CN107208997A - 滚动中的虚拟轮轴校准 - Google Patents

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Abstract

提供一种车辆车轮定位系统和方法，用以在每次执行定位时执行滚动中的车轮旋转轴线和轮轴点计算。实施例包括定位仪，定位仪具有：靶标，其能够固定地附接至车辆的车轮；照相机，其用于观察靶标并捕捉靶标的图像数据；以及数据处理器。当车辆在车轮处于大致平坦表面上的情况下行驶从而车轮和靶标旋转多度时，数据处理器接收来自照相机的图像数据，并基于捕捉到的靶标图像数据来确定从靶标原点指向轮轴点的矢量。数据处理器还适用于至少部分地基于车轮旋转轴线和轮轴点的坐标来计算用于车辆的定位参数。

Description

滚动中的虚拟轮轴校准
技术领域
实施例总体上涉及汽车车轮定位的系统和方法。本主题具有如下特定用途：当使用图像定位仪(其具有附接至车辆车轮的靶标以及对靶标进行成像的照相机)时，确定用于车辆的例如外倾角和前束角等车轮定位参数的真实值。
背景技术
使用可移动照相机以及附接至车辆车轮的靶标的机器视觉车辆定位系统(也称为“图像定位仪”)是众所周知的。由照相机观察靶标，使得所获得的用于规定的定位过程的图像数据可以被用来计算车辆定位角度，用以经由用户界面(通常是计算机监视器)进行显示。早期的系统实施方案包括连接照相机的刚性梁，因而它们相对于彼此的位置和定向能够被确定，并且由于是不变的，所以可以作为依据。后来引入的系统实施方案包括使用彼此非刚性地连接的照相机，但使用独立的照相机/靶标系统来连续地校准一个车载式靶标观察照相机相对于另一个照相机的位置。这种类型的系统在美国专利5,535,522、6,931,340、6,959,253和6,968,282中有描述，这些美国专利的全部内容以引用的方式并入本文。使用这种图像处理的车辆车轮定位仪的实例是可以从阿肯色州康威市John Bean Company(Snap-on Incorporated的分部)商购获得的Visualiner 3D或“V3D”。
为了能够使用图像定位仪来精确地测量用于车辆的车轮定位角度，必须测量靶标旋转所围绕的车轮旋转轴线，并且必须确定矢量所经过的虚拟轮轴点的坐标。
用于对靶标和夹具的组合系统进行校准的常规方法包括提升车辆离开支撑面(例如车间地面或定位架)，从而使安装有靶标的车轮能够自由地旋转。然后，使车轮旋转至预定位置，以便能够确定限定车轮旋转轴线的矢量。因为靶标原点横断圆弧，所以根据圆弧周线上的点来计算圆心的坐标。圆心位于车轮旋转轴线上，并被称为虚拟轮轴点。虚拟轮轴点沿着轮轴轴线投影至轮辋的平面。投影点是轮轴点。这种情况如图1所示，其中，车辆100的车轮上安装有承载靶标120的夹具110。坐标位于靶标坐标系中。旋转轴矢量130穿过轮轴点140和虚拟轮轴点150。靶标质心偏离虚拟轮轴点150。
典型车轮夹具和靶标组件被制造成使得不必须在每次将夹具从车轮上移除时重复校准过程。为此，常规靶标组件通常使用自定心车轮夹具。通过公知的滚动偏摆计算来补偿夹具安装误差。
当首次设置定位仪时，典型地由技术人员使用定制校准设备来执行用于靶标和自定心夹具的系统的校准程序。然后，每当新靶标被引入系统时(例如更换靶标时)，必须执行上述校准程序。不利的是，终端用户必须等待服务技术人员到来；或者如果终端用户想亲自执行校准程序，则他们必须经过特殊培训。此外，在正常使用过程中，靶标及其相关联的夹具容易改变它们的相对几何关系(例如，如果夹具掉下的话)。虽然夹具和靶标可能仍然是可使用的，但相对几何关系的这种改变没有反映在原始系统校准中，因而不利地导致定位精确度随着时间而降低。
存在对如下方法和装置的需求：该方法和装置不需要花费附加的时间来提升车辆以及执行对典型定位而言不必要的额外过程，就能确定车轮旋转轴线和轮轴点。还存在对如下方法和装置的需求：该方法和装置能够调节车轮靶标组件的正常磨损，以保持定位精确度。此外，存在如下需求：通过消除对自定心性能的需求来使车轮夹具的成本最小化。
发明内容
