CN104380038A - 对车轮定位系统进行转动偏摆补偿的改进的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于对车轮定位进行转动偏摆补偿的改进的方法和系统。为一对车轮获取外倾角和前束角的多组测量值，每组测量值是在通过例如将车轮从前一车轮位置旋转大于0°小于180°的角度而达到的间隔角度相对小的不同测量点上获取的。使用所得到的数据计算外倾角的和前束角的最佳拟合正弦波，并且使用最佳拟合参数来计算当前车轮角度的偏摆。从外倾角和前束角的测量值中减去计算出来的偏摆，以得到所述一对车轮的外倾角和前束角的真值。

Description

对车轮定位系统进行转动偏摆补偿的改进的方法及设备

相关申请

本发明要求2012年4月27日提交的临时专利申请No.61/639,598的优先权，该临时专利申请的全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及汽车车轮定位系统及方法。本发明特别适用于确定车轮外倾角和前束角的真值。

背景技术

为了计算车轮外倾角和前束角的真值，必须确定车轮偏摆并且从外倾角和前束角的测量值中减去车轮偏摆。通常的车轮定位系统通过测量相距180°转角的两个测量位置的外倾角和前束角来补偿偏摆。通过平均外倾角和前束角各自的两个测量值，就能够在不直接估计偏摆的情况下计算出外倾角和前束角的真值。这项技术的缺点在于：其要求车辆举升机具有很长的长度，因为通常的车轮在旋转180°的过程中会移动很大距离(例如，大约40英寸)。

因此，需要一种以很小的所需转动量来测量转动偏摆的技术。

发明内容

本发明通过提供利用小转动角估计偏摆的方法和系统来改进传统的转动偏摆测量技术。

根据本发明，能够通过一种方法和系统部分获得前述优点和其它优点，在所述方法和系统中，为一对车轮获取的外倾角和前束角的多组测量值，每一组测量值都是在不同的相对较小的回转角度上获取的。例如，通过将车轮从前一车轮位置旋转大于0°小于180°的角度分别得到三组测量值；例如，当前测量值的车轮位置与前一测量值的车轮位置之间的角度为大约20°到大约40°。在获取这项数据后，为外倾角值和前束角的测量值分别计算最佳拟合正弦波，并且应用最佳拟合参数来计算当前车轮角度的偏摆。从外倾角和前束角的测量值中分别减去计算出来的偏摆，以得到这对车轮的外倾角和前束角的真值。

根据本发明的一个方面，本发明的方法包括：获取一对车轮的外倾角和前束角的多组测量值，每组测量值是在通过将所述车轮从初始车轮角度开始旋转所得到的不同车轮角度下获取的，其中一个车轮角度为当前车轮角度。本发明的方法还包括：使用最小二乘法及外倾角和前束角的所述多组测量值计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波；使用计算出来的最佳拟合正弦波计算当前车轮角度的外倾角和前束角的偏摆；从在当前车轮角度下测得的外倾角和前束角的测量值分别减计算出来的外倾角和前束角的偏摆，以获得所述一对车轮的外倾角和前束角的真值；以及显示外倾角和前束角的真值。

在本发明的另一方面，车轮定位系统包括：一对无源探头，每个无源探头包括目标靶，所述一对无源探头与将要通过所述车轮定位系统的操作进行测量的车辆的第一对车轮相关联的安装；以及一对有源传感探头，其与所述车辆的第二对车轮相关联地安装。每个所述有源传感探头包括图像传感器，所述图像传感器用于产生图像数据，所述图像数据反映所述目标靶之一的图像。至少一个所述有源传感探头包括至少一个倾角传感器，所述倾角传感器用于在一个所述有源传感探头安装在所述车辆的车轮上时检测所述一个有源传感探头的倾角。

所述车轮定位系统还包括：一种装置，当所述有源传感探头安装在所述车辆的车轮上时，所述装置用于确定所述有源传感探头之间的空间关系；显示器；和计算机。所述计算机用于：在所述有源传感探头安装在所述车辆的第二对车轮上时，处理与所述目标靶的观测有关的图像数据、所检测到的倾角和来自所述用于确定所述有源传感探头之间的空间关系的装置的关系数据，以计算所述车辆的第二对车轮的外倾角和前束角的多组测量值，每组测量值是在通过用户将所述车轮从初始车轮角度开始旋转所得到的不同车轮角度下计算的，其中一个车轮角度是当前车轮角度。

计算机还用于：使用最小二乘法和外倾角和前束角的所述多组测量值计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波；使用计算出来的最佳拟合正弦波计算在当前车轮角度的外倾角和前束角的偏摆；从在当前车轮角度下测得的外倾角和前束角的测量值中分别减去计算出来的外倾角和前束角的偏摆，以获得所述第二对车轮的外倾角和前束角的真值；并且将所述第二对车轮的外倾角和前束角的真值显示在所述显示器上。

从下面参考附图对具体实施方式的描述中，本领域的技术人员很容易看出本发明的其它优点和新颖特征。通过实施和使用所附权利要求书中具体指出的方法、设备及其组合，能够实现并获得本发明的优点。

附图说明

现在参考附图，其中使用相同的附图标记来表示相似的元件，在附图中：

图1示出了标准的轮装传感器在旋转360°时的测量值。

图2概略示出了目标靶和有源传感探头相对于车轮的第一种布局。

图2A和2B示出了能够在无源探头上使用的不同类型的目标靶。

图3是混合车轮定位系统的原理框图，其中，混合车轮定位系统的元件安装在目标车辆的车轮上(但为方便起见省略了目标车辆的其它元件)。

图4是混合车轮定位系统的一些轮装部件的侧视图，其中以局部剖视详细视图显示了一个有源传感探头。

图5是有源传感探头之一的侧视图，其可用于解释摄像机光轴与实测重力向量的俯仰平面的关系。

图6是有源传感探头之一的后视图，其可用于解释摄像机光轴与实侧重力向量的外倾平面之间关系。

图7是有源传感探头之一的部件的原理框图。

图8概略示出了目标靶和有源传感探头相对于车轮的另一种布局，其中使用另外的目标靶和图像传感来测量有源传感探头之间的空间关系。

图9是图8所示系统的一些轮装部件的侧视图，基本上和图4一样，其中以局部剖视详细视图显示了一个有源传感探头；但空间关系传感器使用了另一个摄影机。

图10是图8的详细视图所示的有源传感探头的部件的原理框图。

图11A是所公开的短距离转动偏摆测量技术的高级流程图。

图11B是使用矩阵最小二乘法计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波的详细流程图。

具体实施方式

在各种车轮定位系统中使用轮装传感器。车轮定位系统通过包含在轮装传感器系统中的倾角传感器直接测量车轮外倾角和前束角。然而，因为轮装传感器会下垂，所以来自轮装传感器的外倾角和前束角的测量值不完全处于车轮平面内。因此，来自轮装传感器的外倾角和前束角的测量值不是车轮的外倾角和前束角的真实测量值。实际情况是，来自轮装传感器的测量值等于叠加了正弦分量偏差后的真实测量值。外倾角真值和前束角真值的正弦变化被称为偏摆。

图1显示了在标准轮装传感器旋转360°时，来自标准轮装传感器的测量值。线1000和1001分别代表在车轮旋转360°时的外倾角测量值和前束角测量值。在传感器处于竖直位置时，这个模拟的车轮定位传感系统具有0.2°的偏摆振幅和20°的偏摆相位角。虚线1000a代表外倾角的偏摆，虚线1001a代表前束角的偏摆。模拟的车轮的外倾角真值为0.7°，前束角真值为0.4°。定位程序的目的是确定车轮的外倾角真值1000b和前束角真值1001b(带有圆形标记的直线)。为了得到真值，必须确定偏摆并从外倾角测量值和前束角测量值中将偏摆减去。

