本质上和图1-图9的例子中一样。后轮上示出的主动测量头包含2D图像传感器。放置了两端上带有靶标的参考条，使得各个主动测量头可以观看到参考条上的靶标之一以及车辆同一侧的前轮上的靶标。参考条上的两个靶标的相对位置和取向是已知的。该系统能够根据由主动测量头测得的两个参考靶标的3D位置和取向以及两个参考靶标的已知关系找出两个主动测量头的空间关系。这样提供了由图7到图9的例子的空间关系传感器——靶标所获得的空间关系信息。由于参考靶标的位置是固定的，因此它们还可以用作滚动偏摆期间测量的参考。本领域的技术人员将会从附图、这一说明和早前其它类似例子的讨论中领会这个例子的详细结构和操作。

图16中所示的例子总体上和图15的例子几乎一样地运作，只是只有单独一个参考靶标。主动测量头中的图像传感器的观察角度必须宽得足以能够观看到车辆同一侧的从动测量头靶标和所述单独一个参考靶标。

图17图解说明混合车轮定位系统的再另一个例子。这里，该系统使用安装在每个前轮上的带有附加靶标的从动测量头。主动测量头安装在后轮上，和早前的例子中的几种情况一样。各个主动测量头包含对车辆各侧上的从动测量头靶标的图像进行获取的2D图像传感器。

图像传感器从后轮中心向前伸出，从而使得传感器位于后轮箍前方，以便提供在车辆下方跨越车辆的视线。图像传感器之一，在这个例子中是安装在左后轮上的主动测量头上的传感器，包含部分反射镜，该部分反射镜使来自于从动靶标的图像通过或者对来自于安装在车辆另一侧的相应主动测量头上的靶标的图像进行反射。图18中更加详细地示出了反射镜的操作。

来自于安装在车辆同一侧上（就是说，安装在图示布局中的左前轮上）的从动测量头上的从动靶标的光直接穿过半镀银镜，到达安装在左后轮上的主动传感测量头上的2D图像传感器。来自于相对一侧主动测量头上（就是说，安装在图示布局中的右后轮上的主动测量头上）的从动靶标的光以一定角度到达反射镜的部分反射侧并且被反射进入安装在左后轮上的主动传感测量头上的2D图像传感器。这种系统的优点是，它通过使得传感器之一能够观看到两个不同的靶标而省去了一个图像传感器。

虽然前面已经介绍了被看做是最佳模式的实施例和／或其它例子，但是应当理解，可以在其中进行各种各样的改变，并且本文公开的主题可以以各种不同的形式和实例来实现，且本文的教导可以应用于多种应用，本文仅介绍了其中一部分。所附权利要求的目的是要求保护落入本文教导的真实范围之内的任何和所有应用、改造和改变。

Claims (8)

1.一种车轮定位系统，包括：

一对从动测量头，各个从动测量头包括靶标，该对从动测量头用于与要通过车轮定位系统的操作来测量的车辆的一对车轮相结合地安装；

一对主动传感测量头，各个主动传感测量头包括图像传感器和与该图像传感器具有已知关系的相关的重力传感器，各个主动传感测量头产生基于重力的图像数据，该基于重力的图像数据包括：各靶标中的一个靶标的表达和相对于重力的感测方位；以及

计算机，用于处理来自主动传感测量头的、与靶标的透视观察有关的基于重力的图像数据，以计算车辆的与车轮定位有关的至少一个测量结果。

2.权利要求1的车轮定位系统，其中各个主动传感测量头中的重力传感器包括倾斜计。

3.权利要求1的车轮定位系统，还包括：

传感器，当主动传感测量头安装在车辆的车轮上时，该传感器反映各主动传感测量头之间的空间关系；

其中，将计算机配置为处理图像数据、重力向量数据以及与各主动传感测量头之间的空间关系有关的数据，以计算车辆的与车轮定位有关的至少一个测量结果。

4.权利要求1的车轮定位系统，其中各个主动传感测量头还包括用于在摄像机操作期间照射靶标的发光器。

5.一种车轮定位系统，包括：

一对从动测量头，各个从动测量头包括靶标，该对从动测量头用于与要通过车轮定位系统的操作来测量的车辆的第一对车轮相结合地安装；

一对主动传感测量头，各个主动传感测量头包括：

（a）具有光轴的摄像机，其用于在车轮定位系统的操作期间产生包括各靶标中的一个靶标的图像表达在内的图像数据；以及

（b）与摄像机的光轴具有已知关系的重力传感器，其用于感测相对于重力的方位；

计算机，用于处理来自摄像机的与靶标的透视观察有关的图像数据以及来自重力传感器的相对于重力的方位，以计算车辆的与车轮定位有关的至少一个测量结果。

6.权利要求5的车轮定位系统，还包括用于将主动传感测量头与车辆的第二对车轮相结合地安装的装置。

7.权利要求5的车轮定位系统，其中各重力传感器感测相对于重力的至少一个倾角。

8.权利要求5的车轮定位系统，其中各重力传感器感测相对于重力的两个倾角。

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