DE69721022T2

DE69721022T2 - Kalibrierung von kameras bei anwendung in radjustierung

Info

Publication number: DE69721022T2
Application number: DE69721022T
Authority: DE
Inventors: A. David JACKSON; L. Steve GLICKMAN
Original assignee: Snap On Technologies Inc
Current assignee: Snap On Inc
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: AU713446B2; BR9711500A; AU4418497A; US5809658A; EP0927335A4; CA2266071A1; EP0927335A1; WO1998012503A1; DE927335T1; EP0927335B1; KR100367124B1; DE69721022D1; JP2001501730A; JP3454433B2; KR20000036220A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren elektronischer Kameras, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der räumlichen Lage und der relativen Orientierung eines Paares von elektronischen Kameras, die zum optischen Bestimmen der Ausrichtung von Kraftfahrzeugrädern verwendet werden.
Die Anmeldung bezieht sich auf die US-Patentanmeldung Ser.No.07/940 935, eingereicht am 4.September 1992 (fallengelassen), und die Internationale Anmeldung Nr. PCT/US93/08333, eingereicht am 3.September 1993, die beide den Titel tragen „Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Ausrichtung von Kraftfahrzeugrädern" und auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übertragen sind.
In der Ausrichttechnik für Fahrzeugräder werden die folgenden Ausdrücke mit entsprechenden Definitionen allgemein verwendet:
Sturz (camber) ist der Winkel, der die Einwärts- oder Auswärtsneigung gegen die Vertikale des Rades angibt und positiv ist, wenn die Oberseite des Rades nach außen geneigt ist.
Vorlauf bzw. Nachlauf (caster) ist der Winkel, welcher der Neigung der Lenkachse (steering axis) nach vorne oder rückwärts bezüglich der Vertikale entspricht. Wenn ein Rad von der Seite betrachtet wird, ist der Winkel positiv, wenn das obere Kugelgelenk (ball joint) (oder das obere Ende des Achsschenkelbolzens bzw. king pin's oder das obere Lager einer McPherson-Strebe bzw. strut) hinter dem unteren Kugelgelenk (oder dem unteren Ende des Achsschenkelbolzens oder dem unteren Lager einer McPherson-Strebe) liegt.
Schublinie (thrust line bzw. T/L) ist eine Linie, welche den von den hinteren Spurlinien (toe lines) gebildeten Winkel halbiert. Linien und Winkel, gemessen im Uhrzeigersinn von der 12:00-Achse, sind positiv.
Die geometrische Mittellinie ist die Linie, die von einem Punkt an der Hinterachse in der Mitte zwischen den Hinterrädern zu einem Punkt an der Vorderachse in der Mitte zwischen den Vorderrädern verläuft.
Die individuelle Spur (individual toe) ist der Winkel, der durch eine von vorne nach hinten laufende Linie durch das Rad im Vergleich zur geometrischen Mittellinie gebildet wird. Zur linken Seite gehörige Winkel sind positiv, wenn sie im Uhrzeigersinn von der Schublinie verlaufen, und zur rechten Seite gehörige Winkel sind positiv, wenn sie im Gegenzeigersinn von der Schublinie verlaufen.
Versetzung (offset) ist der Betrag, den ein Vorderrad und sein entsprechendes Hinterrad gegenseitig nicht ausgerichtet sind. Wenn keine Versetzung vorhanden ist, befindet sich das Hinterrad direkt hinter dem Vorderrad.
Zurücksetzung (setback) ist der Betrag, um den ein Rad auf einer Seite des Fahrzeugs gegen das entsprechende Rad auf der anderen Seite des Fahrzeugs zurückversetzt ist.
Lenkachse (steering axis) ist eine Linie, die vom oberen Schwenkpunkt des oberen Kugelgelenks oder oberen Endes des Achsschenkelbolzens oder der McPherson-Strebe durch das untere Kugelgelenk projiziert ist.
Lenkachsenneigung (steering axis inclination-SRI) ist der Winkel zwischen der Lenkachse und der Vertikalen. Wenn die Lenkachse so erscheint, dass sie am Boden des Rades nach innen geneigt ist (betrachtet von der Fahrerstellung aus), ist die SAI positiv. SAI ist auch bekannt als Achsschenkelbolzenneigung (kingpin inclination-KPI).
Schubwinkel (thrust angle-T/A) ist der Winkel zwischen der Schublinie und der geometrischen Mittellinie. Im Uhrzeigersinn von der geometrischen Mittellinie aus gemessene Winkel sind positiv.
Gesamtspur oder Gesamtspurweite (total toe) ist die Summe der einzelnen Spurweitenmessungen von Seite zu Seite. Wenn parallel zu den Hauptebenen der Räder projizierte Linien sich in einem Punkt vor der Linie von Seite zu Seite der Räder schneiden, ist der Winkel positiv (innere Spurweite). Wenn die Linien sich hinter der Verbindungslinie von Seite zu Seite der Räder schneiden, ist der Winkel negativ (äußere Spurweite). Wenn die projizierten Linien parallel sind, ist die Spurweite Null.
Herkömmlicherweise sind Sturz- und Spurweitenmessungen für jedes Rad des Fahrzeugs relative Messungen, d. h. relativ zu einer vertikalen Ebene oder zu einem anderen Rad, und diese Messungen werden daher ausgeführt, wenn die Räder stillstehen. Andererseits ist die Berechnung von Nachlauf und SAI ein dynamischer Vorgang und bringt mit sich, dass bestimmt wird, wie der Sturz der Vorderräder sich bezüglich einer Änderung des Lenkwinkels ändert. Dies wird gewöhnlich durchgeführt, indem die Vorderräder von links nach rechts um einen Winkel zwischen 10° und 30° oder umgekehrt verschwenkt werden, während die sich ergebenden Änderungen im Sturz des Rades bei Lenkwinkeländerungen bestimmt werden. Aus diesen Bestimmungen werden Nachlauf und SAI durch in der Radausrichtungstechnik bekannte Verfahren bestimmt.
Wenn Sturz, Spur, Nachlauf und SRI einmal bestimmt worden sind, können in gleicher Weise alle anderen relevanten Radausrichtungsparameter durch in der Technik bekannte Verfahren und Formeln berechnet werden.
Die Räder eines Kraftfahrzeugs müssen periodisch geprüft werden, um festzustellen, ob sie gegenseitig ausgerichtet sind oder nicht. Wenn eines der Räder nicht ausgerichtet ist, kann dies zu übermäßiger oder ungleichmäßiger Abnutzung der Reifen des Fahrzeugs führen und/oder die Handhabung und Stabilität des Fahrzeugs nachteilig beeinflussen.
Die normalen Schritte der Bestimmung und Korrektur der Ausrichtung eines Fahrzeugrades sind die folgenden:

1. Das Fahrzeug wird auf ein Versuchsbett oder Gestell gefahren, das vorher der Höhe nach ausgeglichen worden ist, um eine Höhenbasis für das Fahrzeug zu gewährleisten.
2. Einige Bestandteile der Rusrichtungs-Bestimmungsvorrichtung werden an den Rädern des Fahrzeugs angebracht. Diese Bestandteile sind bezüglich der Radachse nicht notwendigerweise genau angeordnet. Das Ausmaß der Ungenauigkeit, mit der diese Bestandteile angebracht sind, wird „Montagefehler" genannt.
3. Eine „Schlag"(runout)-Berechnung wird durchgeführt, indem das Fahrzeug aufgebockt und jedes Rad gedreht wird, und indem Messungen der Orientierung dieses Rades in verschiedenen Stellungen durchgeführt werden. Diese Messungen werden sodann verwendet, um einen Korrekturfaktor zu berechnen, um den „Montagefehler" und den tatsächlichen Schlag der Felge zu kompensieren.
4. Eine Bestimmung der Ausrichtung jedes der Räder wird durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Bestimmungen werden sodann mit den Daten der Ausrichtparameter für das geprüfte Fahrzeug verglichen.
5. Die Bedienungsperson stellt sodann die verschiedenen Verbindungen jedes Rades ein, um eine eventuell vorhandene Fehlausrichtung der Räder zu korrigieren.
6. Die Schritte 4 und 5 werden wiederholt, bis die Ausrichtung der Norm entspricht und/oder innerhalb der Daten des Herstellers liegt.