直接估计外倾角真值和前束角真值的方法是：在相距180°的两个测量位置获取外倾角测量值和前束角测量值。在此步骤中，各个外倾角测量值/前束角测量值将会包括数值相同并且符号相反的外倾角偏摆/前束角偏摆。因此，通过分别平均外倾角的两个测量值和前束角的两个测量值，就能在不需直接估计偏摆的情况下得到外倾角的真值和前束角的真值。然而，这个方法的缺点在于：要求车辆举升机具有很长的长度。在旋转180°的过程中，标准的直径为25英寸的车轮将会移动大约39英寸。因此，该步骤不适用于车辆举升机的长度较短的用户，除非他们通过托起车辆使车轮离地以完成180°旋转(这是用户都试图避免的费力的过程)。因此，需要以尽可能小的所需转动量来测量转动偏摆。

因此，为了迎合用户的广泛需求，需要从外倾角测量值和前束角测量值直接估计偏摆；例如，通过尽可能小的回转角度和尽可能少的测量次数找到外倾角偏摆和前束角偏摆的正弦波方程。在考虑车轮偏摆的正弦波方程的情况下，能够进行偏摆补偿。轮装传感器系统中的倾角传感器提供了外倾角真值与外倾角偏摆相叠加和前束角真值与前束角偏摆相叠加而形成的测量值(如图1中曲线1000和1001所示)。

在回转角度θ_i下的外倾角测量值表示为：

    (式1)

在同样的回转角度θ_i下的前束角测量值表示为：

    (式2)

对于方程式1和方程式2，θ_i是车轮旋转角度，A是偏摆振幅(以角度表示)，是相位角。C_t是车轮外倾角的真值，T_t是前束角的真值。外倾角/前束角的测量值明显是角度函数，并且通过在足够多的旋转角度下测量外倾角和前束角，就能够计算出方程式1或2中的任何未知量。

如现有技术所示，能够从几个测量值直接计算出外倾角偏摆和前束角偏摆(例如参考美国专利5,025,111和美国专利7,974,806)。然而，对于在很小的车轮旋转角度上收集的少量测量值而言，这个方法并不理想。测量噪声和误差的存在、再加上小转动角度上测量值变化的局限性，使得从少量测量值估计出来的偏摆并不可靠。

本发明公开的利用小转动角计算偏摆的技术与现有技术的不同点在于：不是通过解析的方法来计算偏摆参数，而是为外倾角和前束角方程式中的未知量计算最小二乘最佳拟合估计值。最小二乘估计法的优点在于：利用超定方程组形式的数据冗余来改善对未知参数的估计。数据冗余对以少量测量值精确确定小回转角度上的偏摆来说是至关重要的。

本发明公开的小转动角偏摆计算程序易于使用。在最终用户看来，只需要获得至少两组测量值，其中每组测量值都包括外倾角、前束角和不同的车轮旋转角度测量值。获得的测量值组越多，方程组就越超定，并且就能更好地估计未知的偏摆参数。

使用上述方程式1和方程式2，能够同时估计出外倾角/前束角的偏摆和外倾角/前束角的真值。然而，这种直接方法有缺点，尤其是在收集的测量值组的数量很少时，理由如下。设N为在偏摆估计程序中所收集的测量值组的总数。在方程式1中的已知测量值是车轮角度θ₁,θ₂,...,θ_N和外倾角测量值C₁,C₂,...,C_N。3个未知参数是外倾角真值C_t、偏摆振幅A和偏摆相位角类似地，对于前束角来说，也有测量值组(回转角度θ₁,θ₂,...,θ_N和前束角的测量值T₁,T₂,...,T_N)和3个未知参数(前束角真值T_t、偏摆振幅A和偏摆相位角)。

通过至少3组测量值能够直接估计未知的外倾角/前束角。如果将3组测量值分别作为方程式1和方程式2的输入，那么最小二乘拟合与直接计算方法相比没有本质上的优势。虽然可以通过获取3组以上的测量值来改善直接计算方法，但增加测量值组的数量要耗费更多的人力，这对于最终用户来说是不可取的。对于实践来说，测量值组的数量一定要保持相对少。

下面将会说明本发明公开的利用小转动角计算偏摆的技术的实例，该实例使用最小二乘最佳拟合估计法和少量的测量值组。仔细观察方程式1和方程式2，能够发现外倾角和前束角的方程式共享了三个未知量中的两个未知量(偏摆振幅A和偏摆相位角)。因此，有利的是：使用外倾角测量值和前束角测量值来估计这两个未知量，从而使在最佳拟合估计过程中的“已知量”的有效数量翻倍。这使得能够利用数量很少的测量值组来精确拟合正弦波。

对于外倾角测量值和前束角测量值来说，偏摆是相对于“真”值的振动分量。对于外倾角，在回转角度θ_i的偏摆表示为：

    (式3)

对于前束角，在同样的回转角度θ_i的偏摆表示为：

    (式4)

从方程式3和方程式4能够看出，估计偏摆仅需要估计A和并且在计算外倾角偏摆和前束角偏摆时使用相同的参数。基于方程式3和方程式4，我们只需要2组测量值来估计外倾角和前束角(与使用方程式1和方程式2时的3组测量值相比较)。如图1所示，前束角偏摆1001a等于相位偏移90°的外倾角偏摆1000a(因为cos()是通过将sin()相位偏移+90°得到的)。使用方程式3和方程式4时，不直接测量偏摆，而是从外倾角测量值C_m和前束角测量值T_m的变化间接推导出未知参数。

通过分析外倾角测量值和前束角测量值的变化，能够得到外倾角偏摆和前束角偏摆的变化量。通过分析在所测的回转角度θ₁和θ₂处的外倾角测量值和前束角测量值的变化，能够得到偏摆的变化量。换句话说，能够消掉外倾角真值和前束角真值的常量：

(式5)

将方程式5中的两个表达式通过三角恒等式代换展开，以得到关于2组测量值之间外倾角/前束角偏摆变化量的下述表达式：

(式6)

将这两个表达式重新排列得到：

变量代换：令

△C_1,2＝β₀(sin(θ₂)-sin(θ₁))+β₁(cos(θ₂)-cos(θ₁))

△T_1,2＝β₀(cos(θ₂)-cos(θ₁))+β₁(sin(θ₁)-sin(θ₂))

(式7)

外倾角和前束角的变化量可以以矩阵乘法的方式重新排列为：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{1,2}}& {\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{1,2}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\β}}_0& {\mathrm{\β}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\\ \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\end{array}\right]$

(式8)

方程式8能够更进一步重新排列。令M为能够从所获测量值组计算得出的测量值变化量的总数(外倾角变化量或前束角变化量或回转角度变化量的总数)。△是1行乘以M列的外倾角和前束角测量值变化量向量，β是1行乘以2列的未知参数向量，并且Θ是2行乘以M列的矩阵：

△＝BΘ    (式9)

我们要求解的是B，即该线性方程组中的未知参数的向量。对方程式9进行直接处理得到：

B＝△Θ⁺    (式10)

Θ⁺表示矩阵Θ的伪逆。通过将变化量向量△乘以车轮角度响应变化量矩阵Θ的伪逆，计算出未知参数向量B。这提供了B中参数的最小二乘估计值。需要注意的是，在本发明公开的利用小转动角计算偏摆的技术中，可以使用其它已知最小二乘法代替矩阵伪逆来寻找矩阵B的最小二乘估计值。这些其它方法包括(但不限于)QR分解、奇异值分解、LU分解和Cholesky分解。这些可选的最小二乘求解法的应用方式与上述伪逆法非常相似。还可以使用非线性最小二乘法，如高斯-牛顿法、Levenberg-Marquardt法和其它迭代算法。现有技术采用涉及最少数量的测量值的确定性方程，受测量值误差影响较大，而本发明公开的方法通过使用最小二乘估计法对现有技术做出了改进。

在获取多组测量值(大于两组)时，在方程式6到10中进行的等式重新排列的重要优点会凸显出来。在使用2组测量值时(如方程式8所示)，2个方程式求解2个未知量β₀和β₁。然而，在测量值组数大于2时，能够具有超定方程组，其能够部分减小外倾角/前束角的测量值误差带来的影响。