所公开的系统和方法在每次执行定位时通过滚动车辆车轮并跟踪附接至车轮的靶标的运动来确定车轮旋转轴线和轮轴点。所公开的程序可以与常规的滚动偏摆补偿程序(滚动偏摆补偿程序是标准车轮定位过程流程的一部分)同时执行，并且在任何情况下都必须在接近定位程序开始时执行。另外，本发明能够在不考虑靶标在车轮上沿径向位于何处的情况下计算轮轴点和旋转轴线，因而消除了对自定心车轮夹具的需求。
更具体地，本发明论述了通过当车轮无滑动地滚动时进行靶标姿态测量来确定车轮定位角度。由照相机系统来跟踪放置于轮轴与轮周之间一半径处的靶标。具体地说，靶标的原点和定向被跟踪。在无滑动的2-D(二维)运动的理想情况下，随着车轮滚动，靶标原点的轨迹沿着被称为短摆线的曲线的路径。根据靶标的变化的姿态来确定车轮的旋转角度。
可以根据车轮旋转时靶标原点的运动来计算虚拟轮轴点。当获知无测量误差的3个靶标坐标和姿态时，计算虚拟轮轴点的运动的问题存在解析解。可以通过测量靶标坐标和姿态来确定靶标的路径的方程，并且用模型来拟合数据以确定上述方程的参数。根据方程的参数来计算虚拟轮轴点的路径。
一个或多个实施例包括用于车辆的车轮定位方法，该方法包括：将靶标附贴至车辆的车轮，以及提供用于观察靶标并捕捉靶标的图像数据的照相机。当车轮在大致平坦表面上时使车辆行驶，以使车轮和靶标旋转多度，同时照相机捕捉靶标的图像数据。至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算车轮旋转轴线以及轮轴点。使用轮轴点和车轮旋转轴线来计算用于车辆的定位参数。
实施例还包括车辆车轮定位系统，该定位系统包括：靶标，其能够固定地附接至车辆的车轮；照相机，其用于观察靶标并捕捉靶标的图像数据；以及数据处理器。数据处理器适用于：接收来自照相机的图像数据，以及至少部分地基于当车轮在大致平坦表面上的情况下使车辆行驶从而使车轮和靶标旋转多度时捕捉到的靶标的图像数据来确定从靶标原点指向轮轴点的向量。数据处理器还适用于：至少部分地基于车轮旋转轴线和轮轴点的坐标来计算用于车辆的定位参数。
实施例还包括一种非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质具有存储于其上的指令，该指令当由车辆定位系统的处理器执行时使得处理器确定用于车辆的定位参数。定位系统具有：靶标，其能够固定地附接至车辆的车轮；以及照相机，其用于观察靶标并捕捉靶标的图像数据。确定过程包括：接收来自照相机的图像数据；至少部分地基于当车轮在大致平坦表面上的情况下使车辆行驶从而使车轮和靶标旋转多度时捕捉到的靶标的图像数据来确定车轮旋转轴线和轮轴点的坐标；以及至少部分地基于车轮旋转轴线和轮轴点的坐标来计算用于车辆的定位参数。
下面的说明当结合附图来考虑时将会使所公开的主题的实施例的目的和优点变得显而易见。
附图说明
在下文中将参考附图来详细地描述实施例，其中，相似的附图标记表示相似的元件。附图未必是按比例绘制的。在适用的情况下，一些特征可能没有被示出，以便有助于描述下层的特征。
图1是附接有夹具/靶标组件的车辆的透视图，图中示出虚拟轮轴点、轮轴点和车轮旋转轴线。
图2的示意图示出根据各个实施例当车轮自由旋转时如何计算位于靶标原点的运动平面中的虚拟轮轴点的坐标的实例。
图3是示出当附接有靶标的车轮滚动时靶标的路径的示意图。
图4是描述根据各个实施例的附接有靶标的滚动中的车轮的几何参数(包括在初始虚拟轮轴点坐标的示例性推导中使用的参数)的示意图。
图5A至图5B是示出根据各个实施例在预处理期间2-D靶标姿态数据旋转到Y-Z平面中的曲线图。
图6A至图6D是示出根据各个实施例在非线性最小二乘拟合计算中调整参数时的拟合迭代的曲线图。
图7是示出根据各个实施例的测得的靶标原点的坐标和虚拟轮轴点坐标的曲线图。
图8的曲线图示出根据各个实施例通过拟合坐标数据而确定的虚拟轮轴点坐标与虚拟轮轴点坐标之间的改善的一致性。
图9A至图9B是示出根据各个实施例在将短摆线拟合至测得的数据之后检测到的离群数据点的曲线图。
图10是能够实施所公开的系统和方法的自校准车轮定位系统的示意性俯视平面图。
图11是能够实施所公开的系统和方法的混合车轮定位系统的示意性俯视平面图。
具体实施方式
