WO2014095142A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung der profiltiefe eines reifens - Google Patents

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WO2014095142A1
WO2014095142A1 PCT/EP2013/072925 EP2013072925W WO2014095142A1 WO 2014095142 A1 WO2014095142 A1 WO 2014095142A1 EP 2013072925 W EP2013072925 W EP 2013072925W WO 2014095142 A1 WO2014095142 A1 WO 2014095142A1
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tire
measuring
light
illumination
tread
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PCT/EP2013/072925
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Marc Luther
Guenter Nobis
Jochen Wingbermuehle
Volker Uffenkamp
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • G—PHYSICS
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
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    • G01M17/007—Wheeled or endless-tracked vehicles
    • G01M17/02—Tyres
    • G01M17/027—Tyres using light, e.g. infrared, ultraviolet or holographic techniques

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring the tread depth of at least one tire, in particular a motor vehicle tire.
  • Triangulation methods with laser scanners for profile depth measurement in a chassis dynamometer are described, for example, in DE 197 05 047 A1 and EP 1 394 503 B1.
  • DE 43 16 984 describes a method for measuring the tread depth when standing or when crossing a measuring device.
  • a triangulation sensor disposed on a movable carriage is displaced along a line transverse to the rolling direction of the tire.
  • WO 97/07380 A2 describes the use of a light-section method with one or more light sections for the measurement during the passage, in which the measuring device moves with the vehicle.
  • DE 1 809 459 describes a light section method for measuring the tread depth during the crossing.
  • the tread depth is measured along a single line parallel to the axis of rotation of the tire.
  • the method is based essentially on the examination of shadows of the profile, which are generated by an obliquely incident light source.
  • EP 04 69 948 A1 also describes a device for automatic determination of the tread depth of motor vehicles in flowing traffic.
  • Measuring device is located under the road surface. Instead of a line of light transverse to the running direction of the tire, several points of light are measured and based on luminance differences of the imaged points - - is closed to the tread depth. To increase the accuracy of several measuring devices are in the direction of travel behind each other.
  • DE 10 2009 016 498 A1 discloses a method for determining the tread depth of a vehicle tire, wherein the tire is mounted on a vehicle, in which the tire is rolled over a measuring station or placed on her.
  • the profile of the tire is optically scanned on at least one measurement line transverse to the rolling direction of the tire, reflecting a fan beam emanating from a light source on the tire surface, and a signal of the reflected fan beam is received by a sensor and the signal of the reflected fan beam is evaluated by a triangulation method becomes.
  • DE 10 2006 062 447 A1 likewise measures a region of the tire profile by means of a light-slit triangulation method while the tire rolls over a gap.
  • the method provides to guide a lighting line across the profile surface transversely to the rolling direction of the wheel by means of a prism rotating at high speed. Due to the parallel shifting line of illumination, the entire section of the tire can be scanned sequentially and at high density while the tire surface located on the gap is at rest relative to the measuring device.
  • EP 0 469 948 B1 EP 1 952 092 B1 and US Pat. No. 7,578,180 B2 describe further variants of triangulation methods for profile measurement during passage.
  • An inventive device for measuring the profile of the tread of a tire has a plurality of measuring modules, which are arranged transversely to the running direction of the tire and connected to a common evaluation device.
  • Each measuring module has at least one illumination device which is designed and arranged such that it projects at least one light line onto the profile to be measured during operation and at least one image recording device which is designed to receive at least one image of at least one region of the profile to be measured.
  • the at least one illumination device and the at least one image recording device are designed and arranged such that the illumination direction of the illumination device and the image recording direction of the image recording device are aligned neither parallel to each other nor orthogonal to the tread of the tire.
  • a method for measuring the profile of the tread of a tire with a device according to the invention comprises the steps:
  • a device according to the invention and a method according to the invention make it possible to achieve a robust and comfortable design with conventional components, in particular with marketable cost-effective surface image sensors
  • the illumination devices of the measurement modules are configured to apply a pattern comprising a plurality of light lines to the
  • the illumination devices each have at least one diffractive optical element ("DOE") to produce the light pattern Diffractive optical elements can be designed more easily than conventional optical elements to produce light line patterns, produce a uniform intensity distribution, and utilize, unlike For example, optical masks, the energy of the incident light beam almost completely.
  • DOE diffractive optical element
  • the illumination devices are designed such that the individual light lines are coded, so that they can be unambiguously identified and, in particular, unambiguously assigned to one of the measurement modules.
  • the identifiability of the individual light lines is necessary in order to achieve a high measuring accuracy in connection with a large number of lines.
  • the coding may comprise a spatial coding, a temporal coding or a combination thereof.
  • a spatial coding may e.g. be achieved by a suitably designed diffractive optical element that generates a line pattern with varying line spacing. Alternatively, the width of the lines, the line pattern and / or the line shape can be varied.
  • a temporal coding of the lines can be carried out by projecting the light lines not simultaneously but in a predetermined time sequence onto the tire profile.
  • the image recording devices each have at least one optical element which is designed to optically distort the image recording region of the image recording device, in particular to compress in the running direction of the tire and / or to widen it transversely to the running direction of the tire.
  • the predetermined receiving surface of the surface image sensor can be optimally utilized, so that the accuracy of the measurement can be improved with the same financial expense.
  • a cylindrical lens can be used as the optical element.
  • the utilization of the receiving surface of the image sensor can be improved by arranging the generally rectangular surface image sensor rotated by 90 °, so that the direction of the tire profile, - - which is parallel to the running direction of the tire, in which a higher resolution is required or desired, is imaged in the direction of the surface image sensor, which has the higher number of pixels.
  • the measuring modules are designed so that the lighting devices and image recording devices of the various measuring modules in the running direction of the tire to be measured offset from one another, ie in the running direction of the tire behind each other, are arranged. Such an offset arrangement reliably prevents the light lines of a measuring module from being projected into the measuring area of an adjacent measuring module.
  • the lighting devices of the individual measuring modules can be constructed identically.
  • the speed of the vehicle can be determined without the need for an additional sensor is required.
  • the diffractive optical elements of mutually immediately adjacent measuring modules are arranged twisted relative to one another, so that the overlapping light patterns, which are generated by the illumination devices of directly adjacent measuring modules, are coded differently. Due to the different coding, the light patterns can be clearly assigned to one of the measuring modules.
  • a diffractive optical element is formed and arranged in a first measuring module such that the distance of the light lines generated by it in
  • an identically designed diffractive optical element of an immediately adjacent second measuring module is rotated by 180 ° arranged so that the distance of the light lines of the light pattern generated by the second diffractive optical element in the direction of travel of the vehicle from behind decreases in front.
  • the diffractive optical element of a second measuring module adjacent to the third measuring module is then again arranged in the same orientation as the diffractive optical element of the first measuring module, the diffractive optical element of a fourth measuring module then has the same orientation again, as the diffractive optical element of the second measuring module etc. - -
  • overlapping regions of the light patterns of immediately adjacent measurement modules have different line spacings, so that the light lines can be unambiguously assigned to one of the measurement modules over the entire vehicle width.
  • An angle in the range of 20 ° to 45 ° represents a good compromise between the highest possible measurement accuracy and the lowest possible shadowing, both of which increase with an increasing angle between the direction of projection of the illumination device and the image pickup direction of the associated image pickup device.
  • the device includes at least one additional sensor configured to detect the approach of a tire and / or the illumination of the tire tread.
  • an additional sensor makes it possible to put the device in the measuring state in time when approaching a vehicle. At a known distance of the additional sensor
  • Sensors of the measuring device can also be determined, the approach speed of the vehicle. In this way it can be reliably determined whether a possible incorrect measurement is possibly due to an excessive vehicle speed.
  • a method according to the invention comprises determining the speed of the tire and stopping the process when an allowable maximum speed is exceeded. In this way, incorrect measurements resulting from too high a speed of the vehicle can be reliably avoided.
  • a method according to the invention additionally comprises comparing the determined tread depth with a predetermined limit value and - - to issue a warning if the specified tread depth falls below the specified first limit value. In this way, the driver of the vehicle is reliably warned if the tread depth of at least one tire falls below the minimum permissible minimum tread depth (first limit value).
  • a method according to the invention also comprises comparing the tread depths of the tires of an axle and issuing a warning if the difference between the tread depths of the tires of an axle falls below a predetermined second limit. In this way, the driver of the vehicle is reliably pointed to possible suspension problems that lead to a different wear of the tires.