对于2组测量值来说，只有2个能够构成矩阵△的测量值变化量：△C_1,2和△T_1,2。因此，此时具有用来计算B中的2个未知参数的最小数量的“已知量”。对于3组测量值来说，具有4个可用的测量值变化量：△C_1,2、△C_2,3、△T_1,2和△T_2,3。在这个方程组中“已知量”(M)的数量随在回转过程中收集的测量值组的数量(N)的增加而增加，M用以下方式表示：

M＝2(N-1)    (式11)

方程式9和方程式10在测量值组的数量N≥2的任何情况下有效。但是“已知量”△和Θ的数组必须通过扩展以将大量已知量合并为未知量向量B的最小二乘解。归纳外倾角变化量和前束角变化量的数组△来合并所有测量值变化量(1行乘以M列)：

在N＝2时，1行乘以2列的向量：

△＝[△C_1,2  △T_1,2]

在N＝3时，1行乘以4列的向量：

△＝[△C_1,2  △C_2,3  △T_1,2  △T_2,3]

…

在N为任意大小时，1行乘以M列的向量：

△＝[△C_1,2  △C_2,3  ...  △C_N-1,N  △T_1,2  △T_2,3  ...  △T_N-1,N]

式(12)

同样，在N为任意大小时，归纳对回转角度的三角函数响应矩阵Θ(形成2行乘以M列的矩阵)：

$\mathrm{\Θ}=\left[\begin{array}{cccccc}\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& ...& \sin \left({\mathrm{\θ}}_N\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_{N-1}\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& ...& \cos \left({\mathrm{\θ}}_N\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_{N-1}\right)\\ \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& ...& \cos \left({\mathrm{\θ}}_N\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_{N-1}\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)& ...& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{N-1}\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_N\right)\end{array}\right]$

式(13)

一旦构成了△和Θ的数组，下一步就是计算矩阵Θ的伪逆Θ⁺。通过标准数值线性代数方法得出Θ⁺。当Θ⁺已知时，应用方程式10计算两个未知的最佳拟合参数B＝(β₀  β₁)。一旦估计出两个未知参数，就可以通过对方程式7的代换进行反变换，使用这两个未知参数解得偏摆正弦波的振幅和相位角：

如果

否则，

式(14)

自此，通过将A和插入方程式3和方程式4中，能够直接计算在所关注车轮角度处的偏摆。为了得到所需最终答案(即外倾角真值和前束角真值)，只需从外倾角/前束角的测量值中减去外倾角/前束角的偏摆。

与从小旋转角度上的有限数量的测量值估计偏摆的现有方法相比，本发明公开的利用小转动角计算偏摆的算法提供了多种优点。相对于使用最小数量的测量值的直接解法，利用超定方程组最小二乘估计法为未知偏摆参数提供了更好的统计估计量(振幅和相位角)。在其它条件都相同的情况下，因为车轮旋转角度更大时相对测量误差更小，所以在车轮总旋转角度(从开始到结束)更大时偏摆估计更加精确。然而，通过获得独立测量值组之间的车轮角度变化较小的更多的测量值，最小二乘估计法允许对与较小的总旋转角度相关联的较大的相对测量误差进行补偿。

此外，最小二乘估计法能够为拟合估计值的质量进行评价。如果最佳拟合残差太大(或伪逆矩阵的条件数太差)，那么能够实时警告用户以进行更耗费人工的偏摆补偿(例如，180°的车轮旋转角度或抬高车轮离地的偏摆测量)。在常规的偏摆直接解法中，因为使用最小数量的测量值计算偏摆，所以没有这样的警告。

下面参考图2到图10描述实施本发明公开的利用小转动角计算偏摆的方法的示例性定位系统。这些所谓的“混合”定位系统在授予Rogers的美国专利7,313,869中也有描述，该美国专利的全部公开内容通过引用并入本文。应当理解的是，图2到图10的混合定位系统并不是能够实施本发明公开的利用小转动角计算偏摆的技术的唯一系统环境。本发明公开的技术也能够在通常的机器视觉定位仪中实施，如在授予Jackson的美国专利5,724,743中公开的机器视觉定位仪。

图2到图10示出的实例给出了成本相对较低的定位系统，这些系统是“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目标靶，例如无源探头上的目标靶，并且该系统附在车辆的另外两个车轮上的有源传感探头中使用光学图像传感器(如摄像机)和其它定位传感器的组合。无源探头比传统定位系统中使用的探头制造起来明显便宜得多。有源传感探头的成本一般来说可以与传统车轮定位系统的两个探头的成本差不多。

使用成像技术测量车辆两个前轮的位置和方向具有额外的优点，包括取得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值的能力。这些额外的测量值可以包括磨胎半径(美国专利No.6,532,062)、滚动半径(美国专利No.6,237,234)和主销后倾(美国专利No.6,661,751)。

现在对附图中示出和下文讨论的实例进行详细说明。图2示出了目标靶和有源传感探头相对于受测车辆20的车轮的第一种布局，该布局例如用于测量一个或多个车轮的定位参数。为便于图示，省略了车辆的除了车轮之外的零件。

车轮定位系统包括安装在车轮22上的无源探头21和车轮24上的无源探头23，在这个实例中，车轮22和车轮24是前转向轮。有源传感探头25适合于与车轮26相关联地安装，有源传感探头27适合于与车轮28相关联地安装，在这种情况下车轮26和28是后轮。有源传感探头25包括图像传感器29，有源传感探头27包括图像传感器31，图像传感器用于产生图像数据，在各个探头安装到了车辆20的各车轮上时，所产生的图像数据应该包括无源目标靶的图像。在这个第一实例中，有源传感探头25中的图像传感器29和有源传感探头27的图像传感器31是二维(2D)成像装置，例如摄像机。

探头21和探头23是无源的，因为它们包括目标靶，但是不包括任何传感元件。无源探头21和无源探头23都包括可由有源传感探头25中的图像传感器29和有源传感探头27的图像传感器31中之一观测到的类型的目标靶。在无源探头上21或无源探头23上的用于由另一个探头上的传感器进行图像感测的目标靶可以是有源或是无源的。有源目标靶，例如发光二极管(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。无源目标靶是不由电源驱动并且不发射用于由传感器检测的能量的元件。假设有源传感探头25和有源传感探头27中有图像传感器，则无源目标靶应当是以可由相应图像传感器探测的方式反射(或不反射)光或其它能量的物体。在该实例中，虽然这些目标靶可以包括一个或多个发光元件，但是这些目标靶包括亮区和暗区，所述亮区和暗区在受到其它光源照射时能够被检测到并且能够由有源传感探头25和有源传感探头27中的摄像机之类的装置成像。

图2A示出了可以用在任何一个无源车轮探头21上的目标靶的第一个实例。在这个第一个实例中，目标靶是矩形的。图2B示出了可以用在任何一个无源车轮探头21上的目标靶的第二个实例。在这个第二个实例中，目标靶是圆形的。在各个情况下，目标靶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或安装在该平板上的。虽然图2A和2B示出的是特定的图案，但是很显然，在各个目标靶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。作为另一个实例，也可以为这些目标靶使用多面板或物体。很多实例采用多个反光元件排布形成各个目标靶。更加详尽的信息，可以参阅授予Jackson的美国专利No.5,724,743。

该系统还包括与至少一个有源传感探头25或有源传感探头27相关联的空间关系传感器。空间关系传感器能够在将有源传感探头25和有源传感探头27安装在车轮上时实现有源传感探头之间的空间关系的测量。一般来说，取决于所使用传感器类型，空间关系传感器可以测量相对位置和/或方向。位置测量值指的是被测物从测量装置的角度看到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，例如笛卡儿坐标系或极坐标系。方向可以从三维位置测量中得出，或者可以与位置无关地测量方向。方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。方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。在第一个实例中，该系统使用两个传统的(1D)角度传感器33和角度传感器35来在束角平面内测量有源传感探头25和有源传感探头27的相对角度。

有源传感探头25和有源传感探头27还包括重力传感器或类似装置，用于测量探头的倾角，典型地是测量探头的外倾角和前后俯仰角。在第一个实例中，有源传感探头25包括一个或多个倾角传感器37；有源传感探头27包括一个或多个倾角传感器39。

