DE60115013T2

DE60115013T2 - Messung der ausrichtung von fahrzeugrädern mit videokameras und wiederholten näherungsrechnungen

Info

Publication number: DE60115013T2
Application number: DE60115013T
Authority: DE
Inventors: Flavio Colombo; Alessandro Ratti
Original assignee: Gieffe Immobiliare SNC di Gianfranco Crosta and C
Current assignee: Gianfranco Crosta Tradate It
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: AU2001244473A1; ITMI20000806A1; EP1281041A1; DE60115013D1; ATE310228T1; EP1281041B1; WO2001077617A8; WO2001077617A1; ITMI20000806A0; IT1317227B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überprüfen der Einstellwinkel eines Kraftfahrzeugs, zumindest zum Messen der Vorspur- und Sturzwinkel der zugehörigen Räder.
Es ist bekannt, daß die Einstellwinkel eines Fahrzeugs, insbesondere, wie oben erwähnt, die Vorspur- und Sturzwinkel der Räder, nicht nur den Verschleiß der Reifen bestimmen, sondern auch das Verhalten des Fahrzeugs selbst auf der Straße, sowohl im Hinblick auf die sog. Straßenlage als auch im Hinblick auf den Fahrkomfort. Die Bedeutung der häufigen Ausführung einer genauen Überprüfung im Hinblick auf die Genauigkeit dieser Einstellwinkel ist daher offensichtlich.
Die Vorspur- und Sturzwinkel eines Rads eines Motorfahrzeugs sind die Winkel, die durch die Achse des Rades – oder durch eine Ebene, die senkrecht zu dieser Achse ist und durch die Mitte des Rades geht und herkömmlicherweise als Radebene bezeichnet wird – in bezug auf ein Bezugssystem gebildet wird, das mit der Karosserie des Fahrzeugs selbst fest verbunden ist. Mehr im einzelnen dargestellt, ist der Vorspurwinkel der Winkel, der durch die Achse des Rades in bezug auf eine vertikale Ebene gebildet wird, die durch dessen Mitte hindurchgeht und senkrecht zu der Längsachse des Fahrzeugs verläuft, oder, in einer äquivalenten Weise, der Winkel, der durch die Radebene in bezug auf eine vertikale Ebene gebildet wird, die durch die Längsachse des Fahrzeugs hindurchgeht. Der Sturzwinkel ist auf der anderen Seite derjenige Winkel, der durch die Radachse in bezug auf eine horizontale Ebene gebildet wird, die durch die Mitte davon hindurchgeht, oder auf eine äquivalente Weise, der Winkel, der durch die Radebene in bezug auf eine horizontale Ebene gebildet wird, die durch die Längsachse des Fahrzeugs hindurchgeht.
Die am weitesten verbreiteten herkömmlichen Verfahren zum Überprüfen dieser Einstellwinkel beruhen auf Meßwerten, die durch Erfassungsinstrumente bestimmt werden, die an den einzelnen Rädern angebracht und fixiert sind. Die wesentlichen Nachteile dieser Verfahren entstehen genau aus dieser Tatsache, daß es nämlich notwendig ist, Erfassungsinstrumente zu verwenden, die an den Rädern fixiert sind, wobei hieraus bspw. die nachstehend aufgelisteten Probleme oder Nachteile resultieren:

1. Präzision der mechanischen Anordnung: Mögliche Fehler beim Befestigen der Instrumente führen zu größeren Meßfehlern. Aufgrund der erforderlichen Genauigkeit, unabhängig davon, welche Messung ausgeführt werden muß, wird darüber hinaus ein erheblicher Teil der Zeit eines Tests für diese vorab erforderlichen Arbeiten aufgewendet;
2. Stabile Befestigung: Das Instrument zum Erfassen des Meßpunkts muß sehr fest angebracht werden, da es ansonsten während einer Messung verlagert werden kann und zu weiteren Fehlern führt;
3. Systematische Fehler während einer Messung: Im Hinblick auf die Gefahr, daß der Bezugspunkt auf einem Rad nicht in einer ausreichend genauen Art und Weise ausgewählt werden kann, können Fehler bei der Messung auftreten, die nicht ohne weiteres kontrolliert werden können;
4. Handhabung der Instrumente: Die anzubringenden Instrumente müssen leicht sein, so daß man sie leicht handhaben kann, müssen allerdings gleichzeitig robust sein, mit Rücksicht auf die Umgebung, in der sie eingesetzt werden.

Um diese Probleme zu überwinden, sind bereits moderne Verfahren zum Messen der Einstellwinkel vorgeschlagen worden, wobei diese Verfahren auf der Grundlage von Meßvorrichtungen basiert waren, die opto-elektronisch ausgebildet sind und daher keinen Kontakt mit den Rädern des Fahrzeugs oder mit dem Fahrzeug selbst herstellen. Meßverfahren dieser Art sind bspw. in der DE-A-2 948 573, in der US-A-4 899 218 und in der EP-A2-0 895 056 vorgeschlagen worden.
In der DE-A-2 948 573, die bereits aus dem Jahre 1979 stammt, sind die allgemeinen Grundlagen eines solchen Meßverfahrens beschrieben, welches von einem begrifflichen Standpunkt aus relativ einfach ist, d. h. es besteht aus der Verwendung von Videokameras zum Erfassen des Profils der Räder, wobei dieses Profil aus einer Ellipse besteht, aufgrund der Tatsache, daß die Ebene eines jeden Rades nicht senkrecht zu der Achse der Videokamera ist, die es erfaßt. Die größere Achse und die kleinere Achse dieser Ellipse und auch der Schnittpunkt dieser Achsen werden dann bestimmt, und ausgehend von diesen ist es dann möglich, auf mathematische Weise die Orientierung der Radebene in bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs zu erhalten.
Ausgehend von diesem allgemeinen Prinzip ergeben sich allerdings größere Probleme im Hinblick auf die praktische Implementierung der Erfindung, insbesondere auf zumindest die beiden folgenden beiden hauptsächlichen Probleme:

a) Definition des Profils der Ellipse: gemäß der DE-A-2948573 wird eine elektronische Auswertung des elliptischen Abbilds eines Kreises ausgeführt, der dem äußeren Durchmesser der Felge des Rades oder eines Kreises zugeordnet ist, der der Felge zugeordnet ist und mit dieser konzentrisch ist. Ausgehend von diesem elliptischen Bild, das auf der Sensorschicht der Aufzeichnungsröhre der Videokamera gebildet wird, die das Licht aufnimmt, werden fünf Punkte gewählt (oder zwei Punkte und zwei Tangenten gemäß der äquivalenten Variante, die in der gleichen Patentschrift beschrieben ist), wobei diese Punkte, wie in der Geometrie bekannt ist, die mathematische Gleichung der Ellipse bestimmen. Da in der DE-A-2948573 kein Hinweis auf die Art und Weise gegeben wird, in der die fünf Punkte, die die Ellipse bestimmen, muß man davon ausgehen, daß deren Wahl grundsätzlich beliebig ist. Das hier vorgeschlagene Verfahren ist allerdings einem hohen Grad an Ungenauigkeiten unterworfen, der so ist, daß er das Verfahren in der Praxis unbrauchbar macht: die zufällige Wahl von fünf Punkten kann nämlich zu der Berechnung von Ellipsen führen, die auch sehr unterschiedlich von der theoretischen Ellipse sind, und es können-größere Fehler in der Messung die Folge sein, was nämlich auf der einen Seite daran liegt, daß die Felge in unvermeidlicher Weise eine nicht vollkommene Kreisform aufweist, insbesondere dann, wenn die Felge nicht mehr neu, sondern abgenutzt oder durch Schläge beschädigt ist, und auf der anderen Seite an der Tatsache liegt, daß das Bild der Felge auf der optischen empfangenden Schicht der Videokamera nicht durch eine reine Linie gebildet wird, sondern durch ein Bündel von benachbarten Linien, wobei an dieser Stelle darauf verwiesen werden muß, daß die Vergrößerung des Bilds, die gemäß der Variante in 7 bei der DE-A-2948573 vorgeschlagen wird, die Genauigkeit der Auflösung des Punkts verschlechtert, anstelle sie zu verbessern.
b) Festlegung der Position des Rades: sobald das Profil der Ellipse, d.h. sowohl ihr größerer als auch ihr kleinerer Durchmesser, bestimmt worden sind, ist es möglich, auf mathematische Weise die Winkelausrichtung der Ebene zu bestimmen, die die Ellipse enthält, in Bezug auf die Achse der Videokamera. Diese Winkelorientierung – zusätzlich dazu, daß sie den erheblichen Fehlern in der Messung unterworfen ist, die vorstehend genannt sind – legt immer noch nicht genau die Ebene des Rades fest, sondern statt dessen ein Bündel von Ebenen, die parallel zueinander sind und von denen eine als Bezug für die Radebene genommen werden muß. Um diese Bezugsebene präzise zu bestimmen und um ihre Orientierung in Folge davon festzulegen, nicht in Bezug auf die Achse der Videokamera, sondern statt dessen in Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs, schlägt die DE-A-2948573 weiter vor, eine Videokamera für jedes Rad zu verwenden, die in zwei unterschiedliche Positionen verlagert werden kann, um zwei elliptische Bilder von ein und derselben Felge zu erhalten. Es ist offensichtlich, in Verbindung mit dem, was weiter oben ausgeführt worden ist, daß diese beiden Bilder daher das gleiche Bündel von parallelen Ebenen definieren, allerdings mit zwei unterschiedlichen Winkelausrichtungen im Vergleich zu den unterschiedlich positionierten Achsen einer ersten Videokamera und einer zweiten Videokamera. Da der Mittelpunkt der Ellipse zusammen mit dem elliptischen Profil bestimmt wird, ist es offensichtlich, daß die Bezugsebene für die Position des Rades genau als die Ebene bestimmt werden wird, in der die beiden Mittelpunkte der jeweiligen Ellipsen übereinstimmen. Diese Art der Vorgehensweise ist allerdings in doppelter Weise den vorstehend genannten Nachteilen unterworfen: auf der einen Seite, weil sowohl die elliptischen Bilder fehlerhafte Messungen erzeugen können, die sich in diesem Fall ansammeln, und weil auf der anderen Seite andere Meßfehler ausgehend von einer nicht perfekt gesteuerten Bewegung der erfassenden Videokamera die Folge sein können.