  • a method according to the invention additionally comprises optimizing imaging parameters, which in particular include the illuminance of the illumination device and / or the integration time of the image recording device. In this way, it is achieved that the method is always carried out with almost optimal imaging parameters in order to achieve the highest possible quality of the image and consequently a high image quality
  • an optimal imaging geometry transverse to the running direction of the tire is also obtained for large measuring ranges, e.g. Car gauges from 1200 mm to 1800 mm, truck gauges ranging from 1600 mm to 2100 mm through to trucks and trucks with dual tires, ensuring that the method and apparatus for cars of all kinds, but also for trucks, buses and for multi-axle vehicles can be used.
  • the proposed modular design allows for easy provision of measuring systems with gap-free measuring ranges of any size adapted to the respective requirements.
  • the invention provides a robust solution that can handle even harsh test conditions.
  • the device has no moving parts and thereby avoids the wear on moving parts. - -
  • a device according to the invention can easily at a variety of locations, esp. Also in driveways, e.g. from garages, gas stations, drive-in, drive-thru, parking lots.
  • the measurement on the rolling vehicle (wheel) provides a solution that is comfortable for the operator of the measuring point and for the driver.
  • the measurement takes place from below, minimizing potentially disturbing light effects on the environment. Fluctuating ambient light (day, night, sun, clouds, ...) is compensated by an optimized lighting. By adjusting the illumination intensity and integration time, under- and overexposure is avoided.
  • Measurement in the tire footprint from below through a slot in the device avoids measurement errors due to profile deformation in the loaded footprint.
  • the measurement takes place virtually on a statically stationary wheel, thereby measurement errors are avoided by motion blur.
  • the visualization of the test result in the form of a traffic light and additionally a verbal action recommendation for the driver facilitates the operability and avoids errors in the assessment of the measurement results.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the measuring principle used here for profile depth measurement.
  • Figure 2 shows a schematic, perspective view of a measuring station for profile depth measurement.
  • FIG. 3 shows an arrangement for measuring the tread depth in a schematic side view.
  • Figure 4a shows a section perpendicular to the plane of the road through the center of the tire orthogonal to the direction of travel of the vehicle.
  • FIG. 4b shows an enlarged detail of FIG. 4a.
  • Figure 5 shows a section of a tire with a tread groove and the geometric relationships of shadowing.
  • FIG. 6 shows a section through a device for profile depth measurement with four image recording devices.
  • Figures 7a and 7b illustrate an improved utilization of a surface image sensor by a distorted optical image.
  • Figures 8a and 8b illustrate improved utilization of a surface image sensor by an alternative distorted optical image.
  • Figure 9 is a graph showing the proportion of erroneous measurements as a function of the number of light lines projected. - -
  • Figure 10 illustrates a measurement with lines of light whose distances to the respective adjacent lines vary.
  • Figure 1 1 shows a schematic view of a device for measuring the tread depth in or on a roadway transverse to the direction of travel of a motor vehicle.
  • FIG. 12 shows a side sectional view of a device for measuring the tread depth arranged in an overflow channel.
  • FIG. 13 shows a measuring device with four identical measuring modules arranged next to one another in an overflow channel with a common slot in the top view.
  • FIG. 14 shows a measuring device with four measuring modules arranged side by side in a conveyor channel, which are each arranged rotated through 180 ° relative to one another, in plan view.
  • Figure 1 illustrates in a schematic representation of the measuring principle for profile depth measurement using the light-cut triangulation method on a tire 12 with a simplified representation of the profile of the tire 12 with five longitudinal grooves R1, R2, R3, R4, R5.
  • An object coordinate system K is oriented such that the depth extent of the profile is aligned parallel to the Z axis of the object coordinate system K.
  • An illumination device 4 projects at least one light line 6 onto the tread of the tire 12 formed with a profile.
  • An image acquisition device 18 is equipped with an objective, not shown in FIG. 1, and with a surface image sensor 8 (eg a CCD or CMOS image sensor) , Due to the different perspective between the illumination device 4 and the image recording device 18 and the difference in depth between the tire tread and the groove bottom, the light line 6 projected onto the profile is imaged on the surface image sensor 8 of the image recording device 18 in the form of staggered line segments 6a.
  • a surface image sensor 8 eg a CCD or CMOS image sensor
  • FIG. 2 shows a measuring station with a roadway 16 in which two slots 14 are formed in the track of a vehicle 10 approaching in the direction of travel F. The measurement takes place while the vehicle 10 with its wheels or tires 12 travels over at least one of the oblong slots 14 which are formed in the roadway 16 and oriented in their longitudinal extent transversely to the running direction of the tires 12 of the motor vehicle 10.
  • the slots 14 have transversely to the direction of travel F of the vehicle 10 has an extent (length) L, which corresponds at least to the width of the maximum footprint of the tire 12 to be measured.
  • L extent
  • gauges of the vehicles to be measured 10 in order to allow an automatic measurement of the largest possible number of different vehicle types. If the measuring device should also be suitable for commercial vehicles, in particular, the variance of the gauges and
  • the width B of the slots 14 parallel to the direction of travel F is on the one hand to choose much smaller than the smallest footprint of typical tires 12, on the other hand, the width B of the slots 14 should also be chosen so that the ride comfort is not affected unpleasantly.
  • the slots 14 make it possible to perform the measurement of the tread depth in an unloaded portion of the tread of the tire 12 to be tested. This has the advantage that measurement errors due to the wheel load of the tire
  • Vehicle 10 would inevitably caused bruising of the tire material in the footprint of the tire 12 would be avoided.
  • a measurement in the area of the footprint of the tire 12 virtually corresponds to a measurement at rest, because each point of the tread of the tire 12 moves during rolling on the roadway 16 along a cycloid with the physical property that its speed at the contact point is zero , This has the advantage that there is no additional measurement uncertainty due to motion blur.
  • Another advantage of measuring the upstanding tire tread from below through a slot 14 is that the ambient light is largely shielded by the body of the vehicle 10 and the tire 12 itself - - and the measurement is thereby largely independent of changing environmental conditions (such as day, night, sun, clouds, ...) is.
  • a slot 14 with a length L between 500 mm and 700 mm and a width B between 30 mm and 50 mm has proven to be well suited on each vehicle side.
  • the illumination device 4 and the image recording device 18 are arranged such that the measuring range of the image recording device corresponds to the slot 14 in the roadway 16.
  • the measuring principle requires a fixed, unchangeable association between the object (tire 12) and the illumination device
  • the measuring system is also to calibrate.
  • FIG. 3 shows an arrangement for measuring the tread depth in a schematic side view.
  • the angle ⁇ denotes the angle between the plane 5, in which the light is projected by the illumination device 4 on the tire profile, and the imaging plane 7 at the object point P.
  • the accuracy of the light-slit triangulation method depends on the imaging geometry (magnification, intersection angle of the spatial beams) and the quality of the line-point determination, which is referred to as the point-measuring accuracy spx.
  • the point measurement accuracy spx is not only dependent on the image measurement algorithm used to detect the light line 6, but also includes measurement uncertainties caused by the surface texture, reflections or speckle effects of the illumination. Under optimal conditions and when the width of the imaged light line 6 on the
  • Surface image sensor 8 extends over several pixels, a subpixel dot measurement accuracy spx of 1/3 pixels can be achieved by interpolation.
  • Formula 1 ) - - enables an estimation of the depth measurement accuracy dZ of an optical 3D triangulation system.
  • mb is the scale of magnification between object space and image space
  • ⁇ intersection angle between the light plane 5 and the imaging beam 7 at the object point P.
  • the arrangement of the illumination device 4 and the image recording device 18 shown in FIG. 3 additionally has the advantage that the devices 4, 18 are well protected from dirt that might fall through the slot 14.
  • the lighting device 4 is aligned so that the light lines 6 are projected parallel or nearly parallel to the longitudinal side of the slot 14 transversely to the direction of travel F of the vehicle 10 and to the running direction of the tire 12 on the tread.
  • FIG. 4a shows a section perpendicular to the plane of the road 16 through the center of the tire 12 orthogonal to the direction of travel F of the vehicle 10.
  • the profile of the tire 12 is shown by way of example in simplified form with five longitudinal grooves R1, R2, R3, R4, R5.