应该理解的是，在应用中，本文描述的原理不限于在以下说明中阐述的或在以下附图中示出的构造的细节或部件的布置。这些原理可以体现在其他实施例中并且可以以各种方式实施或执行。此外，应该理解的是，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。
本文公开了用于车轮轴线矢量计算的方法和系统。图10是计算机辅助的3D(三维)机动车辆车轮定位系统(“定位仪”)(例如上文论述的美国专利6,968,282中公开的定位系统)的某些元件的示意性俯视平面图。这种定位仪具有与本文公开的定位仪相同的元件，并且可以用于实施所公开的技术。特别地，图10的定位仪包括用于定位机动车辆的车轮的左照相机模块2和右照相机模块4。术语“左”和“右”是为了方便起见而使用的，并非意图要求特定元件相对于其他元件定位于特定位置或关系。
图10中的箭头30示意性地表示进行定位的机动车辆。该车辆包括左前轮22L、右前轮22R以及左后轮24L、右后轮24R。定位靶标80a、80b、80c、80d分别固定至车轮22L、24L、22R、24R中的每个车轮。每个定位靶标通常包括：板82，其上印刻有靶标信息；以及夹紧机构88，其用于将靶标固定至车轮。左照相机模块2包括左定位照相机10L。左定位照相机10L面向车辆并沿着轴线42观察左侧靶标80a、80b。右照相机模块4包括右照相机10R，右照相机面向车辆并沿着轴线44观察右侧靶标80c、80d。左照相机模块2还包括校准照相机20，该校准照相机利用支架12垂直于照相机10L地安装。校准照相机20沿着轴线46观察利用托架14附接至右照相机模块4的校准靶标16，以确定定位照相机10L、10R相对于彼此的位置。照相机10L、10R、20分别具有照明光源62、64、66。
所公开的定位仪还包括数据处理器(未示出)，例如常规个人计算机(PC)，该数据处理器具有软件，软件具有使得数据处理器电子地执行本文描述的计算的指令。
本文描述的方法和装置也适用于与US 7,313,869中描述的混合定位仪系统一起使用，该美国专利及其后续专利均通过全文引用的方式并入本文。图11示出能够与本文公开的方法和装置一起使用的示例性混合定位仪系统的示意图，该定位系统包括安装在车辆的相应车轮22和24(在该第一实施例中是前转向轮)上的一对被动靶标21和23。一对主动感测头25和27适用于与车辆的其它相应车轮26和28(在这种情况下是后轮)相关联地安装。每个主动感测头包括用于产生2D图像数据的照相机29或31；当各个感测头被安装至车辆的相应车轮时，预期上述2D图像数据包括靶标21、23中的一者的图像。该系统还使用两个常规(1D)角度传感器33和35来测量主动感测头25和27在前束平面中的相对角度，并使用一对倾斜传感器37、39来测量主动感测头25、27的倾斜(典型地是外倾角和俯仰)。
定义
靶标坐标系：由靶标的几何参数限定的坐标系。
靶标原点：被定义为靶标坐标系的原点的数学点。
车轮旋转轴线：车轮旋转所围绕的轴线。也被称为轮轴轴线。
轮辋平面：由轮辋外表面限定的平面。
虚拟轮轴点：沿着车轮旋转轴线的点，靶标原点围绕该点旋转。
轮轴点：车轮旋转轴线与轮辋平面相交处的点。
靶标半径：靶标原点与虚拟轮轴点之间的距离。
照相机倾斜角：照相机相对于轮轴的运动方向的倾斜角。
起始滚动角：当滚动开始时靶标原点在车轮上所处的角度位置。
被顶起轮轴校准：根据在车轮升高至能够自由地旋转而不直线运动时所做的测量来计算车轮旋转轴线和虚拟轮轴点的过程或结果。
滚动中的轮轴校准：根据在车轮滚动时所做的测量来计算车轮旋转轴线和虚拟轮轴点的过程或结果。
与常规的被顶起轮轴校准程序相比，所公开的滚动中的轮轴校准技术提供若干显著优点。一个优点是滚动中的轮轴校准是“在线”过程而非“离线”过程。每次执行滚动偏摆补偿时都执行滚动中的轮轴校准，滚动中的轮轴校准是标准车轮定位过程流程的一部分。与被顶起轮轴校准不同的是，终端用户在不得不执行这种系统校准时，没有必须要遵循的特殊程序并且不必进行特殊培训。结果，不需要带有定制的校准设备的训练有素的现场服务人员来执行高精度系统校准。这样节省了终端用户的时间和金钱。
