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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren eines Messsystems und eines Messplatzes zur videobasierten 3D-Messung eines Fahrzeugs und auf einen Messplatz, der zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Stand der Technik:
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Im Stand der Technik sind videobasierte Verfahren zur Fahrwerksprüfung bekannt.
DE 197 57 760 A1 und
DE 100 32 356 A1 beschreiben videobasierte Verfahren zur Achsvermessung,
DE 199 49 982 C2 und
EP 1 092 967 A2 beschreiben videobasierte Verfahren zur Fahrwerksprüfung, insbesondere zur Prüfung der Stoßdämpfer und Bremsen eines Fahrzeugs.
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Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass ein Fahrzeug auf einer Fahrbahnebene zwischen zwei oder vier Messköpfen, die jeweils mit wenigstens einer Videokamera ausgestattet sind, angeordnet und die Vermessung des Fahrzeugs auf Grundlage der von den Videokameras aufgenommenen Bilder vorgenommen wird.
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Um eine solche Vermessung durchführen zu können, müssen die Lage der Messköpfe zueinander und die Lage der Messköpfe im Bezug auf die Fahrbahnebene, auf der das Fahrzeug steht, bekannt sein.
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DE 10 2007 005 085 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Fahrzeug-Umfeldsensors oder Scheinwerfers.
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DE 10 2008 000 837 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von zwei Messköpfen in einem videobasierten Messsystem zur Fahrwerksvermessung. Das dort beschriebene Verfahren erfordert, dass die Positionen der in den Messköpfen angeordneten Beleuchtungseinheiten im Bezug auf die Kameras der Messköpfe sehr genau bekannt sind.
DE 10 2008 000 837 A1 beschreibt weder die Bestimmung der Lage der Beleuchtungseinheiten im Bezug auf die Kameras noch die Bestimmung der Position der Messköpfe in Bezug auf die Fahrbahnebene.
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Offenbarung der Erfindung:
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine einfache Kalibrierung eines videobasierten Messsystems zur Vermessung eines Fahrzeugs und insbesondere des Fahrwerks eines Fahrzeugs mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 9 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Patentanspruch 10 betrifft einen Messplatz, der zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kalibrieren eines Messsystems und eines Messplatzes zur Fahrwerksvermessung, der eine Fahrbahnebene, die vorgesehen ist, um das zu vermessende Fahrzeug darauf zu platzieren, und wenigstens zwei Messköpfe aufweist, wobei jeder der Messköpfe wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung und wenigstens eine Bildaufnahmevorrichtung (Kamera) hat, umfasst die folgenden Schritte:
Aufbringen einer Anzahl von Messpunkten auf die Fahrbahnebene, wobei die Messpunkte vorzugsweise so ausgestaltet sind, dass sie von den Bildaufnahmevorrichtungen der Messköpfe gut erfassbar sind;
Aufnehmen von Bildern der auf der Fahrbahnebene aufgebrachten Messpunkte und der Beleuchtungseinrichtung(en) wenigstens eines weiteren Messkopfes mit der Bildaufnahmevorrichtung wenigstens eines der Messköpfe;
Bewegen wenigstens eines der Messköpfe an eine andere Position und/oder in eine veränderte räumliche Ausrichtung (Orientierung) am Messplatz;
Wiederholen der Schritte des Aufnehmens von Bildern der Messpunkte und der Beleuchtungseinrichtung(en) und des Bewegens wenigstens eines Messkopfes, so dass Bilder der Messpunkte und der Beleuchtungseinrichtung(en) für eine Anzahl verschiedener Positionen bzw. räumliche Ausrichtungen wenigstens eines Messkopfes aufgenommen werden; und
Bestimmen der Lage der Fahrbahnebene und der Positionen der Beleuchtungseinrichtungen der Messköpfe in Bezug zu der Bildaufnahmeeinrichtung aus den aufgenommenen Bildern.