  • a light line 6 projected onto the profile of the tire 12 by the illumination device 4 (not shown in FIG. 4 a) is picked up by the surface image sensor 8 of the image recording device 18.
  • the enlarged representation of the tire profile in FIG. 4b clarifies that, depending on the width and depth of the grooves R1, R2, R3, R4, R5, in the case of - - jection of the light lines 6 with increasing opening angle ⁇ of the image pickup device 18 shadowing 20 occur that make a profile depth measurement impossible from a certain opening angle ⁇ , since the bottom of the grooves R1, R2, R3, R4, R5 is not or only insufficiently illuminated.
  • FIG. 5 shows a section of a tire 12 with a profile groove R1 and the geometrical relationships of the shading 20.
  • a tabular overview of the resulting shading 20 percent of the groove width as a function of the groove width, the tread depth and the opening angle ⁇ shows that the shading 20 is limited to a maximum of 27% with a groove depth of 8 mm.
  • the measuring accuracy increases as the tread depth approaches or falls below the critical warning value of the legally prescribed minimum depth.
  • the measurement accuracy can also be increased by increasing the number of light lines 6 projected onto the profile. Instead of measuring a complete groove bottom with a single light line 6, four light lines 6 with only 25% measurable groove bottom theoretically can provide the same measurement result for this groove. Due to expected erroneous - -
  • Measurements are a significantly larger number of light lines 6 advantageous, as will be explained below.
  • Typical automobile tire treads generally have longitudinal grooves and slits extending obliquely thereto, which systematically return recurring blocks with a
  • Size of 4 mm to 8 mm form In order to be able to reliably detect structures of this size in the image of the image recording device 18, an image with a resolution of at least 2-3 pixels / mm is selected.
  • the image of a measuring range of 700 mm, defined by the slit length L, at 3 pixels / mm thus requires a surface image sensor 8 with a resolution of 2100
  • Corresponding surface image sensors 8 are available on the market. However, the commercially available on the market surface image sensors 8 have the
  • a typical passenger tire 12 has a circumference of about 2000 mm and a lap length (tire tread length) of about 100 mm.
  • the tire profile for the image pickup device 18 through the slot 14 is visible for about 0.025 seconds, so that the image pickup device 18 must be designed for a frequency of at least 40 frames per second.
  • a distance D between the tire tread and the surface image sensor 8 (recording distance) of about 1 meter is required. Such a recording distance requires a space of appropriate size or other design measures.
  • FIG. 6 shows by way of example such an arrangement with four image recording devices 18 each having a surface image sensor 8 available on the mass market with a sensor format of 640 pixels x 480 pixels of size 7.5 ⁇ m x 7.5 ⁇ m, which by default has images with a Recording frequency of up to 60 frames per second are equipped.
  • the recording distance 640 pixels x 480 pixels of size 7.5 ⁇ m x 7.5 ⁇ m, which by default has images with a Recording frequency of up to 60 frames per second are equipped.
  • D1 decreases to about 240 mm in such an arrangement, resulting in a magnification of mb ⁇ 36.
  • the expected depth measuring accuracy for the profile measuring device can be estimated as follows:
  • This estimation shows that with a device as shown in FIG. 6, the measurement accuracy of ⁇ 0.2 mm provided for a corresponding measuring system can be achieved, even if the subpixel measuring accuracy spx would deteriorate due to interference effects.
  • the width B of the slot 14 is only 50 mm, as can be seen in FIG. 7a, nearly two-thirds of the available image-receiving area of the surface image sensor 8 is not utilized.
  • linear optic 22 e.g. a cylindrical lens 22, which is arranged in the beam path 7, between the surface image sensor 8 and the slot 14 and which has refractive power only in one spatial direction, are remedied.
  • FIG. 7b shows such a cylindrical lens 22 in the beam path 7 of the image recording device 18, which compresses the field of view of the surface image sensor 8 in the direction of travel F and thereby brings about a beneficial increase in the resolution B in the width B of the slot 14 to approximately 10 pixels / mm.
  • Another concept is to reduce the recording distance D1, for example to a recording distance D2 ⁇ D1, so that the object window 24 is only about 50 mm ⁇ 37 mm and the 50 mm of the width B of the object window 24 to the 640 pixels of the surface image sensor 8, as shown in FIG. 8a.
  • a further advantage of the arrangement shown in FIG. 8b is that typical distortion errors and shadowing of the cylindrical lens 23 in FIG. 8b
  • the normal imaging optics of the image pickup device 18 is combined with the linear optics 22, 23 to form a common optical system, which in the
  • Directions parallel and transverse to the direction of travel F has a different refractive power. Since the receiving device 18 is provided in this case with only a single lens that combines the properties of the image pickup device 18 and the linear optics 22, 23 together, simplifies the
  • abrasion indicators are integrated according to a legal guideline, which rise relative to the groove bottom by the amount of the legally prescribed minimum tread depth.
  • Estimators for increasing the efficiency of estimation methods are known from mathematical statistics. Due to the sometimes prescribed arrangement of the abrasion indicators and their typical extension of about 6 mm to 10 mm in the direction of travel, the measured values in the proposed measuring window with a slot width of 50 mm can have a theoretical outlier ratio of 20%. Depending on the arrangement of the abrasion indicators and the random position of the abrasion indicators in the region of the slot 14 at the time of the measurement, which can be selected to a certain extent by the tire manufacturer, the outlier fraction can, in the favorable case, have a value of 0% and unfavorable in only a few lines
  • the success of the outlier test is also dependent on a limit to be specified up to which limit a measured value is not considered an outlier.
  • Abrasion indicators for most tire profiles in the direction of about 10 mm have expansion that can be easily segmented at a high number of lines 6. Furthermore, there is also the possibility of being able to give indications of damage such as erosion or saw tooth formation in the profile or the one-sided wear of the profile as a result of a faulty
  • the high sampling density can be used to differentiate on the basis of the different profile structures, whether it is a summer, winter or all-season tire.
  • the width of a light line 6 in the image on the surface image sensor 8 is dependent on the quality of the imaging optics of the illumination device 4 and the image recording device 18, the surface roughness and other effects such as stray light and speckle. Image effects can therefore be tolerated if they systematically contribute to line broadening.
  • the width of an imaged light line 6 is critical to the line point measurement accuracy. From the requirement of an optimal line width of approximately five pixels for line point measurement in the subpixel range and assuming a minimum distance of one pixel for separating the light lines 6, it can be deduced that theoretically a maximum of 106 light lines 6 are possible if, as described in the example , on the surface image sensor 8 640 pixels are available.
  • the suitable width of the projected light lines 6 is therefore dependent on the imaging geometry and system immanent aberrations and is determined so that all line factors in the image on the area image sensor 8 of about five pixels and at least thirty
  • Light lines 6 can be displayed.
  • Image pickup device 18 on the object a clear assignment of the image of a light line 6a on the surface image sensor 8 to a projected light line 6 no longer readily possible.
  • the displacement of the light beam 5 in the image resulting from the object depth and the recording geometry must be less than the distance of the imaged lines 6a in the image.
  • the limit of unambiguous assignment is achieved at a maximum of twenty light lines 6 with an available resolution of 640 pixels for light lines 6 with a constant distance from each other.
  • a reduction of the cutting angle ⁇ increases the possible number of light lines 6, in which the uniqueness of the assignment is maintained.
  • formula (2) also shows that the depth measurement accuracy decreases at a smaller cutting angle ⁇ .
  • high measurement accuracy is - - given a large cutting angle ⁇ ⁇ 40 ° preference and for the unambiguous assignment of a high number of light lines 6, which have shifted in the picture by the above conditions, an encoding of the light lines 6 is performed as an additional measure to resolve ambiguities ,
  • a first, simple possibility of spatial line coding is a variation of the distances between adjacent light lines 6, i. the
  • Lighting device 4 illuminates the part of the to be measured
  • FIG. 10 shows, by way of example, a plurality of light lines 6 whose distances to the respectively adjacent line increase continuously from the middle line to the left and right edges.
  • the line segments imaged on the image area sensor 8 are not shown in FIG. 10 in order to keep the representation simple.
  • one or more diffractive optical elements 46 may be used.
  • An alternative embodiment provides a temporal coding of the light lines 6 or a combination of a spatial and temporal coding of the light lines 6.