作为在线过程的另一个优点是真正的轮轴校准随着时间而改变。在正常使用过程中，靶标和夹具容易改变它们的相对几何关系(例如，当夹具意外地掉下时)。这种相对几何关系的改变没什么问题；重要的是相对几何关系精确地反映在轮轴校准中。作为在线测量，滚动中的轮轴校准提供轮轴点坐标和车轮旋转轴线定向的最新测量。
当采用以车辆为中心的车轮定位坐标系时，感受到滚动中的轮轴校准的另一个优点。在常规的以车辆为中心的坐标系中，基于被检查的车辆的测量(典型地使用车辆轮辋的中心)来构建坐标系。当采用所公开的滚动中的轮轴校准时，不用假设靶标和轮辋中心之间固定的空间关系。车轮轮辋的中心是作为该过程的一部分来计算的。因此，靶标可以放置在相对于车轮轴线的任何相对径向位置处。换句话说，靶标可以附贴至车轮，使得靶标原点大致布置在车轮旋转轴线上，或者使得靶标原点偏离车轮旋转轴线。因此，所公开的滚动中的轮轴校准技术在所使用的靶标类型方面提供一定的自由度。
概述
轮轴校准测量的目的是为附接有靶标的车轮的所有位置和定向确定轮轴点相对于靶标的位置。轮轴点是位于车轮旋转轴线与由车轮轮辋的朝外的面限定的平面相交处的点。靶标坐标系的原点典型地被称为靶标原点。本领域技术人员将会理解的是，确定轮轴点的位置以及车轮旋转轴线的方向是确定车轮和框架定位的组成部分。
对于车轮的任何位置而言的可测量的量是靶标原点及其姿态的定向。根据当车轮旋转时靶标姿态的定向的变化来计算车轮旋转轴线。当车轮旋转时，靶标坐标系中的轮轴点的坐标是不变的。
用于确定轮轴点和车轮旋转轴线的常规程序是提升车辆至车轮能够自由旋转。然后，将每个车轮旋转到至少两个位置，同时观察附接至车轮的靶标并测量靶标姿态。在这两个位置测量靶标姿态以及靶标原点的坐标允许计算靶标姿态之间的旋转角度、限定车轮旋转轴线的矢量、靶标半径以及虚拟轮轴点。几何关系如图2所示，其中：
X：测量点之间的弦长的1/2
θ：靶标的旋转角度
P1、P2：所测得的靶标质心的坐标
C：坐标为(x0，y0)的圆心
当靶标原点围绕车轮旋转轴线旋转时由靶标原点限定的平面平行于由轮辋的面限定的平面(轮轴点位于该平面中)。这两个平面之间的距离被称为靶标偏移距离并由夹具的几何参数确定。该距离用于计算轮轴点相对于靶标原点的坐标。
升高车辆、在进行测量的同时旋转车轮、以及降低车辆是容易出错的、耗时的、劳动强度大的且昂贵的过程，这些都是用户想要避免的。当使用刚刚在上面描述的常规程序时，每次需要对靶标及其夹具的组合系统进行校准时都需要提升车辆。使用自定心夹具的系统与靶标结合起来使用，并且校准一次后用于后续车辆。自定心夹具的重要特点是：它们可以放置在车轮上，使得靶标相对于虚拟轮轴点的平移是固定的。然而，自定心夹具强加了不期望的尺寸、外观及成本限制。
提升车辆的成本和自定心夹具的成本都导致希望开发出替代方法来执行轮轴校准而不需要提升车辆。有利的是当车辆车轮在地面上无滑动地滚动时计算轮轴点和车轮旋转轴线。这已经是用于计算车轮定位(例如常规的滚动偏摆补偿)的过程的一部分，并且在该过程中不需要特殊的校准步骤。所公开的滚动中的轮轴校准的优点是夹具/靶标系统不需要具有固定的自定心几何参数。在每次使用时校准这种系统的要求意味着只需要简单的校准程序。
校准升高的车轮
当车轮升高并旋转时，位于距车轮旋转轴线(虚拟轮轴点)一径向距离处的靶标的轨迹为圆形。虚拟轮轴点的半径和位置可以由两个靶标坐标和它们之间的旋转角度或圆心角计算出来。这在图2中示出如下：
1.车轮旋转轴线正交于两个测量点P1、P2和旋转中心所处的平面。
2.车轮旋转轴线位于两个测量点P1、P2之间的弦的垂直平分线b上。
3.弦长(2x)是已知的。
4.弦的垂直平分线b将两个测量点P1、P2之间已知的角度θ二等分。首先，根据θ和x求解出半径R。然后，求解出以P1和P2为中心、半径为R的两个圆的交点。虽然圆心有两个解，但只有一个解落在P1和P2之间的连线的正确侧。
滚动中的轮轴校准
现在描述根据本发明的滚动中的轮轴校准。当车轮在与地面接触的情况下无滑动地滚动时，靶标轨迹是短摆线。如图3所示，靶标原点t的路径300表示短摆线。由于实际原因，仅测量了路径300的一小部分，例如90度的运动范围310。测量范围310受限制的原因是照相机320总是需要观察靶标的面(未示出，但可以类似于靶标120)。车轮330的旋转中心及其运动方向不是测量特征。靶标的位置和定向的测量使用单一视角n点姿态评估。在每个靶标位置，计算靶标的坐标和定向。根据姿态的变化来计算旋转发生所围绕的车轮旋转轴线的方向。
