DE102005055747A1

DE102005055747A1 - Fuel injecting valve`s spraying image optical detection device, has several cameras circularly or laminarly arranged to each other in angular separation aligned in equidistant on object geometry, and covering common visual field

Info

Publication number: DE102005055747A1
Application number: DE200510055747
Authority: DE
Inventors: Marco Vorbach; Thomas Stach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2007-05-24

Abstract

The device has a light source, and cameras (5) that are circularly or laminarly arranged to each other in angular separation aligned in equidistant on object geometry. The cameras cover a common visual field (11), where the visual field lies in center of a circle formed by the cameras. The cameras are designed as charge coupled device (CCD) cameras or complementary metal oxide semiconductor (CMOS) cameras. The cameras comprise a standard interface for image transmission such as IEEE 1394, Ethernet, wireless local area network (WLAN) or universal serial bus (USB).

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erfassung eines dreidimensionalen zeitlich und örtlich veränderlichen Objekts wie beispielsweise einer durch ein Brennstoffeinspritzventil abgespritzten Gemischwolke nach der Gattung des Anspruchs 1.The The invention is based on a device for detecting a three-dimensional temporally and locally variable Object such as one through a fuel injector sprayed mixture cloud according to the preamble of claim 1.

Vorrichtungen dieser Art, welche eine Prüflingsaufnahme und/oder eine Sprühkammer, eine Lichtquelle, beispielsweise in Form eines Stroboskops, und eine gegenüber dem Stroboskop angeordnete Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera, sowie entsprechende Ansteuerungs- und Auswerteeinheiten umfassen, sind aus dem Stand der Technik bekannt.devices this type, which is a Prüflingsaufnahme and / or a spray chamber, a light source, for example in the form of a stroboscope, and one opposite the stroboscope camera, preferably a CCD camera, and include corresponding control and evaluation units, are known from the prior art.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen zur optischen Erfassung eines Strahlbildes ist jedoch, daß eine dreidimensionale Vermessung der Strahlstruktur mit konventionellen Bildverarbeitungssystemen nur mittels einer aufwendigen Mehrfachmessung des Brennstoffeinspritzventils mit Lageänderungen in Drehlage und Neigung des Bilderfassungsgerätes und/oder des Brennstoffeinspritzventils möglich ist.adversely in the known devices for the optical detection of a spray pattern is, however, that one Three-dimensional measurement of the beam structure with conventional Image processing systems only by means of a complex multiple measurement of the fuel injection valve with changes in position in the rotational position and inclination of the image acquisition device and / or the fuel injection valve is possible.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Strahlbildes mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß mehrere Kameras, welche kreisförmig in äquidistanten oder definierten Winkelabständen zueinander angeordnet sind, vorgesehen sind, wodurch sich die räumliche und zeitliche Auflösung der Abbildungen signifikant gegenüber Einkamera-Systemen verbessern.The inventive device for the optical detection of a jet image with the characterizing Features of the claims 1 has in contrast the advantage that several Cameras, which are circular in equidistant or defined angular intervals are arranged to each other, are provided, whereby the spatial and temporal resolution improve the images significantly over single-camera systems.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Strahlbildes möglich.By in the subclaims listed activities are advantageous developments of specified in claim 1 Device for optically detecting a jet pattern possible.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it:

1 eine stark schematisierte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Strahlbildes eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand der Technik, 1 1 is a highly schematic view of an embodiment of a device for optically detecting a jet pattern of a fuel injection valve according to the prior art,

2A–2D schematische Ansichten eines Brennstoffeinspritzventils entgegen einer Abspritzrichtung des Brennstoffs mit Definition eines Koordinatensystems, 2A - 2D schematic views of a fuel injection valve against a spray direction of the fuel with definition of a coordinate system,

3A eine stark schematisierte Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Strahlbildes eines Brennstoffeinspritzventils mit zehn Einzelkameras, 3A a highly schematic view of a first embodiment of an inventively designed device for optically detecting a spray pattern of a fuel injection valve with ten individual cameras,

3B eine stark schematisierte Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Strahlbildes eines Brennstoffeinspritzventils mit zwanzig Einzelkameras, und 3B a highly schematic view of a second embodiment of an inventively designed device for optically detecting a spray pattern of a fuel injection valve with twenty individual cameras, and

4 eine stark schematisierte Darstellung des Erfassungsverfahrens eines Abspritzvorgangs aus einem Brennstoffeinspritzventil. 4 a highly schematic representation of the detection method of a Abspritzvorgangs from a fuel injection valve.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