Aus der US-A-4899218 ist ein Meßverfahren bekannt, das auf der Projektion eines Lichtstrahls mit einer oszillierenden Struktur auf ein Rad beruht, so daß zumindest zwei Bezugsbilder darauf produziert werden; diese Bilder werden mit Videokameras gelesen, die unter einem bestimmten Winkel in Bezug auf die optische Ebene angeordnet sind, die durch die Ebene der Schwingung des Strahls festgelegt ist. Die räumliche Position der Linien und daher die des Rades wird durch einen Prozessor unter Verwendung eines bekannten Triangulationssystems berechnet.
In der EP-A2-0895056 wird ein Meßverfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die darin bestehen, daß eine bestimmte Anzahl von Paaren von Bildern von jedem Rad erhalten werden, wenn sich das Fahrzeug in Richtung auf die Meßposition bewegt. Bei der Vorrichtung werden zwei Videokameras für jedes einzelne Rad verwendet, wobei deren Linsen in Richtung auf die Meßposition gerichtet sind und fest mit dieser verbunden sind. Die Videokameras sind an einen Prozessor angeschlossen, der in der Lage ist, die Bilder eines jeden Rades zu verarbeiten, das von ihnen gesehen wird, so daß die räumliche Position der Felge bestimmt werden kann, indem die Bilder mit einer kreisförmigen Struktur untersucht werden und die Bereiche identifiziert werden, in denen der Übergang zwischen unterschiedlichen Graustufen maximal ist, wobei diese Bilder dazu verwendet werden, die charakteristischen Einstellwinkel zu berechnen. Es ist ebenfalls möglich, eine eventuelle Unrundheit des Felgenrands festzustellen, d.h. eine nicht senkrechte Anordnung der Radebene in Bezug auf die zugehörige Drehachse.
Alle diese bekannten Vorrichtungen sind allerdings relativ komplex in Bezug auf sowohl ihre Herstellung als auch ihre Vorbereitung; insbesondere ist mit dem Prinzip des Erfassens und Vergleichens eines Paars von elliptischen Bildern von ein und demselben Rad die Verwendung von zwei Videokameras oder einer verfahrbaren Videokamera für jedes Rad verbunden, wobei dadurch die Installation und die zugehörige Verwaltungssoftware kompliziert wird und relativ hohe Kosten die Folge sind. Auf der anderen Seite ist die Genauigkeit der Messung von diesen bekannten Vorrichtungen trotz der genannten Komplexität immer noch zu niedrig, und zwar in einem solchen Maße, daß diese bekannten Vorrichtungen offenbar keine praktische Anwendung gefunden zu haben scheinen, zumindest bis heute.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Meßsystem der kontaktlosen Bauart vorzuschlagen, um die charakteristischen Einstellwinkel der Räder eines Fahrzeugs zu erfassen, welches in der Lage ist, diese Probleme zu überwinden und sicherzustellen, daß der Meßvorgang schnell und leicht durchgeführt werden kann.
Mehr im einzelnen dargestellt besteht die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Meßverfahren vorzuschlagen, welches auf der Grundlage der allgemeinen Prinzipien, die in der DE-A-2948573 dargelegt sind, in der Lage ist, extrem genaue Informationen in Bezug auf die Winkelausrichtung der Ebene der Räder in Bezug auf ein feststehendes räumliches Bezugssystem bereitzustellen, welches sich außerhalb des Fahrzeugs befindet und nicht an diesem fixiert ist, und in Bezug auf welches das Fahrzeug daher mit einer veränderbaren Winkelorientierung angeordnet werden kann. Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.
Mit anderen Worten unterscheidet sich die Erfindung, die in dieser Weise festgelegt ist, vom Stand der Technik in grundsätzlicher Weise aus den beiden folgenden Gründen:

– auf der einen Seite und aufgrund der Tatsache, daß die konische oder Kegel-Gleichung, die dem Profil der Felge des Rades entspricht, nicht mit Hilfe einer einfachen, nahezu zufälligen Auswahl der Anzahl von Punkten dieses Profils bestimmt wird, die notwendig und ausreichend für eine mathematische Bestimmung eines Kegelschnitts sind, sondern statt dessen mit Hilfe eines Verfahrens, das nachfolgend kurz als Verfahren einer wiederholten Annäherung definiert wird, und das eine Auswahl und eine wiederholte Filterung einer redundanten Anzahl von Punkten ermöglicht, bis der Kegelschnitt, der das tatsächliche Profil am besten annähert, bestimmt ist;
– auf der anderen Seite – zumindest in einer bevorzugten vereinfachten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung – wird allein die Information in Bezug auf die Profile von nur zwei gegenüberliegenden Rädern des Kraftfahrzeugs verwendet.

Der Anmelder hat nämlich in der Tat ermittelt, daß ein solches Verfahren der wiederholten Annäherung, wobei ein Beispiel hierfür das Verfahren der geringsten quadratischen Fehler ist, das in der Mathematik bekannt ist, die Definition des Kegelschnitts ermöglicht, der dem Profil des Rades mit einem Maß an Genauigkeit entspricht, das dafür ausreicht, daß dieser Kegelschnitt für die anschließende Messung der Einstellwinkel des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann.
Der Anmelder hat ebenfalls ermittelt, daß die Information, die auf der Grundlage der bevorzugten vereinfachten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, ohne weitere Elemente bereits ausreicht, um diese Einstellwinkel zu bestimmen, wie nämlich:

– die gesamte Vorspur eines Paars von Rädern, sei es vorn oder hinten, die der algebraischen Summe der Vorspurwinkel der einzelnen Räder entspricht und die ohne irgendeinen Bezug zu dem Fahrzeug bestimmt werden kann, sondern lediglich aufgrund der Messung der Winkel, die die Ebenen, die die Räder enthalten, in Bezug zueinander bilden, oder in Bezug auf ein feststehendes Bezugssystem, das in beliebiger Weise festgelegt sein kann; und
– den Sturz eines Rades, der dem Winkel entspricht, der durch die Ebene des Rades in Bezug zu der horizontalen Ebene, auf der das Fahrzeug steht, gebildet wird, und der seinerseits ohne irgendeinen Bezug zu dem Fahrzeug bestimmt werden kann, sondern lediglich in Bezug auf das feststehende Bezugsystem in dem Fall (der weiterhin implizit als gültig betrachtet wird bei Messungen, die unter Verwendung der bestehenden Kontaktsysteme durchgeführt werden), in dem das Fahrzeug auf der horizontalen Oberfläche der Werkstadt steht.