  • a number of uniquely definable light lines 6 are multiply, but temporally and spatially offset, projected onto the profile section to be measured.
  • the illumination frequency of the illumination device 4 and the recording frequency of the image recording device 18 must be synchronized accordingly. Also increases the number of required lighting devices 4, unless a programmable line projector is used as a lighting device 4.
  • light lines 6 with different wavelengths (color) are projected onto the profile section to be measured and one or more image recording devices 18 are used, which are provided with a color sensor, so that the light lines 6 with different wavelengths (color) separated from each other can be evaluated. - -
  • All the above-described codings can also be combined with one another as desired in order to optimize the uniqueness of the assignment and / or to further increase the number of distinguishable light lines 6.
  • the tires 12 are only in exceptional cases of only one measuring module 26, i. a combination of a lighting device 4 and the associated image pickup device 18 detected.
  • light lines 6 of both measuring modules 26 are imaged. This complicates a clear assignment of the light lines 6 in addition.
  • a DOE 46 that generates an asymmetrically coded line pattern provides a simple and inexpensive way of identifying the light lines 6 of adjacent measurement modules 26, e.g. in that the uniform DOE 46 used for all measuring modules 26 is used in adjacent measuring modules 26 in a mutual, in particular rotated by 180 ° arrangement.
  • FIG. 14 An alternative concept, shown in FIG. 14, is to design the construction of the measuring modules 26 asymmetrically and to mount adjacent measuring modules 26 in a mutually rotated orientation of 180 ° so that the slots 14 are offset from one another in the direction of travel F. This prevents light lines 6 from being projected into the measuring range of adjacent measuring modules 26 and a solution with measuring modules 26 of uniform design.
  • the interaction of the slots 14 also allows in this embodiment, a complete detection of the tire profile, regardless of the random lane. - -
  • Figure 1 1 shows an example of an embodiment of a device for measuring the tread depth in or on a roadway 16 transverse to the direction of travel F of a motor vehicle 10.
  • a complete test system includes at least two measuring devices, one for each side of the vehicle.
  • the measuring devices for measuring the tread depth of the tires 12 of both sides of the vehicle are connected via cable 31 or wirelessly to a common measuring and evaluation device 30.
  • the measuring and evaluation device 30 is connected to a display device 32 for displaying the results and, if necessary, to a server 34.
  • the device described may have an additional sensor 28 which is designed to detect a vehicle 10 approaching the device.
  • the additional sensor 28 is connected to the measuring and evaluation device 30 and sets the measuring and evaluation device 30 immediately before the passage of the vehicle 10 from a rest state to the measuring state.
  • the additional sensor 28 may be a contact switch which is triggered by a tire 12 approaching the test system.
  • the additional sensor 28 may also be used to determine the speed of the vehicle 10: At a known distance d1 between the additional sensor 28 and the profile depth slot 14, by measuring the time between when the additional sensor 28 is triggered and the vehicle passing over Slot 14 passes, the speed of the vehicle 10 are determined.
  • an environmental sensor 36 may be provided, which is, for example, a photosensitive sensor used to optimize the lighting and
  • the intensity of the ambient light (day, night, sun, clouds, %) Measures.
  • the environmental sensor 36 is also connected to the measuring and evaluation device 30 of the measuring system.
  • the measurement and evaluation device 30 analyzes the sensor data and provides optimal parameters for the illumination device 4 (e.g., illumination intensity) and / or the image capture device 18 (e.g.
  • an additional image pickup device may simultaneously realize the functions of the contact sensor 28 and the environmental sensor 36 and both detect a vehicle 10 approaching the measurement device and analyze the ambient light. If necessary, the additional image acquisition device can also determine the license plate of the vehicle 10 and in this way make it possible to automatically associate the measurement results with the vehicle 10.
  • the image recording device 18 of the measuring device itself is used as a sensor for analyzing the intensity of the ambient light.
  • the intensity of the ambient light is analyzed continuously or in a predetermined time interval and the optimum parameters for profile depth measurement are determined continuously.
  • the measuring mode of the measuring device is switched over to the actual profile depth measurement; in the profile depth measurement, the previously determined parameters are then used.
  • the measuring and evaluation device 30 is equipped, for example, with a computer (CPU), a memory device (RAM) and an evaluation software and performs the analysis of the measurement data of the environmental sensor 36, the calculation of the vehicle speed, an image analysis to distinguish the tire type, for calculation the tread depth, tread depth deviation, and tread pattern structure of each tire 12, a calculation of the relative deviation of the tread depths and tread depth variation of the tires 12 at each
  • Axis an evaluation of the tread depth, tread depth deviation and tread pattern for each tire 12 based on defined limits, an assessment of the relative deviation and the difference of the tread depth deviation of the tires 12 on an axle based on defined limits and a summary tire diagnosis for the entire vehicle and controls the Display device 32 for outputting the test results and, if necessary, the transmission of the
  • An inventive measuring system can expediently in a
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment (without the illustration of the connection cables) with such an overflow channel 38 in cross section.
  • Beam lengths for the illumination device 4 and the image pickup device 18 are identical and thus the fan angle of the light planes 5 of
  • Lighting device 4 is as large as the opening angle ⁇ of the image pickup device 18th
  • An assembly of the optical elements 4, 18, 42, 44 and the measuring and evaluation device 30 on a side wall 39 of the overflow channel 38 protects the optical elements 4, 18, 42, 44 and the measuring and evaluation device 30, for example against backwater collects at the bottom of the overflow channel 38.
  • the assembly of all components 4, 18, 42, 44, 30 of the measuring system on a cover 37 of the overflow channel 38 makes it possible to easily maintain and / or replace the components 4, 18, 42, 44, 30.
  • the contact sensor 28 and the environmental sensor 36 are not shown in FIG. 12. They can be arranged both in the cover 37 and outside the overflow channel 38.
  • FIG. 13 shows the overflow channel 38 of a first exemplary embodiment of a measuring device according to the invention for measuring the tread depth on a vehicle side with an arrangement of four measurement modules 26 arranged side by side to the direction of travel F, which have a common slot 14, in plan view.
  • the presentation of the connecting cable was again omitted.
  • a vehicle 10 moves in this representation for measurement from bottom to top (in the direction of travel F) or from top to bottom over the slot 14th
  • FIG. 14 shows the overflow channel 38 in a simplified illustration without the optical elements 4, 18, 42, 44, the evaluation device 30 and the connecting cables in a second exemplary embodiment with an arrangement of four measuring modules 26 arranged side by side and having an asymmetric construction mutually rotated by 180 ° in the overflow channel 38 are arranged so that the four slots 14 are arranged offset in the direction of travel F to each other.
  • the slots 14 are designed so that they cover together the entire width of the overflow channel 38 and transverse to the direction of travel F no gap in the slot 14 is present.
  • a vehicle 10 drives in this
  • the slot 14 may be crossed by a transparent layer, e.g. made of glass or plexiglass, are closed in front of the optical elements 4, 18, 42, 44
  • a measurement is valid if all lines of light 6 are imaged on the image area sensor 8.
  • the latitude depends on the type of tire, the tire pressure and the wheel load
  • a recording frequency 60 frames per second, even at speeds of more than 15 km / h valid results, if at least one image is detected that all lines includes.
  • the measurement is considered invalid.
  • the overrunning speed exceeds a predetermined threshold of e.g. 15 km / h, too high a speed is indicated as a possible cause of the incorrect measurement.
  • a possibility of speed measurement without additional sensor or contact switch 28 offers the arrangement shown in Figure 14, in which the slots 14 are offset from each other with a known distance d2 in the direction of travel F.
  • the measurement of the time offset during the crossing of the slots 14 of adjacent measurement modules 26 is effected by a correlation analysis of the recorded light lines 16 in the image sequences of adjacent measurement modules 26.
  • the vehicle 10 first travels with a front wheel 12 and then with a rear wheel 12 over the slot 14 and the slots 14, respectively, of the measuring arrangement.
  • the tread depths of all wheels 12 on one side of the vehicle can be determined almost simultaneously in one measuring operation.
  • the results are automatically evaluated for all wheels 12 and displayed, for example via a traffic light color and / or by a suitable evaluation text to the driver of the vehicle.
  • the evaluation of the tread depth is based on the legally prescribed minimum tread depth of 1, 6 mm and recommended for reasons of driving safety limit of 3 mm to 4 mm for the warning of heavily worn tires with only a small remaining service life.