Bei Ventilen, insbesondere bei Brennstoffeinspritzventilen mit mehreren Abspritzöffnungen zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer gemischverdichtenden, selbst- oder fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wird ein Brennstoffstrahl durch Brennstoffzumessung und -zerstäubung über die Abspritzöffnungen erzeugt. Die Möglichkeit der freien Anordnung der einzelnen Abspritzöffnungen ermöglicht die freie Ausrichtung der einzelnen Brennstoffstrahlen im Raum. Der resultierende Gesamtbrennstoffstrahl kann daher in einer komplexen dreidimensionalen Struktur resultieren, die sich mit konventioneller Abbildungsmethodik wie beispielsweise einer Projektion hinsichtlich der geometrischen Parameter der Brennstoffstrahlen wie beispielsweise der Lage und Geometrie der einzelnen Brennstoffstrahlen bezüglich ihres Bezugspunktes am Brennstoffeinspritzventil nicht mehr quantifizieren läßt, da eine der Raumrichtungen nicht dargestellt werden kann.at Valves, in particular with fuel injection valves having a plurality spray openings for direct injection of fuel into the combustion chamber of a mixture-compressing, self- or spark-ignited internal combustion engine, a fuel jet through fuel metering and atomization over the spray openings generated. The possibility the free arrangement of the individual spray openings allows the free alignment of the individual fuel jets in the room. Of the resulting total fuel jet can therefore be in a complex result in a three-dimensional structure that is consistent with conventional Imaging methodology such as a projection regarding the geometric parameter of the fuel jets such as the location and geometry of the individual fuel jets with respect to their Reference point at the fuel injector no longer quantify lets, as one the spatial directions can not be displayed.

Die geometrische und konstruktive Freiheit bei der Konstruktion derartiger Brennstoffeinspritzventile betreffend die Anzahl, Neigung, Durchmesser und Lage der Abspritzöffnungen erfordert eine geometrische Definition der Struktur der Brennstoffstrahlen, die mittels einer geeigneten Meßtechnik, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zu überprüfen ist.The geometric and constructive freedom in the construction of such Fuel injection valves concerning the number, inclination, diameter and Location of the injection openings requires a geometric definition of the structure of the fuel jets, which by means of a suitable measuring technique, which is the subject of the present invention, is to be checked.

Werden Brennstoffstrahlen dieser Art mit konventionellen Bildverarbeitungssystemen, umfassend ein Bilderfassungsgerät und eine Beleuchtungseinheit, erfaßt, können aus der Abbildung nur zweidimensionale Informationen gewonnen werden. Die für eine umfassende geometrische Charakterisierung der Struktur erforderliche Tiefeninformation in Form der dritten Dimension ist nicht quantifizierbar. Von Interesse sind dabei die individuellen Strahlparameter der Abspritzöffnungen in Bezug auf den Abspritzort, die in unterschiedlichen Winkeln, Neigungen, Längen und Richtungen der einzelnen Brennstoffstrahlen sowie in verschiedenen Strahlschwerpunkten in Referenzebenen in unterschiedlichen Abständen zum Brennstoffeinspritzventil resultieren.When fuel jets of this kind are detected with conventional image processing systems including an image acquisition device and a lighting unit, only two-dimensional information can be obtained from the image. The depth information required for a comprehensive geometric characterization of the structure in the form of the third dimension is not quantifiable. Of interest are the individual Strahlpara meter injection ports with respect to the Abspritzort resulting in different angles, inclinations, lengths and directions of the individual fuel jets and in different beam centers in reference planes at different distances to the fuel injection valve.

Gegenstand der Erfindung ist somit die Adaption eines Bildverarbeitungssystems der oben beschriebenen Art an Prüfeinrichtungen für Zerstäubungsventile für flüssige Medien wie Benzin, Diesel, Alkohol oder anderer Flüssigkeiten.object The invention thus relates to the adaptation of an image processing system of the type described above on test equipment for atomizing valves for liquid media like gasoline, diesel, alcohol or other liquids.

Nachfolgend wird zunächst anhand von 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik zum besseren Verständnis der Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.The following is based on 1 an embodiment according to the prior art for a better understanding of the invention described by way of example. Matching components are provided in all figures with matching reference numerals.

Die Zerstäubereinheit bzw. insbesondere das Brennstoffeinspritzventil 1 wird durch eine geeignete, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellte Prüflingsaufnahme in der Objektfeldmitte angeordnet. Wird das Brennstoffeinspritzventil 1 mit brennbaren oder toxischen Medien betrieben, ist die Integration in eine geschlossene Sprühkammer 2, wie in 1 schematisch dargestellt, mit optischer Zugänglichkeit erforderlich.The atomizer unit or in particular the fuel injection valve 1 is arranged by a suitable, not shown in detail for reasons of clarity Prüflingsaufnahme in the object field center. Will the fuel injector 1 Operated with flammable or toxic media, the integration into a closed spray chamber 2 , as in 1 shown schematically, with optical accessibility required.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 wird hydraulisch an eine nicht weiter dargestellte Druckversorgungseinheit und im Falle von intermittierenden Brennstoffeinspritzventilen, z.B. mit elektromagnetischen oder piezoelektrischen Antrieb, elektrisch an eine ebenfalls nicht dargestellte geeignete Endstufe bzw. ein Ansteuergerät angeschlossen. Eine Steuereinheit wie beispielsweise ein Funktionsgenerator, ein Steuerrechner, ein Signalgeber oder eine ECU generiert die Ansteuersignale für den Betrieb des Brennstoffeinspritzventils und definiert dadurch den Abspritzvorgang in Frequenz und Dauer.The fuel injector 1 is hydraulically connected to a non-illustrated pressure supply unit and in the case of intermittent fuel injection valves, for example with electromagnetic or piezoelectric drive, electrically connected to a suitable final stage or a drive unit, also not shown. A control unit such as a function generator, a control computer, a signal generator or an ECU generates the drive signals for the operation of the fuel injection valve and thereby defines the injection process in frequency and duration.