后面的实例将会更加详细地示出(参考图3)，该系统还包括计算机。该计算机处理来自有源传感探头的与目标靶观测有关的数据和倾角数据。该计算机还处理来自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值的计算。

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观察方式而改变，并且图像的变化与观看主体所沿的观看路径的观察角度直接相关且可从该观察角度确定出来。此外，我们知道仅仅通过将物体的观察图像与它真实的非观察图像关联起来就可以确定观察角度。反过来说，可以通过将物体的观察图像与它的非观察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)。

在实际中，将目标靶的数学方程式或与目标靶的真实图像(即，通过观察垂直于初始平面的目标靶获得的图像)和尺寸相应的数据预编到计算机的存储器中，从而在定位期间，计算机具有可以与目标靶的观察透视图进行比较的参考图像。

计算机计算目标靶方向的方法是识别目标靶上某些几何特征，获取这些几何特征的观察测量值并将这些测量值与之前预编进计算机存储器中的真实图像相比较。

此外，由于将目标靶的真实尺寸预编进计算机存储器中，因此本发明的方法和设备能够用于确定目标靶在三维空间内的实际位置。可以通过如下方式实现这一点：首先通过确定目标靶上图案的某些元素的观察图像(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相比较。这会得到元素到图像传感器的距离，并因此得到目标靶到图像传感器的距离。

对于本文所述的车轮定位系统，有源探头中的图像传感器观看附在车轮上的目标靶并且产生描述目标靶观察图像的图像数据。计算机将目标靶的观察图像数据与目标靶的真实形状关联起来。在这样做的过程中，计算机将目标靶的某些已知几何元素的尺寸与观察图像中的相应元素的尺寸联系起来，并且通过执行某些三角函数计算(或通过另外一些合适的数学或数值方法)计算车辆的车轮定位。计算机还能够计算与无源探头相关联的车轮的旋转轴线(车轮轴线)在三维空间内的位置与方向。

关于基于目标靶图像处理的测量的额外信息，可以再次参阅授予Jackson的美国专利No.5,724,743。

图3示出了关于低成本混合车轮定位系统50的更加全面的实例和车辆的四个车轮41、43、45和47(为简单起见，未示出其它部分)。混合车轮定位系统50包括分别安装在或通过其它形式关联到车轮41、43、45和47上的四个探头51、53、55和57。能够使用各种不同类型的安装装置。在本实例中，无源探头51安装在前轮41上，无源探头53安装在前轮43上，并且前部的无源探头51和无源探头53使用反光目标靶。当如图所示将反光目标靶安装在车轮上时，反光目标靶朝向后部，以便可由有源传感探头中的图像传感器观测。这些反光目标靶和在三维(3D)机器视觉定位系统中的使用的目标靶相似。安装在后轮45的探头55和后轮47上的探头57是有源传感探头，因为有源传感探头中包括图像传感元件。在本实例中，有源传感探头55和有源传感探头57还包括倾角和空间关系传感元件，如下文将要讨论的，其用于获取车轮定位系统50的主计算机系统100所要处理的信息。

与V3D摄像机类似的图像传感器位于每个后部探头上。为了测量附在前轮上的目标靶的位置和方向，每个摄像机的光轴沿车辆轨迹向前延伸。摄像机不需要直接处于车辆的车轮轨迹上，换句话说，不需要处于车轮的滚动路线上。这些摄像机仅需从旁侧朝向车轮轨迹，就足以观看到并且采集与前轮相联合的无源探头51和无源探头53上的目标靶图像。在实例中，有源传感探头55包括包含具有朝向左侧车轮轨迹前方的摄像机61的形式的图像传感器的图像传感组件或类似组件。在这样安装时，摄像机61的视野包括安装在左前车轮41上的无源探头51的目标靶部分。类似地，有源传感探头57包括包含朝向左侧车轮轨迹前方的摄像机63的形式的图像传感器的图像传感组件或类似组件。在这样安装时，摄像机63的视野包括安装在右前车轮43上无源探头53的目标靶部分。

将一个或多个传感器附在后部探头55和后部探头57上，并且将所述一个或多个传感器定位成用于测量两个有源传感探头之间的空间关系。在此能够使用各种可用的传感技术，并且之后会讨论其中两个实例。如图3所示的实例，有源传感探头55包括传感器65；有源传感探头57包括传感器67。传感器65和传感器67在这个应用中用于检测有源传感探头55和有源传感探头57之间的相对角度关系，而对来自摄像机61和摄像机63的图像信号进行处理是为了计算常规的前轮定位参数，如外倾角和前束角。

后部探头55或后部探头57还包括一个或多个倾角计，倾角计用作倾角传感器，测量各个后部探头相对于重力的相对外倾角和俯仰角。例如，这些倾角计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4是本系统的一些轮装部件的侧视图。该左视图示出了附在左前轮41上的带有无源目标靶的左前探头51。该侧视图还示出了附在左后轮45上的左后有源传感探头55。图4还部分地以剖面图方式显示了有源传感探头55的元件的放大细节视图。

如图所示，探头55包括外壳71。为了清晰起见，省略了将外壳安装到车轮上的硬件。外壳71包括朝向前方的轨迹摄像机61。在本实例中，空间关系传感器65使用射束角探测技术，稍后将参考图7对此进行讨论，不过也可以使用其它类型的传感器。外壳71还包括键盘74，键盘74用于让用户激活探头55，印刷电路板75包括数据处理电子设备，数据处理电子设备用于处理来自一个或多个摄像机和其它传感器的数据并用于与主计算机保持通信。为了形成混合系统的传感探头，印刷电路板75还支撑着俯仰角倾角传感器77和外倾角倾角传感器79。虽然单独分开显示出来，但是倾角传感器77和倾角传感器79可以是单独一个倾角计组件的元件。倾角传感器77和倾角传感器79将倾角读数传送给印刷电路板75上的处理器，以将摄像机数据传输到主计算机系统100。

图5和图6是有源传感探头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，两个附图图解说明由倾角传感器测量的轴线与其它元件的相互关系。为了讨论，在此假定倾角传感器77-79是单一MEMS倾角计的元件。倾角计确定相对于俯仰角平面的重力向量(图5)和相对于外倾角平面的重力向量(图6)。当然，对另一个有源传感探头57也采取同样的测量方法(图3)。这样，可以对各探头相对于重力的方向进行处理，以将各个面向轨迹的摄像机的光轴与重力关联起来(图5和6)。这样也能够通过图像数据和重力向量数据的处理来测量各前部的目标靶相对于重力的关系。

图7是有源传感探头之一的元件的原理框图，在这种情况下是有源传感探头55的原理框图，但是在该第一实例中，有源传感探头57的元件总体上类似。

如上所述，有源传感探头55包括包含轨迹摄像机61形式的图像传感器的图像传感组件81或类似组件，在使用时，轨迹摄像机61面向左侧车轮轨迹前方，以使得摄像机能够获取包括无源探头51目标靶的图像(也如图3所示)。如图7所示，面向轨迹的图像传感组件81包括作为光源的LED阵列83，该LED阵列用于为安装在车辆同侧的车轮41上的无源探头51上的目标靶实现期望的照度而发射光线。摄像机61是数码相机，其能够为车轮定位应用而传感图像。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。该值数字化并且由主印刷电路板75上的电路读出。可以在摄像机传感器芯片上或之外对该值数字化。

在这种实施方式中，空间关系传感器组件65包括：IR LED 85、缝隙86和线性图像传感器87(例如电荷耦合装置(CCD)或CMOS单元)。IR LED 85将光束投射到相对的侧探头57中类似的前束角传感器组件。以类似的方式，相对侧的探头57包括IR LED 85，IR LED 85将光束投射到探头55。