  • the traffic light color "yellow” when falling below the minimum tread depth the traffic light color "red” and otherwise the traffic light color "green” is output.
  • tread depth for the tires 12 on one axle should generally be the same, but may well differ between the tires 12 on the front and rear axles:
  • the output on a display device for the driver preferably shows only one result for the entire vehicle:
  • a method according to the invention for profile depth measurement on a vehicle axle can therefore comprise the following method steps as a whole:
  • this tire 12 is assigned the condition "wrong tire type: traffic light color red”.
  • tire type is identified as a winter tire in the summer season, this tire 12 is assigned the condition "check tire type: traffic light color yellow”.
  • this tire 12 is assigned the condition "Checking tire wear: traffic light color yellow”.
  • this tire 12 is assigned the status "traffic light color green”.
  • tire 12a If the tread depth deviation exceeds the limit value, tire 12 is assigned the condition "tire wear on one side, chassis check: traffic light color yellow".
  • the tire 12 with the lower tread depth is assigned the condition "Tire wear different, Tire pressure, Tire quality check: traffic light color yellow", the traffic light color "green” is overwritten.
  • both tires 12 of the axle will have the condition "tire wear different, check chassis:
  • the vehicle 10 If not all of the light lines 6 have been imaged in at least one image and the calculated speed is less than the limit value, the vehicle 10 is assigned the status "measurement invalid (not ready to measure): traffic light color red": In addition, the service center is informed.
  • the method steps for a two-axle vehicle 10 include the above-described method steps 3 to 14 for the front axle and immediately thereafter the same method steps 3 to 14 for the rear axle.
  • the method steps 15 to 17 are carried out simultaneously for all tires 12 of the vehicle.

Abstract

Eine Vorrichtung zur Vermessung des Profils der Lauffläche eines Reifens (12) hat mehrere Messmodule (26), die quer zur Laufrichtung (F) des Reifens (12) angeordnet und mit einer gemeinsamen Auswerteinrichtung (30) verbunden sind, wobei jedes Messmodul (26) wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung (4), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im Betrieb wenigstens eine Lichtlinie (6) auf das zu vermessende Profil projiziert, und wenigstens eine Bildaufnahme- einrichtung (18), die zur Aufnahme wenigstens eines Bildes wenigstens eines Bereiches des zu vermessenden Profils ausgebildet ist, aufweist. Die wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung (4) und die wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung (18) sind so ausgebildet und angeordnet, dass die Beleuchtungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung (4) und die Bildaufnahmerichtung der Bildaufnahmeeinrichtung (18) weder parallel zueinander noch orthogonal zur Lauffläche des Reifens (12) ausgerichtet sind.

Description

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Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Profiltiefe eines Reifens
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Profiltiefe wenigstens eines Reifens, insbesondere eines Kfz-Reifens.
Stand der Technik
Zur Messung der Profiltiefe von Reifen sind verschiedene Verfahren zur manuellen oder automatischen Profiltiefenmessung, mechanisch oder berührungslos messende Verfahren, sowie Verfahren zur Messung bei stehendem oder bei rollendem Fahrzeug bzw. Reifen bekannt.
Triangulationsverfahren mit Laserscannern zur Profiltiefenmessung in einem Rollenprüfstand werden beispielsweise in DE 197 05 047 A1 und EP 1 394 503 B1 beschrieben.
DE 43 16 984 beschreibt ein Verfahren zur Messung der Profiltiefe im Stand oder bei der Überfahrt über eine Messvorrichtung. Hierbei wird ein Triangulationssensor, der auf einem beweglichen Schlitten angeordnet ist, entlang einer Linie quer zur Abrollrichtung des Reifens verschoben.
WO 97/07380 A2 beschreibt die Anwendung eines Lichtschnittverfahrens mit einem oder mehreren Lichtschnitten zur Messung bei der Überfahrt, bei der sich die Messvorrichtung mit dem Fahrzeug mitbewegt.
DE 1 809 459 beschreibt ein Lichtschnittverfahren zur Messung der Profiltiefe bei der Überfahrt. Hierbei wird die Profiltiefe entlang einer einzelnen Linie parallel zur Drehachse des Reifens gemessen. Das Verfahren beruht im Wesentlichen auf der Untersuchung von Schatten des Profils, die von einer schräg einfallenden Lichtquelle erzeugt werden.
Die EP 04 69 948 A1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zur automatischen Ermittlung der Profiltiefe von Kraftfahrzeugen im fließenden Verkehr. Die
Messvorrichtung befindet sich unter der Straßenoberfläche. Anstatt einer Lichtlinie quer zur Laufrichtung des Reifens werden mehrere Lichtpunkte gemessen und anhand von Leuchtdichteunterschieden der abgebildeten Punkte - - wird auf die Profiltiefe geschlossen. Zur Steigerung der Genauigkeit befinden sich mehrere Messeinrichtungen in Fahrtrichtung hintereinander.
DE 10 2009 016 498 A1 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln der Profiltiefe eines Fahrzeugreifens, wobei der Reifen an einem Fahrzeug montiert ist, bei dem der Reifen über eine Messstation gerollt oder auf ihr abgestellt wird. Das Profil des Reifens wird auf mindestens einer Messlinie quer zur Rollrichtung des Reifens optisch abgetastet, wobei ein von einer Lichtquelle ausgehender Strahlenfächer an der Reifenoberfläche reflektiert wird und ein Signal des reflektierten Strahlenfächers von einem Sensor aufgenommen wird und das Signal des reflektierten Strahlenfächers mittels eines Triangulationsverfahrens ausgewertet wird.
DE 10 2006 062 447 A1 misst ebenfalls mittels eines Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens einen Bereich des Reifenprofils während der Reifen über einem Spalt abrollt. Das Verfahren sieht vor, eine Beleuchtungslinie quer zur Abrollrichtung des Rades mit Hilfe eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Prismas über die Profilfläche zu führen. Durch die sich parallel verschiebende Beleuchtungszeile kann der gesamte Ausschnitt des Reifens sequentiell und mit hoher Dichte abgetastet werden, während sich die auf dem Spalt befindliche Reifenoberfläche relativ zur Messvorrichtung im Ruhezustand befindet.
EP 0 469 948 B1 , EP 1 952 092 B1 und US 7 578 180 B2 beschreiben weitere Varianten von Triangulationsverfahren zur Profilmessung bei der Überfahrt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Messung der Profiltiefe eines Rades, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, bereitzustellen, die für eine Vielzahl von Reifenbreiten geeignet sind, eine hohe Messgenauigkeit aufweisen und einfach zu bedienen bzw. auszuführen sind.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben mögliche Ausführungs- formen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. - -
Offenbarung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vermessen des Profils der Lauffläche eines Reifens weist mehrere Messmodule auf, die quer zur Laufrichtung des Reifens angeordnet und mit einer gemeinsamen Auswerteinrichtung verbunden sind. Jedes Messmodul hat wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung, die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im Betrieb wenigstens eine Lichtlinie auf das zu vermessende Profil projiziert, und wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung, die zur Aufnahme wenigstens eines Bildes wenigstens eines Bereiches des zu vermessenden Profils ausgebildet ist. Die wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung und die wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung sind so ausgebildet und angeordnet, dass die Beleuchtungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung und die Bildaufnahmerichtung der Bildaufnahmeeinrichtung weder parallel zueinander noch orthogonal zur Lauffläche des Reifens ausgerichtet sind.
Ein Verfahren zum Vermessen des Profils der Lauffläche eines Reifens mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Schritte:
den zu vermessenden Reifen über die Vorrichtung zu rollen;
mit den Beleuchtungseinrichtungen jeweils wenigstens eine Lichtlinie auf das zu vermessende Profil zu projizieren, während es über die Vorrichtung rollt;
mit den Bildaufnahmeeinrichtungen jeweils wenigstens ein reflektiertes Bild des Profils aufzunehmen, während es über die Vorrichtung rollt;
in den aufgenommenen Bildern die projizierten Lichtlinien zu identifizieren und einer der Beleuchtungseinrichtungen zuzuordnen; und
die aufgenommenen Bilder der Lichtlinien auszuwerten, um die Tiefe des Profils zu bestimmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglichen es, mit herkömmlichen Bauelementen, insbesondere mit markt- gängigen kostengünstigen Flächenbildsensoren eine robuste und komfortable
Messung der Profiltiefe von Kraftfahrzeugreifen mit nahezu beliebiger Breite zu realisieren.