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Ein erfindungsgemäßer Messplatz zur Fahrwerksvermessung weist eine Fahrbahnebene, die vorgesehen ist, um das zu vermessende Fahrzeug darauf zu platzieren, wenigstens zwei Messköpfe, die jeweils mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung und wenigstens einer Bildaufnahmevorrichtung ausgestattet und auf dem Messplatz bewegbar sind, und eine Auswerteinrichtung auf. Die Auswerteinrichtung ist zur Datenübertragung mit den Messköpfen und zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kalibrieren des Messplatzes ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein erfindungsgemäßer Messplatz ermöglichen eine genaue Bestimmung der geometrischen Lage der Beleuchtungseinrichtungen und der Lage der Fahrbahnebene im Bezug auf die Bildaufnahmevorrichtungen der Messköpfe, ohne dass eine zusätzliche technische Ausrüstung erforderlich ist, um die Kalibrierung vorzunehmen.
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Die Genauigkeit des Verfahrens steigt mit der Anzahl der Messpunkte und der Anzahl verschiedener Positionen und Ausrichtungen der Messköpfe, aus denen Bilder aufgenommen werden. Die Anzahl der Messpunkte liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 20, die Anzahl der verschiedenen Positionen und Ausrichtungen der Messköpfe liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10.
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Es ist nicht erforderlich, die Lage der Beleuchtungseinrichtungen in Bezug auf die Bildaufnahmevorrichtungen bei der Fertigung der Messköpfe mit hoher Genauigkeit und Konstanz festzulegen oder zu bestimmen. Die Fertigungskosten der Messköpfe können daher reduziert werden. Auch kann der Anwender bei Bedarf, z. B. nach Beschädigungen, Dejustagen oder Reparaturen, selbst ohne großen Aufwand eine erneute Kalibrierung des Messsystems vornehmen.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Bestimmung der Lage der Fahrbahnebene und der Beleuchtungseinrichtungen der Messköpfe unter Verwendung eines photogrammetrischen Verfahrens. Durch ein photogrammetrisches Verfahren lassen sich die Lage der Fahrbahnebene und die Lage der Beleuchtungseinrichtungen der Messköpfe mit geringem Aufwand und mit hoher Genauigkeit bestimmen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens werden Bilder der Messpunkte und der Beleuchtungseinrichtung(en) wenigstens eines Messkopfes zusätzlich mit wenigstens einem weiteren Messkopf aufgenommen, wobei auch dieser zusätzliche Messkopf zwischen verschiedenen Positionen und/oder Ausrichtungen bewegt wird. Durch die Aufnahme von zusätzlichen Bildern mit einem weiteren Messkopf, der ebenfalls an verschiedene Positionen bzw. in verschiedene Ausrichtungen bewegt wird, kann die Genauigkeit der Kalibrierung weiter verbessert werden.
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In einer Ausführungsform wird der Messkopf manuell bewegt. Ein Messplatz, bei dem die Messköpfe manuell bewegt werden, ist besonders einfach und kostengünstig aufbaubar, da auf mechanische Vorrichtungen zum Bewegen der Messköpfe verzichtet werden kann.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Messköpfe motorisch bewegbar. Mit motorisch bewegten Messköpfen ist die Kalibrierung besonders bequem und insbesondere automatisch durchführbar.
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In einer Ausführungsform schließt das Verfahren die Bestimmung der optischen Brennweite und/oder einer optischen Verzeichnung wenigstens einer der Bildaufnahmevorrichtungen ein. Durch ein solches Verfahren wird die Genauigkeit der Kalibrierung erhöht und die Bedienerfreundlichkeit verbessert, da die optische Brennweite und/oder optische Verzeichnungen nicht manuell berücksichtigt werden müssen.
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In Abhängigkeit von der zur Fahrwerksvermessung verwendeten Messmethode können die Bildaufnahmevorrichtungen als Mono-Kameras, als Stereo-Kameras oder als Mehrkamerasysteme ausgebildet sein.