Diese Messungen sind die, die am häufigsten in der Praxis eingesetzt werden, um mit einer genügenden Genauigkeit die Einstellung des Fahrzeugs zu bestimmen. Mit anderen Worten, wenn die Messung lediglich auf die hauptsächlichen Einstellwinkel beschränkt wird, wie etwa die gesamte Vorspur und den Sturz, schlägt die Erfindung ein vereinfachtes und kostengünstiges System vor, das auf einem Meßverfahren beruht, das im Prinzip wesentlich einfacher ist als die, die im Stand der Technik vorgeschlagen worden sind.
Darüber hinaus liegt eine wichtige zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Meßverfahren vorzuschlagen, welches, ohne daß die Installation komplizierter gemacht wird, dennoch die Messung sämtlicher Einstellwinkel des Fahrzeugs ermöglicht, d.h. in der Lage ist, auch Informationen – die ebenfalls sehr präzise sind – in Bezug auf die Winkelorientierung der Ebene der einzelnen Räder und ihre Position in Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale, die in Anspruch 2 erwähnt sind, erreicht.
Der Anmelder hat nämlich in der Tat ermittelt, daß diese Informationen und die weitere Bestimmung der Position des Fahrzeugs in Bezug auf das feststehende räumliche Bezugssystem notwendig sind, wenn eine Bestimmung gewünscht wird von:

– der Vorspur eines jeden einzelnen Rades getrennt;
– der Lenkwinkel;
– der Schubachse, oder der Achse, die als die vektorielle Summe der Vorspurwerte der einzelnen Räder erhalten wird, wobei deren charakteristischer Winkel unter Verwendung der geometrischen Achse des Fahrzeugs als die Bezugsachse festgelegt ist;
– der Symmetrieachse, d.h. der Differenz zwischen den Vorspurwerten der einzelnen Räder;
– der Rücksetzwinkel, d.h. der Winkel, der durch die Achse, die die linken und rechten Räder verbindet, mit einer Achse senkrecht zu der Symmetrieachse des Fahrzeugs gebildet ist;

Weitere charakteristische Merkmale und Vorteile der Erfindung werden allerdings deutlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hervortreten, die lediglich im Wege eines Beispiels angegeben ist, ebenso wie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen die einzige Figur eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug zeigt, das im Inneren eines feststehenden Meßsystems angeordnet ist.
Wie in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, wird ein räumliches Bezugssystem verwendet, wobei dieses System aus einem feststehenden Viereck SF besteht, das außerhalb des Fahrzeugs V angeordnet ist und nicht an diesem fixiert ist, und das die physikalische Form von vier feststehenden Videokameras T1, T2, T3 und T4 einnimmt, d.h. eine für jedes der Räder R1, R2, R3 und R4; diese Videokameras sind so angeordnet, daß sie die jeweiligen Räder des Fahrzeugs V auf eine Weise aufzeichnen, die nicht genau vor dem Rad ist, sondern unter einem bestimmten Winkel. Diese Anordnung von vier Videokameras muß lediglich als ein nicht beschränkendes Beispiel der vorliegenden Erfindung angesehen werden, da es sicherlich möglich ist, in kleineren Anlagen und aus Gründen, die mit den Kosten zusammenhängen, eine Anordnung zu verwenden, bei der nur zwei Videokameras vorhanden sind, die in jedem Fall in Bezug auf die beiden gegenüberliegenden Räder von ein und derselben Achse eines Motorfahrzeugs zu verwenden sind.
1) Messung der gesamten Vorspur und des Sturzes
Wie bereits erwähnt, werden zunächst die gesamte Vorspur und der Sturz gemessen, d.h. die Summe der Winkel α, α', die aus Gründen der Klarheit in der Zeichnung in einem wesentlich größeren Maßstab als in der Realität dargestellt sind, und die durch die Achsen r, r' der einander gegenüberstehenden Räder in Bezug auf eine vertikale Ebene R-R gebildet werden, die durch die Mitte der Räder hindurchgeht und daher quer in Bezug auf das Fahrzeug und in Bezug auf die horizontale Ebene (die man sich als die Ebene vorstellen muß, die mit der Ebene der Darstellung übereinstimmt), auf der die Räder stehen, ist.
Beim Meßvorgang wird ins Auge gefaßt, einen Satz von Meßpunkten auf dem Rad und die Winkelorientierung der Ebenen der Räder in Bezug auf das feststehende räumliche Bezugssystem zu bestimmen, und es sind die folgenden wesentlichen Schritte umfaßt:

a) jede Videokamera, die so angeordnet ist, daß sie das entsprechende Rad nicht frontal von vorn, sondern unter einem bestimmten Winkel β, β' sieht, wie bereits ausgeführt worden ist, wird dazu verwendet, das Profil der Felge des Rads abzulesen; dieses Profil wird als der Ort der Punkte mit einem maximalen Unterschied im Helligkeitskontrast bestimmt, der an den Übergangspunkten von der Felge zum Reifen auftritt. Das Bild, das von der Videokamera aufgezeichnet wird, wird digitalisiert und in eine rechteckige Matrix von Intensitätswerten umgewandelt, einen für jeden digitalisierten Punkt. Diese Matrix von Werten wird abgeglichen, und zwar multipliziert durch einen speziellen Faktor, der automatisch in Bezug auf die durchschnittliche Helligkeit des Bilds berechnet wird. Der Zweck dieses Abgleichs besteht darin, die Wirkung der Veränderung in den Beleuchtungsbedingungen des Objekts zu reduzieren. Ein geeigneter mathematischer Operator wie Laplace oder Sobel wird auf die abgeglichenen Werte angewendet, um eine neue Matrix von Werten zu erhalten, einen für jeden abgetasteten Punkt, wobei die Werte den Gradienten der Veränderung in der Helligkeit repräsentieren. Dieser Gradient weist einen lokal sehr hohen Wert an solchen Punkten auf, die, wie erwähnt, der Grenzfläche bzw. dem Übergang zwischen Felge und Rad entsprechen. Ein Schwellenoperator wird dann verwendet, um aus dem Bild lediglich solche Punkte zu entnehmen, für die der Gradient ausreichend groß ist, wobei sich unter diesen Punkten mit Sicherheit die Grenzfläche zwischen Reifen und Felge befindet. Die erhaltene binäre Matrix wird gefiltert, wobei ein Erosionsoperator verwendet wird, um alle isolierten Punkte bzw. Rauschen zu isolieren und nur die Punkte zu belassen, die zu vorbestimmten geometrischen Gruppen wie Linien, Kreisen usw. gehören. Um die Bildqualität zu verbessern und um die Wirkung, die durch das veränderliche Umgebungslicht hervorgerufen wird, zu reduzieren, wird das Rad des Fahrzeugs mit infrarotem Licht angestrahlt, wobei ein Satz von Sendedioden verwendet wird, und wobei ein infrarotes Filter mit spektralen Eigenschaften, die genau mit dem Emissionsspektrum der Infrarot-Dioden übereinstimmen, vor dem optischen System der Videokamera angeordnet wird: die künstliche umgebende Beleuchtung wird vollkommen herausgefiltert, und ihr negativer Effekt auf die Qualität der Messung wird auf diese Weise beseitigt. Ein kleiner Einfluß, der durch den infraroten Anteil des Sonnenlichts, das durch das Filter hindurchgehen könnte, hervorgerufen wird, verbleibt, wobei dieser Einfluß allerdings normalerweise nicht wesentlich bei der Festlegung der Messung ist. Im Wege einer weiteren Reduktion der Wirkung des umgebenden Lichts ist es ebenfalls möglich, das Bild, das verarbeitet werden soll, als den Unterschied zwischen den Bildern zu erhalten, die erfaßt werden, wenn die Infrarote Beleuchtung eingeschaltet ist und wenn die infrarote Beleuchtung ausgeschaltet ist.
b) Sobald ein Bündel von Punkten, die sich ausreichend nahe an einer konischen Linie befinden, erhalten worden ist, muß bei dem Meßverfahren nach der vorliegenden Erfindung die Redundanz genutzt werden, die in den Daten verfügbar ist, um in der Lage zu sein, Fehler und Ungenauigkeiten im Bild auszugleichen. Bei der Berechnung des Bezugs-Kegelschnitts muß insbesondere die größtmögliche Menge an Informationen verwendet werden, die von dem Bild erhalten werden, um die Wirkung von Beschädigungen an der Felge, einer nicht exakten Erfassung des Bilds, von nicht optimale Beleuchtungsbedingungen usw. zu reduzieren und um den „besten" Kegelschnitt zu erhalten, d.h. den Kegelschnitt, der das tatsächliche Profil am besten annähert, wobei Verfahren zum Analysieren der Daten verwendet werden, die diese Informationen herausholen und die Ungenauigkeiten so weit wie möglich eliminieren. Eines der Verfahren, die für diesen Zweck verwendet werden können, ist das Verfahren der Anpassung mit kleinsten Quadraten. Mehr im einzelnen dargestellt, wird ein Paar von Koordinaten (x, y), die der Position des Punkts in der Bildebene entsprechen, einem jeden Punkt zugeordnet, der in dem vorangehenden Arbeitsschritt bestimmt worden war. Die konische Gleichung wird wie folgt festgelegt: a11x2 + 2*a11xy + a22y2 + 2*a13x + 2*a23y + a33 = 0wobei die Koeffizienten a₁₁, a₁₂, a₂₂, a₁₃, a₂₃ und a₃₃ erhalten werden, die die Summe S(a11x2 + 2*a12xy + a22y2 + 2*a13x + 2*a23y + a33)2 minimieren, wobei unter Verwendung der Koordinaten x, y der erhaltenen Punkte gerechnet wird. In der Praxis wird das System von linearen Gleichungen mit den Koeffizienten Sx⁴, Sx³y, Sx²y², Sx³, Sx²y, Sx² Sx³y, Sx²y², Sxy³, Sx²y, Sxy², Sxy Sx²y², Sxy³, Sx²y, Sy⁴, Sxy², Sy² Sx³, Sx²y, Sxy², Sx², Sxy, Sx Sx²y, Sxy², Sy³, Sxy, Sy², Sy gelöst, in Bezug auf die Variablen a₁₁, a₁₂, a₂₂, a₁₃, a₂₃ und a₃₃.
c) Die Punkte, die sich am weitesten entfernt von dem Kegelschnitt der ersten Näherung befinden, werden aus dem anfänglichen Profil, das auf diese Weise erhalten worden ist, entfernt, um in fehlerhafter Weise eingefügte Punkte, Fehler in der Felge oder ähnliches aus der Berechnung zu eliminieren. Die verbleibenden Punkte werden dann dazu verwendet, um denjenigen Kegelschnitt neu zu berechnen, der sie am besten annähert.
d) Aus der Gleichung dieses Kegelschnitts, wobei die räumliche Position der Videokamera bekannt ist, ist es möglich, zwei Winkel zu erhalten, die in Bezug auf das Bezugsystem die Orientierung eines Bündels von parallelen Ebenen definieren, die in der Form eines Satzes von Kreisen den erhaltenen Kegel schneiden, wobei der Kegelschnitt, der von der Videokamera gesehen wird, in den Raum projiziert wird. Die zugrundeliegende Theorie ist die, daß die Kante der Felge zum Reifen hin stets durch einen Kreis dargestellt werden kann, wenn senkrecht in Bezug auf die Ebene des Rades gesehen wird. Der Übergang von der Felge zum Reifen bzw. die Reifenfelge projiziert nämlich auf die Videokamera ein Bild, das dadurch erhalten wird, daß der Kegel aus geraden Linien, die durch den Übergang von Felge zu Reifen und durch den Mittelpunkt des optischen Systems gehen, mit der Ebene der Videokamera zum Schnitt gebracht werden. Dieses Bild ist ein Kegelschnitt. Ein Punkt x', y' in der Ebene der Videokamera entspricht einem jedem Punkt mit Koordinaten x, y in der Ebene des Bilds. Es sei ein Bezugssystem betrachtet, das fest mit der Videokamera verbunden ist, und bei dem die Ebene der Videokamera die Ebene z = –z1 ist, wobei die z-Achse aus der Ebene der Videokamera in Richtung auf das Rad herauskommt, die y-Achse die vertikale Achse ist und nach unten zeigt und schließlich der Ursprung dieses Bezugsystems mit dem Zentrum des optischen Systems übereinstimmt, das gegenüber der Videokamera angeordnet ist.