In einer Ausführungsform sind die Beleuchtungseinrichtungen der Messmodule so ausgebildet, dass sie ein Muster, das mehrere Lichtlinien umfasst, auf das
Profil projizieren. Durch die Verwendung eines Musters mit mehreren Lichtlinien anstelle einer einzigen Lichtlinie lassen sich die Robustheit der Messung und die Genauigkeit der Messergebnisse noch weiter verbessern. In einer Ausführungsform weisen die Beleuchtungseinrichtungen jeweils wenigstens ein diffraktives optisches Element („DOE") auf, um das Lichtmuster zu erzeugen. Diffraktive optische Elemente können einfacher als konventionelle optische Elemente zur Erzeugung von Lichtlinienmustern ausgelegt werden, erzeugen eine gleichmäßige Intensitätsverteilung und nutzen, anders als beispielsweise optische Masken, die Energie des einfallenden Lichtstrahls fast vollständig aus.
In einer Ausführungsform sind die Beleuchtungseinrichtungen so ausgebildet, dass die einzelnen Lichtlinien kodiert sind, so dass sie eindeutig identifizierbar und insbesondere eindeutig einem der Messmodule zuordenbar sind. Die Identi- fizierbarkeit der einzelnen Lichtlinien ist notwendig, um in Verbindung mit einer großen Anzahl an Linien eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen.
Die Kodierung kann eine räumliche Kodierung, eine zeitliche Kodierung oder eine Kombination daraus umfassen. Eine räumliche Kodierung kann z.B. durch eine geeignet ausgebildetes diffraktives optisches Element, dass ein Linienmuster mit variierenden Linienabstand erzeugt, erreicht werden. Alternativ können auch die Breite der Linien, das Linienmuster und/oder die Linienform variiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine zeitliche Kodierung der Linien vorgenommen werden, indem die Lichtlinien nicht gleichzeitig, sondern in einer vorgegebenen zeitlichen Abfolge auf das Reifenprofil projiziert werden.
In einer Ausführungsform weisen die Bildaufnahmeeinrichtungen jeweils wenigsten ein optisches Element auf, das ausgebildet ist, um den Bildaufnahmebereich der Bildaufnahmeeinrichtung optisch zu verzerren, insbesondere in Laufrichtung des Reifens zu verdichten und/oder quer zur Laufrichtung des Reifens aufzuweiten. Durch ein derartiges optisches Element kann die vorgegebene Aufnahmefläche des Flächenbildsensors optimal ausgenutzt werden, so dass die Genauigkeit der Messung bei gleichbleibendem finanziellem Aufwand verbessert werden kann. Als optisches Element kann insbesondere eine Zylinderlinse zum Einsatz kommen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ausnutzung der Aufnahmefläche des Bildsensors verbessert werden, indem der in der Regel rechteckige Flächenbild- sensor um 90° gedreht angeordnet wird, so dass die Richtung des Reifenprofils, - - die parallel zur Laufrichtung des Reifens verläuft, in der eine höhere Auflösung erforderlich bzw. gewünscht ist, in der Richtung des Flächenbildsensors abgebildet wird, welche die höhere Anzahl an Bildpunkten aufweist. In einer Ausführungsform sind die Messmodule so ausgebildet, dass die Beleuchtungseinrichtungen und Bildaufnahmeeinrichtungen der verschiedenen Messmodule in der Laufrichtung des zu vermessenden Reifens versetzt zueinander, d.h. in der Laufrichtung des Reifens hintereinander, angeordnet sind. Durch eine derartige versetzte Anordnung wird zuverlässig verhindert, dass die Lichtlinien eines Messmoduls in den Messbereich eines benachbarten Messmoduls projiziert werden. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Lichtlinien so zu kodieren, dass die Lichtlinien der einzelnen Messmodule voneinander unterschieden werden können; daher können die Beleuchtungseinrichtungen der einzelnen Messmodule identisch aufgebaut sein. Darüber hinaus kann mit Hilfe von in Fahrtrichtung des Fahrzeugs hintereinander angeordneten Messmodulen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden, ohne dass dafür ein zusätzlicher Sensor benötigt wird.
In einer Ausführungsform sind die diffraktiven optischen Elemente einander unmittelbar benachbarter Messmodule verdreht gegeneinander angeordnet, so dass die einander überlappenden Lichtmuster, die von den Beleuchtungseinrichtungen einander unmittelbar benachbarter Messmodule erzeugt werden, unterschiedlich kodiert sind. Aufgrund der unterschiedlichen Kodierung können die Lichtmuster eindeutig einem der Messmodule zugeordnet werden. Ist z.B. in einem ersten Messmodul ein diffraktives optisches Element so ausgebildet und angeordnet, dass sich der Abstand der von ihm erzeugten Lichtlinien in
Fahrtrichtung des Fahrzeugs von hinten nach vorne vergrößert, so ist ein identisch ausgebildetes diffraktives optisches Element eines unmittelbar benachbarten zweiten Messmoduls um 180° gedreht so angeordnet, dass der Abstand der Lichtlinien des von dem zweiten diffraktiven optischen Element erzeugten Lichtmusters in Fahrtrichtung des Fahrzeugs von hinten nach vorne abnimmt.
Das diffraktive optische Element eines dem zweiten Messmodul benachbarten dritten Messmoduls ist dann wieder in der gleichen Ausrichtung wie das diffraktive optische Element des ersten Messmoduls angeordnet, das diffraktive optische Element eines vierten Messmoduls hat dann wieder die gleiche Ausrichtung, wie das diffraktive optische Element des zweiten Messmoduls usw. - -
Auf diese Weise weisen einander überlappende Bereiche der Lichtmuster unmittelbar benachbarter Messmodule unterschiedliche Linienabstände auf, so dass die Lichtlinien über die gesamte Fahrzeugbreite eindeutig einem der Messmodule zugeordnet werden können.
In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen der Richtung, in der die Beleuchtungseinrichtung die Lichtlinie auf den Reifen projiziert und der
Bildaufnahmerichtung der zugehörigen Bildaufnahmeeinrichtung 20° bis 45°, insbesondere 40°. Ein Winkel im Bereich von 20° bis 45° stellt einen guten Kompromiss zwischen einer möglichst hohen Messgenauigkeit und einer möglichst geringen Abschattung, die beide mit einem größer werdenden Winkel zwischen der Projektionsrichtung der Beleuchtungseinrichtung und der Bildaufnahmerichtung der zugehörigen Bildaufnahmeeinrichtung zunehmen, dar. In einer Ausführungsform beträgt der Öffnungswinkel der Bildaufnahmeeinrichtungen ± 20°. Unter Annahme einer Rillenbreite von 4 mm und einer Rillentiefe von 8 mm für einen typischen PKW-Neureifen hat sich eine Auslegung der Bildaufnahmeeinrichtung 18 mit einem effektiven Öffnungswinkel von φ = ± 20° unter Berücksichtigung der auftretenden Abschattung als gut geeignet erwiesen.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens einen zusätzlichen Sensor auf, der ausgebildet ist, um die Annäherung eines Reifens und/oder die Beleuchtung des Reifenprofils zu detektieren. Ein solcher zusätzlicher Sensor ermöglicht es, die Vorrichtung bei der Annäherung eines Fahrzeugs rechtzeitig in den Messzustand zu versetzen. Bei einem bekannten Abstand des zusätzlichen
Sensors von der Messvorrichtung kann darüber hinaus die Annäherungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden. Auf diese Weise kann zuverlässig festgestellt werden, ob eine mögliche Fehlmessung ggf. auf eine zu hohe Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs zurückzuführen ist.
In einer Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren, die Geschwindigkeit des Reifens zu bestimmen und das Verfahren abzubrechen, wenn eine zulässige Maximalgeschwindigkeit überschritten wird. Auf diese Weise können Fehlmessungen, die sich aus einer zu hohen Geschwindigkeit des Fahrzeugs ergeben, zuverlässig vermieden werden.
In einer Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zusätzlich, die ermittelte Profiltiefe mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und - - eine Warnung auszugeben, wenn die bestimmte Profiltiefe den vorgegebenen ersten Grenzwert unterschreitet. Auf diese Weise wird der Fahrer des Fahrzeugs zuverlässig gewarnt, wenn die Profiltiefe wenigstens eines Reifens die minimal zulässige Mindestprofiltiefe (erster Grenzwert) unterschreitet.