Zusätzliche Signalausgänge generieren in Abhängigkeit vom Beginn des Abspritzvorganges weitere Ansteuerimpulse für das Bildverarbeitungssystem, üblicherweise bei Ultrakurzzeitbelichtung für die Bilderfassungs- und Beleuchtungseinheit. Dadurch ist eine zeitlich definierte, zeitsynchrone Aufnahme des Brennstoffstrahls bezüglich dem Referenzsignal zu Beginn des Abspritzvorgangs möglich. Durch kurze Belichtungszeiten im Mikrosekundenbereich erhält man detailgetreue Aufnahmen mit geringer Bewegungsunschärfe bei hochkinetischen Abspritzvorgängen.additional signal outputs generate in dependence from the beginning of the Abspritzvorganges further drive pulses for the image processing system, usually at ultra-short exposure for the Image capture and illumination unit. This is one in time defined, time-synchronized recording of the fuel jet with respect to Reference signal possible at the beginning of the injection process. By short exposure times in the microsecond range to record detailed images with low motion blur high-kinetic ejection processes.

Weiterhin umfaßt die Vorrichtung eine Lichtquelle 3, beispielsweise in Form eines Stroboskops 3, sowie eine Streuscheibe 4, welche zwischen dem Stroboskop und der Sprühkammer 2 angeordnet ist. Eine gegenüber dem Stroboskop 3 angeordnete Kamera 5, vorzugsweise eine CCD-Kamera 5, fängt die durch das Stroboskop 3 ausgesandten und durch eine Bildebene 6 auf die Kamera 5 treffenden Lichtstrahlen auf und leitet die so entstandenen Bildsignale an eine entsprechende Auswerteeinheit, beispielsweise an einen Computer, weiter.Furthermore, the device comprises a light source 3 , for example in the form of a stroboscope 3 , as well as a lens 4 which is between the stroboscope and the spray chamber 2 is arranged. One opposite the stroboscope 3 arranged camera 5 , preferably a CCD camera 5 , which captures through the stroboscope 3 sent out and through an image plane 6 to the camera 5 incident light beams and passes the resulting image signals to a corresponding evaluation, for example to a computer on.

Für eine dreidimensionale Vermessung der Strahlstruktur mit konventionellen Bildverarbeitungssystemen ist jedoch eine aufwendige Mehrfachmessung des Brennstoffeinspritzventils mit Lageänderungen in Drehlage und Neigung des Bilderfassungsgerätes und/oder des Brennstoffeinspritzventils erforderlich.For a three-dimensional Measurement of the beam structure with conventional image processing systems However, a complex multiple measurement of the fuel injection valve with changes in position in rotational position and inclination of the image acquisition device and / or the fuel injection valve required.

Die Nachteile der konventionellen Verfahren und Vorrichtungen liegen insbesondere in einem hohen Zeitaufwand, insbesondere bei asymmetrischen und komplexen Strukturen, und einer aufwendigen Anpassung und Optimierung an das Strahldesign. Das Verfahren ist durch viele Arbeitsschritte aufwendig, eine Prozeßautomatisierung mit Online-Auswertung ist nicht möglich, es ist vielmehr notwendig, die Verfahrensschritte separat auszuwerten. Weiterhin ist keine Fertigungsintegration durch eine Einbindung der Prüfeinrichtung in die Herstellungslinie möglich. Wegen Mehrfachmessungen ist es zudem nicht möglich, die einzelnen Zyklen aufzulösen, so daß keine transienten Phänomene sichtbar werden, zur statistischen Absicherung sind somit Mehrfachmessungen mit Bildmittelung nötig.The Disadvantages of conventional methods and devices are especially in a high amount of time, especially in asymmetric and complex structures, and a complex adaptation and optimization to the beam design. The process is through many steps consuming, a process automation with online evaluation is not possible, it is rather necessary evaluate the process steps separately. Furthermore, no Production integration through integration of the test facility possible in the production line. Because of Multiple measurements, it is also not possible, the individual cycles dissolve, so that no transient phenomena become visible, for statistical verification are thus multiple measurements with Image aquisition needed.

In 2A–2D ist ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1, welches zur Einbindung in eine erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Strahlbildes geeignet ist, mit einem zur Quantifizierung des Strahlbildes geeigneten Koordinatensystem in verschiedenen Ansichten dargestellt.In 2A - 2D is an embodiment of a fuel injection valve 1 , which is suitable for incorporation into a device designed according to the invention for the optical detection of a beam image, with a coordinate system suitable for quantifying the beam pattern in various views.