从相对侧的探头57的IR LED发出的IR光/放射线由线性传感器87通过缝隙86探测到。在传感器87上的检测到从其它探头发射过来的IR光的精确点位表示了来自相对侧的探头的光束在探头55中的传感器87上的相对入射角度。以类似的方式，来自探头55的IR LED的IR光/放射线由相对侧的探头57中的线性图像传感器通过缝隙探测到；在相对侧的传感器上的检测到从LED85发射过来的IR光的精确点位表示了来自线性传感器探头55的光束在探头57中的线性传感器上的相对入射角度。处理从两个线性传感器得到的角度检测数据，就能够确定在两个有源传感探头中摄像机61和63的摄像机光轴之间的角度关系。

电路板75包括数字信号处理器(DSP)或其它图像处理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和63向图像处理电路89提供数字图像数据。如图所示，有源传感探头55还包括外倾角倾角传感器79和俯仰角倾角传感器77。这些倾角计元件将重力角度测量值(参考图5和6的描述)提供到处理器89。图像处理电路89对这些数据进行一个或多个操作并将这些数据提供给通信接口93，以将数据传输到主计算机系统100。

电路89的图像处理操作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能够在传输到主计算机系统100前进行一定程度的预处理。就图像数据而言，图像预处理包括：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(参考例如由Robb等人申请的美国专利No.6,871,409)。处理器89还能够响应从倾角传感器77和79传来的倾角数据和/或空间关系测量数据，在一定程度上处理图像数据。按照另外一种可选方案，能够将倾角和横跨位置数据简单地转发给主计算机系统，以在图像数据的更进一步处理中使用。

有源传感探头之一中的处理器89可以构造为从另一探头接收数据并且在其内部进行车轮定位参数计算，然后仅将车辆测量结果传输给主计算机系统100。而且，有源传感探头之一中的处理器89可以构造为计算所有定位值并输出生成用户接口。在这种情况下，有源传感探头能够作为网络服务器，提供实现车轮定位系统的用户接口的网页，并且主计算机能够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组成。然而，为将成本最小化，在主计算机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)保持为最低。

电路板75上的处理器89或另一个控制器(未单独示出)还提供对有源传感探头55的操作的控制。例如，控制元件(处理器89或其它控制器)能够控制LED阵列83和IR LED 85的发射的时机和强度、以及摄像机81和线性图像传感器87的时机和其它可能的操作参数。有源传感探头55还包括键盘74，使用户能够激活探头55，并且处理器89或另一个控制器将会检测和响应通过键盘74的输入信号。

计算机通信接口93为有源传感探头55的部件与主计算机100提供了双向数据通信(图3)，并且在某些配置下提供有源传感探头之间的双向数据通信。计算机通信接口93符合适当的数据协议标准并且提供了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与主计算机100的数据通信。例如，主通信接口能够是USB接口，USB接口具有USB接头来与主计算机100中的相应接口进行电缆连接。本领域的技术人员能够认识到，在车轮定位系统中可以使用其它数据通信接口，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或任何其它合适的窄带或宽带数据通信技术。

与图像传感组件81和空间关系传感器组件85一样，在电路板75上的电子电路也从电源94接收电力。电源94能够使用任何具有充足电压电流的常规电源。如果系统50使用电缆，那么电源将会由常规的交流电驱动或者通过USB或以太网接线接收电力。如果探头55和探头57是无线的，那么电源将会使用电池电源，可充电电池和一次性电池均可。按照另外一种可选方案，无线探头的储能介质能够由特大电容组成。

回到图3，主计算机系统100处理来自有源传感探头55和57的数据并且为系统50提供用户接口。主计算机系统100执行本文所公开的短距离转动偏摆计算，并将结果(例如，外倾角和前束角的真值)显示给用户。如上所述，数据处理能够在一个或多个有源传感探头55和57中的DSP或类似组件中完成。然而，为了将探头55和57的成本最小化，可以由主计算机系统100或类似的数据处理装置提供主要处理能力。在实例中，系统100能够通过台式个人计算机(PC)或者由如笔记本式个人计算机、UMPC(超移动PC)等其它计算机装置实现。还能够使用客户机服务器方案，在这种情况下，服务器会执行主处理，并且有源传感探头之一或另一个用户终端将会作为客户机来提供用户接口。虽然熟知先进车轮定位技术的技术人员应该十分了解各种适当的计算机系统的部件、程序和操作，但是提供更简单的实例是有帮助的。

计算机系统100包括中央处理器(CPU)101和用于提供用户接口的相关元件。CPU101包括：总线102或其它用于通信信息的通信机制；以及与总线102相连的处理器104，处理器104用于处理信息。计算机系统100还包括主存储器106，如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储器装置，其与总线102相连接，以存储信息和处理器104所执行的指令。主存储器106也能够用于存储处理器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还包括只读存储器(ROM)108或其它静态存储装置，其与总线102相连接以存储静态信息和处理器104的指令。存储装置110，如磁盘或光盘，与总线102相连接来存储信息和指令。虽然只示出了一个存储装置110，但是许多计算机系统包括两个或更多的存储装置110。

所示计算机系统100的实施例也有本地用户接口，例如，使得该系统表现为在车轮定位场区和汽车服务店使用的个人计算机或工作站。计算机系统100能够通过总线102连接到显示器112，如阴极射线管显示器(CRT)或平板显示器，从而为计算机用户显示信息。输入装置114(包括数字字母和其它按键)与总线102相连，用来向处理器104传输信息并选择指令。另一种用户输入装置是光标控制器116，如鼠标、轨迹球或光标方向键，光标控制器116用于向处理器104传输方向信息并选择指令，CPU101在此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通常具有两个轴上的自由度，轴包括第一轴(例如x轴)和第二轴(例如y轴)，这使得装置能够指定平面内的位置。用户接口元件112-116与CPU101之间的连接可以是有线的，或者能够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，例如与有源传感探头55和有源传感探头57进行双向数据通信的接口118。对于车轮定位应用而言，接口118使CPU接收来自有源传感探头55和有源传感探头57的图像数据、空间关系数据和倾角数据。通常接口118也允许主计算机系统100向有源传感探头发送操作指令和可能的软件下载。例如，通信接口118能够是USB接口，通过USB连接器与有源传感探头55和有源传感探头57中的匹配接口93进行电缆连接。本领域的技术人员能够理解，在车轮定位系统中能够使用其它数据通信接口，如以太网、RS-232、RS-422、RS485、WIFI或无线以太网、ZigBee、蓝牙、UWB、IrDA或其它任何合适的窄带或宽带数据通信技术。

虽然没有示出，但如果需要，另外的通信接口能够提供经由网络的通信。这一额外接口可能是调制解调器、以太网卡或其它适当的数据通信装置。通向和来自额外的(多个)通信接口的物理链路能够是光学、有线或无线的。

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来处理来自于探头55和探头57的数据，以从这些探头提供的数据中得出期望的定位测量值，并为系统50提供用户接口。计算机系统100通常运行各种应用程序并且存储数据，数据经由如元件112-116之类的元件提供实现期望的处理，能够通过用户接口实现一项或多项交互。对于车轮定位应用，程序将包括合适的代码来处理从探头55和探头57的具体实现方式接收的数据，包括从来自探头55和探头57的各种数据中计算得出期望的车轮定位测量参数。主计算机100通常会运行通用操作系统和应用程序，或专门适应与定位相关的数据处理的外壳程序(shell)，并提供用于输入和输出用于定位测量和相关服务期望信息的用户接口。因为是通用系统，所以系统100能够运行大量其它合乎需求的其它所需应用程序任何一种或多种。

计算机系统100中包含的部件是在如服务器、工作站、个人计算机、网络终端等通用计算机系统中使用的典型部件。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。

在不同时候，用于车轮定位应用的相关程序能够驻留于数个不同介质中的一个或多个上。例如，能够将某些或全部程序存储在硬盘或其它类型的存储装置110中并且加载到CPU101中的主存储器106中来由处理器104执行程序。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。因此，在不同时候，用于任何或所有软件元件的所有或者部分可执行代码或数据能够驻留于物理介质中或者通过电磁媒介携带或经由各种不同媒介传送，来程控特定系统和/或有源传感探头55和探头57的电子电路。因此，本文中所用的诸如计算机或机器“可读介质”这样的术语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。这样的介质能够采取任何形式，包括但不限于，非易失性介质、易失性介质和传输介质(例如导线、光纤等)以及能够在系统之间或在系统部件之间运载数据或指令的各种类型的信号。