在二维平面中进行的测量由3个坐标测量组成，在每个位置进行姿态测量。根据这些测量来计算以下参数：
1.车轮330的直径；
2.靶标半径；
3.车轮330相对于照相机320的起始位置(X、Y、Z坐标)；
4.当车轮330位于其起始位置时附接至该车轮的靶标的旋转角度；
5.照相机的倾斜角A或车轮330相对于由照相机轴线限定的水平线的行进方向。
平面中的短摆线的参数能够由3个测量点以及它们之间的角度差精确地求解出来。图4示出在半径rt处附接有靶标的滚动中的车轮的几何参数，并且描述了初始轮轴坐标的推导，其中：
rt：靶标半径
RON：将旋转为的旋转矩阵
rωθON：车轮的线性行程
指明线性行程的方向的矢量
I：单位矩阵
变量上方的短横线表示该变量是矢量。等式
计算作为靶标原点的坐标和旋转角度的函数的初始轮轴点的坐标。在给出初始轮轴点坐标、行进方向和旋转角度的情况下，也可以计算出用于靶标的每个位置的轮轴点坐标。
应该注意的是，所公开的滚动中的轮轴校准技术还可以处理升高的车轮的情况。车轮的任意线性行程由项rωθON限定。当在实施软件中将该项设置为零时，全部数据点都位于圆周上。然后，软件继续计算固定的轮轴点WO和靶标半径。
数据预处理
将测量数据点按照Z坐标增大的顺序进行排序。所以，在所公开的技术中，车轮向前或向后滚动并不重要。由上述排序来限定变化的靶标姿态中测得的角度差的顺序。关于3-pt(三点)公式，初始轮轴点坐标WO最靠近照相机。在下文描述的非线性最小二乘搜索期间生成的模拟数据使用从测得的数据中提取的角度差。
车轮的滚动参数的评估实质上是二维问题，由于存在噪声导致靶标原点的运动距二维平面具有小偏差，并且由于存在车辆前束导致小螺旋运动。可以认为车轮的轨迹具有相对于照相机的翻滚、俯仰和偏转。可以预先计算出翻滚和偏转参数，而在数据中保留未知的俯仰。俯仰对应照相机相对于车轮的线性运动的任何俯视情形，并且在本文中被称为照相机倾斜角(由图3中的附图标记A表示)。翻滚对应照相机旋转，并且偏转对应照相机相对于车轮的线性运动的任何左右定向。
从一个姿态到另一个姿态，可以根据测得的靶标的旋转轴线来确定翻滚和偏转。图5A至图5B示出在预处理期间旋转到Y-Z平面中的数据。Y-Z平面由照相机坐标系确定。图5A中的数据被平移且旋转至Y-Z平面中，以便在图5B中进行处理。对于三点拟合和非线性拟合来说，预处理消除了该问题的一些计算负荷。
用于参数的非线性最小二乘搜索
由于实际原因，可能需要多于3次的姿态测量来执行所公开的滚动中的轮轴校准。技术人员应该理解的是：测得的噪声可能影响图像处理，车辆可能不沿直线移动(车轮可能转向)，车辆行驶所处的平台可能包括突起部，并且/或者车辆行驶所处的平台可能滑动因而车轮可能不是经历的纯旋转。可选地，由于板与平台之间的间隙，导致车轮可能稍微颠簸。另外，车辆的运动范围可能受到机械约束的限制。这些复杂情况的一个结果是3个姿态解可能容易出错。因此，所公开的技术包括更多的数据点，并且将短摆线的参数化曲线拟合至测得的数据。这样，可以处理数据以便检测和补偿意外的运动和其他复杂情况。
根据某些实施例，如果在车辆行驶期间获取多于3个测量点，则采用公知的最小二乘拟合法来处理数据(即使仅有3个点，解也是精确的)。以下情况可能不利地影响结果：
1.随着车轮从一个位置滚动到下一个位置，车轮可能稍微转向。如果多于3个点，则测量点可能不处于同一平面内。另外，车轮旋转轴线的方向将会改变。
2.随着车轮从一个位置滚动到下一个位置，车辆可能会遇到突起部或无滚动地滑动。
3.车轮可能不是正圆的，并且不清楚车轮变形如何影响靶标的运动。
4.轮胎胎面可能引起靶标运动的变化。
5.在靶标的姿态角度测量中可能存在误差，从而在估计出的车轮旋转角度中产生误差。
由于这些原因，所以本发明实施数值优化方法来估计滚动期间的车轮参数和轮轴位置。数值优化方法通过调整模型参数来使测得数据与模拟数据之间的误差最小化。模型参数包括车轮直径、靶标半径、车轮相对于照相机轴线的线性运动的方向以及车轮相对于照相机的起始位置。然后，使用模型参数来计算车轮滚动时轮轴点的位置。然后，使用测得的姿态坐标和定向来计算轮轴点和车轮旋转轴线。