Um die Vorspur zu messen, wird das Bezugssystem so verlagert, daß der neue Ursprung in dem Mittelpunkt der Reifenfelge liegt, die zum Zwecke der Vereinfachung der Berechnung auf der z-Achse in einem Abstand z0 von dem Objektiv der Videokamera angenommen wird: Diese Transformation wird in homogenen Koordinaten durch die Matrix dargestellt:
Der Vorspurwinkel fällt mit dem Winkel zusammen, um den das verlagerte Bezugsystem um die y-Achse bzw. vertikale Achse gedreht werden muß, so daß die zugehörige x-Achse in der Ebene des Rades liegt.
Schließlich liegen mit Hilfe einer weiteren Drehung um die x-Achse die x- und y-Achsen des neuen Bezugssystems in der Ebene des Rades.
In diesem Bezugssystem hat die Reifenfelge die Gleichung: x² + y² – (k*z0)² = 0, was in dem Bezugssystem, das fest mit der Videokamera verbunden ist, gleich ist mit: x2*COS(ccv)2*k2*z02*COS(cv)2 – *z02(k2 – 1)) – 2*x*y*z02*(k2 – 1)*SIN(ccv)*COS(ccv)*SIN(cv) + y2*(COS(ccv)2*(z02*COS(cv)2 + z02*(k2 – 1)) – k2*z02 + z02 + 2*x*zl*k2*z02*SIN(cv)*COS(cv)*COS(ccv)2 + 2*y*z1*k2*z02*COS(cv)*SIN(ccv)*COS(ccv) – z12*COS(cv)2*COS(ccv)2 = 0
Durch Vergleich mit der allgemeinen Form eines Kegelschnitts in der Ebene: a11x2 + 2*a12xy + a22y2 + 2*a13x + 2*a23y + a33 = 0 ist es möglich, cv, cvv, z1 zu erhalten. Um den Vorgang der Berechnung zu vereinfachen, ist es zweckmäßig, als erstes den generischen Kegelschnitt in eine vereinfachte kanonische Form umzuwandeln: b11x2 + b22y2 + b33 = 0
Durch Ausführen einer Substitution von Variablen x = XCOS(rr) + YSIN(rr) + YO y = –YSIN(rr) + XCOS(rr) + XOwobei rr = tg–1(2a12/(a11 – a22))/2 XO = (a12a23 – a13a22)/(a11a22 – a12 2) YO = (a12a13 – a13a11)/(a11a22 – a12 2)und daher b11 = (a11 – a22)*COS(rr)2 – 2*a12*SIN(rr)*COS(rr) + a22 b22 = (a22 – a11)*COS(rr)2 +2*a12*SIN(rr)*COS(rr) + a11 in dem neuen Bezugssystem.
Insbesondere ist rr = tan–1(SIN(cv)*COS(CCV)/SIN(CCV)) was lediglich von cv, cvv abhängt und nicht von der räumlichen Position des Rades. Die Koordinaten XO, YO werden nicht verwendet, in Abhängigkeit von der relativen Position der Videokamera und des Rades, wobei diese für die Berechnung der Werte für die Vorspur nicht relevant sind.
Die Koeffizienten des kanonischen Kegelschnitts sind b11 = z02*COS(cv)2*cos(ccv)2 b22 = k2*z02*COS(cv)2*COS(CCV)2 – z02*(k2 – 1) b33 = –k2*z02*z12*COS(cv)2*COS(ccv)2/ (k2*COS(cv)2*COS(ccv)2 – k2 + 1)
Das Verhältnis b₂₂/b₁₁ hängt nicht von zO (der Abstand zwischen der Videokamera und dem Rad) ab, sondern lediglich von z1, der Brennweite der Videokamera, und von k, welches den scheinbaren Radius festlegt, d.h. den Radius des Rades in Bezug auf die Entfernung.
Es gilt nämlich: b22/b11 = (1 – k2)/(COS(ccv)2COS(cv)2) + k2.
Darüber hinaus zeigt b₃₃*b₂₂/b₁₁ = –k²*z0²*z1², sobald z1 bekannt ist, den Wert von k*zO an und definiert vollständig den Satz von Kreisen, deren Projektion auf die Ebene der Videokamera der ermittelte Kegelschnitt ist. Unter Verwendung von b₁₁/b₃₃, b₂₂/b₃₃ und rr sind drei Gleichungen mit drei unbekannten Werten (k*z0, cv, .ccv) vorhanden, die ein Bündel von parallelen Ebenen identifizieren, in denen die Felge liegen kann.
Die Winkel, die auf diese Weise erhalten werden, sind geeignet zum Bestimmen der gesamten Vorspur und des Sturzes.
2) Messung der Vorspur der einzelnen Räder und von anderen Einstellwinkeln des Kraftfahrzeugs