Das zunächst in 2A perspektivisch dargestellte Brennstoffeinspritzventil 1 ist frei drehbar in der geeignet gestalteten Prüflingsaufnahme gelagert. Im Bereich eines abspritzseitigen Endes 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 ist ein karthesisches Koordinatensystem aus drei aufeinander senkrecht stehenden Koordinatenachsen, welche in einer x-, y- und z-Richtung orientiert sind, definiert.The first in 2A perspective fuel injector 1 is freely rotatably mounted in the suitably designed Prüflingsaufnahme. In the area of a discharge side end 7 of the fuel injection valve 1 is a Cartesian coordinate system of three mutually perpendicular coordinate axes, which are oriented in an x, y and z direction defined.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist an seinem in 2B vergrößert dargestellten abspritzseitigen Ende 7 mehrere, im Ausführungsbeispiel sechs Abspritzöffnungen 8 auf, welche in einem Düsenkörper 9 des Brennstoffeinspritzventils 1 ausgebildet sind. In der Aufsicht von unten (2D) ist die Orientierung der Abspritzöffnungen 8 erkennbar.The fuel injector 1 indicates his in 2 B enlarged illustrated discharge side end 7 several, in the embodiment six spray orifices 8th on which in a nozzle body 9 of the fuel injection valve 1 are formed. In the top view from below ( 2D ) is the orientation of the ejection openings 8th recognizable.

Das Koordinatensystem im abspritzseitigen Ende 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 hat seinen Ursprung im Zentrum Z eines aus den Abspritzöffnungen 8 gebildeten Lochkreises, wobei die z-Achse in einer Abspritzrichtung des Brennstoffs orientiert ist.The coordinate system in the discharge end 7 of the fuel injection valve 1 has his Origin in the center Z one of the injection openings 8th formed bolt circle, wherein the z-axis is oriented in a direction of discharge of the fuel.

Das Koordinatensystem bzw. dessen Lage relativ zum Brennstoffeinspritzventil 1 ermöglicht die genaue Bestimmung der Position des Brennstoffstrahlen des Brennstoffeinspritzventils 1 im Raum. Dabei wird jedem Brennstoffstrahl ein Vektor c(x, y, z) zugeordnet, der von den Koordinaten x, y und z abhängt. Die Angaben der Raumkoordinaten c(x, y, z) beziehen sich auf das Zentrum Z und werden durch die Angabe eines Strahlebenenwinkels δ eines elektrischen Anschlußsteckers 10 des Brennstoffeinspritzventils 1 festgelegt.The coordinate system or its position relative to the fuel injection valve 1 allows the accurate determination of the position of the fuel jets of the fuel injection valve 1 in the room. Each fuel jet is assigned a vector c (x, y, z), which depends on the coordinates x, y and z. The indications of the spatial coordinates c (x, y, z) relate to the center Z and are indicated by the indication of a beam plane angle δ of an electrical connector 10 of the fuel injection valve 1 established.

Die Erfassung der einzelnen Brennstoffstrahlen kann dabei beispielsweise im mathematisch positiven Sinn als Projektion in der x-y-Ebene und von innen nach außen, falls die Abspritzöffnungen 8 auf mehr als einem Lochkreis angeordnet sind, erfolgen. Zwei Ebenen sind bei der Erfassung der Brennstoffstrahlen nötig: eine Ebene, welche im Ausgangspunkt der Brennstoffstrahlen liegt, i.e. im Ursprung Z des Koordinatensystems am abspritzseitigen Ende 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 und eine weitere Strahlebene in einer definierten Entfernung parallel zur ersten Ebene durch Z.The detection of the individual fuel jets can, for example, in a mathematically positive sense as a projection in the xy plane and from the inside out, if the spray orifices 8th are arranged on more than one pitch circle done. Two planes are necessary in the detection of the fuel jets: a plane which lies in the starting point of the fuel jets, ie at the origin Z of the coordinate system at the discharge end 7 of the fuel injection valve 1 and another beam plane at a defined distance parallel to the first plane through Z.

Gemeinsam legen die genannten Koordinaten mit dem Bezugspunkt Z eine eindeutige Position eines Brennstoffstrahls im dreidimensionalen Raum fest. Dies ist Grundvoraussetzung für die Anwendung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur optischen Erfassung der Positionen der Brennstoffstrahlen, welche im folgenden beschrieben wird.Together put the coordinates mentioned with the reference point Z a unique Position of a fuel jet in three-dimensional space. This is a prerequisite for the application of an inventively designed device for optical detection of the positions of the fuel jets, which will be described below.

3A und 3B zeigen zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß ausgestalteter Vorrichtungen zur optischen Erfassung von Strahlbildern für Brennstoffeinspritzventile 1. Das in 3A dargestellte erste Ausführungsbeispiel umfaßt dabei zehn einzelne Kameras 5, welche wie anhand von 1 beschrieben beispielsweise in Form von CCD-Kameras 5 ausgeführt sein können und in äquidistanten oder definierten Winkelabständen zueinander kreisförmig angeordnet sind. In dem in 3B dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Kameras 5 zwanzig, die Anordnung ist wie in 3A kreisförmig mit äquidistanten Abständen der Kameras 5 untereinander. Acht Kameras 5 sollten wenigstens eingesetzt werden. 3A and 3B show two embodiments of inventively ausgestalteter devices for the optical detection of jet images for fuel injection valves 1 , This in 3A illustrated first embodiment includes ten individual cameras 5 , which as based on 1 described for example in the form of CCD cameras 5 can be executed and are arranged in a circle in equidistant or defined angular intervals. In the in 3B illustrated second embodiment, the number of cameras 5 twenty, the arrangement is like in 3A circular with equidistant distances between the cameras 5 among themselves. Eight cameras 5 should at least be used.

Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Kameras 5 durch ihre kreisförmige Anordnung eine geschlossen konzentrische Betrachtung des zu vermessenden Objektes erlauben und so die Erfassung und Analyse von komplexen dreidimensionalen Strukturen erlauben, da sie ein gemeinsames Blickfeld 11 abdecken. Eine derartige Vorrichtung kann bis zu 32 digitale Flächenkameras 5 umfassen, welche über eine Datenschnittstelle integrierbar sind. Die zu erfassenden Objekte werden so aus zehn, zwanzig oder bis zu 32 Blickwinkeln erfaßt und vermessen. Bei einer schnellen zeitlichen Formänderung wie z.B. einem Einspritzvorgang von Brennstoff aus einem Brennstoffeinspritzventil 1 kann das Objekt, in diesem Fall die Gemischwolke 12, durch eine zeitsynchrone Ansteuerung der Bilderfassungseinheiten aus bis zu 32 Blickwinkeln zum selben Zeitpunkt dargestellt werden.Both embodiments have in common that the cameras 5 by their circular arrangement allow a closed concentric view of the object to be measured and thus allow the detection and analysis of complex three-dimensional structures, since they are a common field of vision 11 cover. Such a device can accommodate up to 32 digital area cameras 5 include, which can be integrated via a data interface. The objects to be detected are thus detected and measured from ten, twenty or up to 32 viewing angles. In a rapid temporal change in shape such as an injection process of fuel from a fuel injection valve 1 can the object, in this case the mixture cloud 12 be represented by a time-synchronous control of the image acquisition units from up to 32 viewing angles at the same time.

Mittels optischem Stereoverfahren (trinokular) kann die Tiefeninformation des Objektes aus den Bilddaten bestimmt werden. Dabei werden Verfahren der Standard-Stereogeometrie mit nichtparallelen optischen Achsen eingesetzt und durch eine Rektifikation der Stereobilder auf eine Stereogeometrie mit parallelen optischen Achsen umgerechnet. Anschließend wird eine Korrespondenzanalyse zur Findung gemeinsamer Bildpunkte durch Verfahren der epipolaren Geometrie, der Kontinuität von Kanten und Korrelationsverfahren durchgeführt. In der Folge kann eine Ausweitung auf trinokulares Sehen erfolgen.through optical stereo method (trinocular) can be the depth information of the object can be determined from the image data. Thereby procedures of the Standard stereo geometry used with non-parallel optical axes and by rectifying the stereo images to stereo geometry converted with parallel optical axes. Subsequently, will a correspondence analysis for finding common pixels by Method of epipolar geometry, the continuity of edges and correlation method performed. In the consequence one can Extension to trinocular vision.

Die Vorteile des trinokularen Abbildens gegenüber dem Stereo-Kamerasystem liegt dabei insbesondere in der Redundanz, welche zu einer höheren Genauigkeit der Meßwerte führt und die fehlerhafte Zuordnung von Bildpunkten reduziert.The Benefits of trinocular imaging over the stereo camera system in particular in the redundancy, resulting in a higher accuracy the measured values leads and reduces the incorrect assignment of pixels.

Weiterhin ist es möglich, durch eine asynchrone Ansteuerung der Bilderfassungseinheiten, einen schnell ablaufenden Prozeß bei einem Objekt mit schneller zeitlicher Formveränderung wie beispielsweise einer Gemischwolke 12, welche aus dem Brennstoffeinspritzventil 1 abgespritzt wurde, in einer Bildserie zu erfassen. Die Anzahl der Einzelbilder entspricht dabei der Anzahl der Kameras 5. Durch eine kaskadierte Anordnung der Kameras 5 wird dieselbe Objektansicht betrachtet, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme des Vorgangs bei hoher zeitlicher Auflösung bzw. Bildraten bis zu 1000000 Bildern pro Sekunde ermöglicht wird.Furthermore, it is possible by an asynchronous control of the image acquisition units, a fast-running process in an object with rapid temporal change in shape such as a mixture cloud 12 , which from the fuel injector 1 was hosed to capture in a series of pictures. The number of individual images corresponds to the number of cameras 5 , By a cascaded arrangement of the cameras 5 the same object view is considered, allowing a high-speed recording of the process at high temporal resolution or frame rates up to 1000000 frames per second.