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Die Messpunkte können als kugelförmige Objekte, wie z. B. Golf- oder Tennisbälle, oder als linienförmige Objekte ausgebildet sein. Die Messpunkte sind vorzugsweise lichtreflektierend oder als selbstleuchtende Objekte ausgebildet, so dass sie von den Bildaufnahmevorrichtungen gut erfasst werden können.
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Die Auswerteinrichtung kann durch elektrische Leitungen oder drahtlos, z. B. durch eine Funk- oder IR-Verbindung mit den Messköpfen in Verbindung stehen, um von den Messköpfen 6 aufgenommenen und erzeugten Messdaten an die Auswerteinrichtung zu übertragen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Messplatzes zur Fahrwerksvermessung;
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2 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Messplatz; und
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das in der 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messplatzes 2 weist eine Fahrbahnebene 4, die ausgebildet ist, um ein in der 1 nicht gezeigtes zu vermessenden Fahrzeugs aufzunehmen.
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Links und rechts der Fahrbahnebene 4 ist jeweils ein Messkopf 6 angeordnet. Jeder der Messköpfe 6 weist auf seiner der Fahrbahnebene 4 zugewandten Seite eine Bildaufnahmevorrichtung (Kamera) 8 mit einem der jeweiligen Bildaufnahmevorrichtung 8 zugeordneten lokalen Koordinatensystem K1, K2 und vier um die Bildaufnahmevorrichtung 8 angeordnete Beleuchtungseinrichtungen 10 auf.
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Zur Fahrwerksvermessung wird das zu vermessende Fahrzeug derart auf der Fahrbahnebene 4 angeordnet, dass jeweils ein Messkopf 6 auf der linken und auf der rechten Seite des Fahrzeugs angeordnet ist, die Beleuchtungseinrichtungen 10 jeweils eine dem jeweiligen Messkopf 6 zugewandte Seite des Fahrzeugs beleuchten und die Bildaufnahmevorrichtungen 8 Bilder der dem jeweiligen Messkopf 6 zugewandte Seite des Fahrzeugs aufnehmen können.
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Die in der 1 gezeigten Messköpfe 6 sind mit jeweils einem Tragegriff 12 versehen, der es ermöglicht, die Messköpfe 6 manuell an verschiedene Positionen des Messplatzes 2 zu bewegen und/oder die räumliche Ausrichtung der Messköpfe 6 zu verändern.
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Auf der Fahrbahnebene 4 sind mehrere Messpunkte (Targets) 14 angeordnet, die derart ausgebildet sind, dass sie von den Bildaufnahmevorrichtungen 8 der Messköpfe 6 optisch gut erfassbar sind. Die Messpunkte 14 können beispielsweise als beleuchtete oder Licht reflektierende Kugeln, Retrokugeln oder auch als einfache, kostengünstige Golfbälle ausgebildet sein. Die Messpunkte 14 bilden ein Messpunktfeld in einem der Fahrbahnebene 4 zugeordneten Koordinatensystem F.
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Die 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Messplatz 2 zur Fahrwerksvermessung.
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In der 2 sind die Messköpfe 6 an verschiedenen möglichen Positionen 6a–6f und in verschiedenen räumlichen Ausrichtungen gezeigt. Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Messköpfe 6 an verschiedene Positionen 6a–6f an dem Messplatz 2 bewegt, wobei vorzugsweise auch die räumliche Ausrichtung der Messköpfe 6 und insbesondere der Bildaufnahmevorrichtungen 8 verändert wird. Bilder, welche die auf die Fahrbahnebene 4 aufgebrachten Messpunkte 14 und/oder die Beleuchtungseinrichtungen 10 wenigstens eines auf der gegenüberliegenden Seite der Fahrbahnebene 4 positionierten Messkopfes 6 zeigen, werden aus den verschiedenen Positionen und/oder mit verschiedenen räumlichen Ausrichtungen aufgenommen.