在一些实施例中，使用公知的Nelder-Mead优化方法，通过使总RMS误差最小化来确定模型参数，上述误差被定义为测得的靶标坐标与模拟模型坐标之间的差。该方法执行模拟数据到测得的数据的非线性最小二乘拟合。图6A至6D示出随着误差被最小化的拟合过程的4次迭代，其中，由附图标记600表示测得的数据，并由附图标记610至640表示拟合函数所生成的坐标。可以调节的参数包括车轮直径、靶标半径、在车辆行驶期间车轮的最近位置、在靶标的最近位置处靶标的定向、照相机相对于行进方向的定向。
在拟合过程中变化的参数是：
1.轮轴Y坐标。
2.轮轴Z坐标。
3.车轮相对于照相机轴线移动的方向(即，照相机倾斜角)。
4.当滚动开始时靶标的角度位置。
5.靶标原点相对于车轮旋转轴线的半径。
6.车轮直径。
短摆线至测得的数据的拟合对噪声敏感。当附加的噪声是随机的情况下，拟合算法总是收敛的并且对于模拟数据提供正确的轮轴坐标、车轮直径和半径。虽然利用真实的数据，参数将会调整为使得总误差最小化，但结果可能包含参数中的误差。误差将会表现为轮轴坐标相对于靶标坐标的位置和方向的偏移。这种偏移在图7中呈现为由拟合计算出的虚拟轮轴点坐标700与由校准的靶标/夹具系统(即，基于滚动期间的夹具校准)确定的虚拟轮轴点坐标710之间的差。
图8示出通过拟合坐标数据而确定的虚拟轮轴点800与当使用自定心夹具时确定的基准虚拟轮轴点810之间的改善的一致性。在该实施例中，高阶项被添加到模型中，用以应对与车轮的旋转运动不完全成比例的车轮的运动。这些附加项改善了拟合误差以及轮轴点坐标的误差。在具有滑动和旋转平台的未约束环境中，将靶标原点坐标拟合至模型可能不够稳健。
一种方案是从测量中去除自由度。一种方法是使用夹具(尽管不是自定心的)将靶标原点定位成靠近车轮旋转轴线。
另一种方法是利用限定车轮旋转轴线行进的方向的另一测量来增强靶标测量。实例是地板上可见的靶标图案，由此知悉地板的姿态。其他实例包括：当车体移动时附接至车体的标记、或者来自附接至靶标的电子水平仪的信号。这种附加测量消除了作为未知参数的照相机倾斜角。
用于计算滚动中的轮轴校准的可选方法
为了计算滚动中的轮轴校准，不需要使用上述实施例中描述的Nelder-Mead单纯形算法。本领域技术人员将会理解的是，可以利用包括梯度下降法、Levenberg-Marquardt法和其他非线性最小二乘迭代法在内的分析参数模型来计算滚动中的轮轴校准。统称为“网格搜索”算法的那一类算法构成另一组可用的替代方案。网格搜索算法是非参数的参数估计算法，典型地在纯凸空间中不能保证发生优化过程时被采用。还有几种可选方法可以在其他实施例中代替Nelder-Mead单纯形算法。
离群值的移除
靶标原点勾勒出的短摆线轨迹是平滑的弧。车轮运动中的颠簸可能被检测为数据中的离群值。在图9A至图9B所示的某些实施例中，离群值检测是通过对数据执行短摆线的初始拟合来实现的(图9A)。如果总误差较大，则决定将具有最大误差的数据点910移除并重复该过程直到误差较小(参见图9B中的拟合920)。可以重复地运行对数据生成拟合并移除离群值的这个过程，直至总误差低于阈值并且存在足够的剩余点。
如前文指出的，标准要求的滚动偏摆补偿程序可以在所公开的轮轴校准的同时进行，至少部分地基于当车辆行驶时捕捉到的图像数据来确定轮轴点坐标和车轮旋转轴线方向矢量。用于确定滚动偏摆的示例性技术在以上论述的美国专利5,535,522的第12栏第5至30行中有描述。本领域技术人员将会理解的是，可以采用其他常规的滚动偏摆技术。轮轴点坐标和车轮旋转轴线方向矢量和滚动偏摆计算均可以被用来以常规方式计算用于车辆的定位参数，例如前束、外倾角等。
用于滚动中的轮轴确定的方法、系统和计算机程序产品的实施例可以在通用计算机、专用计算机、编程微处理器或微控制器以及外围集成电路元件、ASIC或其他集成电路、数字信号处理器、硬接线电子或逻辑电路(例如分立元件电路)、编程逻辑器件(例如PLD、PLA、FPGA、PAL)等上实施。通常，能够实施本文描述的功能或步骤的任何过程都可以用来实施用于滚动中的轮轴确定的方法、系统或计算机程序产品的实施例。