Die Vorteile einer entsprechend ausgestatteten erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten gegenüber herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungssystemen mit einer Einzelkamera 5 liegen insbesondere im Preis, in einer höheren Bildrate bzw. einer bis zu einem Faktor 10 verbesserten zeitlichen Auflösung sowie in der Verbesserung der Auflösung der maximalen Bildrate bis zu einem Faktor 5.The advantages of a correspondingly equipped device according to the invention for the optical detection of objects compared to conventional high-speed image processing systems with a single camera 5 are in particular the price, in a higher frame rate or improved by up to a factor of 10 temporal resolution and in improving the resolution of the maximum frame rate up to a factor of 5.

4 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Abspritzvorgang für ein Brennstoffeinspritzventil 1 und die Schritte des Bildaufnahmeverfahrens. 4 shows a highly schematic representation of a spraying process for a fuel injection valve 1 and the steps of the image capture process.

Das Verfahren zur Visualisierung von Sprühstrahlen mit der Möglichkeit einer dreidimensionalen Quantifizierung der Strahlgeometrie ist folgendermaßen gekennzeichnet:
Ein Multikamera-Bildverarbeitungssystem ist mit bis zu 32 digitalen Flächenkameras (CCD, CMOS) 5 ausgestattet. Die Kameras 5 werden über Ansteuersignale ausgelöst, wobei die Einstellung der Belichtungszeit der Kameras 5 variabel (Kurzzeit) ist. Die Kameras 5 haben weiterhin einen Bildspeicher (RAM, FIFO). Die Kameras 5 lassen sich über eine Schnittstelle (digital oder analog) steuern bzw. programmieren. Weiterhin haben die Kameras 5 ein Standardinterface zur Bildübertragung (IEEE 1394, Ethernet, WLAN, USB).The method for visualizing spray jets with the possibility of three-dimensional quantification of the beam geometry is characterized as follows:
A multi-camera image processing system is compatible with up to 32 digital area cameras (CCD, CMOS) 5 fitted. The cameras 5 are triggered via control signals, the adjustment of the exposure time of the cameras 5 is variable (short-term). The cameras 5 continue to have a frame buffer (RAM, FIFO). The cameras 5 can be controlled or programmed via an interface (digital or analogue). Still have the cameras 5 a standard interface for image transmission (IEEE 1394, Ethernet, WLAN, USB).

Die Kameras 5 sind auf einer Kreisbahn oder Array/Matrix angeordnet. Bei einer Ringanordnung laufen die Mittelachsen der betrachteten Objektfelder durch den Kreismittelpunkt, wie in 3A und 3B dargestellt. Die Kameras 5 lassen sich bezüglich ihrer Position auf der Kreisbahn verändern (Orbitalbewegung); die Kameras 5 können beliebig unter Ausnutzung des vollen Kreisbogens bzw. Sektoren (90°, 180°) angeordnet werden. Bei einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausgestaltungsvariante in Form einer Arrayanordnung fallen die betrachteten Objektfelder zusammen. Betrachtungsobjekt aller Kameras 5 ist in den Ausführungsbeispielen das dreidimensionale Objekt, i.e. der durch das Brennstoffeinspritzventil 1 abgespritzte Brennstoffstrahl bzw. die Gemischwolke (siehe 4).The cameras 5 are arranged on a circular path or array / matrix. In a ring arrangement, the center axes of the considered object fields pass through the center of the circle, as in FIG 3A and 3B shown. The cameras 5 can be changed with respect to their position on the circular path (orbital motion); the cameras 5 can be arranged arbitrarily by taking advantage of the full circular arc or sectors (90 °, 180 °). In a further, not shown embodiment variant in the form of an array arrangement, the considered object fields coincide. Viewing object of all cameras 5 In the exemplary embodiments, the three-dimensional object, that is, that through the fuel injection valve 1 sprayed fuel jet or the mixture cloud (see 4 ).

Die Kameras 5 können synchron oder asynchron angesteuert werden. Bei synchroner Ansteuerung zeigen alle Bilder der Kameras 5 denselben Brennstoffstrahl (zeitgleiche Aufnahme des Zerstäubungsprozesses), während bei asynchroner Ansteuerung die Kameras 5 zeitversetzt angesteuert werden (Sequenz in Abhängigkeit vom Ansteuersignal des Zerstäubers); damit wird eine zeitliche Entwicklung des Abspritzvorgangs aufgenommen (High-Speed-Modus). Die Zeitauflösung oder Bildrate wird durch den Zeitversatz der Ansteuerung von zwei direkt aufeinanderfolgenden Kameras 5 definiert bzw. vorgegeben.The cameras 5 can be controlled synchronously or asynchronously. With synchronous control, all pictures show the cameras 5 the same fuel jet (simultaneous recording of the sputtering process), while in asynchronous control the cameras 5 be time-delayed controlled (sequence depending on the control signal of the atomizer); thus a temporal development of the Abspritzvorgangs is recorded (high-speed mode). The time resolution or frame rate is due to the time offset of the control of two directly consecutive cameras 5 defined or predetermined.