Wie bereits kurz ausgeführt worden ist, sind die Messungen, die so erhalten werden, wie dies in dem vorangehenden Abschnitt beschrieben ist, nicht ausreichend für die Berechnung der Werte für die Vorspur der einzelnen Räder, des Schubwinkels und des Rücksetzwinkels, für die es weiterhin erforderlich ist, die Position des Fahrzeugs in Bezug auf das räumliche System zu bestimmen, das ein feststehendes Bezugsrechteck umfaßt. Für diesen Zweck werden daher die räumliche Position des Rades und des Fahrzeugs bestimmt.
Um diese Position zu bestimmen, werden Abstandsmessungen benötigt, um in präziser Weise auf jedem einzelnen der Räder einen Punkt zu bestimmen, der eine präzise Korrelation mit derjenigen Ebene aufweist – unter dem Bündel von Ebenen, das in dem vorangehenden Abschnitt bestimmt worden ist -, die das Profil der Reifenfelge enthält, wie es mit der Videokamera bestimmt worden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das System zum Bestimmen dieses Abstands darin, daß das Bild des Rades verwendet wird, genauer gesagt, wird der scheinbare Radius der Felge in geometrischer Weise aus der Gleichung des Kegelschnitts erhalten, der das Profil der Reifenfelge in der Ebene der Videokamera wiedergibt. Aus der Analyse, die in dem vorangehenden Abschnitt ausgeführt worden ist, wird der Koeffizient k*zO erhalten, wobei dieser Koeffizient den scheinbaren Radius der Felge identifiziert. Wenn man davon ausgeht, daß die vier Räder des Fahrzeugs die gleiche identische Felge haben müssen, ist es offensichtlich, daß ihr idealer Radius, mit Ausnahme der herstellungsbedingten Toleranzen der genannten Felgen, ein und der gleiche ist; allerdings sind der reale Radius und der scheinbare Radius durch die folgende Beziehung miteinander verknüpft: ra/rr = dlc/df wobei ra der scheinbare Radius ist, rr der reale Radius ist, dlc der Abstand des Objektivs der Videokamera von der Felge des Rades ist, und df die Brennweite des Objektivs der Videokamera ist. Wenn nun angenommen wird, daß ra = rrund wenn berücksichtigt wird, daß df bekannt ist, ist es möglich, ausgehend von dem scheinbaren Radius, der für jedes einzelne Rad gemessen worden ist, den Abstand dlc zu erhalten, nämlich den Abstand von der Videokamera oder von dem feststehenden Bezugsrechteck von der Ebene, die die Felge des Rades enthält. Um die Annahme betreffend den Wert, der dem scheinbaren Radius zuzuordnen ist, zu verifizieren, ist es möglich, allerdings nicht notwendig für eine korrekte Messung, den Wert des realen Radius mit dem tatsächlichen Wert zu vergleichen, der beispielsweise in der Datenbank verfügbar ist, die sich auf den Typ des Rads bezieht, der für das Fahrzeug verwendet wird, welches untersucht wird.
Die herstellungsbedingten Toleranzen der Felgen beeinflussen die Genauigkeit der Berechnung der Abstände, und dies beeinflußt wiederum die Berechnung der Schubachse und des Rücksetzwerts; wenn der Abstand zwischen der Videokamera und der Felge beispielsweise 500 mm beträgt und der Radius der Felgen 200 mm beträgt, entspricht jeder Millimeter Toleranz bei diesem Radius einem Fehler von 2,5 mm in der Abstandsmessung. Für ein Fahrzeug mit einer Spurweite bzw. einem Achsabstand von 2000 mm ist dieser Fehler äquivalent zu einem Winkelfehler von 5° bei der Messung der Schubachse und des Rücksitzwerts. Ein solcher Fehler kann sicherlich für Messungen akzeptiert werden, die bei einer normalen Überprüfung von Kraftfahrzeugen ausgeführt werden.
3) Kalibrierung
Bei dem System wird eine Vorgehensweise zur Kalibrierung ins Auge gefaßt, die aus zwei getrennten und aufeinander folgenden Schritten besteht.