此外，所公开的用于滚动中的轮轴确定的方法、系统和计算机程序产品的实施例可以完全或部分地容易地在使用例如对象或面向对象的软件开发环境的软件中实施，上述软件开发环境提供可以在各种计算机平台上使用的可移植的源代码。可选地，可以在使用例如标准逻辑电路或VLSI设计的硬件中部分地或全部地实施所公开的用于滚动中的轮轴确定的方法、系统和计算机程序产品的实施例。可以使用其他硬件或软件来实施实施例，这取决于各系统的速度和/或效率要求，特定功能，和/或所使用的特定软件或硬件系统、微处理器、或微型计算机系统。用于滚动中的轮轴确定的方法、系统和计算机程序产品的实施例可以通过本文提供的功能描述可适用的领域中以及具有计算机和/或车轮定位技术的一般基础知识的普通技术人员在硬件和/或软件中使用任何已知或稍后开发的系统或结构、装置和/或软件实施。
因此，显而易见的是，根据本发明提供了用于执行滚动中的轮轴确定的方法、系统和计算机程序产品。虽然已经结合多个实施例描述了本发明，但显然许多替代、修改和变型对于适用领域的普通技术人员而言将会是或就是显而易见的。因此，申请人意图包括落入本发明的实质和范围内的全部这种替代、修改、等同和变型。

Claims (25)

1.一种用于车辆的车轮定位方法，所述方法包括：
将靶标附贴至所述车辆的车轮；
提供用于观察所述靶标并捕捉所述靶标的图像数据的照相机；
使所述车辆行驶从而使所述车轮和靶标旋转，同时所述照相机捕捉所述靶标的图像数据；
至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算车轮旋转轴线；
至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算处于靶标原点的运动平面中的虚拟轮轴点，所述靶标原点围绕所述虚拟轮轴点旋转；
使用所述虚拟轮轴点和车轮旋转轴线来计算用于所述车辆的定位参数。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算轮轴点，以及使用所述轮轴点来计算用于所述车辆的定位参数。
3.根据权利要求1所述的方法，包括：至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算所述车轮的滚动偏摆，以及使用滚动偏摆计算来计算用于所述车辆的定位参数。
4.根据权利要求1所述的方法，包括：使用非线性最小二乘迭代法来计算所述虚拟轮轴点。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述非线性最小二乘迭代法包括Nelder-Mead单纯形算法、Levenberg-Marquardt算法和梯度下降算法中的一者。
6.根据权利要求1所述的方法，包括：使用网格搜索算法来计算所述虚拟轮轴点。
7.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述靶标附贴至所述车轮，使得所述靶标原点偏离所述车轮旋转轴线。
8.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述靶标附贴至所述车轮，使得所述靶标原点大致布置在所述车轮旋转轴线上。
9.一种车辆车轮定位系统，包括：
靶标，其能够固定地附接至车辆的车轮；
照相机，其用于观察所述靶标并捕捉所述靶标的图像数据；以及
数据处理器，其适用于：
接收来自所述照相机的所述图像数据；
至少部分地基于当所述车辆行驶从而所述车轮和靶标旋转时捕捉到的所述靶标的图像数据来确定车轮旋转轴线；
至少部分地基于当所述车辆行驶时捕捉到的所述靶标的图像数据来确定虚拟轮轴点；以及
至少部分地基于所述车轮旋转轴线和所述虚拟轮轴点来计算用于所述车辆的定位参数。