Die Beleuchtung erfolgt durch eine Blitz-Beleuchtungseinheit (Stroboskop, LED, Laserbeleuchtungen) 3. Eine Einzelblitzfunktion mit kurzer Pulsdauer (Pulszeit im Mikrosekundenbereich und kleiner) ist ebenfalls möglich, ebenso eine Hochfrequenzblitzfunktion (> 10kHz) für High-Speed-Modus.Lighting is provided by a flash lighting unit (stroboscope, LED, laser lighting) 3 , A single flash function with short pulse duration (pulse time in the microsecond range and smaller) is also possible, as well as a high-frequency flash function (> 10kHz) for high-speed mode.

Ein LED-Beleuchtungssteuergerät ist vorzugsweise mit LED-Ringen, LED-Arrays oder LED-Spots versehen. Die stroboskopische Beleuchtung erfolgt mit faseroptischen Leuchtfeldern in Form eines Rings oder eines Flächenelements. Auch Auflichtblitzen mit LED-Spots von unten, oben oder schrägem Richtungsvektor und konkave Leuchtfelder in Gegenanordnung zu den Kameras für Objektbeleuchtung im Durchlicht oder Gegenlicht sind vorgesehen.One LED lighting controller is preferably provided with LED rings, LED arrays or LED spots. The stroboscopic illumination is done with fiber optic light fields in the form of a ring or a surface element. Also incident light flashes with LED spots from the bottom, top or oblique direction vector and concave Luminous fields in opposite arrangement to the cameras for object lighting in transmitted light or backlight is provided.

Ein Steuergerät (Timersteuerung, Funktionsgenerator oder Steuerrechner) synchronisiert die verschiedenen Bestandteile der Vorrichtung. Hier erfolgt die Generierung des Ansteuersignals (Referenzsignal) des Brennstoffeinspritzventils 1 (Einstellung von Pulsdauer und Frequenz), die Generierung der Ansteuersignale für alle Kameras 5 (synchron und asynchron) mit Einstellbarkeit von individueller Pulsdauer und individueller Zeit nach Referenzsignal und die Generierung der Ansteuersignale für die Beleuchtungen mit Einstellbarkeit von individueller Pulsdauer und individueller Zeit nach Referenzsignal.A control device (timer control, function generator or control computer) synchronizes the various components of the device. Here, the generation of the drive signal (reference signal) of the fuel injection valve takes place 1 (Setting of pulse duration and frequency), the generation of the drive signals for all cameras 5 (synchronous and asynchronous) with adjustability of individual pulse duration and individual time after reference signal and the generation of the driving signals for the illuminations with adjustability of individual pulse duration and individual time after reference signal.

In einer Rechnerumgebung (PC oder Workstation) ist die Steuersoftware für die Kommunikation/Parametrisierung mit dem oben genannten Steuergerät vorgesehen. Vorhanden sind hier folgende Softwaremodule: Softwaremodul zur Steuerung/Parametrisierung der Bilderfassungsgeräte, Softwaremodul zur Erfassung der Bilddaten der Bilderfassungsgeräte mit einer kameraselektiven Bildvorschau (Livebild), einer Darstellung der Bildliste und Bildselektion, einer Bildspeicherung in gängigen Bildformaten (TIF, DIB, BMP, JPG) und die Generierung von Bildanimationen (AVI).In A computing environment (PC or workstation) is the control software for the Communication / parameterization provided with the above-mentioned control unit. The following software modules are available here: Software module for control / parameterization the image capture devices, Software module for capturing the image data of the image acquisition devices with a camera-selective image preview (live image), a representation of the Image list and image selection, image storage in common image formats (TIF, DIB, BMP, JPG) and the generation of image animations (AVI).

Weiterhin ist ein Softwaremodul für Bildverarbeitung, Bildaufbereitung und Bildoptimierung mit Bildoperatoren und Bildarithmetik (Addition, Subtraktion, logische Operatoren), Bildfilterung (Kantenfilter und morphologische Filter) und Extraktion von Bildkonturlinien (grauwert- oder kantenbasiert) vorgesehen.Farther is a software module for Image processing, image processing and image optimization with image operators and image arithmetic (addition, subtraction, logical operators), Image filtering (edge filter and morphological filters) and extraction of image contour lines (greyscale or edge-based).

Ein weiteres Softwaremodul dient zur Bestimmung der Tiefeninformation aus den Bilddaten (Vermessung des dreidimensionalen Objekts) mittels Algorithmen zur Behandlung von binokularer und trinokularer Stereogeometrie, Rektifikation von Stereobildern (Bildtransformation auf Standard-Stereogeometrie mit parallelen optischen Achsen der Bilder) und Korrespondenzanalyse nach epipolarer Geometrie, Kontinuität der Kanten und Korrelationsverfahren (Auto- und Kreuzkorrelation).One Another software module is used to determine the depth information from the image data (measurement of the three-dimensional object) by means of algorithms for the treatment of binocular and trinocular stereo geometry, Rectification of stereo images (image transformation to standard stereo geometry with parallel optical axes of the images) and correspondence analysis according to epipolar geometry, continuity of edges and correlation methods (Auto and cross correlation).