Eine große Anzahl von Vorrichtungen zur Messung der Ausrichtung der Räder eines Kraftfahrzeugs sind vorhanden. Viele derselben benutzen optische Einrichtungen und/oder Lichtstrahlen, um die Ausrichtung der Räder zu bestimmen. Beispiele finden sich in den US-Patentschriften Nr. 3 951 551 (McPherson); 4 150 897 (Roberts); 4 154 531 (Roberts); 4 249 824 (Weiderrich); 4 302 104 (Hunter); 4 311 386 (Coetsier); 4 338 027 (Eck); 4 349 965 (Alsina); 4 803 785 (Reilly) und 5 048 954 (Madey).
Alle diese Vorrichtungen arbeiten mit einem Gerät, das am Fahrzeugrad montiert ist und ein Lichtbündel emittiert oder reflektiert, um einen Bereich auf irgendeiner Art von Bezugseinrichtung, wie einem Bezugsgitter, zu beleuchten. Da die Lage des vom Lichtbündel beleuchteten Bereichs auf der Bezugseinrichtung eine Funktion der Ablenkung des Lichtbündels ist, die wiederum eine Funktion der Orientierung des Rades ist, kann die Ausrichtung des Rades aus der Lage des beleuchteten Bereichs auf der Bezugseinrichtung berechnet werden.
Andere Vorrichtungen verwenden einen Meßkopf, der an jedem Rad des Fahrzeugs angebracht ist. Diese Meßköpfe enthalten normalerweise Schwerkraftmeßgeräte, die entweder mit den benachbarten Meßköpfen mittels Schnüren oder Drähten unter Spannung verbunden sind, oder sie sind statt dessen mit Lichtbündeln versehen, die zwischen benachbarten Meßköpfen leuchten. Die Meßköpfe, welche in gleicher Höhe gehalten werden müssen, können dann die Relativwinkel zwischen benachbarten Drähten/Lichtbündeln sowie die Winkel zwischen jedem Rad und der/dem benachbarten Draht/Lichtbündel messen und aus diesen Messungen die Ausrichtung der Räder berechnen.
Eine weitere Art von Ausrichtvorrichtung ist in den US-Patentschriften 4 899 218 (Waldecker) und 4 745 469 (Waldekker et al) dargestellt. Diese Vorrichtung arbeitet damit, dass strukturiertes Licht auf ein Rad des Kraftfahrzeugs projiziert wird, so dass wenigstens zwei Konturlinien auf der Oberfläche des Rades beleuchtet werden. Diese Konturlinien werden sodann durch Videokameras abgelesen, welche versetzt gegen die optische Ebene des strukturierten Lichts angeordnet und mit einem Prozessor verbunden sind, welcher die räumliche Lage der Konturlinien (und daher diejenige des Rades) mittels Triangulation berechnet.
Im Allgemeinen sind die in den beschriebenen Radausrichtvorrichtungen verwendeten Meßköpfe empfindlich und kostspielig, kompliziert anzuwenden und müssen sorgfältig eingestellt werden. Ferner stützen sich gewisse Vorrichtungen dieser Art auf genaue Anordnung von optischen oder anderen Meßgeräten entweder an oder in einer eingestellten Lage bezüglich der Fahrzeugräder. Dies kann für die Techniker, welche die Ausrichtungs-Bestimmungsvorrichtung bedienen, zeitraubend und kompliziert sein. Eine solche Anlage hat auch den Nachteil, dass Teile, die schlampigerweise an den Rädern befestigt bleiben, wenn das Fahrzeug aus dem, Testbereich weggefahren wird, sehr leicht beschädigt werden können. Eine solche Beschädigung, insbesondere im Fall von komplizierten Anlagen, kann kostspielig sein.
Die Deutsche Patentanmeldung DE 29 48 573 im Namen der Siemens Aktiengesellschaft beschreibt eine Vorrichtung, welche verwendet werden kann, um sowohl die Orientierung als auch die räumliche Lage der Ebene des Rades eines Kraftfahrzeugs als auch die dreidimensionale Lage der Lenkachse dieses Rades zu bestimmen. Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren, durch das eine Fernsehkamera ein Bild der Felge am Rad von zwei verschiedenen Stellungen mit bekannter Höhe aufnimmt. Diese Bilder werden in einen Prozessor eingespeist, der sie in Beziehung zu den bekannten Koordinaten und Betrachtungswinkeln der Kamera in ihren Lagen in zwei Höhen setzt und die dreidimensionale Lage der Felge bestimmt.
In gleicher Weise wird eine Anzahl von Bildern jedes Rades in unterschiedlichen Lenkstellungen aufgenommen, um eine dreidimensionale Raumlage der Umdrehung des Rades zu bestimmen. Aus der Achse dieser Raumlage der Drehung kann die Lenkachse des beobachteten Rades bestimmt werden. Als Ergebnis wird die dreidimensionale Lage sowohl der Lenkachse als auch des Mittelpunktes der von der Felge des Rades gebildeten Ebene bestimmt.
Zusätzlich zu der Tatsache, dass wenig Angaben darüber gegeben werden, wie die obigen Werte bestimmt werden, haben Verfahren und Vorrichtung der beschriebenen Anmeldung den Nachteil, dass infolge der Anwendung der Triangulationstechnik wenigstens zwei Bilder (von verschiedenen Kameras oder von einer einzigen, längs unterschiedlichen Achsen beobachtenden Kamera) des Rades aufgenommen werden müssen. Ferner muss sowohl die koordinierte dreidimensionale Lage für jeden Punkt, von welchem aus ein Bild des Rades aufgenommen wird, sowie die Orientierung jeder der Betrachtungsbahnen genau bekannt sein.
Dies ist ein Hauptnachteil dieser Erfindung, da die genaue Bestimmung der dreidimensionalen Lagen und der Orientierung der Betrachtungsbahnen eine komplizierte Ausrüstung erfordert, die infolge von Temperaturänderungen, Schwingungen, Bodenbewegungen und dergl. leicht aus der Kalibrierung geraten können.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Verfahren nicht angibt, wie es Toleranzen für die Perspektiveverzerrung des Bildes der Fahrzeugfelge zulässt. Diese Perspektiveverzerrung bewirkt, dass das Bild der Felge in Form einer verzerrten Ellipse vorliegt, wobei der Rand der Ellipse, der am nächsten an der Fernsehkamera liegt, größer erscheint, und das Bild des Randes, das am weitesten von der Kamera abliegt, kleiner erscheint. Wenn die Toleranz für diese Verzerrung nicht durchgeführt wird, können Ungenauigkeiten entstehen.
Daher besteht das Bedürfnis nach einer optischen Radausrichtvorrichtung, die einfach und leicht zu bedienen ist, bei der ihre komplizierten Ausrichterfassungskomponenten fern von den Rädern des Kraftfahrzeugs liegen und welche zuverlässig genaue Ausrichtmessungen für einen großen Bereich von Felgendurchmessern, Spurweiten und Radständen liefern kann.
Ferner besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erleichterung der Kalibrierung der verwendeten optischen Abtastgeräte, um die Radausrichtung und dergl. zu bestimmen.
US 4 726 122 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen der Radausrichtung der Räder von Fahrzeugen, mit einem Ziel (target), das mit einer Anzahl von Skalen zur Durchführung der Messungen versehen ist. Das Ziel ist an einer Stützwelle einer Zielstützstruktur schwenkbar angebracht, wobei das Ziel an willkürlichen Stellen rings um die Welle angebracht werden kann. Eine Sichtlinie von einem Sichtinstrument kann so gerichtet werden, dass sie auf die entsprechenden Skalen des Zieles auftritt, die zum Instrument hinweisen.
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein Kalibrierungsverfahren und eine Kalibrierungsvorrichtung zu schaffen, die einfach, leicht und schnell zu verwenden ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Kalibrieren einer Radausrichtvorrichtung, die ein optoelektronisches Bilderfassungsgerät verwendet, um die Ausrichtung der Fahrzeugräder zu bestimmen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer starren Zielstruktur, die vor einer Doppelkamera-Bilderfassungsvorrichtung verschieden angeordnet und in Verbindung damit verwendet werden kann, um die räumliche Lage und die relativen Orientierungen der Kameras zu bestimmen.
Die Erfindung schafft eine Kombination eines optoelektronischen Ausrichtsystems sowie eine Vorrichtung zum Kalibrieren dieses optoelektronischen Ausrichtsystems. Diese Kombination, die in Anspruch 1 definiert ist, weist auf: wenigstens eine erste und zweite optische Inspektionseinrichtung, die im Abstand voneinander angeordnet sind; einen zugeordneten Datenprozessor, der zum Inspizieren und Bestimmen der Lage und Orientierung relativ zu den Inspektionseinrichtungen von Zielen geeignet ist, die an auszurichtenden Gegen- ständen, wie Fahrzeugrädern, befestigt sind, um aus dieser Bestimmung die Lage und Orientierung der Gegenstände zu erschließen, an denen die Ziele befestigt sind; ein erstes und zweites Ziel, deren jedes vorbestimmte geometrische Merkmale aufweist, die optisch erfasst werden können; einen langgestreckten Balken, der das erste und zweite Ziel in starrer Anordnung relativ zueinander und in einem vorbestimmten festen Abstand voneinander trägt, wenn der langgestreckte Bal-ken relativ zu einer Arbeitsfläche derart angeordnet ist, dass sowohl das erste als auch das zweite Ziel innerhalb des Betrachtungsfeldes der ersten Inspektionseinrichtung liegt, das Ausrichtsystem so angeordnet und ausgebildet ist, dass es die Ziele optisch inspiziert, um eine erste optische Information zu erhalten, die für die Bestimmung der Lage und Orientierung jedes der Ziele relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung brauchbar ist, und, wenn der langgestreckte Balken derart umorientiert wird, dass das erste Ziel innerhalb des Blickfeldes der ersten Inspektionseinrichtung liegt und das zweite Ziel innerhalb des Blickfeldes der zweiten Inspektionseinrichtung liegt, das Ausrichtsystem so ausgebildet und angeordnet ist, dass es die Ziele optisch inspiziert, um eine zweite optische Information zu erhalten, die zur Bestimmung der gegenwärtigen Lage und Orientierung des ersten Zieles relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung und der gegenwärtigen Lage und Orientierung des zweiten Zieles relativ zu der zweiten Inspektionseinrichtung brauchbar ist, wobei das Ausrichtsystem so ausgebildet und angeordnet ist, dass es die erste und zweite optische Information benutzt, um die genaue Lage und Orientierung der zweiten Inspektionseinrichtung relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung zu berechnen.
Kurz gesagt, weist eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen starren Rahmen auf, an welchem ein Paar von speziell geformten Zielen angebracht ist. Die Anordnung ist geeignet für die Anordnung innerhalb des (der) Betrachtungsfeldes(r) von wenigstens einer eines Paares von elektronischen Kameras, welche einen Teil eines optoelektronischen Rusrichtsystems bilden. Die Betrachtungskamera s) bilden Perspektivbilder jedes Zieles, und elektronische Signale, die jedem der Bilder entsprechen, werden auf eine elektronische Verarbeitungseinrichtung übertragen, welche das Perspektivbild jedes der Ziele mit der wahren Form jedes Zieles in Beziehung setzt. Dabei bezieht die Verarbeitungseinrichtung bzw. der Prozessor die Abmessungen gewisser bekannter geometrischer Elemente des Zieles mit den Abmessungen von entsprechenden Elementen in dem Perspektivbild und berechnet mittels Durchführung bestimmter trigonometrischer Berechnungen (oder durch irgendwelche anderen geeigneten mathematischen oder numerischen Verfahren) die Lage jedes Zieles relativ zu den betrachtenden Kamera(s). Indem zuerst die Anordnung mit beiden Zielen innerhalb des Betrachtungsfeldes einer einzigen Kamera angeordnet wird und sodann die Anordnung derart getroffen wird, dass eines der Ziele sich innerhalb des Betrachtungsfeldes jeder Kamera befindet, kann die Verarbeitungseinrichtung die Lage und Orientierung jeder Kamera relativ zur anderen bestimmen. Wenn diese Information aufgezeichnet ist, ist das System „kalibriert".
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Kalibrieren eines optoelektronischen Rusrichtsystems nach Anspruch 7 geschaffen.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 12a–d, 13 und 14 sind Ausführungsformen der Erfindung. 1 bis 11 sind nicht erfindungsgemäß, aber in die vorliegende Patentanmeldung zum Zweck der Klarheit aufge nommen, da sie für das Verständnis der Erfindung nützlich sind und Merkmale enthalten, die bei der Erfindung angewendet werden können.
1a–1c sind Diagramme, welche drei unterschiedliche Bilder eines Kreises darstellen, die sich aus verschiedenen Verdrehungsgraden um unterschiedliche Achsen ergeben;
2 ist eine schematische Darstellung, welche ein einziges Kamerasystem zeigt, das zum Inspizieren der Ausrichtung von Kraftfahrzeugrädern verwendet wird;
2a ist eine Darstellung einer quasi dreidimensionalen Wiedergabe einer Art, die auf einem System-Bildschirm erzeugt werden kann, um eine erfasste Ausrichtung wiederzugeben und den Techniker dazu führt, geeignete Fahrzeugeinstellungen vorzunehmen;
2b ist ein Querschnitt durch einen Schwenk- und Neigespiegel, der bei einem dargestellten Ziel verwendet wird;
3 ist eine Darstellung einer beispielhaften Zielflächenform, die bei der Vorrichtung gemäß 2 verwendet werden kann;
4 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer einzelnen Kameravorrichtung;
5 ist eine Schrägansicht einer alternativen Zielform, die an einem Fahrzeugrad angebracht ist;
6 ist eine schematische Darstellung eines Bildes des in 5 dargestellten Zieles, gebildet unter Verwendung des optischen Systems der 4;
7 stellt ein Verfahren dar, wie die Vorrichtung den Schlagfaktor (run-out factor) des Rades berechnet; 8a–8c zeigen bestimmte Aspekte der beim Verfahren und bei der Vorrichtung durchgeführten Mathematik;
9 ist eine schematische Darstellung, welche eine Doppelkameraanordnung eines Ausrichtsystem der beschriebenen Art darstellt;
10 zeigt Einzelheiten des Kamera/Licht-Subsystems der 9;
11 zeigt eine andere Ausführungsform einer Zielanordnung;
12a–12d sind jeweils Seiten-, Ober-, Vorder- und Rückansicht einer erfindungsgemäßen Zielanordnung; und 13 und 14 sind Schrägansichten, welche die Positionierung der Anordnung der 12a–12d relativ zu Doppelkameras bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.
Grundlegende Theorie des Ausrichtsystems
Dieses System beruht auf der Tatsache, dass das Bild eines Körpers sich entsprechend der Perspektive ändert, von der dieser Körper betrachtet wird, und dass die Änderung des Bildes auf den Perspektivwinkel des Betrachtungsweges, längs dessen der Körper betrachtet wird, direkt bezogen ist und aus diesem bestimmt werden kann.
Ferner ist bekannt, dass es möglich ist, die Perspektivwinkel, unter denen der Gegenstand betrachtet wird, lediglich durch Beziehen des Perspektivbildes dieses Gegenstandes auf ein wahres nicht perspektives Bild desselben zu ermitteln. Umgekehrt gesagt, ist es möglich, die Winkel zu bestimmten, unter denen ein Gegenstand gegen einen Betrachtungsweg (oder eine darauf senkrecht stehende Ebene) orientiert ist, indem ein Perspektivbild eines Gegenstandes mit einem nicht perspektiven Bild desselben verglichen wird.
indem man die geometrischen Eigenschaften (z. B. die Abmessung) wenigstens eines Elements der Ellipse (z. B. deren große und kleine Achse 16, 18) auf Eigenschaften der entsprechenden Elemente (der Durchmesser) des Kreises in l(a) bezieht.
Unter idealiserten Bedingungen werden diese Orientierungsberechnungen durchgeführt, indem trigonometrische Funktionen oder irgendwelche anderen mathematischen/numerischen Methoden auf die Verhältnisse zwischen der kleineren und/oder größeren Achse und dem Durchmesser angewendet werden. Zusätzlich können die Winkel der kleinen und großen Achse zur Horizontalen (x)-Achse oder Vertikalen (y)-Achse berechnet werden. Wenn alle diese Winkel bestimmt worden sind, wird die Orientierung im Raum der Hauptebene der Ellipse bestimmt.
Wenn auch nicht dargestellt, ist es möglich, die Lage des Kreises 10 im Raum zu bestimmen. Dies wird jedoch weiter unten mit Bezugnahme auf 8 dargestellt.
Die Durchführung der oben erwähnten Berechnungen ist durch die tatsächliche perspektivische Verzerrung des Bildes, wie durch die gestrichelten Linien 11 gezeigt, kompliziert. Wie diese Verkürzung willkürlich zugelassen wird, wird wiederum mit Bezugnahme auf die in 8 gezeigten mathematischen Beziehungen erläutert werden.