1. Korrektur der Nichtlinearität des optischen Systems: um die benötigte Meßgenauigkeit sicherzustellen muß die stets vorhandene Verzerrung, die durch das optische System hervorgerufen wird, kompensiert werden. Diese Verzerrung erzeugt, wenn sie nicht korrigiert wird, eine Verformung des Kegelschnitts und dadurch einen Meßfehler. Um die Verzerrung zu korrigieren, wird das Bild eines Gitters aufgezeichnet, und die Position der Punkte auf dem Gitter wird bestimmt: wenn man die Position kennt, die diese Punkte theoretisch haben sollten, ist es möglich, die Verzerrung davon zu korrigieren.
2. Korrektur der Position der Videokameras in der Meßposition: um in der Lage zu sein, korrekte Messungen auszuführen, muß die relative Position der unterschiedlichen Videokameras in dem feststehenden räumlichen Bezugssystem bekannt sein. Diese Kalibrierung wird dadurch ausgeführt, daß die charakteristischen Winkel einer speziell ausgelegten Kalibrierungsvorrichtung gemessen werden: diese charakteristischen Winkel werden dann von den gemessenen Winkeln abgezogen.

Claims

Verfahren zum Überprüfen der Einstellung der Aufhängung von Kraftfahrzeugen, um zumindest die gesamten Vorspur- und Sturzwinkel der Räder zu messen, der Art, bei der zumindest zwei Videokameras (T1 bis T4) zur Erfassung in vorbestimmten festgelegten Positionen verwendet werden, wobei die genannten Videokameras in der Lage sind, ein feststehendes räumliches Bezugssystem (SF) festzulegen, wobei diese Videokameras zumindest zwei jeweils einander gegenüberliegenden Rädern (R1, R4) von ein und derselben Achse des Fahrzeugs zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt; – Identifizieren, für jedes einzelne Rad, des Profils einer Felge, die dem Rad zugeordnet ist, und die auf die optische Erfassungsebene der jeweiligen Videokamera projiziert wird, als der Ort der Punkte mit der größten Veränderung der Lichtintensität; – mathematisches Berechnen des Kegelschnitts, der das auf diese Weise erhaltene Profil am besten annähert, wobei ein wiederholtes Näherungsverfahren verwendet wird; – Berechnen, ausgehend von der Gleichung dieses Kegelschnitts und von den bekannten Koordinaten der Position der Videokamera in dem festgelegten räumlichen Bezugssystem (SF), der beiden Winkel, die in Bezug auf eine vertikale Längsebene und in Bezug auf eine horizontale Ebene des feststehenden Bezugsystems die Orientierung eines Bündels von parallelen Ebenen definieren, die in Form einer Menge von Kreisen den erhaltenen Kegel schneiden, wobei der von der Videokamera „gesehene" Kegelschnitt in den Raum projiziert wird und diese Winkel die gesamte Vorspur und den Sturz des Rades repräsentieren.
Verfahren zum Überprüfen der Einstellung der Aufhängung von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 1, zum Messen von (zumindest) den Vorspurwinkeln der einzelnen Räder und auch von weiteren Einstellungswinkeln des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren darüber hinaus die folgenden Schritte umfaßt: – Bestimmen des Abstandes eines jeden einzelnen Rades von der jeweiligen Videokamera mit Hilfe eines Vergleichs des individuellen scheinbaren Radius der unterschiedlichen erfaßten Räder, ausgehend von der Annahme, daß die jeweiligen Felgen alle den gleichen realen Radius aufweisen; – Festlegen, auf der Basis der Positionen der Videokameras in dem feststehenden räumlichen Bezugssystem und ihres Abstands von den einzelnen Rädern, auch der Position des Fahrzeugs und seiner Hauptlängsachse in dem genannten Raum; und – Berechnen des Vorspurwinkels der einzelnen Räder und der weiteren Einstellungswinkel, wobei der genannte gesamte Vorspurwinkel in Bezug zu einer vertikalen Ebene gesetzt wird, die durch die genannte Längsachse geht.
Verfahren zum Überprüfen der Einstellung der Aufhängung von Kraftfahrzeugen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte wiederholte Näherungsverfahren aus dem mathematischen Verfahren der Anpassung durch kleinste Quadrate besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte räumliche Bezugssystem aus einem feststehenden Viereck besteht, wobei die physikalische Form der feststehenden Position von vier Videokameras genommen wird, wobei sich eine jeweils gegenüber von einem Rad eines Fahrzeugs mit vier Rädern befindet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Videokameras so orientiert ist, daß sie das entsprechende Rad unter einem schrägen Winkel sieht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Ort der Punkte mit den größten Veränderungen in der Lichtstärke als der Übergang der Radfelge zum Reifen definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild, das von jeder einzelnen Videokamera aufgezeichnet wird, digitalisiert und in eine erste rechteckige Matrix von Intensitätswerten konvertiert wird, einer für jeden digitalisierten Punkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Matrix von Werten ausgeglichen wird, um den Effekt einer Variation in den Beleuchtungsbedingungen des Objekts zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein mathematischer Operator (Laplace, Sobel) auf die ausgeglichenen Werte der genannten Matrix angewendet wird, um eine neue Matrix von Werten zu erhalten, die den Gradienten der Veränderung in der Intensität repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellenoperator verwendet wird, um aus dem Bild, das von der Videokamera aufgezeichnet worden ist, lediglich solche Gradientenwerte zu extrahieren, die eine vorbestimmte Schwelle überschreiten, um eine zweite binäre Bezugsmatrix zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Bezugsmatrix gefiltert wird, wobei ein Erosionsoperator verwendet wird, um die isolierten Punkte zu eliminieren und um lediglich solche Punkte beizubehalten, die zu definierten geometrischen Gruppen gehören (Linien, Kreise, Kegelschnitt usw.).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rad mit infrarotem Licht beleuchtet wird, und daß ein Infrarotfilter vor dem optischen System einer jeden entsprechenden Videokamera plaziert wird, der spektrale Eigenschaften aufweist, die mit dem infraroten Licht übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild, das zu verarbeiten ist, als Unterschied zwischen einem ersten Bild, das erfaßt wird, wenn das infrarote Licht eingeschaltet ist, und einem zweiten Bild, das erfaßt wird, wenn das infrarote Licht ausgeschaltet ist, erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Koordinaten (x, y), die der Position des Punkts in der Bildebene entsprechen, einem jedem Punkt zugeordnet werden, und daß die Gleichung des Kegelschnitts wie folgt lautet: a11x2 + 2*a12xy + a22y2 + 2*a13x + 2*a23y + a33 = O wobei die Koeffizienten a₁₁, a₁₂, a₂₂, a₁₃, a₂₃, a₃₃, die die Summe S(a₁₁x² + 2*a₁₂xy + a₂₂y² + 2*a₁₃x + 2*a₂₃y + a₃₃)² minimieren, berechnet werden, wobei die Koordinaten x, y der erhaltenen Punkte verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von dem anfänglichen Kegelschnittprofil, das auf diese Weise erhalten worden ist, die Punkte, die sich am weitesten entfernt von dem Kegelschnitt der ersten Näherung befinden, entfernt werden, um fehlerhaft eingefügte Punkte, Fehler der Felge oder ähnliches aus der Berechnung zu eliminieren, und daß die verbleibenden Punkte dazu verwendet werden, um den Kegelschnitt erneut zu berechnen, der diese am besten approximiert.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Abstands eines jeden einzelnen Rades von der entsprechenden Videokamera mit Hilfe eines Vergleichs zwischen dem scheinbaren Radius der unterschiedlichen erfaßten Räder auf der Basis der folgenden Beziehung ausgeführt wird: ra/rr = dlc/dfwobei ra = scheinbarer Radius, rr = tatsächlicher Radius, dlc = Abstand des Objektivs der Videokamera von der Felge des Rades und df = Brennweite des Objektives der Videokamera, ausgehend von der Annahme, daß ra = rr, und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß df bekannt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Radius (rr) darüber hinaus mit dem tatsächlichen Wert des Radius der Felge verglichen wird, der in einer Datenbank verfügbar ist.