Ebenfalls ist ein Softwaremodul zur Bestimmung von geometrischen Parametern von Brennstoffstrahlen eines Brennstoffeinspritzventils 1 vorgesehen, welches die Raumwinkel der Einzelstrahlen (Polarkoordinaten), die Länge der Einzelstrahlen, die Extraktion der Oberflächenkontur der Einzelstrahlen, die Extraktion der Oberflächenkontur des Gesamtsprays bestimmt und die 3D-Konturdaten (Parasolid, IGES, DXF, Text) exportiert.Also included is a software module for determining geometric parameters of fuel jets of a fuel injector 1 is provided, which determines the solid angles of the individual beams (polar coordinates), the length of the individual beams, the extraction of the surface contour of the individual beams, the extraction of the surface contour of the total spray and exports the 3D contour data (Parasolid, IGES, DXF, text).

Ein weiteres Softwaremodul mit Multimediaschnittstelle zur Animation von Bildserien zeichnet die Sequenzen bei asynchroner Kameraansteuerung auf, animiert die scheinbare kreisförmige Bewegung des Betrachters um das Objekt bei synchroner Ansteuerung der Kameras und exportiert die Animationen/Filme (AVI, MPG).One Another software module with multimedia interface for animation series of images records the sequences in asynchronous camera control, animates the apparent circular Movement of the observer around the object with synchronous control the cameras and export the animations / movies (AVI, MPG).

Das letzte Softwaremodul für Bildinterpolation interpoliert Zwischenbilder (Morphing) von räumlich und/oder zeitlich benachbarten Einzelbildern zur Erhöhung der räumlichen/zeitlichen Auflösung.The last software module for Image interpolation interpolates intermediate images (morphing) of spatial and / or temporally adjacent individual images to increase the spatial / temporal resolution.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Alle Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar.The Invention is not limited to the illustrated embodiments. All Features of the invention can be combined with each other as desired.

Claims

Device for the optical detection of a three-dimensional temporally and spatially changeable object, in particular one through a fuel injection valve ( 1 ) in a spray chamber ( 2 ) sprayed mixture cloud ( 12 ) of individual fuel jets, comprising at least one light source ( 3 ) and several cameras ( 5 ), which are arranged in a circle or in a planar manner in equidistant or arbitrary angular distances adapted to the object geometry.

Device according to claim 1, characterized in that the number of cameras ( 5 ) is at least eight, preferably between ten and twenty.

Apparatus according to claim 2, characterized in that the maximum number of cameras ( 5 ) 32.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cameras ( 5 ) are arranged in a plane.

Apparatus according to claim 4, characterized in that the cameras ( 5 ) a common field of vision ( 11 ) cover.

Device according to Claim 5, characterized in that the field of vision ( 11 ) of the cameras ( 5 ) in a center of one through the cameras ( 5 ) formed circle lies.

Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the cameras ( 5 ) as CCD or CMOS cameras ( 5 ) are formed.

Device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the cameras ( 5 ) can be triggered via control signals.

Device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the adjustment of the exposure time of the cameras ( 5 ) is variable.

Device according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the cameras ( 5 ) have a frame buffer, in particular a RAM or FIFO.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the cameras ( 5 ) are controllable or programmable via a digital or analog interface.

Device according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the cameras ( 5 ) have a standard interface for image transmission, in particular IEEE 1394, Ethernet, WLAN or USB.

Device according to one of claims 1 to 12, characterized that at Ring arrangement central axes of the considered object fields by a Circle center run.

Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the cameras ( 5 ) are displaceable with respect to their position on the circular path.

Device according to claim 14, characterized in that that the Cameras arbitrarily using the full arc or of Sectors of 90 ° or 180 ° arranged are.

Device according to one of Claims 1 to 15, characterized in that the cameras ( 5 ) are controlled synchronously.

Apparatus according to claim 16, characterized in that, with synchronous activation, all images of the cameras ( 5 ) show the same object.

Device according to one of Claims 1 to 15, characterized in that the cameras ( 5 ) can be controlled asynchronously.

Apparatus according to claim 18, characterized in that in asynchronous control the cameras ( 5 ) can be controlled with a time delay.

Device according to one of claims 1 to 19, characterized in that the device comprises a lighting unit ( 3 ) in the form of a stroboscope, an LED or a laser illumination.

Apparatus according to claim 20, characterized in that the lighting unit ( 3 ) Single flashes with short pulse duration and high frequency emits.

Apparatus according to claim 21, characterized that the Frequency of the flashes> 10kHz.

Apparatus according to claim 20, characterized in that the LED lighting unit ( 3 ) has a lighting control device with LED rings and / or LED arrays and / or LED spots.

Device according to one of claims 20 to 23, characterized that the Stroboscopic illumination with fiber optic light fields, in particular a ring or surface element, he follows.

Device according to one of claims 20 to 24, characterized that the Illumination from below, above or with an oblique direction vector.

Device according to one of Claims 1 to 25, characterized in that concave luminous fields are arranged in opposition to the cameras ( 5 ) are provided for object lighting in transmitted light or backlight.

Device according to one of claims 1 to 26, characterized in that a control device with a timer control, a function generator or a control computer for generating the drive signals of the cameras ( 5 ) is provided.

Device according to one of claims 1 to 27, characterized that one Computer environment, in particular a PC or a workstation, with Control software is provided.