Kurze Beschreibung einer Ausführungsform der Ausrichtvorrichtung Die Vorrichtung, auf welche diese Theorie angewendet wird, ist in 2 schematisch dargestellt. In dieser Figur ist ein Kraftfahrzeug 20, bei welchem eine Radausrichtung durchgeführt werden soll, durch eine schematische Darstellung indem man die geometrischen Eigenschaften (z. B. die Abmessung) wenigstens eines Elements der Ellipse (z. B. deren große und kleine Achse 16,18) auf Eigenschaften der entsprechenden Elemente (der Durchmesser) des Kreises in l(a) bezieht.
Unter idealiserten Bedingungen werden diese Orientierungsberechnungen durchgeführt, indem trigonometrische Funktionen oder irgendwelche anderen mathematischen/numerischen Methoden auf die Verhältnisse zwischen der kleineren und/oder größeren Achse und dem Durchmesser angewendet werden. Zusätzlich können die Winkel der kleinen und großen Achse zur Horizontalen (x)-Achse oder Vertikalen (y)-Achse berechnet werden. Wenn alle diese Winkel bestimmt worden sind, wird die Orientierung im Raum der Hauptebene der Ellipse bestimmt.
Wenn auch nicht dargestellt, ist es möglich, die Lage des Kreises 10 im Raum zu bestimmen. Dies wird jedoch weiter unten mit Bezugnahme auf 8 dargestellt.
Die Durchführung der oben erwähnten Berechnungen ist durch die tatsächliche perspektivische Verzerrung des Bildes, wie durch die gestrichelten Linien 11 gezeigt, kompliziert. Wie diese Verkürzung willkürlich zugelassen wird, wird wiederum mit Bezugnahme auf die in 8 gezeigten mathematischen Beziehungen erläutert werden.
Kurze Beschreibung einer Ausführungsform der Ausrichtvorrichtung Die Vorrichtung, auf welche diese Theorie angewendet wird, ist in 2 schematisch dargestellt. In dieser Figur ist ein Kraftfahrzeug 20, bei welchem eine Radausrichtung durchgeführt werden soll, durch eine schematische Darstellung seines Chassis wiedergegeben und es wird gezeigt, dass zwei Vorderräder 22L und 22R und zwei Hinterräder 24L und 24R vorgesehen sind. Das Fahrzeug 20 ist auf einem bekannten Radausricht-Prüfungsbett 26 dargestellt, das in gestrichelten Linien angedeutet ist und keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet.
Die Ausrichtvorrichtung ist so dargestellt, dass sie von einer Videokamera 30 gebildet wird, die mit einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung, wie einem Computer 32, in elektrischer Verbindung steht, der bei Betrieb Ergebnisse und Berechnungen auf einer visuellen Displayeinheit 34 darstellt. Ferner weist die Vorrichtung eine Tastatur 36 (oder irgendeine andere geeignete Einrichtung) zum Eingeben von Daten und relevanter Information in den Computer 32 auf. Es wird jedoch bemerkt, dass Display- und Tastatureingaben durch eine entfernte Einrichtung eingegeben werden können, welche mit dem Computer über ein Kabel, eine Lichtwelle oder eine Radioverbindung in Verbindung steht.
In 2a kann eine Computer-erzeugte quasi dreidimensionale Darstellung der ausgerichteten Räder auf der Displayeinheit 34 zusammen mit geeigneten Angaben gezeigt werden, die die erfasste Ausrichtung zeigen. Ferner können alphanumerische und/oder bildmäßige Hinweise oder Vorschläge dargestellt werden, um den Techniker beim Einstellen der verschiedenen Fahrzeugparameter je nach Erfordernis zu führen und die Ausrichtung in Übereinstimmung mit vorbestimmten Daten zu bringen.
Die Videokamera 30 sieht auf die Räder 22L, 22R, 24L und 24R längs eines Betrachtungsweges 38, welcher durch eine Linse 40 und auf einen Strahlensplitter 42 verläuft. Der Strah- lensplitter 42 spaltet den Betrachtungsweg 38 in zwei Komponenten 38L bzw. 38R. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, wird die linke Komponente 38L des Betrachtungsweges 38 senkrecht auf den anfänglichen Betrachtungsweg durch den Strahlensplitter 42 reflektiert, während die rechte Komponente 38R senkrecht zum anfänglichen Betrachtungsweg durch einen Spiegel oder ein Prisma 44 reflektiert wird, der bzw. das neben dem Strahlensplitter angebracht ist. Die Vorrichtung enthält ferner ein Gehäuse 48, in welchem der Strahlensplitter, der Spiegel 44 und wenigstens zwei Schwenk-und-Neigespiegel 46L und 46R montiert sind. Ab dieser Stelle sind die jeweiligen Komponenten der Vorrichtung und der Betrachtungsweg für die linke und rechte Seite des Kraftfahrzeugs identisch, und daher genügt eine Beschreibung nur einer Seite.
Die linke Komponente des Betrachtungswegs 38L wird auf die Räder 22L und 24L durch den linken Schwenk-und-Neigespiegel 46L reflektiert, die beweglich ist, um der Videokamera 30 zu ermöglichen, nacheinander das Vorderrad 22L und das Hinterrad 24L des Fahrzeugs 20 zu betrachten. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Schwenk-und-Neigespiegel 46L so ausgebildet werden, dass das Vorder- und Hinterrad des Kraftfahrzeugs gleichzeitig betrachtet werden können.
Bei dieser Anordnung verläuft der Betrachtungsweg 38L vom Schwenk-und-Neigespiegel 46L durch eine Öffnung 50L in der Wand des Gehäuses 48 und auf die jeweiligen Räder 22L und 24L. Ein Verschluss 52L ist so angeordnet, dass er betätigt werden kann, um die Öffnung 50L zu schließen und dadurch den Betrachtungsweg 38L wirksam zu blockieren, was der Videokamera 30 ermöglicht, nur die rechte Seite des Fahrzeugs 20 zu betrachten. Alternativ können Verschlüsse an den Stellen 53L und 53R angeordnet werden und/oder ein elektronischer Verschluss innerhalb der Kamera 30 könnte mit einer oder mehreren getakteten Lichtquellen synchronisiert werden, um das Einfangen von Licht nur dann zu ermöglichen, wenn ein bestimmtes Ziel oder bestimmte Ziele beleuchtet werden.
Betrieb der Ausrichtvorrichtung
Bei einem normalen Betrieb arbeitet die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform folgendermaßen: Das Fahrzeug 20 wird auf das Prüfbett 26 gefahren, das grundsätzlich aus zwei paralle1en Metallstreifen besteht, auf denen die Räder des Fahrzeugs aufruhen. Unter dem Prüfbett ist ein Hebemechanismus angeordnet (der nicht dargestellt ist), welcher die Metallstreifen und das Fahrzeug anhebt, um dem Radausrichttechniker zu ermöglichen, Zugang zu den Radmontierungen zu gewinnen, um eine Fehlausrichtung der Räder zu korrigieren. Ferner kann eine drehbar gelagerte kreisförmige Platte, die allgemein Drehplatte genannt wird (nicht gezeigt) unter jedem Vorderrad des Fahrzeugs sein. Die Drehplatten ermöglichen den Vorderrädern, um ihre Lenkachsen verhältnismäßig leicht verschwenkt zu werden. Dies erleichtert den Vorgang, der bei der Berechnung des Sturzes und anderer dynamisch ermittelten Winkel abläuft. Die Hinterräder sind auf langgestreckten rechteckigen schmalen Metallplatten angeordnet, die auf den Metallstreifen befestigt sind. Diese Platten werden gewöhnlich Hemmplatten (skid plates) genannt und ermöglichen den Hinterrädern, von einem Techniker eingestellt zu werden, wenn die Hinterradbefestigungen gelockert sind. Diese Platten verhindern auch eine Vorbelastung der Räder, welche ihre Winkelstellung leicht beeinflussen kann.
Ferner kann bei einigen hochentwickelten Ausrichtmaschinen Herstellungs- und Modelljahr des Fahrzeugs in die Vorrichtung zu irgendeinem Zeitpunkt am Beginn des Verfahrens eingegeben werden, und diese Information wird von der Vorrichtung benutzt, um die Ausrichtparameter für das betreffende Fahrzeug aus früher programmierten Tabellen (lookup tables) innerhalb des Computers 32 zu bestimmten. Ferner können aus Herstellungs- und Modelljahr des Fahrzeugs die Spurweite und die Radbasisabmessungen bestimmt werden, indem die Daten aus dem Speicher gewonnen werden. Diese können dazu benutzt werden, um die Spiegel der Ausrichtvorrichtung genauer auf die Räder des Fahrzeugs zurückzuführen (home in). Statt dessen kann Information aus der früheren Betriebshistorie verwendet werden, um in gleicher Weise die Radstellung zu wählen. Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spiegel zu veranlassen, über ein bestimmtes Muster zu gleiten.
Wenn das Fahrzeug 20 auf das Prüfbett 26 gefahren ist, wird ein Ziel 54 an jedem Rad angebracht. Form und Ausgestaltung des Zieles wird weiter unten mit Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die Vorrichtung führt zunächst eine Berechnung des „Schlag"-Faktors (run-out factor) nach dem Verfahren durch, das mit Bezugnahme auf 7 ausführlicher beschrieben wird.
Wenn der Schlag-Faktor berechnet ist, bildet die Ausrichtvorrichtung ein Bild (ein erfasstes Bild) jedes der Zie-le 54 an den Rädern des Kraftfahrzeugs 20. Diese erfassten Bilder werden in der elektronischen Verarbeitungseinrichtung/im Computer 32 verarbeitet, welcher unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie weiter unten ausführlicher beschrieben, die Orientierung jedes der Ziele auf die jeweiligen Betrachtungswege 38L, 38R berechnet. Der Computer 32 be rücksichtigt sodann die oben erwähnten Schlagfaktoren, um die wahre Orientierung der Räder bezüglich der jeweiligen Betrachtungswege zu berechnen. Sodann ermöglicht die Vorrichtung die Orientierung der Schwenk- und Neigespiegel 46L, 46R zur Berechnung der tatsächlichen Orientierungen der Hauptebenen jedes der Räder. Nachdem dies durchgeführt ist, werden die Resultate der Berechnung auf dem Diplay 34 angezeigt, welches der Bedienungsperson die erforderlichen Instruktionen gibt, welche Korrekturen durchzuführen sind, beispielsweise Einstellungen der Lenkverbindung 60 der Vorderräder 22L und 22R, um die erfasste Fehlausrichtung der Räder des Fahrzeugs zu korrigieren.
Orientierungsberechnungen
Der Computer 32 führt alle erforderlichen Berechnungen durch, wobei er ein Computerprogramm, wie IMAGE ANALYST, verwendet, das in der Lage ist, Bilder und damit verbundene Werte zu analysieren. Normalerweise erzeugt IMAGE ANALYST Werte für die Mittelpunkte dieser Bilder in Koordinaten, die auf die Pixels des Bildschirms der Videokamera bezogen sind. Diese Werte werden sodann durch Software verarbeitet, welche die später zu beschreibende Mathematik umfasst, die in Bezug auf 8 beschrieben wird. Obwohl Software, wie IMAGE ANALYST, viele Merkmale aufweist, ist es in dieser Anmeldung offensichtlich, dass die Hauptmerkmale, die in dieser Anmeldung ausgenutzt werden, in der Fähigkeit liegen, Bildschirmkoordinaten für die von der Videokamera erfassten Bilder zu liefern. Es ist daher möglich, dass andere Software als IMAGE ANALYST bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung verwendet wird. IMAGE ANALYST wird geliefert von RUTOMATIX, INC., 755 Middlesex Turnpike, Billerca, MA 01821.
Orientierung der Schwenk- und Neigespiegel
Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist offensichtlich, dass eine Kenntnis der Orientierung der Schwenk- und Neigespiegel 46L und 46R für die tatsächliche Berechnung der relativen Ausrichtung der Räder des Fahrzeugs 20 zueinander erforderlich ist. Die Orientierung dieser Spiegel 46L, 46R kann auf eine von zwei Arten bestimmt werden. Eine Art der Bestimmung der Orientierung erfolgt durch Verbindung der Spiegel 46L, 46R mit einer empfindlichen Verfolgungs- und Orientierungsbestimmungsvorrichtung, welche Daten auf den Computer 32 gibt, der seinerseits die Orientierung der Spiegel im dreidimensionalen Raum berechnet. Alternativ und vorzugsweise enthält die Fläche jedes Spiegels ein klar definiertes Muster, gewöhnlich in der Form einer Anzahl von kleinen Punkten in gegenseitigem Abstand, welche ein identifizierbares Muster bilden, das von der Videokamera 30 erfasst werden kann, wenn sie auf die Räder des Motorfahrzeugs 20 gerichtet ist. Wenn die Videokamera 30 das Muster auf den Spiegeln 46L, 46R erfasst hat, kann sie ein Bild derselben erzeugen, ein Bild, das wegen der Orientierung der Spiegel ein Perspektivbild ist und welches sodann elektronisch auf den Computer gegeben werden kann, der wiederum die abgeleitete Orientierung im dreidimensionalen Raum längs der gleichen Linien berechnen kann, wie die Orientierung der Räder des Fahrzeugs 20 berechnet wird. Diese zweite Alternative wird bevorzugt, da sie nicht eine komplizierte und kostspielige elektronische Verfolgungsund Orientierungsbestimmungsvorrichtung erfordert.
Eine Art der Verwirklichung dieser zweiten, bevorzugten Alternative besteht darin, eine Linse 40 in die Vorrichtung einzubauen. Die Linse hat eine derartige Brennweite, dass sie ein angemessen klares Bild beider Ziele und der Spiegel auf die Kamera 30 projiziert.
In 2b ist eine Art der Verbesserung der Bilder der Punkte oder Flecken auf den Schwenk- und Neigespiegeln dargestellt. Diese Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Schwenk- und Neigespiegel 46L, wobei zwei Punkte oder Flecken 41 auf seiner Oberfläche dargestellt sind. Eine Plan-Konvexlinse 43 ist auf der Oberseite jedes Fleckens angeordnet. Die Brennweite jeder dieser Linsen ist so, dass sie zusammen mit der Linse 40 ein klares Bild der Flecken oder Punkte in der Videokamera 30 erzeugen. Obwohl diese Figur zwei einzelne plan-konvexe Linsen 43 zeigt, ist klar, dass eine einzige Linse, die zwei oder mehrere Flecken oder Punkte überspannt, verwendet werden kann. In gleicher Weise können auch andere optische Verfahren zur Erreichung dieses Ziels angewendet werden.
Orientierung der Ziele
Ein Beispiel für ein typisches Ziel 54, das an den Rädern des Fahrzeugs 20 verwendet werden kann, ist in 3 dargestellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, besteht das Ziel aus einer flachen Platte mit einem Muster von zwei Kreisen 62,64 unterschiedlicher Größe, die in einem vorbestimmten Format auf demselben angebracht sind. In dieser Figur ist zwar ein bestimmtes Muster dargestellt, es ist jedoch klar, dass eine große Anzahl von verschiedenen Mustern auf dem Ziel 54 verwendet werden kann. Beispielsweise muss das Ziel nicht kreisförmig sein und es kann eine größere oder kleinere Anzahl von Flecken vorgesehen werden. Ferner können andere Größen und Formen für die Flecken oder Punkte angewen det werden. Ferner können auch Platten oder Objekte mit mehreren Oberflächen für die Ziele verwendet werden.
In der Praxis werden eine mathematische Darstellung oder einem wahren Bild entsprechende Daten (d. h. einem Bild, das durch Betrachten des Zieles senkrecht zu seiner Hauptebene gewonnen wird) sowie die Abmessungen des Zieles im Speicher des Computers 32 vorprogrammiert, so dass während des Ausrichtverfahrens der Computer ein Bezugsbild hat, mit welchem die betrachteten Perspektivbilder der Ziele verglichen werden können.
Die Art, in der der Computer die Orientierung des Zieles 54 berechnet, besteht darin, bestimmte geometrische Eigenschaften am Ziel 54 zu identifizieren, Perspektivmessungen dieser aufzunehmen und diese Messungen mit dem vorher programmierten wahren Bild im Speicher des Computers zu vergleichen.
Die Vorrichtung kann beispielsweise die Mitte jedes der Kreise 62a,62b mittels eines Verfahrens berechnen, das man Mittelpunktsbestimmung (centroiding) nennen kann. Dies ist ein Verfahren, das von Bildanalysecomputern zum Bestimmen der Lage des Mittelpunktes oder der Mittellinie eines Gegenstandes allgemein angewendet wird. Wenn die Mittelpunkte der beiden Kreise 62a,62b bestimmt worden sind, kann der Abstand zwischen den beiden gemessen werden. Dieses Verfahren wird sodann für andere Kreise im Muster auf dem Ziel 54 wiederholt. Diese Abstände können sodann mit den wahren Abständen (d. h. nichtperspektiven Abständen) zwischen den jeweiligen Mittelpunkten verglichen werden. In gleicher Weise kann der Winkel zur Horizontalen (oder Vertikalen) der die beiden Mittelpunkte verbindenden Linie bestimmt werden. Wenn eine Be stätigung der Wirkung der Brennweite der Linse 40 und der anderen optischen Eigenschaften der Komponenten, wie des Strahlensplitters 42, des Spiegels 44 und der Spiegel 46L, 46R, erreicht ist, kann eine Berechnung durchgeführt werden, was der Orientierung des Ziels 54 entspricht. Diese Berechnung kann durchgeführt werden, indem trigonometrische Funktionen oder andere geeignete mathematische oder numerische Verfahren angewendet werden. Wie oben erläutert, ergibt dies auch die Orientierung der Hauptebene des Rades des Fahrzeugs.