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Aus diesen an verschiedenen Positionen und/oder bei verschiedenen Ausrichtungen der Bildaufnahmevorrichtungen 8 aufgenommenen Bildern sind die räumliche Lage der Fahrbahnebene 4 und die Positionen der Beleuchtungseinrichtungen 10 der Messköpfe 6 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmbar.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm 100, welches die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt.
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In einem ersten Schritt 110 werden die Messpunkte (Targets) 14 an verschiedene Positionen auf der Fahrbahnebene 4 verteilt. Die Genauigkeit und der Aufwand des Verfahrens steigen mit der Anzahl der verwendeten Messpunkte 14. Vorzugsweise werden zehn bis zwanzig Messpunkte 14 auf die Fahrbahnebene 4 aufgebracht.
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Im folgenden Schritt 120 werden mit der Bildaufnahmevorrichtung 8 wenigstens eines Messkopfes 6 mehrere Bilder der Messpunkte 14 und der Beleuchtungseinrichtungen 10 wenigstens eines gegenüberliegenden Messkopfes 6 aufgenommen. Vorzugsweise werden mit der Bildaufnahmevorrichtung 8 jedes Messkopfes 6 solche Bilder aufgenommen, da die Genauigkeit des Verfahrens mit der Anzahl der aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommenen Bilder steigt.
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Im nächsten Schritt 130 wird die Position und/oder die räumliche Ausrichtung wenigstens eines der Messköpfe 6 verändert. Dies kann manuell erfolgen, indem der jeweilige Messkopf 6 an seinem Tragegriff 12 gegriffen und in einer neuen Ausrichtung an eine neue Position innerhalb des Messplatzes 2 gestellt wird. Alternativ wird der Messkopf 6 durch eine in den Figuren nicht gezeigte motorisierte Vorrichtung bewegt.
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Nachdem die räumliche Lage und/oder Ausrichtung wenigstens eines der Messköpfe 6 verändert worden ist, wird der Schritt 120 des Aufnehmens von Bildern des Messpunktfeldes 14 und der Beleuchtungseinrichtungen 10 wenigstens eines gegenüberliegenden Messkopfes 6 wiederholt.
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Die Schritte 130 und 120 des Veränderns der Position und/oder der Ausrichtung wenigstens eines der Messköpfe 6 und des Aufnehmens von Bildern der Messpunkte 14 und der Beleuchtungseinrichtungen 10 wenigstens eines gegenüberliegenden Messkopfes 6 werden beliebig oft wiederholt. Die Genauigkeit und der Aufwand des Verfahrens steigen mit der Anzahl der Wiederholungen. Vorzugsweise werden Bilder für fünf bis fünfzehn verschiedene Positionen und Ausrichtungen der Messköpfe 6 aufgenommen.
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Nachdem Bilder an der gewünschten Anzahl von verschiedenen Positionen und Ausrichtungen der Messköpfe 6 aufgenommen worden sind, werden die aufgenommenen Bilder im Schritt 140 zur Bestimmung der räumlichen Lage der Fahrbahnebene 4 und der Messköpfe 6 ausgewertet.
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Dabei werden die Positionen der Messpunkte 14 und der Beleuchtungseinrichtungen 10 eines gegenüberliegenden Messkopfes 6 jeweils im lokalen Koordinatensystem Ko (hier o = 1, 2) des jeweiligen Messkopfes 6 mit dem nachfolgendem beschriebenem Vorgehen bestimmt. Die lokalen Koordinatensysteme Ko der Messköpfe 6 sind durch die Lage des Projektionszentrums und die optische Achse der Bildaufnahmevorrichtung 8 definiert.