In einer Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren auch, die Profiltiefen der Reifen einer Achse miteinander zu vergleichen und eine Warnung auszugeben, wenn die Differenz zwischen den Profiltiefen der Reifen einer Achse einen vorgegebenen zweiten Grenzwert unterschreitet. Auf diese Weise wird der Fahrer des Fahrzeugs zuverlässig auf mögliche Fahrwerksprobleme hingewiesen, die zu einer unterschiedlichen Abnutzung der Reifen führen.
In einer Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zusätzlich, Abbildungsparameter, die insbesondere die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung und/oder die Integrationszeit der Bildaufnahmeeinrichtung umfassen, zu optimieren. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Verfahren stets mit nahezu optimalen Abbildungsparametern durchgeführt wird, um eine möglichst hohe Qualität der Abbildung und in der Folge eine hohe
Messgenauigkeit zu erreichen.
Zusammenfassend weist die vorliegende Erfindung in den beschriebenen Ausführungsformen u. a. die folgenden Vorteile auf:
Durch den Einsatz mehrerer Messmodule auf jeder Fahrzeugseite, wird eine optimale Abbildungsgeometrie quer zur Laufrichtung des Reifens auch für große Messbreiten, z.B. PKW Spurweiten von 1200 mm bis 1800 mm, LKW Spurweiten von 1600 mm bis 2100 mm bis hin zu Transportern und LKW mit Doppelbereifung, gewährleistet, so dass das Verfahren und die Vorrichtung für PKW aller Art, aber auch für LKW, Busse und für mehrachsige Fahrzeuge einsetzbar sind.
Der vorgeschlagene modulare Aufbau ermöglicht eine einfache Bereitstellung von Messsystemen mit an den jeweiligen Bedarf angepassten lückenlosen Messbreiten beliebiger Größe.
Die Erfindung stellt eine robuste Lösung zur Verfügung, die auch rauen Prüfbedingungen gewachsen ist. Die Vorrichtung weist keine bewegten Teile auf und vermeidet dadurch den Verschleiß an bewegten Teilen. - -
Durch den vorgeschlagenen Einbau in die Fahrbahn, auf der Fahrbahn oder in eine Überfahrschwelle kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung einfach an einer Vielzahl von Stellen, insb. auch in Einfahrten, z.B. von Werkstätten, Tankstellen, Drive-In, Drive-Thru, Parkplätzen, eingesetzt werden.
Durch die Messung am rollenden Fahrzeug (Rad) wird eine für den Betreiber der Messstelle und für den Fahrer komfortable Lösung bereitgestellt.
Die Messung findet von unten statt, wodurch potentiell störende Lichteinflüsse der Umwelt minimiert werden. Schwankendes Umgebungslicht (Tag, Nacht, Sonne, Wolken, ...) wird durch eine optimierte Beleuchtung kompensiert. Durch Anpassung der Beleuchtungsintensität und Integrationszeit werden Unter- und Überbelichtungen vermieden. Durch die Anordnung der Bildaufnahmeeinrichtung und auch der Beleuchtungseinrichtung in einem größeren Winkel zur
Orthogonalen der Reifenoberfläche werden störende Reflexionen, welche die Messergebnisse verfälschen könnten, zuverlässig vermieden.
Durch die Messung in der Reifenaufstandsfläche von unten durch einen Schlitz der Vorrichtung, werden Messfehler durch Profildeformation in der belasteten Aufstandsfläche vermieden.
Zusätzliche Korrekturverfahren aufgrund unterschiedlicher Messwinkel zur Orthogonalen der Reifenoberfläche bei unterschiedlichen Reifendurchmessern, sind nicht erforderlich.
Die Messung erfolgt quasi an einem statisch ruhenden Rad, dadurch werden Messfehler durch Bewegungsunschärfe vermieden.
Es wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht. Durch die Generierung einer großen Anzahl an Lichtlinien, die auf die Reifenoberfläche projiziert werden, wird eine hohe Abtastdichte erreicht, die eine sichere Erkennung von in das Profil integrierten Abriebindikatoren und von Objekten (z.B. verklemmte Steinchen) in den Profilrillen des Reifens, die das Messergebnis verfälschen könnten, ermöglicht. Durch eine Kodierung der Lichtlinien können die Bilder der reflektierten Lichtlinien auch bei kleinen Abständen zwischen den Lichtlinien zuverlässig zugeordnet und ausgewertet werden. - -
Die Visualisierung des Prüfergebnisses in Form einer Ampel und zusätzlich einer verbalen Handlungsempfehlung für den Fahrer erleichtert die Bedienbarkeit und vermeidet Fehler bei der Beurteilung der Messergebnisse.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren:
Figur 1 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung das hier verwendete Messprinzip zur Profiltiefenmessung.
Figur 2 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines Messplatzes zur Profiltiefenmessung.
Figur 3 zeigt eine Anordnung zur Messung der Profiltiefe in einer schematischen Seitenansicht.
Figur 4a zeigt einen Schnitt senkrecht zur Ebene der Fahrbahn durch das Zentrum des Reifens orthogonal zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs.
Figur 4b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 4a.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines Reifens mit einer Profilrille und die geometrischen Zusammenhänge der Abschattung.
Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Profiltiefenmessung mit vier Bildaufnahmeeinrichtungen.
Figuren 7a und 7b veranschaulichen eine verbesserte Ausnutzung eines Flächenbildsensors durch eine verzerrte optische Abbildung.
Figuren 8a und 8b veranschaulichen eine verbesserte Ausnutzung eines Flächenbildsensors durch eine alternative verzerrte optische Abbildung.
Figur 9 ist ein Graph, der den Anteil der Fehlmessungen als Funktion der Anzahl der projizierten Lichtlinien zeigt. - -
Figur 10 veranschaulicht eine Messung mit Lichtlinien, deren Abstände zu den jeweils benachbarten Linien variieren.
Figur 1 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung der Profiltiefe in oder auf einer Fahrbahn quer zur Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges.
Figur 12 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer in einer Überfahrrinne angeordneten Vorrichtung zur Messung der Profiltiefe.
Figur 13 zeigt eine Messvorrichtung mit vier in einer Überfahrrinne nebeneinander angeordneten identischen Messmodulen mit einem gemeinsamen Schlitz in der Aufsicht.
Figur 14 zeigt eine Messvorrichtung mit vier in einer Überfahrrinne nebeneinander angeordneten Messmodulen, die jeweils um 180° gedreht zueinander angeordnet sind, in der Aufsicht.
Figurenbeschreibung
Figur 1 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung das Messprinzip zur Profiltiefenmessung mit Hilfe des Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens an einem Reifen 12 mit einer vereinfachten Darstellung des Profils des Reifens 12 mit fünf Längsrillen R1 , R2, R3, R4, R5.
Ein Objektkoordinatensystem K ist so ausgerichtet, dass die Tiefenausdehnung des Profils parallel zur Z-Achse des Objektkoordinatensystems K ausgerichtet ist.
Eine Beleuchtungseinrichtung 4 projiziert mindestens eine Lichtlinie 6 auf die mit einem Profil ausgebildete Lauffläche des Reifens 12. Eine Bildaufnahmeeinrichtung 18 ist mit einem in der Figur 1 nicht gezeigten Objektiv und mit einem Flä- chenbildsensor 8 (z.B. einem CCD- oder CMOS-Bildsensor) ausgestattet. Durch die unterschiedlichen Perspektive zwischen der Beleuchtungseinrichtung 4 und der Bildaufnahmeeinrichtung 18 und den Tiefenunterschied zwischen der Reifenlauffläche und dem Rillengrund wird die auf das Profil projizierte Lichtlinie 6 auf dem Flächenbildsensor 8 der Bildaufnahmeeinrichtung 18 in Form von gegeneinander versetzten Linienabschnitten 6a abgebildet. - -
Figur 2 zeigt einen Messplatz mit einer Fahrbahn 16, in der zwei Schlitze 14 in der Spur eines sich in Fahrtrichtung F nähernden Fahrzeugs 10 ausgebildet sind. Die Messung findet statt, während das Fahrzeug 10 mit seinen Rädern bzw. Reifen 12 über wenigstens einen der länglichen Schlitze 14 fährt, die in der Fahrbahn 16 ausgebildet und in ihrer Längsausdehnung quer zur Laufrichtung der Reifen 12 des Kraftfahrzeugs 10 ausgerichtet sind.