Oben wird zwar ein Verfahren zum Berechnen der Orientierung des Zieles 54 beschrieben, es ist jedoch klar, dass auch andere Verfahren zur Verfügung stehen. Beispielsweise könnte die Vorrichtung nur auf einen der Kreise blicken, z. B. den Kreis 63, und durch Verwenden seines Perspektivbildes (der verzerrten Ellipse) in fast der gleichen Weise, wie oben in Verbindung mit l beschrieben, die Orientierung dieses Kreises und daraus die Orientierung des Zieles 54 berechnen. Ein weiteres Beispiel besteht darin, zwei um etwa 60° gegeneinander verdrehte Bilder aufzunehmen und diese Information zur Berechnung der Orientierung des Zieles bezüglich seiner Drehachse zu verwenden. Es ist zu bemerken, dass nur zwei Bilder erforderlich sind, solange die Radachse ihre axiale Orientierung nicht ändert. Ferner ist beabsichtigt, dass in komplizierten Ausrichtsystemen mehr als eine Berechnung für jedes Ziel durchgeführt wird und dass die verschiedenen Resultate dieser Berechnungen miteinander verglichen werden, um die erforderliche Genauigkeit zu gewährleisten.
Da ferner die wahren Abmessungen des Zieles im Speicher des Computers 32 vorprogrammiert sind, können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Bestimmung der exakten Stellung der Räder im dreidimensionalen Raum verwen det werden. Dies kann erfolgen, indem zuerst das Perspektivbild bestimmter Elemente des Musters auf dem Ziel (z. B. die Abstände zwischen Kreisen) bestimmt und die Abmessungen dieses Bildes mit den wahren Abmessungen dieser Elemente verglichen werden. Dies ergibt den Abstand, den das Element und dementsprechend das Ziel 54 von der Videokamera besitzt.
Da das oben beschriebene Verfahren bereits die Orientierung des Zieles 54 bezüglich des Betrachtungsweges und/oder irgendeiner anderen Bezugsebene ergeben hat, kann dieses Ergebnis mit dem berechneten Abstand und den geometrischen Koordinaten der Ausrichtvorrichtung kombiniert werden, um die Lage des Zieles 54 relativ zur Ausrichtvorrichtung zu erhalten. Während dieses Vergleichsverfahrens müssen die Wirkung der Brennweite der Linse 40 sowie die optischen Eigenschaften des Strahlensplitters 42, des Spiegels 44 und der Schwenkund Neigespiegel 46L und 46R ebenfalls berücksichtigt werden. Normalerweise werden diese Eigenschaften in den Computer durch direktes Eingeben oder vorzugsweise durch ein Kalibrierungsverfahren eingegeben. Auf diese Weise kann die exakte Positionierung jedes der Räder des Fahrzeugs 20 berechnet werden.
Kurze Beschreibung einer alternativen Ausführungsform der Ausrichtvorrichtung Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass eine Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen der Linse, des Strahlensplitters und der Spiegel (d. h. des optischen Systems) möglich sind, um das gewünschte Ergebnis mit dem dargestellten Verfahren und der dargestellten Vorrichtung zu erreichen. Eine solche Ausführungsform ist in 4 der Zeichnung wiedergegeben.
In dieser Figur ist die Anlage so dargestellt, dass sie über dem Kraftfahrzeug 20 aufzuhängen ist, und sie weist eine Videokamera 30, einen Computer 32 mit zugehörigem Display 34 und einer Dateneingabetastatur 36 sowie einer Linse 40 ähnlich den in 2 dargestellten auf. Wie bei der Ausführungsform der 2 ist der Betrachtungsweg oder die optische Linie der Videokamera 30 in zwei Richtungen 38L und 38R durch eine Kombination des Strahlensplitters 42 und des Planspiegels 44 abgelenkt.
Diese Ausführungsform enthält ebenfalls zwei Schwenkund Neigespiegel 70L, 72L, die auf der linken Seite der Vorrichtung angeordnet sind, und zwei Schwenk- und Neigespiegel 70R und 72R, die auf der rechten Seite der Vorrichtung angeordnet sind. Die Spiegel 70L, 72L sind so angeordnet, dass das linke Vorder- und linke Hinterrad 22L bzw. 24L betrachtet wird, und die Spiegel 70R, 72R sind so angeordnet, dass die rechten Räder 22R bzw. 24R betrachtet werden. Da die Spiegel 70L, 72L, 70R, 72R Schwenk- und Neigespiegel sind, können sie verstellt werden, um die Räder am Fahrzeug zu beobachten, auch wenn das Fahrzeug nicht genau unter der Vorrichtung zentriert ist. Diese Spiegel sind auch brauchbar, um Fahrzeuge unterschiedlicher Länge der Radbasis sowie Spurweite zuzulassen.
Eine weitere Abänderung dieser Vorrichtung würde den Ersatz des Strahlensplitters 42 und des Planspiegels 44 durch ein einziges reflektierendes Prisma umfassen. Das Prisma hat den Vorteil gegenüber der Strahlensplitter-Kombination, dass mehr Licht vom Prisma in die Kamera 30 reflektiert wird. Dies führt zu einem helleren Bild des Ziels 54, das durch die Kamera 30 erzeugt wird.
Ziel und Zielbild-Einzelheiten
Bei der in dieser Figur dargestellten Vorrichtung sowie bei den anderen dargestellten Vorrichtungen kann eine Abänderung des Zieles gemäß 5 angewendet werden. In dieser Figur ist das allgemein mit 80 bezeichnete Ziel so dargestellt, dass es eine ebene rechteckige Platte 82 enthält, die am Rand 84 eines Fahrzeugs 86 mittels einer Klemmeinrichtung 88 festgeklemmt ist. Es ist aus 5 ersichtlich, dass die Platte 82 unter einem Winkel relativ zur Hauptebene des Rades 86 sowie zu dessen Drehachse 89 steht.
Die genaue Orientierung dieser Platte 82 bezüglich der Radachse ist jedoch nicht bekannt und wird, wie weiter unten beschrieben, bezüglich der Radachse durch die Bestimmung eines Schlagfaktors für dieses Rad berechnet. Die allgemeine Orientierung der Platte 82 wird jedoch so gewählt, dass sie von der Videokamera 30 ausreichend betrachtet werden kann, wenn sie auf dieselbe blickt.
Schließlich enthält die Platte 82 eine Anzahl von Flekken oder Punkten 90, die, wie gezeigt, ein Muster nicht unähnlich demjenigen des in 3 dargestellten Zieles bilden.
Bei Zielen dieser Art sind die von den Videokameras 30, wenn diese zusammen mit der in 4 dargestellten Vorrichtung angewendet werden, erzeugten Bilder etwa in der in 6 gezeigten Art. In dieser Figur ist ersichtlich, dass vier diskrete Bilder 92, 94, 96, 98 zur Ausbildung des vollständigen, allgemein mit 99 bezeichneten Bildes, das von der Videokamera 30 ausgebildet wird, erzeugt werden. Jedes der vier Bilder, die das vollständige Bild 99 bilden, ist ein Bild einer der rechteckigen Platten 82, die jeweils an den vier Rädern des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Beispielsweise könnte das Bild 92 an der Oberseite des Bildes 100 der Platte 82 am rechten Hinterrad 24R des Fahrzeugs 20 entsprechen. In gleicher Weise könnte das Bild 94 dem rechten Vorderrad 22R, das Bild 96 dem linken Vorderrad 22L und das Bild 98 dem linken Hinterrad 24L entsprechen.
Der Vorteil des Zieles 80, wenn es mit der in 4 dargestellten Vorrichtung verwendet wird, besteht darin, dass ein einziges Bild gleichzeitig von allen vier Rädern aufgenommen werden kann. Dieses einzige Bild kann sodann weitgehend in der gleichen Weise wie oben beschrieben verarbeitet werden, um die Orientierung und Lage aller Räder zueinander zu erhalten. Insbesondere kann die relative Orientierung des rechten Vorderrades zum linken Vorderrad und des rechten Hinterrades zum linken Hinterrad berechnet werden.
An jedem Ende der Bilder 92, 94, 96, 98 ist ein Paar von Flecken 100 zu sehen. Diese Flecken 100 sind in der Tat Bilder der Flecken an den entsprechenden Schwenk- und Neigespiegeln, auf die in der Diskussion der 2 Bezug genommen wurde. Wie in dieser Diskussion ausgeführt, werden diese Flecken oder Punkte dazu verwendet, die Orientierung der Schwenk- und Neigespiegel zum Betrachtungsweg der Kamera zu berechnen, wobei diese Berechnung wesentlich ist, um sowohl die Orientierung als auch die Lage der Hauptebene jedes der Räder des Fahrzeugs zu bestimmen.
Zusätzlich zeigt diese Figur, dass die Bilder der Markierungen 100 von den Bildern der Muster auf der Platte mittels einer vertikalen Linie 101 getrennt werden können. Diese Linie 101 dient als Abgrenzungslinie zwischen dem Muster (aus dem die Orientierung des Zieles berechnet wird) und dem Bild der Flecken 100 (aus dem die Orientierung den Schwenk- und Neigespiegel berechnet wird).
Schlagfaktor-Berechnungen
In 7 ist ein Verfahren zur Berechnung des Schlagfaktors für das Ziel 104 dargestellt, das in einer etwas anderen Weise an einem Rad 103 angebracht ist. Bei diesem Verfahren wird das Rad 103 langsam gedreht, während eine Anzahl von verschiedenen Bildern des Zieles 104 aufgenommen wird. Dieses Ziel ist zur größeren Klarheit ziemlich stark aus der Mitte des Rades versetzt. In der Praxis kann jedoch das Ziel näher an der Mitte ziemlich ähnlich wie das in 5 gezeigte Ziel angebracht werden. Für jedes Bild wird die Neigung der Ebene des Zieles sowie seine räumliche Lage berechnet. Wenn diese Werte für jedes Bild bestimmt sind, werden sie integriert, um eine Drehfläche 106 zu bilden. Diese Drehfläche 106 stellt den Weg dar, welchen das Ziel 104 verfolgt, wenn das Rad um seine Achse gedreht wird, und die Drehachse 108 desselben ist die gleiche wie die Drehachse des Rades. Dies bedeutet, dass eine Ebene senkrecht zur Drehachse 108 der Drehfläche 106 parallel zur Hauptebene des Rades 106 liegt. Wenn die Drehebene 106 bestimmt ist, wird ihre Drehachse 108 bestimmt und daher kann die Orientierung und Lage im Raum der Hauptebene des Rades des Fahrzeugs bestimmt werden.
Aus diesen Resultaten kann der Schlagfaktor durch Berechnung des Winkels zwischen der Ebene des Ziels und der Hauptebene des Rades bestimmt werden. Dieser Schlagfaktor wird sodann im Computer 32 gespeichert und verwendet, wenn die Ausrichtung des Rades aus einem einzigen Bild des Ziels berechnet wird.
Die Berechnung des Schlagfaktors kann auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Aufhängung des Fahrzeugs stark abgenutzt ist. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein offensichtlicher Schlagfaktor (das heißt die Orientierung des Zieles bezüglich des Rades) für jedes Bild bestimmt werden, das vom Ziel aufgenommen wird. Aus dieser Gruppe von einzelnen Schlagfaktoren kann ein mittlerer Wert berechnet werden (welcher den wahren „Schlag-„faktor darstellt) sowie das Ausmaß der Abweichung vom Mittelwert der einzelnen Faktoren. Wenn diese Abweichung über einer bestimmten Toleranz liegt, zeigt dies an, dass die Aufhängung des Kraftfahrzeugs so stark abgenutzt ist, dass sie gewartet werden muss.
Genauigkeitsbestimmung
Nochmals zu den Zielen: es sollte erkannt werden, dass ein wichtiges Merkmal des entweder in 3 oder 5 dargestellten Zieles (oder irgendeines anderen Zieles für diesen Zweck) darin besteht, dass es genügend Datenpunkte besitzt, um redundante Berechnungen zu ermöglichen, indem verschiedene Sätze von Datenpunkten benutzt werden. Dies ergibt mehrfache Radausrichtwinkel, von denen ein Durchschnittswert genommen werden kann, um die Genauigkeit der endgültigen Messung zu verbessern. Ferner kann eine statistische Verteilung der verschiedenen für jedes Rad berechneten Ausrichtwinkel als Messung der Genauigkeit der Arbeitsweise der Vorrichtung verwendet werden. Wenn eine geeignete Prüfung in den Computer 32 eingebaut ist, kann eine statistische Verteilung wie diese dem Computer 32 ermöglichen, zu bestimmen, ob eine ausreichende Genauigkeit vorhanden ist oder nicht und, wenn nicht, ein Signal zu erzeugen, das eine Bedienungsperson auf diese Tatsache aufmerksam macht.
In gleicher Weise, wenn die obige Prüfung zeigt, dass eines oder mehrere der verwendeten Ziele unannehmbar schlechte Resultate ergibt(ergeben), während das(die) übrigen Zie-1(e) annehmbare Resultate ergeben, kann angenommen werden, dass einige der Ziele annehmbar benutzt werden. Der Computer kann eine Anzeige dieser Wirkung geben und die Bedienungsperson kann beispielsweise hingewiesen werden, das(die) betreffenden Ziel e) zu entfernen, zu reinigen oder zu reparieren.
Ein weiterer Vorteil der Ausbildung geeigneter Mehrfachbilder und der Berechnung einer statistischen Analyse besteht darin, dass der Computer 32 bestimmen kann, ob genug Bilder genommen worden sind oder nicht, um in geeigneter Weise die erforderliche Genauigkeit des Ausrichtmeßverfahrens zu gewährleisten. Wenn ungenügende Ablesungen vorhanden sind, kann der Computer die Vorrichtung veranlassen, weitere Ablesungen aufzunehmen, welche zwar Geschwindigkeit aufopfern, jedoch zu verbesserter Genauigkeit der Messung führen.
Ferner könnte das Ziel einen maschinenlesbaren, d. h. einen Strichcode oder dergl., enthalten, der zur Kennzeichnung, Zielverfolgung, Intensitätsschwellenmeßung, Auswertung der Beleuchtungsqualität und Codierung von Fehlern benutzt werden kann, um die Verwendung von billigen Zielen zu ermöglichen. Wenn beispielsweise das Ziel verdreht wurde und der Betrag der Verdrehung im Strichcode codiert war, dann könnte der Computer die Verdrehung kompensieren.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Zieles besteht darin, dass das darauf befindliche Muster eine sehr schnelle und ge naue Ortung des Musters mit einer Genauigkeit ermöglichen sollte, die wesentlich geringer ist als ein Kamerapixel. Um dies zu erzielen, sollte das Muster einen hohen Kontrast zeigen und eine Form besitzen, die der jeweils verwendeten Vorrichtung ermöglicht, die erforderliche Schnelligkeit und Genauigkeit zu erzielen. Bei einer Ausführungsform werden rückstrahlende Materialien für die Punkte oder Flecken verwendet, und eine Farbe, die das jeweils verwendete Licht absorbiert, wird für den Hintergrund gewählt.
Diese Vorrichtung ermöglicht auch eine Kalibrierung, die wichtig ist, da alle optischen Systeme eine gewisse geometrische Verzerrung aufweisen. Die Gesamtbildfläche der Vorrichtung kann beispielsweise mit Verwendung eines perfekten Zieles berechnet werden und das Resultat kann dazu verwendet werden, Korrekturwerte zu bestimmen, die für die Benutzung gespeichert werden können, wenn das System zu Ausrichtvorrichtvorgängen betätigt wird.
Die absolute Genauigkeit der Vorrichtung kann geprüft oder kalibriert werden, indem ein einfaches Ziel mit einer zweiseitigen flachen Platte verwendet wird, die so angebracht wird, dass die Vorrichtung gleichzeitig beide Seiten betrachtet. Wenn die Platte eben ist, sollte der Nettowinkel (relative Ausrichtung) zwischen den zwei Ebenen des Zieles Null sein. Wenn nicht, kann ein geeigneter Korrekturfaktor im Computer gespeichert werden. Alternativ könnten zwei Ansichten der gleichen Seite des Zieles, aufgenommen unter verschiedenen Winkeln, zu diesen Zweck verwendet werden.
Verwendete mathematische Algorithrnen
Dieser Abschnitt gibt die Mathematik an, die zur Reduzierung der von der Videokamera durchgeführten Messungen für die Radstellungen im Raum unter Verwendung der augenblicklichen Messung notwendig ist.
Annahmen
Das Kamerasystem kann so definiert werden, dass es zwei Ebenen enthält, die in Bezug aufeinander willkürlich angeordnet sind (innerhalb vernünftiger Grenzen der Sichtbarkeit). Eine ist die Bildebene, die aufzeichnet, was von der Kamera „gesehen" wird, und die andere ist die Objektebene, welche dreidimensionale, im Wesentlichen Punktziele (point targets) enthält.
Auf dieser Grundlage werden die folgenden Annahmen gemacht:

(i) die Kamerahauptachse steht senkrecht auf der Bildebene (die meisten Kameras sind in dieser Art gebaut;
(ii) es besteht in einem bekannten Abstand f (d. h. der Brennweite des Abbildungssystems, wenn sie auf unendlich eingestellt ist) von der Bildebene längs der Kamerahauptachse ein Punkt, der Perspektivitätsmittelpunkt (CP) genannt wird, so dass das Verhalten der Kamera so ist, dass das Bild eines betrachteten Punktes irgendwo im Gesichtsfeld oder Blickfeld auf die Bildebene projiziert wird, indem es längs einer Linie verschoben wird, die sowohl durch den betrachteten Punkt im Raum als auch den CP geht;
(iii) der Nullpunkt des Koordinatensystems, der in der Bildebene fixiert ist, ist im Perspektivitätsmittelpunkt angeordnet, wobei der z-Vektor zur Kamera längs deren Hauptachse gerichtet ist; und
(iv) die Einheiten der Bildebenenmessungen sind die gleichen wie diejenigen der Objektebenenmessungen.

Diese Annahmen sind in der visuellen Technik allgemein üblich.
Überblick
Für diese Ausbildung kann eine Mathematik vorgesehen werden, um die relativen Orientierungen und Lagen von Objektund Bildebene zu bestimmen.
Diese Mathematik kann auf zwei Weisen angewendet werden:

(i) während der Kalibrierung zum Auffinden der Lage der Bildebene bezüglich der Anordnung einer Objektebene mit bekannter Stellung eines Kalibrierungszieles; und
(ii) während des Ausrichtvorgangs zum Auffinden von Lage und Orientierung der Hauptebene des an den Rädern des Fahrzeugs angebrachten Zieles. Es ist bei diesem Schritt wesentlich, dass das bekannte Koordinatensystem im Raum fixiert wird und dass es für alle vier Räder des Wagens das Gleiche bleibt.

Wenn, wie oben beschrieben, die Anordnung der Zielebenen der Räder bekannt ist, kann durch Drehen der Räder die Drehachse der Räder bestimmt werden und daraus die Ausrichtung der Bäder.
Haupt-Algorithmus
Es wird bemerkt, dass dieser Haupt-Algorithmus keine Behandlung der verschiedenen Schwenk- und Neigespiegel bietet; dies wird später durchgeführt.
Der Haupt-Algorithmus erfordert die folgenden Eingaben:

(i) Eine Liste von Punkten, ausgedrückt in Koordinaten der Objektebene. °qj= (xj, Yj), j = 1, n/ n ≥ 4 Diese sind tatsächlich dreidimensionale Punkte, aber das Objektebenen-Koordinatensystem kann stets so gewählt werden, dass die dritte Koordinate z_i = 0 ist.
(ii) Eine entsprechende Liste von Bildebenen-Punktkoordinaten ¹q_j = (x_j, v_j) , j = 1, n.