像传统的常规定位探头一样，可以通过提升后轮离地并使用外倾角传感器来测量偏摆向量，然后升高前轮离地并在目标靶绕前轮轴线转动时使用摄像机做出它的像，来对探头进行偏摆补偿。备选方法能够是通过沿举升机转动车轮、并在轨迹摄像机对前置目标靶和固定在电梯、车辆或其它固定物体上的目标靶进行成像以建立固定坐标系的同时利用倾角计对探头进行偏摆测量，来避免升高车轮离地。

如上所述，后部探头55和探头57结合倾角计式倾角传感器以测量各后置探头相对于重力的相对外倾角和俯仰角。一旦获得偏摆并测量到倾角计角度值，就能够对各探头相对于重力的方向进行处理，以将各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前置目标靶与面向轨迹的摄像机的测量关系，能够计算前置目标靶与重力的关系。空间关系通过传感器65和传感器67测量，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是使用与诸如V3D定位仪之类的图像定位仪中嵌入的那些技术类似的技术来测量的。后推力角、各后部独立束角和轨迹摄像机彼此间的水平角度关系能够根据后部空间关系传感器获得的测量值求导出。倾角计能够通过公共重力向量参数将各轨迹摄像机关联起来。利用沿后推力线的轴线彼此有效关联的轨迹摄像机，能够确定各前置目标靶在与推力角和重力直接相关的坐标系中的位置和方向。

可以按照与当前校准常规探头大致相同的方式通过将各个后探头安装在直卡钳上来进行校准。首先旋转卡钳来补偿偏摆。然后能够通过校准卡钳设置后部空间关系传感器的零点偏移，并且能够设置每个外倾角传感器的零点偏移。俯仰角零点偏移是通过将探头对准精密水平水准器并记录俯仰角倾角计的值来设置的。通过增加另外的适合于从轨迹摄像机视野安装的前侧目标靶的卡钳，能够实现增强摄像机校准度(参考例如James Dale,Jr.提交的美国专利申请公开No.2004/0244463)。在进行上述初始校准后，轨迹摄像机在目标靶和卡钳围绕前部卡钳的轴线旋转的同时测量前部目标靶的方向。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。通过调平前部目标靶卡钳，还可以检查各轨迹摄像机到其当前位置的倾角计的固定关系。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，能够将小目标靶固定在前部转盘上，以允许对转角的附加测量或交叉检查。

也能够使用V3D底盘高度指示器来为了底盘高度或其它车体指标的用途而测量前部车身点。

本领域的技术人员很容易明白，本文讨论的车轮定位系统能够通过多种不同类型的空间关系传感器实现。图像传感器是空间关系传感器的一种类型。图像传感器能够包括摄像机，摄像机具有二维阵列的传感元件，二维阵列的传感元件产生的数据代表期望包含处于该传感器的视野之内的目标靶的图像。对来自图像传感器的数据进行处理能够确定所观察到的目标靶的位置和方向信息，从而能够确定与测量头、车轮或与目标靶相关联的其它物体相关的位置和方向信息。现有技术中图像传感器的实例是在可以从John Bean Company(阿肯色州康威市)买到的Visualiner 3D中使用的摄像机，John Bean 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数据。各种类型的角度传感器一般来说都是公知的。角度传感器的一个实例是在可从John Bean Company买到的Visualiner中使用的线性CCD传感器。

因此，现在考虑这样一种实例是很有帮助的，在实例中用类似于轨迹摄像机的图像式摄像机取代前面针对图4和图7所述的缝隙和线性图像传感器式的空间关系传感布置。图8到图10的视图/框图与图2、图4和图7中的视图/框图十分相似，只是第二实施方式的图解说明表示的是这种使用目标靶和图像传感器以实现空间关系传感功能的替换技术。与图2、图4和图7的实施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以与前面介绍的方式本质上相同的方式构造和操作。本实例在前轮41上使用无源二维目标靶51，在前轮43上使用无源二维目标靶53；并且为了沿车辆的轨迹旁侧进行测量，在后轮上使用有源探头55'和有源探头57'，与图2所示实例十分相似。后部有源传感探头使用摄像机61和摄像机63或类似的2D图像传感器，以从前部探头51和探头53上的目标靶获取图像，并且确定目标靶相对于有源探头的相对位置和方向，与上面参考图3的描述十分相似。然而，两个有源传感探头55'和探头57'的空间关系通过至少一个2D图像传感器97来确定，该2D图像传感器97获取安装在相对侧的有源探头上的2D目标靶67'的图像。在本实例中，有源探头57'具有相连的目标靶67'，目标靶67'与探头51和探头53上的一个目标靶十分相似，但是探头57'不包括用于实现空间关系测量功能的传感器。有源传感探头55'使用图像处理型的方法，基于目标靶67'的图像得到跨越车辆后部的空间关系测量值。图像传感器97通常类似于图3所示实例中用作2D图像传感器的摄像机或类似装置。

如图9和图10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组件81类似的图像传感组件。空间关系图像传感组件95包括数码摄像机97和LED阵列99。LED阵列99用作照明器。针对空间关系传的感应用，LED阵列99产生红外(IR)光。另外的后部探头57'包括被LED阵列99照亮的IR感光反光目标靶67'(图8)，从而由摄像机97探测到目标靶。

空间关系摄像机97对代替另一个空间关系传感器的位于相对侧的探头(穿过车辆后部)上的目标靶67'进行成像。摄像机61和摄像机97两者能够共享其中一个探头上的公共处理电路板，而另一个探头可以简单地使用单独一个摄像机(用于轨迹)和目标靶(用于横向)。通过摄像机97获得的目标靶图像的处理能够计算后部探头之间的角度空间关系，其方式与在图2和图3的实例中对来自有源探头摄像机的图像进行处理来确定安装在车轮上的目标靶的相关角度和/或位置的方法相类似。不像前一实例中一样测量空间关系的角度，而是通过图像传感组件和相关的图像处理方法测量相对侧的有源探头的目标靶的3D空间关系。对于基于目标靶的图像处理的关于测量值的额外信息，可以再次参阅授予Jackson的美国专利No.5,724,743。

在图8到图10的系统中，至少一个有源探头包括重力传感器，用来测量探头的外倾角和俯仰角。因为安装在相对侧的有源探头的图像允许系统获得两个有源探头之间的三维(3D)空间关系测量值，所以只需要一个有源探头具有重力传感器。除此之外，结构、操作和计算与先前的实例十分相似。

在上述实例中，有源探头与后轮相关联，并且目标靶与车辆的前轮相关联。然而，本领域的技术人员能够理解，上述的基本构造有许多变型。而且，图像传感器和其它传感器具有多种不同的组合方式来确定可以使用的空间关系。一部分这些变型和组合方式在授予Rogers的美国专利US7313869中有所描述和示出。

现将参考图11A到图11B的流程图描述本发明的方法的实例。在此描述的计算能够通过计算机完成，如图3所示的计算机100。假设即将在车辆上完成的四轮定位使用了前面参考图2-10描述的混合定位仪，在步骤1100，以传统方式获得前轮(即支撑无源目标靶的车轮)的一组外倾角测量值和前束角测量值。然后，从步骤1105开始，为了对车辆的后轮(即支撑有源探头的车轮)进行定位，执行本发明所公开的利用小转动角计算偏摆的程序。

在几个不同的车轮角度处获得多个N组的外倾角测量值和前束角测量值，其中N大于等于2。在步骤1105，计数器“i”初始为i＝1。在步骤1110中，在i＝1时的初始车轮角度处获得一组外倾角测量值和前束角测量值，并且在步骤1115记录一组外倾角测量值、前束角测量值和车轮角度测量值。在步骤1120检查计数器，如果i少于N，那么在步骤1125计数器加1，在步骤1110将车轮旋转到回转位置，并重复步骤1115和步骤1120。自前一车轮位置起的回转量大于0°并小于180°；例如，自前一车轮位置起大约20°到大约40°。