10.根据权利要求9所述的系统，包括：至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算轮轴点，以及使用所述轮轴点来计算用于所述车辆的定位参数。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述数据处理器适用于：至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算所述车轮的滚动偏摆，以及至少部分地基于所述滚动偏摆来计算用于所述车辆的定位参数。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述数据处理器适用于使用非线性最小二乘迭代法来计算所述虚拟轮轴点。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述非线性最小二乘迭代法包括Nelder-Mead单纯形算法、Levenberg-Marquardt算法和梯度下降算法中的一者。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述数据处理器适用于使用网格搜索算法来计算所述虚拟轮轴点的坐标。
15.根据权利要求9所述的系统，包括：夹具，其用于将所述靶标附贴至所述车轮，使得靶标原点偏离所述车轮旋转轴线。
16.根据权利要求9所述的系统，包括：夹具，其用于将所述靶标附贴至所述车轮，使得靶标原点大致布置在所述车轮旋转轴线上。
17.根据权利要求9所述的系统，其中，所述数据处理器适用于：将计算出的虚拟轮轴点的坐标与预定基准虚拟轮轴坐标进行比较，以及当计算出的虚拟轮轴坐标超出基准虚拟轮轴坐标的范围时通知用户。
18.一种非暂时性计算机可读介质，其具有存储于其上的指令，所述指令当由车辆车轮定位系统的处理器执行时使得所述处理器确定用于所述车辆的定位参数，所述定位系统具有：靶标，其能够固定地附接至所述车辆的车轮；以及照相机，其用于观察所述靶标并捕捉所述靶标的图像数据，该确定过程包括：
接收来自所述照相机的所述图像数据；
至少部分地基于当所述车辆行驶从而所述车轮和靶标旋转时捕捉到的所述靶标的图像数据来确定虚拟轮轴点的坐标；
至少部分地基于当所述车辆行驶从而所述车轮和靶标旋转时捕捉到的所述靶标的图像数据来计算车轮旋转轴线；以及
至少部分地基于所述虚拟轮轴点的坐标和所述车轮旋转轴线来计算用于所述车辆的定位参数。
19.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，包括：至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算轮轴点，以及使用所述轮轴点来计算用于所述车辆的定位参数。
20.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，所述确定过程还包括：
至少部分地基于捕捉到的图像数据来计算所述车轮的滚动偏摆；以及
使用滚动偏摆计算来计算用于所述车辆的定位参数。
21.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，所述确定过程还包括：使用非线性最小二乘迭代法来计算所述虚拟轮轴坐标。
22.根据权利要求21所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述非线性最小二乘迭代法包括Nelder-Mead单纯形算法、Levenberg-Marquardt算法和梯度下降算法中的一者。
23.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，所述确定过程还包括：使用网格搜索算法来计算所述虚拟轮轴坐标。
24.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，其中，将所述靶标附贴至所述车轮，使得靶标原点偏离所述车轮旋转轴线，或者使得所述靶标原点大致布置在所述车轮旋转轴线上。
25.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，所述确定过程还包括：将计算出的虚拟轮轴坐标与用于所述靶标的预定基准虚拟轮轴坐标范围进行比较，以及当计算出的虚拟轮轴坐标超出所述基准虚拟轮轴坐标范围时通知用户。
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