Für diese Eingaben erzeugt der Algorithmus eine Ausgabe, welche eine homogene Koordinatentransformationsmatrix ist, welche den Perspektivitätsmittelpunkt und bezüglich der Hauptachsen der Bildebene fixierte Einheitsvektoren ausdrückt. Diese Matrix wird normalerweise invertiert und sodann angewendet, um die betrachteten Punkte in Bildsystemkoordinaten zu transformieren.
Schritt 1: Bestimmung einer Kollineation
Umwandeln aller zweidimensionalen Eingabekoordinaten in affine Form und Auffinden einer 3 × 3-Transformationsmatrix T derart, dass:
für i = l, n und wobei die k_i willkürliche skalare Konstanten sind.
Eine Art, in der die Transformationsmatrix T bestimmt werden kann, wird nachfolgend angegeben.
Schritt 2: Bestimmen der Transformationen von Schlüsselpunkten und Invarianten
Die Transformationsmatrix T transformiert Punkte in der Objektebene in Punkte in der Bildebene unter der Projektivität, deren Mittelpunkt der Perspektivitätsmittelpunkt (CP) ist. Nach dem Invertieren führt sie auch die umgekehrte Transformation durch, nämlich:
Es wird bemerkt, dass die ganze Gleichung mit einem willkürlichen Skalar multipliziert werden kann und immer noch gültig bleibt. Der Wert m_i ist solch ein Skalar und ist erforderlich, um eine Normalisierung von (u_i v_i l)^T zu ermöglichen, so dass eine dritte Koordinate eine Einheit ist. Die Matrix T ist auch brauchbar zum Transformieren von Linien, die für Punkte auf der Projektionsebene dual sind. Die Gleichung einer Linie in der Projektionsebene ist:
Dabei ist c der Koordinatenvektor der Linie und X der Probevektor. Jede homogene Dastellung eines Punktes, der der Gleichung 3 genügt, liegt auf der Linie. Es sei angenommen, dass eine Objektkoordinate c auf einer Linie liegt, dann ist.
die Gleichung einer Linie in Objektebene, ausgedrückt in Objektebenenkoordinaten. Bei Anwendung der Gleichung 2 können wir in Bildebenenkoordinaten transformieren:
der Weg zum Transformieren der Linienkoordinaten von der Objektebene zur Bildebene und
ist der Weg zur Durchführung der inversen Transformation.
Es sei bemerkt, dass die Projektionsebene oder projektive Ebene sich von der nicht-projektiven Ebene dadurch unterscheidet, dass sie unendlich ferne Punkte einschließt, deren projektive Koordinate 0 ist. Die Punkte bilden zusammen eine unendlich ferne Linie, deren Koordinaten [0, 0, 1] sind, nämlich:
Dies ist in 8a dargestellt, die eine Seitenansicht einer Objektebene OP und Bildebene IP darstellt, die nichtparallel zueinander unter einem Winkel θ angeordnet sind.
Die Objektebene OP schneidet eine Ebene parallel zur Bildebene IP, die jedoch durch den Perspektivitätsmittelpunkt CP geht. Diese Ebene wird die Bildbetrachtungsebene VIP genannt und schneidet die Objektebene OP in der „Fluchtlinie" (vanishing line), eingetragen auf der Objektebene, gezeigt als Punkt VLO. In gleicher Weise zeigt die Figur eine Ebene parallel zur Objektebene, genannt die Objektbetrachtungsebene VOP, welche die Bildebene IP in einer „Fluchtlinie" schneidet, die in der Bildebene eingetragen und als Punkt VLI dargestellt ist.
Da VIP parallel zu IP liegt, schneiden sie sich in der Unendlichkeit. Die Kollineationsmatrix T kann daher verwendet werden, um die Linie in der Unendlichkeit des Bildes in ihrer transformierten Lage in der Objektebene einzutragen, wie folgt:
Durch die oben bezüglich des Kamerasystems angegebenen Annahmen sind die Koordinaten des Hauptpunktes des Bildes
Die Koordinaten des Hauptpunktes des Objekts PPO sind:
Schritt 3: Vollständige verbleibende Neigungswerte
Der minimale Abstand zwischen einer Linie in einer projektiven Ebene mit den Linienkoordinaten [z_i z₂ z₃]^T und einem Punkt mit den Koordinaten [p₁ p₂ p₃]^T wird gegeben durch:
Dies macht es möglich, nach DI, θ und D0 aufzulösen:
Schritt 4: Berechnen der Nachführwerte (Pan Values)
8b stellt eine Draufsicht auf die Objektebene dar, hinabgesehen von dem Perspektivitätsmittelpunkt. Wir haben:
Schritt 5: Auflösung nach den verbleibenden Unbekannten
Es wird auf die 8a und 8b zusammen Bezug genommen:
Dies ist der Nullpunkt des Bildebenen-Koordinatensystems, ausgedrückt in Objektebenenkoordinaten. Er ist in CP angeordnet.
°x, und °y_j die verbleibenden Einheitsvektoren, können berechnet werden durch Transformation der entsprechenden Ein- heitsvektoren in der Bildebene und nachfolgende Orthogonalisierung mit Bezug auf z₁. Es sei:
Die Rahmentransformation vom Bildraum zum Objektraum ist der Rückführungsrahmen sowie zum Ausdrücken von in Objektebenenkoordinaten gegebenen Punkten in Ausdrücken des Koordinatensystems, das bezüglich der Bildebene festliegt, gilt:
Das ist der allgemeine Fall, es gibt jedoch auch den Spezialfall, wenn die Objekt- und Bildebene parallel sind. Dies ist erfassbar, wenn VLO oder VLI (Gleichungen 9 oder 10) sich so zeigen, dass sie selbst in der Unendlichkeit liegen (das bedeutet, dass ihre ersten zwei Koordinaten ausreichend nahe bei 0 liegen).
In diesem Fall gilt
und der Abstand DCP kann bestimmt werden, indem jeder Punkt in der Objektebene (x_k, y_k) , dessen entsprechende (u_k, v_k) nicht Null sind, genommen und entsprechend dem Diagramm in 8(c) berechnet wird:
Es sei
und dann weiter ab Gleichung (22).
Dies beendet die Beschreibung des Haupt-Algorithmus zur Bestimmung der Ebenenverschiebungen.
9.4 Bestimmung der Transformationsmatrix
Dieser Abschnitt stellt dar, wie man die Transformationsmatrix T berechnet, die in Gleichung (1) verwendet wird.
Das hier dargestellte Verfahren ist eine analytische Methode, die nur vier koplanare Punkte einander zuordnet und auf dem fundamentalen Theorem der projektiven Geometrie beruht, das lehrt, dass zu vier gegebenen Punkten in der projektiven Ebene:
Konstanten c₁, c₂ und c₃ gefunden werden können, so dass
Wenn dies in Matrixform dargestellt wird:
dann transformiert die Matrix M, die besteht aus
die Idealpunkte Nullpunkt und Einheitspunkte wie folgt:
Um daher eine Transformation zu konstruieren, die vier willkürliche Punkte p₁, p₂, p₃, p₄ auf vier willkürliche vier andere Punkte q₁, q₂, q₃, q₄ bezieht, müssen zwei Transformationen konstruiert werden:
Es wird bemerkt, dass bei diesem Schnitt die p's und q's jetzt Vektoren sind. Im Hauptschnitt werden Spaltenvektoren verwendet, so dass
Schließlich nimmt ein anderes Verfahren (hier nicht dargestellt) mehr als vier Punkte an und nimmt eine Annäherung der kleinsten Quadrate vor, indem Pseudo-Inverse verwendet werden. Dieses zweite Verfahren kann in dem Fall angewendet werden, dass die Anzahl von gemessenen Punkten erhöht wurde, um erwartete Fehler zu kompensieren.
Toleranz der Schwenk- und Neigespiegel
Nach der Zurückverwandlung der abgebildeten Datenpunkte in dreidimensionale Punkte, die in Bildebenenkoordinaten wiedergegeben sind, verbleibt es, Toleranzen für die Reflexionen durch die Strahlensplitteranordnung und die Schwenk- und Neigespiegel zu ermitteln.
Wenn ⁱx ein zu reflektierender Punkt ist und ¹n eine Einheitslänge senkrecht zur Ebene der Reflexion ist, ¹x₀ ein Punkt in der Reflexionsebene ist (alle ausgedrückt in Bildebenenkoordinaten), dann ist ⁱx_r seine Reflexion und wird gegeben durch
Die obige Matrix ist eine normale Verschiebungstransformation, welche unter Anwendung normaler Verfahren invertiert werden kann, obwohl dafür bei der Erfindung keine Notwendigkeit besteht. Diese Matrizen können auch, wie gewöhnlich, von rechts nach links kaskadiert werden, um zuerst den Strahlensplitter und dann den Schwenk- und Neigespiegel zu behandeln, aber der Reflexionsebenenpunkt ⁱx₀ und die Normale ¹n für den Schwenk- und Neigespiegel muss zuerst durch die Strahlensplitter-Reflexionsmatrix transformiert werden, bevor die Schwenk- und Neigespiegel-Reflexionsmatrix durch sie gebildet wird.
Schließlich wird bemerkt, dass bei Verwendung des Haupt-Algorithmus zum Auffinden der Lage des Schwenk- und Neigespiegels diese durch den Strahlensplitter einmal reflektiert worden sind. ⁱz₀ und ⁱ0₀ sind direkt verwendbar als Normale und Punkt in der Reflexionsebene direkt.
Eine nachfolgende Anwendung eines iterativen Anpassvorgangs kann zu verbesserten Genauigkeiten führen.
Es können auch andere mathematische Verfahren angewendet werden, um die bei Verwendung der Vorrichtung erfassten Bilder zu verarbeiten.
Alternative Anordnung mit zwei Kameras
In 9 der Zeichnung ist eine alternative Anordnung der Ausrichtvorrichtung bei 110 dargestellt, die ein Paar von festen Kameras in gegenseitigem Abstand verwendet. Ein Vierradfahrzeug, das auf einer Heberampe 111 für die Radausrichtung angeordnet ist, wird durch die vier Räder 112, 113, 114 und 115 angenommen. Im üblichen Fall umfasst das Gestell 111 Schwenkplatten (nicht gezeigt), um die Richtungsänderung wenigstens der Vorderräder zu erleichtern. Bei dieser Anordnung enthält eine die Kamera stützende Unterstruktur einen horizontal verlaufenden Balken 116, der an einem Kasten 117 befestigt ist. Der Kasten 117 kann eine Anzahl von Schubladen 118 aufweisen, die Werkzeuge, Handbücher, Teile und dergl. enthalten, und kann auch eine Unterstützung für einen Videomonitor 119 und eine Eingabetastatur 120 bilden.
An jedem Ende des Balkens 116 ist ein Kamera- und Lichtquellen-Subsystem angebracht, die jeweils mit 122 bzw. 124 bezeichnet sind. Die Länge des Balkens 116 wird so gewählt, dass er lang genug ist, um die Kamera/Licht-Untersysteme so zu positionieren, dass sie außerhalb der Seiten irgendeines Fahrzeugs angeordnet sind, das durch das System ausgerichtet werden soll. Der Balken und die Kamera/Licht-Untersysteme 122, 124 sind hoch genug oberhalb des Werkstattbodens 125 angeordnet, um sicherzustellen, dass die zwei Ziele auf der linken Seite des Fahrzeugs beide innerhalb des Gesichtsfeldes der Kameraanordnung 122 liegen, und die zwei Ziele auf der rechten Seite des Fahrzeugs liegen beide innerhalb des Gesichtsfeldes der Kameraanordnung 124. Mit anderen Worten, die Kameras sind hoch genug angeordnet, damit ihre Betrachtungslinie eines hinteren Zieles über der Oberseite eines vorderen Zieles liegt. Dies kann natürlich auch so bewirkt werden, dass die Länge des Balkens 116 derart gewählt wird, dass die Kameras außerhalb der vorderen Ziele liegen und einen klaren Blick auf die rückwärtigen Ziele besitzen. Einzelheiten der Kamera-/Licht-Untersysteme 122, 124 werden nachfolgend mit Bezug auf 10 erläutert.
Entsprechend dieser Anordnung werden eine Zieleinrichtung 126 einschließlich einer Felgenklemmeinrichtung 128 und eines Zielobjekts 130 an jedem Rad befestigt. Ein geeigneter Felgenklemmmechanismus ist in der US-Patentschrift Nr. 5 024 001 beschrieben, die den Titel „Wheel Alignment Rim Clamp Claw" trägt. Wie weiter unten im Einzelnen beschrieben, hat das bevorzugte Zielobjekt wenigstens eine ebene, lichtreflektierende Oberfläche mit einer Anzahl von visuell wahrnehmbaren, geometrisch geformten reflektierenden Zielelementen 132, die darauf gebildet sind. Diese Zieloberflächen können auf einer oder mehreren Seiten des Zielobjekts gebildet sein. Bei Verwendung muss jedes Ziel an einem Fahrzeugrad mit einer solchen Orientierung angeordnet sein, dass die Zielelemente innerhalb des Blickfeldes wenigstens eines der Kamera-/Licht-Subsysteme liegen.
In 10 der Zeichnung sind weitere Einzelheiten der Kamera- und Beleuchtungskomponenten dargestellt. Innerhalb des teilweise abgebrochenen Endes des Balkens 120 ist das Subsystem 122 so dargestellt, dass es eine Beleuchtungseinheit 140 umfasst, die aus einer Anzahl von Lichtquellen 142 in Form von lichtemittierenden Dioden (LED) besteht, welche um eine Öffnung 144 angeordnet sind, durch welche die Eingabeoptik 146 einer geeigneten Videokamera 148 projiziert wird. Die Lichtanordnung in dieser Anordnung umfasst 64 LEDs (wobei eine geringere Anzahl zur Vereinfachung der Darstellung gezeigt ist), welche eine Lichtquelle hoher Intensität mit einer auf der Achse liegenden Beleuchtung rings um die Kameralinse erzeugt, um zu gewährleisten, dass maximales Licht von den Zielen zurückreflektiert wird. Um eine Unterscheidung gegen andere mögliche Lichtquellen-Eingaben in die Kamera 148 zu treffen, kann ein Schmalbandfilter, das auf das Lichtspektrum der LEDs abgestimmt ist, vor der Linse 146 angeordnet werden.
Es kann zwar irgendeine geeignete Art von Videokamera gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet werden, ab er es wird eine CCD-Einrichtung mit ausreichender Auflösungsleistung für die vorliegende Anwendung verwendet.
In 11 ist ein Beispiel eines Zieles dargestellt, das eine Anzahl von lichtreflektierenden, kreisförmigen Zielelementen oder Flecken aus hellfarbig oder weiß reflektierendem Material aufweist, die in einer Anordnung über einer weniger reflektierenden oder dunkelfarbigen Oberfläche eines steifen Substrats angeordnet sind. Geeignete reflektierende Materia lien umfassen Nikkalite^TM 1053, verkauft von Nippon Carbide Industrien USA, Scotchlite^TM 7610, verkauft von 3M Company und D66-15xx^TM, verkauft von Reflexfite, Inc.
Das Ziel umfasst mehrere kreisförmige Flecken oder Punkte, um sicherzustellen, dass ausreichende Dateneingaben von der Kamera erfasst werden können, auch in dem Fall, dass einige der Zielelemente durch die Handhabung verschmutzt oder sonst nicht vollständig erfassbar sind. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform weist ein gut definiertes Ziel etwa 30 kreisförmige Flecken auf, die sehr genau in Bezug aufeinander angeordnet sind (innerhalb 0,0002 Zoll). Beispielsweise kann das in 11 dargestellte Ziel 28 kreisförmige Flecken von 1 Zoll Durchmesser enthalten, die sehr genau auf einem 2 Zoll × 2 Zoll-Gitter angeordnet sind mit vier 1 ¾ Zoll-Flecken und einem einzigen 1 ½ Zoll-Durchmesser-Flecken, die strategisch innerhalb der Anordnung angeordnet sind. Durch mathematisches Bewegen des mathematischen Bildes eines Zieles, bis die mathematische Lage und Orientierung der Flecken mit den Flecken des realen Zieles im realen Bild ausgerichtet sind, kann eine Information über Lage und Orientierung erhalten werden. Diese mathematische Manipulation eines gut definierten Zieles, bis es in der gleichen Weise orientiert ist wie das Bild, wird „Anpassen des Zieles" genannt. Wenn das Anpassen durchgeführt ist, ist Lage und Orientierung des Zieles sehr genau bekannt (innerhalb 0,05 Zoll und 0,005°). Diese Genauigkeit ist erzielbar, da das Ziel mit sehr engen Toleranzen hergestellt ist und weil das Design eine Messung von vielen Punkten ermöglicht (1500 gemessene Punkte, d. h. etwa 30 Bezugspunkte (Flecken), jeder mit erfassten 50 Randpunkten). Ferner verbessert die Anwendung einer Subpixel-Interpolation die Genauigkeit der Messung über die Pixelauflösung der CCD-Kameras hinaus.
Das Ziel wird normalerweise unter Verwendung eines fotolithografischen Verfahrens hergestellt, um die Punkt- oder Fleckengrenzen zu definieren und einen scharfkantigen Übergang zwischen hellen und dunklen Bereichen zu gewährleisten, sowie die einzelnen Zielelemente auf der Zielfläche genau und wiederholbar zu positionieren. Die Zielfläche kann auch mit einer Glas- oder anderen Schutzschicht überzogen werden. Es wird bemerkt, dass, da alle von einem bestimmten Ziel erhaltene Information für dieses Ziel einmalig ist, die einzelnen verwendeten Ziele zum Ausrichten eines Fahrzeugs nicht gleich sein müssen und tatsächlich unterschiedliche Ausbildung und Größe haben können. Beispielsweise ist es zweckmäßig, größere hintere Ziele zu verwenden, um die Differenz des Abstandes zur Kamera zu kompensieren.
Um die Lage zwischen den Rädern auf einer Seite des Fahrzeugs und den Rädern auf der anderen Seite des Fahrzeugs genau zu bestimmen, muss das System wissen, wo eine Kamera bezüglich der anderen Kamera angeordnet ist. Dies wird während eines Kalibrierungs- und Einstellvorgangs erreicht, wobei, wie in 9 dargestellt, ein größeres Ziel 150 (gegenwärtig 3 Fuß × 3 Fuß) im Blickfeld beider Kameras angeordnet ist, normalerweise längs der Mittellinie des Gestells 111 und annähernd 30 Fuß entfernt von den Kameras. Die von jeder Kamera erhaltene Information wird sodann verwendet, um die relativen Lagen und Orientierungen der Kameras zu bestimmen. Insbesondere kann, da jede Kamera anzeigt, wo sich das Ziel in Bezug auf dieselbe befindet, und da jede das gleiche Ziel betrachtet, das System berechnen, wo jede Kamera bezüglich der anderen angeordnet und orientiert ist. Dies wird eine Relativkamera-Stellungs(RCP)-Kalibrierung genannt. Diese Kalibrierung ermöglicht den Vergleich der von einer Seite des Fahrzeugs erhaltenen Resultate mit den anderen. Durch starre Anbringung der beiden Kameras in Bezug auf einander und Durchführung einer RCP-Kalibrierung mit denselben, kann so das System verwendet werden, um die Räder auf einer Seite des Fahrzeugs bezüglich der anderen Seite von diesem Punkt an zu orten. Das heißt, dass die RCP-Übertragungsfunktion angewendet wird, um das Koordinatensystem einer Kamera in das Koordinatensystem der anderen Kamera umzuwandeln, so dass ein durch eine Kamera betrachtetes Ziel direkt auf ein durch die andere Kamera betrachtetes Ziel bezogen werden kann.
Das dargestellte Inspektionsverfahren ist monokular, was bedeutet, dass durch Verwendung einer Kamera in einer Stellung Lage und Orientierung eines Zieles bezüglich der Kamera bestimmt werden kann. Dies erfordert natürlich, dass das Ziel im Blickfeld der Kamera liegt, um die Messung durchzuführen. Da aber eine Kamera zweckmäßigerweise nur eine Seite des Fahrzeugs gleichzeitig beobachten kann, ohne Reflektoren zu benutzen, wie oben beschrieben, müssen zwei räumlich getrennte Kameras verwendet werden, um beide Seiten zu betrachten. Die RCP-Übertragungsfunktion ermöglicht dann eine Koordination der von den beiden Kameras erhaltenen Informationen, um die gleiche Wirkung zu erzielen, wie wenn alle Informationen von einer einzigen Kamera erhalten worden wären. Ein Vorteil der Verwendung eines solchen Systems besteht darin, dass, da jedes Rad unabhängig inspiziert und lediglich auf die anderen zurückbezogen wird, das System unabhängig von der Höhe wird und keine Höheneinstellung des Fahrzeugtraggestells oder des Bodens erfordert. Ferner ist es nicht nötig, dass die Achsen aller Räder in der gleichen Höhe liegen, d. h. Unterschiede in der Reifengröße oder Luftfüllung beeinflussen die Messung nicht nachteilig.
Wenn bei Betrieb das System unter Verwendung des Kalibrierziels 150 gemäß 9 kalibriert worden ist, kann ein Fahrzeug auf das Gestell 133 gefahren werden, und, wenn gewünscht, kann das Fahrzeug auf eine geeignete Reparaturhöhe angehoben werden. Sodann werden die Zielanordnungen 126 an den Radfelgen befestigt und von Hand so orientiert, dass die Zieloberflächen zu den jeweiligen Kamera-/Licht-Subsystemen weisen. Anschließend werden Fahrzeug- und Modelljahr oder Baujahr in die Tastatur 120 zusammen mit anderen wichtigen Informationen eingegeben, welche die Fahrzeug-Identifizierungs-oder VIN-Nummer, die Zulassungsnummer und den Eigentümernamen usw. umfassen können. Die Datenbasis des Systems enthält Angaben für jedes Modell, das inspiziert werden kann, und nach Identifizierung des jeweiligen, zu inspizierenden Fahrzeugs werden diese Informationen herausgezogen, um ein schnelles Lokalisieren der Zielbilder zu unterstützen. Statt dessen kann die frühere Inspektionsgeschichte verwendet werden, um in gleicher Weise die Zielanordnung anzuzeigen.
Die Ziele sind höchst genau und ihre Lageorientierung relativ zur Felge des Rades, an der sie befestigt sind, ist mit einer Genauigkeit von 0,01 Zoll und 0,001° bekannt. Wenn jedes Rad fertig ist und die Klemmung perfekt angebracht ist, könnte man argumentieren, dass die Radachse senkrecht (90° in allen Richtungen) zur Radebene liege, die durch die Felgenkante bestimmt ist. Da jedoch Räder normalerweise nicht perfekt sind und Ziele nicht immer perfekt montiert werden, wird diese Information nur Orientierung und Lage der Radebene anzeigen und nicht notwendigerweise eine genaue Information zur Orientierung der Radachse geben. Diese Annahme wird daher nicht gemacht. Durch Rollen des Rades aus einer Stellung in eine andere kann jedoch ein neues Bild aufgenommen werden, und aus Lage und Orientierung des Zieles in den zwei Stellun gen kann die tatsächliche Lage und Orientierung der Radachse berechnet werden.
In gleicher Weise werden zur Berechnung der Lenkachse (um die die Räder sich drehen, wenn das Lenkrad gedreht wird) zwei Ziellagen abermals verglichen, eine mit den Rädern auf eine Seite gedreht und eine mit den Rädern auf die andere Seite gedreht. Die Berechnung der Achse, um welche die Räder sich bewegt haben müssen, gibt so die Lage und Orientierung der Lenkachse an.
Wenn man nun weiß, wo jede Radachse angeordnet und wie sie orientiert ist, wo die Lenkachsen angeordnet sind und wie sie orientiert sind, kann das Fahrzeug mathematisch in drei Dimensionen entworfen werden und die Ausrichtwerte in Spur, Sturz, Nachlauf, Schubwinkel usw. können in Bezug auf das Fahrzeug selbst angezeigt werden.
Wenn die Ziele an jedem Rad eingebaut sind und das System eingeschaltet ist, steht genug Information zur Verfügung, um ein Bild zu erzeugen, wie es in 2a dargestellt ist. Da jedoch, wie oben ausgeführt, die Drehachse der Räder nicht genau senkrecht zur Radebene stehen kann, wie sie durch den Außendurchmesser der Felge definiert ist, an welcher die Zielanordnung befestigt ist, wird die Bedienungsperson des Systems instruiert, das Fahrzeug vorwärts oder rückwärts um 6 oder 8 Zoll zu bewegen, um die Räder um etwa 30° zu drehen. Mit Messungen, die von wenigstens zwei verschiedenen Radstellungen aufgenommen sind, kann das System optisch genug Informationen erhalten, um die wahre Achsenlage und -orientierung für jedes Rad zu bestimmen. Höchst genaue Berechnungen können sodann ausgeführt und auf einem aktualisierten Bildschirm dargestellt werden, wie in 2a gezeigt.
An dieser Stelle kann das aktuelle Ausrichtverfahren durch die Bedienungsperson weitergehen, und da die Inspektion kontinuierlich verläuft, werden die Resultate jeder Einstellung am Bildschirm des Systems wiedergegeben. Bei einer Ausführungsform kann die Bedienungsperson verschiedene Unterstützungswerte auswählen, einschließlich aktueller Darstellungen der Lage und der einzustellenden Teile, um eine Korrekturwirkung vorzunehmen. Diese Information kann auch die geeignete Wahl des zu verwendenden Werkzeugs umfassen.
Da, wie oben ausgeführt, jede Kamera auf die andere bezogen ist, ist es nicht erforderlich, dass das Unterstützungsgestell gerade liegt oder sogar, dass alle Räder innerhalb der gleichen Ebene liegen. Obwohl jedoch jede Radinspektion unabhängig von den anderen ist, muss eine Bezugsebene identifiziert werden. Dies kann erreicht werden, indem eine Bezugsebene definiert wird, die durch die Achsen geht. Da aber eine der Achsen nicht in der von den anderen drei definierten Ebenen liegen kann, müssen einige Freiheiten genommen werden. Beispielsweise könnte man zum Zweck der Ausrichtung der Vorderräder die Ebene benutzen, die von den Vorderachsen und dem Durchschnitt der Hinterachsen definiert wird. Ein gleicher Vorgang könnte mit Bezug auf die Hinterräder angewendet werden, usw. Die Radausrichtung würde sodann auf diese Ebene oder Ebenen bezogen werden. Ferner würden die Radlageund Schublinienmessungen ebenfalls auf diese Ebene oder Ebenen bezogen werden. Ferner ist es in Folge der Unabhängigkeit der Messung, wenn einmal die Bezugsebene definiert ist, wenn eines der Ziele sichtmäßig versperrt ist oder locker wird oder auch von einem Rad abgefallen ist, nicht erforderlich, Messungen in Verbindung mit den anderen Rädern zu beeinflussen.
Die Verwendung eines einzigen Kalibrierungsziels, wie es bei 150 in 9 dargestellt ist, kann jedoch in einigen Fällen problematisch werden. Beispielsweise muss die Orientierung der zwei Kameras 122, 124 so eingestellt werden, dass beide Kameras das gleiche Ziel sehen können; d. h. die Gesichtsfelder oder Betrachtungsfelder der Kameras müssen sich an der Stelle des Ziels 150 decken. Da es erwünscht ist, dass die Kameras ein möglichst enges Betrachtungsfeld haben, beispielsweise um die Empfindlichkeit zu optimieren und die optische Verzerrung zu reduzieren, muss das einzige Ziel eventuell in einem ziemlich großen Abstand von den Kameras angeordnet werden, damit es innerhalb der Betrachtungsfelder beider Kameras liegt. Daher kann es notwendig sein, das Ziel groß, unhandlich und teuer zu machen.
Erfindungsgemäß können jedoch die oben beschriebenen Nachteile bei einer Kalibrierung mit einem einzigen Ziel durch die Verwendung einer Kalibrierungszielanordnung überwunden werden, wie sie bei 160 in den 12a–12d dargestellt ist. Die dargestellte Anordnung besteht aus einem vorderen Ziel 162 und einem hinteren Ziel 164, die jeweils freitragend an den entgegengesetzten Enden einer geeignet geformten starren Stützstruktur angebracht sind, welche durch einen zweistückigen Teleskopbalken 166, 167 gebildet ist, welcher an aufrechten Stützbeinen 168 und 169 starr befestigt ist. Die Balkenteile 166 und 167 können bei einer gewünschten Ausdehnung durch eine geeignete Schraubenklemme 165 oder dergl. starr miteinander verriegelt sein. Das untere Ende des Beins 168 ist mit einer Basis 170 versehen, die sich seitlich zu einer Seite des Beines erstreckt. Die Basis 170 ist mit einem Stützkissen 171 versehen, das unter seinem distalen Ende angeordnet ist. Das untere Ende des Beins 169 ist mit einer Ba sis 172 versehen, die sich auf beide Seiten des Beins 169 erstreckt und ein Stützkissen 173 aufweist, das unter einem Ende derselben angeordnet ist, wobei ein Kippmechanismus 174 mit zwei Einstellungen am anderen Ende befestigt ist. Wie weiter unten erläutert, ist der Kippmechanismus 174 eine einfache verstellbare Unterstützung, die in einer Stellung eine horizontale Lage der Basis 172 bewirkt und in einer zweiten Stellung eine leichte Kippung der ganzen Anordnung in eine neue Orientierung bewirkt, um eine Prüfung einer vorher berechneten Kalibrierung zu ermöglichen.
Es wird bemerkt, dass, da die Ziele 162 und 164 sich beide seitlich auf die gleiche Seite des Balkens 166, 167 erstrecken, der Schwerpunkt der Struktur auf einer Seite des Balkens 166, 167 liegt. Dementsprechend sind die drei Unterstützungen 171, 173 und 174 in einer unausgeglichenen Beziehung zur Balkenmittellinie, um dem Ungleichgewicht entgegenzuwirken, das durch die auf der Seite montierten Ziele hervorgerufen wird.
Obwohl die Ziele 162 und 164 zur Vereinfachung mit ebenen Oberflächen dargestellt sind, ist zu verstehen, dass sie tatsächlich mit optisch erfassbaren geometrischen Formen der oben beschriebenen Art versehen sind. Die Zieloberflächen sind mit einer Winkeleinstellung von normalerweise 45° bezüglich der Längsachse des Balkens 166, 167 aus weiter unten erläuterten Gründen angeordnet. Es wird bemerkt, dass das hintere Ziel 174 etwas größer ist als das vordere Ziel 162, um die Abstandsdifferenz zur Kamera zu kompensieren.
Ferner sind am Balkenteil 167 einfache C-förmige Handgriffe 176 und 177 befestigt, die verwendet werden können, um die Anordnung anzuheben, zu tragen oder sie von einer Stellung in eine andere zu bewegen.
Bei Verwendung ist die Anordnung normalerweise ausgefahren, wie in 12a durch die ausgezogenen Linien dargestellt; jedoch kann, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, durch Lösen der Klemme 165 der Balkenteil 166 in den Balkenteil 167 teleskopartig verschoben werden, um eine kompaktere Anordnung für den Transport oder die Lagerung zu haben.
Anhand der 13 und 14 wird das verbesserte Kalibrierungsverfahren gemäß der Erfindung beschrieben, welches die Anordnung 160 benutzt. Nachdem das Autohebegestell 180 in eine normale Inspektionshöhe angehoben worden ist, und die Anordnung 160, wie angedeutet, auf der linken Gestellspur oder -schiene 181 angeordnet ist, befinden sich sowohl das vordere Ziel 162 als auch das hintere Ziel 164 innerhalb des Betrachtungsfeldes der Kamera 122. Kein Ziel liegt notwendigerweise innerhalb des Betrachtungsfeldes der anderen Kamera 124. Da die Ziele 162 und 164 sich nun in Lagen ähnlich denjenigen der Ziele auf der linken Seite befinden, die vorher mit Bezugnahme auf 9 beschrieben wurden, wird bemerkt, dass die Kamera 122 die Lagen und Orientierungen der Ziele bezüglich ihrer eigenen Lage und der optischen Achse sowie zueinander durch Anwendung der oben beschriebenen Verfahren optisch beleuchten und erfassen können. Aber an dieser Stelle ist das System noch nicht „kalibriert", da die genaue Lage und Orientierung der Kamera 124 relativ zur Kamera 122 noch nicht bekannt ist. Da jedoch nunmehr die Trennung zwischen den Zielen 162 und 164 bekannt ist. und ihre Winkelbeziehung zueinander bekannt ist, indem einfach die Anordnung 160 angehoben und in überbrückender Beziehung quer zu den Gestellspu ren 181 und 182 angeordnet wird, wie in 14 dargestellt, so dass das Ziel 164 nunmehr innerhalb des Betrachtungsfeldes der Kamera 122 liegt und das Ziel 162 innerhalb des Betrachtungsfeldes der Kamera 124 liegt, können die zwei Kameras jeweils ihre Lage und Orientierung relativ zu den Zielen 164 und 162 bestimmen. Und da, wie oben angegeben, die Trennung und relative Orientierung der Ziele sowohl bekannt als auch fixiert ist, kann das System die Orientierung und Lage der Kamera 124 relativ zur Kamera 122 genau berechnen.
Das System ist daher jetzt kalibriert. Als Prüfung kann jedoch der Techniker einfach die Anordnung 160 auf dem Gestell 180 neu anordnen oder neu orientieren und das System veranlassen, die relativen Kamerastellungen neu zu berechnen. Eine Weise, eine solche Neuorientierung zu bewirken, besteht darin, einfach den Kippmechanismus 174 in seine andere Stellung zu ziehen; eine andere Art besteht darin, die Anordnung auf dem Gestell um einen Fuß oder dergl. zurückzusetzen. Wenn keine Änderung in der Berechnung der Kamerastellung erfolgt, kann die Kalibrierung als genau ausgeführt betrachtet werden. Das gewährleistet auch, dass die Anordnung starr geblieben ist und beim Neuanordnen in der Abmessung unverändert blieb.
Unter den Vorteilen der Anwendung dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung zum Kalibrieren sind die folgenden:

(1) Es können kleinere Ziele verwendet werden (im Vergleich zu der vorher beschriebenen Vorgehensweise mit einem einzigen Ziel).
(2) Die Kalibrierungsziele können näher an den Kameras angeordnet werden, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens verbessert wird.
(3) Die Betrachtungsfelder der Kameras müssen sich nicht überdecken oder überlappen.
(4) Die Anordnung muss nur während des Kalibrierungsvorgangs starr gehalten werden; danach kann sie in eine kleinere Form zusammengeschoben werden.
(5) Die Anordnung muss nicht in einer hohen Toleranz der relativen Zielorientierung und -lage gehalten werden; die relative Ziellage der Struktur ist im ganzen Feld kalibriert.

Obwohl die in den 12 bis 14 dargestellten Ziele mit einer ebenen Form dargestellt sind, ist zu verstehen, dass auch andere geeignete Zielformen in gleicher Weise verwendet werden können, solange sie Merkmale aufweisen, die eine optische Bestimmung von Lage und Orientierung des Zieles durch die Kameras 122, 124 oder andere optische Inspektionseinrichtungen ermöglichen. Ferner müssen die Ziele nicht notwendigerweise auf einer Seite des Balkens 160 angebracht werden. Sie könnten beispielsweise oberhalb oder unterhalb des Balkens in irgendeiner geeigneten Weise angebracht werden, welche eine unbehinderte Betrachtung durch die Kameras ermöglicht, wenn die Anordnung in den oben beschriebenen Kalibrierungsstellungen angeordnet ist. Ein Vorteil der beschriebenen Struktur ist jedoch, dass die gleichen Ziele oder die gleiche Art von Zielen, die bei den nachfolgenden Radausrichtvorgängen verwendet werden, am Balken 160 in der gleichen Weise und unter Anwendung der gleichen Befestigungstechniken, die zum Montieren der Ziele an den Autorädern verwendet werden, befestigt werden können.
Nachdem nun einige Ausführungsformen von optoelektronischen Vorrichtungen beschrieben wurden, die geeignet sind für die Verwendung zur Ausrichtung der Räder eines Fahrzeugs, und nachdem herausgestellt wurde, dass die Lage und Orientierung jedes Ziels und zugeordneten Rades unabhängig von den anderen Zielen (und Rädern) bestimmt werden kann, wird vom Fachmann erkannt werden, dass durch Änderung der Zielbefestigungsstruktur, um den Zielen zu ermöglichen, an anderen bestimmten Punkten am Fahrzeug oder an einer anderen Art von Struktur, wie z. B. einer Gebäudestruktur, einem hergestellten Artikel, einem Roboterarm oder auch in einem territorialen Raum befestigt zu werden, das gleiche System verwendet werden kann, um die relative räumliche Anordnung oder Ausrichtung der verschiedenen Stellen zu messen, an denen die Ziele befestigt sind. Zum Beispiel im Fall eines Kraftfahrzeugs oder dergl. könnte man das beschriebene System zur Vermessung des Fahrzeugchassis oder der körperlichen Ausrichtung oder vielleicht der Fahrhöhe verwenden. Und da die Daten mit hoher Geschwindigkeit aktualisiert werden können, können „Büttel"-Messungen (eine Messung der Aufhängungsdynamik) durchgeführt werden. Im Fall von hergestellten Artikeln könnte man wünschen, ein Ziel in der Form eines Etiketts unterzubringen und das Etikett an Teilen oder an einer Anordnungslinie zu befestigen und sodann die Vorrichtung zu benutzen, um Lage und/oder Orientierung des Artikels zu verfolgen, wenn er sich längs der Linie oder Straße bewegt. Im Fall eines Roboterarms könnten ein oder mehrere Ziele verwendet werden, die an verschiedenen bewegten Teilen befestigt sind, um die Bewegung des Arms genau zu verfolgen, wenn Gegenstände oder Objekte von demselben getragen werden. Im Fall von Gebäudestrukturen könnte man ein erfindungsgemäßes System benutzen, um verschiedene Punkte der Struktur relativ zu anderen Punkten zu bestimmen oder deren Ausrichtung aufrecht zu erhalten. Im Fall eines territorialen Raumes könnte man das System benutzen, um topologische Forschungen der Konturen der Erdoberfläche durchzuführen.
Es ist ferner ersichtlich, dass mehr als zwei Kameras verwendet werden könnten, um Gegenstände oder Betrachtungsfelder zu inspizieren, die nicht leicht mit einer oder zwei Kameras zu inspizieren sind. In einem solchen Fall würde ein Kalibrierungsverfahren mit einer RCP-Übertragungsfunktion ähnlich der oben beschriebenen folgen.
Weitere Merkmale
Wie oben angegeben, kann diese Vorrichtung auch verwendet werden, um den Zustand des Stoßdämpfers eines Fahrzeugs zu bestimmen. Dies wird durchgeführt, indem zuerst das Fahrzeug „gerüttelt" wird. Das Rütteln eines Fahrzeugs ist ein normaler Schritt bei Ausrichtvorgängen oder in diesem Zusammenhang beim Prüfen der Stoßdämpfer, und umfasst das Ausüben einer einzigen vertikalen Kraft auf das Fahrzeug, indem beispielsweise nach unten auf die Haube des Fahrzeugs gedrückt und das Fahrzeug losgelassen wird, um dasselbe zu veranlassen, nach oben und unten zu schwingen. Als Zweites, wenn das Fahrzeug nach oben und unten schwingt, nimmt die erfindungsgemäße Vorrichtung Ablesungen der Ziele an jedem der Räder auf. Dabei kann die Bewegung der Ziele, welche eine gedämpfte Wellenform bilden, überwacht werden, um das Ausmaß der Dämpfung zu bestimmen. Wenn die Dämpfung nicht ausreicht (d. h. die Aufwärts- und Abwärtsbewegung oder das Schwingen des Fahrzeugs nicht bald genug aufhört), zeigt dies an, dass die Stoßdämpfer fehlerhaft sind.
Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft dafür, dass eine Bestimmung bezüglich der Fehlerfreiheit eines bestimmten Stoßdämpfers gemacht werden kann; das Resultat kann der Bedienungsperson der Ausrichtvorrichtung mittels des Computers 32 angezeigt werden.
Es ist ersichtlich, dass bei der Bestimmung des Zustandes von Stoßdämpfern des Fahrzeugs jeder geeignete Teil des Körpers des Kraftfahrzeugs ausgewählt werden kann, um die Schwingung des Fahrzeugs zu überwachen. So kann man beispielsweise die Vorrichtung auf den Rand des Radgehäuses oder statt dessen auf ein schmales Ziel fokussieren, das an einer geeigneten Stelle am Körper oder Gehäuse des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Ferner kann diese Vorrichtung verwendet werden, um die Fahrhöhe des Motorfahrzeugs zu berechnen. Dieser Parameter ist insbesondere bei der Bestimmung der Ausrichtung der Räder von Fahrzeugen, wie Lieferwägen, wichtig, welche in Betrieb eine Last tragen können. Diese Last hätte die Wirkung, das Fahrzeug abzusenken, und es ist daher zu bevorzugen, dies während der Ausrichtvorgänge zu ermöglichen. Traditionell wird die Fahrhöhe oder Höhe des Chassis des Fahrzeugs vom Boden bestimmt, indem sie physisch mit einem Gerät, wie einem Bandmaß, gemessen wird. Diese Messung wird dann mit Standardtabellen verglichen, welche einen Kompensationsfaktor für das jeweilige Fahrzeug ergeben.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung können jedoch diese Messung direkt machen, indem ein geeigneter Teil des Körpers betrachtet und seine Höhe vom Prüfbett bestimmt wird, auf dem das Fahrzeug aufruht. Wenn diese Höhe bestimmt worden ist, kann sie mit Standardtabellen verglichen werden, die innerhalb des Computers gespeichert sind, der wiederum den Kompensationsfaktor erzeugen kann.
Vorteile
Ein allgemeiner Vorteil der oben beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass sie verhältnismäßig einfach zu benutzen ist, da keine empfindliche mechanische oder elektronische Ausstattung an den Rädern des betreffenden Kraftfahrzeugs befestigt werden muss. Da die empfindliche und anfälli ge Ausstattung innerhalb eines Gehäuses montiert ist, das unabhängig und im Abstand vom zu untersuchenden Kraftfahrzeug steht, kann kein Schaden an ihr verursacht werden, wenn das Kraftfahrzeug beispielsweise von den Radführungen weggefahren werden würde. Während die Meßköpfe nach dem Stand der Technik aus der Kalibrierung durch einfaches Stoßen oder Absenken herausgebrochen werden können, bedarf es einer größeren Beschädigung der an den Rädern montierten Komponenten, um die berechneten Resultate nachteilig zu beeinflussen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anlage sehr wenige Befehle der Bedienungsperson erfordert und leicht mit freien Händen durch einfache Hörsignale und gleichermaßen einfache Stimmerkennungseinrichtungen zum Empfangen und/oder Aufzeichnen von Reaktionen und/oder Befehlen der Bedienungsperson betrieben werden kann.
Das beschriebene System hat den weiteren Vorteil, dass Ausrichtbestimmungen relativ schnell durchgeführt werden können. Dies ermöglicht eine höhere Durchsatzrate innerhalb des die Ausrichtbestimmungen durchführenden Betriebs.
Noch ein weiterer Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, dass sie, wie in 4 dargestellt, oberhalb und außerhalb des Weges des zu untersuchenden Kraftfahrzeugs angeordnet werden kann. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Möglichkeiten einer Beschädigung der empfindlichen Ausrichtbestimmungsvorrichtung wesentlich reduziert sind, da die Vorrichtung sich außerhalb des Weges des Kraftfahrzeugs befindet. Ein weiterer Vorteil dieser Rusführungsform besteht darin, dass die Meßvorrichtung einen minimalen Bodenraum einnimmt und keine Teile aufweist, die den Zugang für die Vorderseite des Kraftfahrzeugs blockieren.
Da das Fahrzeug ferner unterstützt und vorwärts gefahren werden kann, hat diese Vorrichtung den Vorteil, dass es unnötig ist, das Fahrzeug aufzubocken und die erforderlichen Berechnungen für den Schlag („run-out") durchzuführen. Ferner kann die Vorrichtung verwendet werden, um eine andere Information als die relative Ausrichtung der Räder zu bestimmen. Wenn beispielsweise die Ausrichtvorrichtung mit einer geeigneten Zeichenerkennungs-Einrichtung ausgestattet ist, könnte sie zur Ablesung der Zulassungsplatte des Kraftfahrzeugs verwendet werden, was wiederum eine Information, wie Herstellung und Modell des Kraftfahrzeugs und seine Service-Geschichte (wenn verfügbar) und daher die erforderlichen Ausrichtparameter dieses Fahrzeugs ergeben könnte. Dies würde die Bedienungsperson davor bewahren, die Einzelheiten des Kraftfahrzeugs in die Vorrichtung einzugeben. Da mehrere Hersteller Strichcodes auf die Zulassungs(VIN)-Nummernplatten hinzufügen, kann eine gleiche Information auch durch optische Betrachtung und Verarbeiten der strichcodierten Platte erhalten werden. Zusätzlich würde es auch möglich sein, den Fahrzeugtyp optisch zu identifizieren, indem bestimmte Merkmale des Körpers oder der Formgebung desselben mit Informationen der Datenbasis verglichen werden.
Noch ein weiterer Vorteil des System besteht darin, dass keine Drähte, Schnüre oder Lichtbündel vor dem zu prüfenden Fahrzeug verlaufen. Da die meiste Ausrichtkorrektur gemacht wird, indem die Räder des Fahrzeugs von vorne ergriffen werden, neigen Drähte, Schnüre oder Strahlen, die vor dem Fahrzeug vorbeigehen, dazu, dem Techniker in den Weg zu gelangen. Oft sind diese Drähte, Leitungsschnüre oder Lichtbündel empfindlich gegen Störungen, und so macht ihre Abwesenheit die Korrekturarbeit der Ausrichtung viel einfacher.
Mit diesem Vorteil steht in Beziehung die Tatsache, dass keine Leitungsschnüre, Litzen oder Drähte zwischen den Zielen an den Rädern durchlaufen noch irgendwelche Drähte Strom zu den Zielen von einer entfernten Spannungsquelle liefern. Diese Abwesenheit von Drähten oder Schnüren macht wiederum die Arbeit am Fahrzeug einfacher.
Da ferner die Ziele nicht miteinander verbunden oder voneinander abhängig sind, nachdem die Zielbilder anfänglich eingefangen sind, ist es möglich, eines der Ziele gegen die Kamerabetrachtung abzusperren, ohne die Orientierungsberechnungen für die anderen Räder zu stören. Bei den bekannten Vorrichtungen, die oben beschrieben wurden, hängen alle Prüfoder Meßköpfe voneinander ab und können nicht funktionieren, wenn einer der Köpfe „ausgeblendet" ist.
Es ist für den Fachmann klar, dass das Konzept dieses Systems auf viele verschiedene Weisen ausgeführt werden kann, um die Ausrichtung der Räder eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen. So könnte beispielsweise die Vorrichtung einen Bezugspunkt für jedes Rad definieren, wobei der Referenzpunkt z. B. am Schnittpunkt der Drehachse des Rades mit diesem Rad angeordnet ist. Diese Punkte können sodann verarbeitet werden, um eine nahezu horizontale Bezugsebene zu definieren, relativ zu der die Ausrichtung der Räder berechnet werden kann.
Dieses Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass das Gestell, auf dem das Fahrzeug getragen wird, der Höhe nach nicht eingestellt werden muss, wobei dieser Vorgang eine kostspielige Vorrichtung erfordert und notwendig ist, um eine horizontale Bezugsebene zu definieren, und welcher bei bekannten Ausrichtvorrichtungen verwendet wird.

Claims

Kombination eines optoelektronischen Ausrichtsystems sowie einer Vorrichtung zum Kalibrieren dieses optoelektronischen Ausrichtsystems, wobei die Kombination umfasst: wenigstens eine erste und zweite optische Inspektionseinrichtung (122, 124), die im Abstand voneinander angeordnet sind; einen zugeordneten Datenprozessor (32), der zum Inspizieren und Bestimmen der Lage und Orientierung relativ zu den Inspektionseinrichtungen von Zielen geeignet ist, die an auszurichtenden Gegenständen, wie Fahrzeugrädern, befestigt sind, um aus dieser Bestimmung die Lage und Orientierung der Gegenstände zu erschließen, an denen die Ziele befestigt sind; ein erstes und zweites Ziel (164, 162), deren jedes vorbestimmte geometrische Merkmale aufweist, die optisch erfasst werden können; einen langgestreckten Balken (166, 167), der das erste und zweite Ziel (164, 162) in starrer Anordnung relativ zueinander und in einem vorbestimmten festen Abstand voneinander trägt, so dass, wenn der langgestreckte Balken (166, 167) relativ zu einer Arbeitsfläche derart angeordnet ist, dass sowohl das erste als auch das zweite Ziel (164, 162) innerhalb des Betrachtungsfeldes der ersten Inspektionseinrichtung liegt, das Ausrichtsystem so angeordnet und ausgebildet ist, dass es die Ziele (164, 162) optisch inspiziert, um eine erste optische Information zu erhalten, die für die Bestimmung der Lage und Orientierung jedes der Ziele (164, 162) relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung (122) brauchbar ist, und, wenn der langgestreckte Balken (166, 167) derart umorientiert wird, dass das erste Ziel (164) innerhalb des Blickfeldes der ersten Inspektionseinrichtung (122) liegt und das zweite Ziel (162) innerhalb des Blickfeldes der zweiten Inspektionseinrichtung (124)liegt, das Ausrichtsystem so ausgebildet und angeordnet ist, dass es die Ziele (164, 162) optisch inspiziert, um eine zweite optische Information zu erhalten, die zur Bestimmung der gegenwärtigen Lage und Orientierung des ersten Zieles (164) relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung (122) und der gegenwärtigen Lage und Orientierung des zweiten Zieles (162) relativ zu der zweiten Inspektionseinrichtung (124) brauchbar ist, wobei das Ausrichtsystem so ausgebildet und angeordnet ist, dass es die erste und zweite optische Information benutzt, um die genaue Lage und Orientierung der zweiten Inspektionseinrichtung (124) relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung (122) zu berechnen.
Kombination nach Anspruch 1, bei welcher die Ziele (164, 162) Flächen aufweisen, die eben sind und unter vorbestimmten Winkeln bezüglich der Länge des Balkens (166, 167) orientiert sind.
Kombination nach Anspruch 2, bei welcher jede Zielfläche unter einem Winkel von 45° relativ zur Länge des Balkens (166, 167) orientiert ist.
Kombination nach Anspruch 1, bei welcher Stützeinrichtungen (168, 169) zum Stützen des Balkens (166, 167) m einer vorbestimmten Höhe oberhalb einer Arbeitsfläche vorgesehen sind, wobei die Stützeinrichtungen (168, 169) ein Paar von vertikal ausgerichteten Stützbeinen aufweist, deren eines Ende am Balken (166,167) starr befestigt sind und deren entge gengesetzte Enden an einer Basis (170, 172) befestigt sind, die zum Stützen des Balkens (166, 167) und der daran befestigten Zieleinrichtungen (164, 162) geeignet ist.
Kombination nach Anspruch 1, bei welcher die erste und zweite Zieleinrichtung (164, 162) beide auf einer Seite des Balkens (166, 167) angeordnet sind.
Kombination nach Anspruch 1, bei welcher der Balken (166, 167) ein zweiteiliger Mechanismus ist, wobei ein Teil teleskopartig innerhalb des anderen aufgenommen ist, so dass er zur Lagerung teleskopartig zusammenschiebbar und zum Kalibrieren teleskopartig ausfahrbar ist.
Verfahren zum Kalibrieren eines optoelektronischen Ausrichtsystems mit einer ersten und zweiten optischen Inspektionseinrichtung (122, 124), die im Abstand voneinander angeordnet sind, und einem zugehörigen Datenprozessor (117), das zum Inspizieren und Bestimmen der Lage und Orientierung relativ zu den Inspektionseinrichtungen von Zielen (54) geeignet ist, die an auszurichtenden Gegenständen, wie Fahrzeugrädern (22L,22R,24L,24R) befestigt sind, um aus dieser Bestimmung die Lage und Orientierung der Objekte (22L, 22R, 24L, 24R) zu erschließen, an denen die Ziele (54) befestigt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen einer ersten und zweiten Zieleinrichtung (164, 162); Vorsehen einer Einrichtung (168, 169) zum Stützen der ersten und zweiten Zieleinrichtung (164, 162) in starrer Anordnung relativ zueinander und in vorbestimmtem festem Abstand voneinander; Anordnen der Stützeinrichtung (168, 169) relativ zu einer Arbeitsfläche derart, dass sowohl die erste als auch die zweite Zieleinrichtung (164, 162) innerhalb des Blickfeldes der ersten Inspektionseinrichtung (122) liegen; optisches Inspizieren der ersten und zweiten Zieleinrichtung (168, 169), um eine erste optische Information zur Bestimmung der Lage und Orientierung jeder der Zieleinrichtungen (168, 169) relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung (122) zu erhalten; Umorientieren der Stützeinrichtung (168, 169) derart, dass die erste Zieleinrichtung (164) innerhalb des Blickfeldes der ersten Inspektionseinrichtung (122) liegt und die zweite Zieleinrichtung (162) innerhalb des Blickfeldes der zweiten Inspektionseinrichtung (124)liegt, und abermals optisches Inspizieren der ersten und zweiten Zieleinrichtung (164, 162), um eine zweite optische Information zu erhalten, die zur Bestimmung der gegenwärtigen Lage und Orientierung der ersten Zieleinrichtung (164) relativ zu der ersten Inspektionseinrichtung (122) und der gegenwärtigen Lage und Orientierung der zweiten Zieleinrichtung (162) relativ zur zweiten Inspektionseinrichtung (124) brauchbar ist; und Verwenden der ersten und zweiten optischen Information, um die genaue Lage und Orientierung der zweiten Inspektionseinrichtung (124) relativ zur ersten Inspektionseinrichtung (122) zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die erste und zweite Zieleinrichtung (164, 162) Zielflächen aufweisen, die allgemein eben sind und vorbestimmte Winkelorientierung relativ zur Stützeinrichtung (168, 169) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem jede Zielfläche unter 45° bezüglich einer imaginären Linie orientiert ist, welche die erste und zweite Zieleinrichtung (164, 162) verbindet.