因此，在已知的车轮角度将会记录至少两组外倾角测量值和前束角测量值。如果N＝3，将会有三组外倾测量值角和前束角测量值：在初始车轮角度、第一回转车轮角度和第二车轮回转角度各有一组外倾测量值角和前束角测量值。

如上所述，在步骤1120中，当计数器i等于N时，在步骤1130使用所获得的多组外倾角测量值和前束角测量值和最小二乘法来计算外倾角最佳拟合正弦波和前束角最佳拟合正弦波。在步骤1135中，使用最佳拟合正弦波的最佳拟合参数计算在当前车轮角度下的外倾角的偏摆和前束角的偏摆。此过程在前面也有所描述。需要注意的是，当前车轮角度能够是在i＝N时的回转位置的车轮角度，并因此不会再进一步发生车轮的转动。因此，如果N＝3，那么当前车轮角度将会是第二回转车轮角度。

从当前车轮角度下所测得的外倾角测量值和前束角测量值中减去计算出来的相应偏摆，以得到一对后轮的外倾角真值和前束角真值(步骤1140)，并且将外倾真值角和前束角真值显示在显示器上(步骤1145)，如图3所示显示器112。

图11B所示的流程图详细示出了在图11A的步骤1130中进行的、使用矩阵最小二乘法的外倾角测量值和前束角测量值的最佳拟合正弦波的计算实例。在步骤1130a中，计算得到参数△，参数△是所有M个测量值组的外倾角和前束角测量值的变化矩阵。在步骤1130b中，计算得出参数Θ，参数Θ是所有M个测量值组的车轮角度的三角响应函数矩阵。然后使用最小二乘法，找到将输入参数Θ最佳映射到所测得的输出参数△的参数向量β(步骤1130c)。在β中的参数是最佳地体现所测得的外倾角正弦波和前束角正弦波的特征的回归系数(步骤1130d)。在步骤1130e，将参数向量β转化为偏摆的正弦波振幅A和相位角φ。然后，在步骤1135继续图11A的程序。

现将描述在图3-4所示的设备中执行图11A-11B所示的本发明的利用小转动角计算偏摆的程序的车轮定位系统的实例。系统包括一对无源探头51和53，无源探头各包括目标靶，无源探头分别与将要通过车轮定位系统的操作测量的车辆的第一对车轮41和43连接；一对有源传感探头55和57与车辆的第二对车轮45和47连接。

有源传感探头55和57分别包括用于产生图像数据的图像传感器61和图像传感器63，图像数据包括目标靶51和53之一的图像，并且至少一个有源传感探头55和57包括至少一个倾角传感器77和79，以在其中一个有源传感探头安装在车轮上时，探测该有源传感探头的倾角。有源传感探头55和57还包括在其安装在车轮上时，用于确定有源传感探头55和57之间的空间关系的装置。

如前面参考图4和图7所述，在一些实施例中，用于确定空间关系的装置包括两个相关角度传感组件65和67，各组件分别与各有源传感探头55和57连接。各传感组件65和67包括用于发射光束的发射器、缝隙和用于传感通过缝隙的入射光束角度的图像传感器。在其它实施例中，用于确定空间关系的装置包括安装在有源传感探头55和57中之一上的照明器和摄像机。

定位系统还包括显示器112和计算机100，在有源传感探头55和有源传感探头57安装在第二对车轮45和车轮47上时，计算机100用于处理目标靶51和53的观测数据、检测到的倾角和来自确定空间关系的装置65和67的关系数据，以计算第二对车轮45和47的多组外倾角测量值和前束角测量值。用户从初始车轮角度转动车轮以达到不同的车轮角度，在这些不同的车轮角度处计算各组外倾角测量值和前束角测量值。其中一个车轮角度是当前车轮角度。

计算机100还能够使用最小二乘法和多组外倾角测量值和前束角测量值来计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波(参考图11A的步骤1130)；使用计算出来的正弦波计算在当前车轮角度的外倾角偏摆和前束角偏摆(参考图11A的步骤1135)；从当前车轮角度所测得的外倾角测量值和前束角测量值中分别减去计算出来的偏摆，以获得第二对车轮的外倾角的真值和前束角的真值(参考图11A的步骤1140)；并将第二对车轮的外倾角的真值和前束角的真值显示在显示器112上(参考图11A的步骤1145)。

如前面参考图11A所详细描述的，计算机100用于通过如下方式计算多组外倾角测量值和前束角测量值：计算初始车轮角度的外倾角测量值和前束角测量值组；在用户将车轮从初始角度旋转到第一回转车轮角度后，计算在第一回转车轮角度的外倾角测量值和前束角测量值组；以及在用户将车轮从第一回转车轮角度旋转到第二回转车轮角度后，计算在第二回转车轮角度的外倾角测量值和前束角的测量值组。第二回转车轮角度是当前车轮角度。

由计算机100执行的本发明的利用小转动角计算偏摆的程序能够方便地使用户将车轮从初始角度旋转大于0°小于180°到第一回转车轮角度(例如，大约20°到大约40°)，并将车轮从第一回转车轮角度旋转大于0°小于180°到第二回转车轮角度(例如，大约20°到大约40°)。从而缩短回转距离并且不需要长度很长的举升机，并能够更容易确定后轮45和47的偏摆。

再次参考图3，将举例说明本发明的利用小转动角计算偏摆的程序如何用于前轮41和43。在本实例中，有源传感探头55和57没有安装在后轮45和47上，而是放在后轮45和47旁边的机架(未示出)上，以便有源传感探头55和57能够相对于车辆固定，在有源传感探头55和57之间的用于确定空间关系的装置65和67十分实用，并且无源探头的目标靶51和53对图像传感器61和63来说是可视的。

在本实例中，计算机100处理与目标靶51和53的观测有关的图像数据和从用于确定空间关系的装置65和67得到关系数据，以计算前轮41和43的多组外倾角和前束角的测量值，每组测量值是在用户通过从初始车轮角度旋转车轮而获得的不同角度下计算的，其中一个车轮角度是当前车轮角度。

然后，计算机100执行前面参考图11A到图11B所述的转动偏摆法。更具体地说，计算机100使用最小二乘法和多组外倾角和前束角的测量值计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波；使用计算出来的正弦波计算当前车轮角度的外倾角偏摆和前束角偏摆；从当前车轮角度所测得的外倾角和前束角的测量值中减去相应的计算出来的偏摆，以获取前轮41和43的外倾角的真值和前束角的真值；并且将前轮41和43的外倾角的真值和前束角的真值显示在显示器112上。

本发明能够采用常规的材料、方法和设备实现。因此，这些材料、设备和方法的细节没有在此阐明。为了便于透彻地理解本发明，在前面的描述中阐明了大量具体细节，如具体的材料、结构、化学制品、程序等。然而，应该认识到，本发明的实施不依赖于前面具体描述的这些细节。在其它情况下，没有详细描述已知的处理结构，以防止本发明的各个方面不能被清晰地理解。

虽然前面描述的内容被认为是最好的方式和/或其它实例，但应该理解的是，可以对这些内容做出各种修改，本发明能够通过各种方式和实例实施，并且本发明能够应用在大量应用中，在此仅描述了其中的一部分应用。所有的应用、修改和变型均包括在由后附权利要求书限定的本发明的保护范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