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Die Transformation eines Punktes x aus einem lokalen Koordinatensystem Ko in das Koordinatensystem F der Fahrbahnebene 4 lässt sich mathematisch durch: xF = Rix + ti beschreiben. Dabei ist Ri eine 3×3-Rotationsmatrix zur Beschreibung einer Drehung und ti ein 3 × 1-Translationsvektor, der die Translation zwischen den beiden Koordinatensystemen Ko, F beschreibt. Die i = 1... n Messungen aus den verschiedenen Positionen und Ausrichtungen der Messköpfe 6 liefern 2 × 1-Vektoren der Bildkoordinaten x'ki der Position der k = 1 ... m Beleuchtungseinrichtungen 10 und der Bildkoordinaten x'ji der j = 1 ... p Messpunkte 14 aus dem mit der jeweiligen Bildaufnahmevorrichtung 8 aufgenommenen Bild.
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Mit der aus der Photogrammetrie, siehe z. B.
Thomas Luhmann, „Nahbereichsphotogrammetrie: Grundlagen, Methoden und Anwendungen", erschienen im Wichmann Verlag, bekannten Methode der kleinsten Quadrate können die Parameter R
1i, t
1i, R
2i, t
1i, x
k und x
j durch Optimierung bestimmt werden:
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Dabei beschreibt die Funktion f1 die Abbildung eines Objektpunktes xj aus dem Messpunktfeld 14 der Fahrbahnebene 4 unter Verwendung der Koordinatentransformation R1i, t1i des ersten Messkopfes 6 am Standort i in eine Bildkoordinate x'1ji und in analoger Weise die Abbildung eines Objektpunktes xj unter Verwendung der Koordinatentransformation R2i, t2i des zweiten Messkopfes 6 am Standort i in eine Bildkoordinate x'2ji.
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Die Funktion f2 beschreibt die Abbildung der Koordinate xk der punktförmigen Beleuchtungsvorrichtung 10 vom Koordinatensystem K2 des zweiten Messkopfes 6 durch Nacheinanderausführen der geometrischen Transformation R2i, t2i des Punktes in das Koordinatensystem F, der nachfolgenden Transformation R1i, t1i, in das Koordinatensystem K1 und der Projektion in die Bildaufnahmevorrichtung 8 des ersten Messkopfes 6 in die Bildkoordinate x'1ki. In analoger Weise beschreibt die Funktion f2 auch die Abbildung der Koordinate xk der punktförmigen Beleuchtungsvorrichtung 10 vom Koordinatensystem K1 des ersten Messkopfes 6 über die Nacheinanderausführung der geometrischen Transformationen R1i, t1i und R2i, t2i in das Koordinatensystem K2 und der Projektion in die Bildaufnahmevorrichtung 8 des zweiten Messkopfes 6 in die Bildkoordinate x'2ki.
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Die intrinsischen Parameter IOR1 und IOR2 der Funktionen f1 und f2 beschreiben die optische Abbildung in der jeweiligen Bildaufnahmevorrichtung 8 und beinhalten unter anderem die Brennweite und eine möglicherweise vorhandene optische Verzeichnung. Diese Parameter sind, sofern sie nicht bereits bekannt sind, ebenfalls im Zuge der Kalibrierung bestimmbar.
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Die Bildaufnahmevorrichtungen 8 können Mono-, Stereo- oder Mehrkamerasysteme sein. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren sind die Lage der Beleuchtungseinrichtungen 10 und die Lage der Fahrbahnebene 4 im Bezug auf die Bildaufnahmevorrichtungen 8 der Messköpfe 6 in einem einfachen Verfahren, welches bis auf die Messpunkte 14 keine zusätzliche technische Ausrüstung benötigt, mit hoher Genauigkeit bestimmbar. Insbesondere ist die Genauigkeit des Verfahrens durch die Wahl der Anzahl der verwendeten Messpunkte 14 und die Anzahl verschiedener Positionen, an welche die Messköpfe 6 zur Bildaufnahme bewegt werden, bedarfsgemäß einstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19757760 A1 [0002]
- DE 10032356 A1 [0002]
- DE 19949982 C2 [0002]
- EP 1092967 A2 [0002]
- DE 102007005085 A1 [0005]
- DE 102008000837 A1 [0006, 0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Thomas Luhmann, „Nahbereichsphotogrammetrie: Grundlagen, Methoden und Anwendungen” [0043]