获取一对车轮的外倾角和前束角的多组测量值，每组测量值是在通过将所述车轮从初始车轮角度开始旋转所得到的不同车轮角度下获取的，其中的一个车轮角度为当前车轮角度；

使用最小二乘法和外倾角和前束角的所述多组测量值计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波；

使用计算出来的外倾角和前束角的最佳拟合正弦波计算在所述当前车轮角度下的外倾角和前束角的偏摆；

从在当前车轮角度下测得的外倾角和前束角的测量值中分别减去计算出来的外倾角和前束角的偏摆，以获得所述一对车轮的外倾角和前束角的真值；并且

显示外倾角和前束角的所述真值。

2.根据权利要求1所述的方法，包括通过如下步骤获取外倾角和前束角的所述多组测量值：

在所述初始车轮角度下获取外倾角和前束角的一组测量值；

将所述车轮从所述初始车轮角度旋转到第一回转车轮角度；

在所述第一回转车轮角度下获取外倾角和前束角的一组测量值；

将所述车轮从所述第一回转车轮角度旋转到第二回转车轮角度；

在所述第二回转车轮角度下获取外倾角和前束角的一组测量值；

其中所述第二回转车轮角度为所述当前车轮角度。

3.根据权利要求1所述的方法，包括通过将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大约20°到大约40°来获取外倾角和前束角的所述多组测量值中的一组测量值。

4.根据权利要求2所述的方法，包括将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大约20°到大约40°到所述第一回转车轮角度，并将所述车轮从所述第一回转车轮角度旋转大约20°到大约40°到所述第二回转车轮角度。

5.根据权利要求1所述的方法，包括得用矩阵最小二乘法计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述获取一对车轮的外倾角和前束角的多组测量值的步骤包括：

从与所述车辆的第二车轮相关联地安装的第一探头中的图像传感器中获得与所述车辆的第一车轮相关联的目标靶的图像，以产生第一图像数据；

确定所述第一探头的倾角；

从与所述车辆的第四车轮相关联地安装的第二探头中的图像传感器中获得与所述车辆的第三车轮相关联的目标靶的图像，以产生第二图像数据；

确定所述第二探头的倾角；

测量所述第一探头和所述第二探头之间的空间关系；并且

处理所述第一图像数据和所述第二图像数据、所述第一探头和第二探头的倾角和所述空间关系的测量值，以计算所述车辆的所述第二车轮和所述第四车轮的外倾角和前束角的测量值；

其中所述一对车轮包括所述车辆的所述第二车轮和所述第四车轮。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述获取一对车轮的外倾角和前束角的多组测量值的步骤包括：

从相对于所述车辆保持固定的第一探头中的图像传感器获取与所述车辆的第一车轮相关联的目标靶的图像，以产生第一图像数据；

从相对于所述车辆保持固定的第二探头中的图像传感器获取与所述车辆的第二车轮相关联的目标靶的图像，以产生第二图像数据；

测量所述第一探头和所述第二探头的空间关系；并且

处理所述第一图像数据、所述第二图像数据和所述空间关系的测量值，以计算所述车辆的所述第一车轮和所述第二车轮的外倾角和前束角的测量值；

其中所述一对车轮包括所述第一车轮和所述第二车轮。

8.根据权利要求1所述的方法，包括通过将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大于0°小于180°的角度来获取外倾角和前束角的所述多组测量值中的一组测量值。

9.根据权利要求2所述的方法，包括将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大约20°到大约40°到所述第一回转车轮角度，并将所述车轮从所述第一回转车轮角度旋转大于0°小于180°的角度到所述第二回转车轮角度。

10.一种车轮定位系统，包括：

一对无源探头，每个无源探头包括目标靶，所述一对无源探头与将要通过所述车轮定位系统的操作进行测量的车辆的第一对车轮相关联地安装；

一对有源传感探头，其与所述车辆的第二对车轮相关联地安装，每个所述有源传感探头包括图像传感器，所述图像传感器用于产生图像数据，所述图像数据反映所述目标靶之一的图像，所述一对有源传感探头中的至少一个有源传感探头包括至少一个倾角传感器，所述至少一个倾角传感器用于在所述至少一个有源传感探头安装在所述车辆的车轮上时检测所述至少一个有源传感探头的倾角；

一种装置，当所述一对有源传感探头安装在所述车辆的车轮上时，所述装置用于确定所述一对有源传感探头之间的空间关系；

显示器；和

计算机，其用于：

在所述一对有源传感探头安装在所述车辆的第二对车轮上时，处理与所述目标靶的观测有关的图像数据、所检测到的倾角和来自所述用于确定所述有源传感探头之间的空间关系的装置的关系数据，以计算所述车辆的第二对车轮的外倾角和前束角的多组测量值，每组测量值是在通过用户将所述车轮从初始车轮角度开始旋转所得到的不同车轮角度下计算的，其中的一个车轮角度是当前车轮角度；

使用最小二乘法和外倾角和前束角的所述多组测量值计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波；

使用计算出来的最佳拟合正弦波计算在所述当前车轮角度的外倾角和前束角的偏摆；

从在所述当前车轮角度下测得的外倾角和前束角的测量值中分别减去计算出来的外倾角和前束角的偏摆，以获得所述第二对车轮的外倾角和前束角的真值；并且

将所述第二对车轮的外倾角和前束角的真值显示在所述显示器上。

11.根据权利要求10所述的车轮定位系统，其中所述用于确定所述一对有源传感探头之间的空间关系的装置包括两个相对角度传感模块，每个所述有源传感探头与一个所述相对角度传感模块相关联。

12.根据权利要求11所述的车轮定位系统，其中每个所述相对角度传感模块包括：用于发射光束的发射器；缝隙；用于检测通过所述缝隙入射的光束的角度的图像传感器。

13.根据权利要求10所述的车轮定位系统，其中所述用于确定所述一对有源传感探头之间的空间关系的装置包括安装在第一个所述有源传感探头上的照明器和摄像机。

14.根据权利要求10所述的车轮定位系统，其中所述计算机通过如下步骤计算外倾角和前束角的所述多组测量值：

计算所述初始车轮角度下的外倾角和前束角的一组测量值；

在用户将所述车轮从所述初始车轮角度旋转到第一回转车轮角度后，计算所述第一回转车轮角度下的外倾角和前束角的一组测量值；并且

在用户将所述车轮从所述第一回转车轮角度旋转到第二回转车轮角度后，计算所述第二回转车轮角度下的外倾角和前束角的一组测量值；

其中所述第二回转车轮角度是所述当前车轮角度。

15.根据权利要求10所述的车轮定位系统，包括：在用户将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大约20°到大约40°后，计算外倾角和前束角的所述多组测量值中的一组测量值。

16.根据权利要求14所述的车轮定位系统，其中用户将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大约20°到大约40°到所述第一回转车轮角度，并且将所述车轮从所述第一回转车轮角度旋转大约20°到大约40°到所述第二回转车轮角度。

17.根据权利要求10所述的车轮定位系统，其中所述计算机使用矩阵最小二乘法计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波。

18.根据权利要求10所述的车轮定位系统，其中当所述一对有源传感探头相对于所述车辆保持固定、以使所述用于确定所述一对有源传感探头之间的空间关系的装置起作用时，所述计算机用于：

处理与所述目标靶的观测有关的图像数据和来自所述用于确定所述一对有源传感探头之间的空间关系的装置的关系数据，以计算所述车辆的第一对车轮的外倾角和前束角的多组测量值，每组测量值是在通过用户将所述车轮从所述初始车轮角度开始旋转所得到的不同车轮角度下计算的，其中的一个车轮角度是当前车轮角度；

使用最小二乘法和外倾角和前束角的所述多组测量值计算外倾角和前束角的最佳拟合正弦波；

使用计算出来的最佳拟合正弦波计算在所述当前车轮角度的外倾角和前束角的偏摆；

从在所述当前车轮角度下测得的外倾角和前束角的测量值中分别减去计算出来的外倾角和前束角的偏摆，以获得所述第一对车轮的外倾角和前束角的真值；并且

将所述第一对车轮的外倾角和前束角的真值显示在所述显示器上。

19.根据权利要求10所述的车轮定位系统，包括：在通过用户将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大于0°小于180°的角度后，计算外倾角和前束角的所述多组测量值中的一组测量值。

20.根据权利要求14所述的车轮定位系统，其中用户将所述车轮从所述初始车轮角度旋转大于0°小于180°的角度到所述第一回转车轮角度，并且将所述车轮从所述第一回转车轮角度旋转大于0°小于180°的角度到所述第二回转车轮角度。