Die Schlitze 14 haben quer zur Fahrtrichtung F des Fahrzeugs 10 eine Ausdehnung (Länge) L, die mindestens der Breite der maximalen Aufstandsfläche der zu vermessenden Reifen 12 entspricht. Zusätzlich ist jedoch die Varianz der
Spurweiten der zu vermessenden Fahrzeuge 10 zu berücksichtigen, um eine automatische Vermessung einer möglichst großen Zahl unterschiedlicher Fahrzeugtypen zu ermöglichen. Wenn die Messvorrichtung auch für Nutzfahrzeuge geeignet sein soll, ist insbesondere auch die Varianz der Spurweiten und
Reifenbreiten von Transportern und LKW mit oder ohne Doppelbereifung zu berücksichtigen.
Die Breite B der Schlitze 14 parallel zur Fahrtrichtung F ist zum einen deutlich kleiner zu wählen als die kleinste Aufstandsfläche typischer Reifen 12, zum anderen ist die Breite B der Schlitze 14 auch so zu wählen, dass durch die Überfahrt der Fahrkomfort nicht unangenehm beeinträchtigt wird.
Die Schlitze 14 ermöglichen es, die Messung der Profiltiefe in einem unbelasteten Teilbereich der Lauffläche des zu prüfenden Reifens 12 durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass Messfehler, die aufgrund der durch die Radlast des
Fahrzeugs 10 zwangsläufig hervorgerufenen Quetschung des Reifenmaterials in der Aufstandsfläche des Reifens 12 entstehen würden, vermieden werden.
Darüber hinaus entspricht eine Messung im Bereich der Aufstandsfläche des Reifens 12 quasi einer Messung in Ruhelage, denn jeder Punkt der Lauffläche des Reifens 12 bewegt sich während des Abrollens auf der Fahrbahn 16 entlang einer Zykloiden mit der physikalischen Eigenschaft, dass seine Geschwindigkeit im Aufstandspunkt Null ist. Das hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Messunsicherheit durch Bewegungsunschärfe vorhanden ist.
Ein weiterer Vorteil der Messung des aufstehenden Reifenprofils von unten durch einen Schlitz 14 besteht darin, dass durch die Karosserie des Fahrzeugs 10 und den Reifen 12 selbst das Umgebungslicht zu einem großen Teil abgeschattet - - wird und die Messung dadurch weitgehend unabhängig von wechselnden Umgebungsbedingungen (wie z.B. Tag, Nacht, Sonne, Wolken, ...) ist.
Für die Vermessung von PKW mit Spurweiten zwischen 1200 mm und 1800 mm in den Einfahrten von Werkstätten, Tankstellen oder Parkplätzen u.ä. unter
Annahme einer maximalen Geschwindigkeit von 15 km/h hat sich zum Beispiel auf jeder Fahrzeugseite ein Schlitz 14 mit einer Länge L zwischen 500 mm und 700 mm und einer Breite B zwischen 30 mm und 50 mm als gut geeignet erwiesen. In der folgenden Beschreibung wird beispielhaft eine Schlitzlänge von L = 700 mm und eine Schlitzbreite von B = 50 mm angenommen.
Die Beleuchtungseinrichtung 4 und die Bildaufnahmeeinrichtung 18 sind so angeordnet, dass der Messbereich der Bildaufnahmeeinrichtung dem Schlitz 14 in der Fahrbahn 16 entspricht. Das Messprinzip verlangt eine feste, unveränder- liehe Zuordnung zwischen dem Objekt (Reifen 12), der Beleuchtungseinrichtung
4 und der Bildaufnahmeeinrichtung 18. Durch die Vermessung des unbelasteten Teilbereichs der Reifenaufstandsfläche durch den Schlitz 14 in der Fahrbahn 16 ist gewährleistet, dass die Tiefenausdehnung des Reifenprofils, oder anders gesprochen, der Normalenvektor n des Reifens 12, für jeden Reifen 12 zum Zeitpunkt der Messung eine identische Ausrichtung aufweist. In dieser Anordnung ist das Messsystem auch zu kalibrieren.
Figur 3 zeigt eine Anordnung zur Messung der Profiltiefe in einer schematischen Seitenansicht. Der Winkel δ bezeichnet den Winkel zwischen der Ebene 5, in der das Licht von der Beleuchtungseinrichtung 4 auf das Reifenprofil projiziert wird, und der Abbildungsebene 7 am Objektpunkt P.
Die Genauigkeit des Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens hängt von der Abbildungsgeometrie (Abbildungsmaßstab, Schnittwinkel der Raumstrahlen) und der als Punktmessgenauigkeit spx bezeichneten Güte der Linienpunktbestim- mung ab. Die Punktmessgenauigkeit spx ist nicht nur abhängig von dem zur Detektion der Lichtlinie 6 eingesetzten Bildmessalgorithmus, sondern beinhaltet auch Messunsicherheiten, die durch die Oberflächentextur, Reflexionen oder Speckle-Effekte der Beleuchtung hervorgerufen werden. Unter optimalen Bedingungen und wenn sich die Breite der abgebildeten Lichtlinie 6 auf dem
Flächenbildsensor 8 über mehrere Pixel erstreckt, kann durch Interpolation eine Subpixel-Punktmessgenauigkeit spx von 1/3 Pixel erreicht werden. Formel (1 ) - - ermöglicht eine Abschätzung der Tiefenmessgenauigkeit dZ eines optischen 3D Triangulationssystems.
dabei ist mb: Abbildungsmaßstab zwischen Objektraum und Bildraum
ps: Größe eines Sensorpixels in mm
δ: Schnittwinkel zwischen der Lichtebene 5 und dem Abbildungsstrahl 7 am Objektpunkt P.
Aus der Formel (1 ) ist ersichtlich, dass die Messgenauigkeit mit zunehmendem Winkel δ steigt. Aus praktischen Gründen, wie z.B. Beschränkungen des zur Verfügung stehenden Bauraums und der Gefahr, dass bei einem zu großen Winkel δ bei nicht ebenen Objekten Bereiche abgeschattet werden können, wie im Folgenden diskutiert wird, wird die Anordnung meist auf einen Winkel δ zwischen 20° und 45°, insbesondere 40° ausgelegt.
Die in der Figur 3 gezeigte Anordnung der Beleuchtungseinrichtung 4 und der Bildaufnahmeeinrichtung 18 hat zusätzlich den Vorteil, dass die Einrichtungen 4, 18 gut vor ggf. durch den Schlitz 14 herabfallenden Schmutz geschützt sind.
Die Beleuchtungseinrichtung 4 wird so ausgerichtet, dass die Lichtlinien 6 parallel oder nahezu parallel zur Längsseite des Schlitzes 14 quer zur Fahrtrichtung F des Fahrzeugs 10 bzw. zur Laufrichtung des Reifens 12 auf dessen Lauffläche projiziert werden.
Figur 4a zeigt einen Schnitt senkrecht zur Ebene der Fahrbahn 16 durch die Mitte des Reifens 12 orthogonal zur Fahrtrichtung F des Fahrzeugs 10. Das Profil des Reifens 12 ist beispielhaft in vereinfachter Form mit fünf Längsrillen R1 , R2, R3, R4, R5 dargestellt. Eine von der (in Figur 4a nicht dargestellten) Beleuchtungseinrichtung 4 auf das Profil des Reifens 12 projizierte Lichtlinie 6 wird von dem Flächenbildsensor 8 der Bildaufnahmeeinrichtung 18 aufgenommen.
Die vergrößerte Darstellung des Reifenprofils in der Figur 4b verdeutlicht, dass, abhängig von der Breite und Tiefe der Rillen R1 , R2, R3, R4, R5, bei der Pro- - - jektion der Lichtlinien 6 mit zunehmendem Öffnungswinkel φ der Bildaufnahmeeinrichtung 18 Abschattungen 20 auftreten, die ab einem bestimmten Öffnungswinkel φ eine Profiltiefenmessung unmöglich machen, da der Grund der Rillen R1 , R2, R3, R4, R5 nicht oder nur noch unzureichend beleuchtet wird.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines Reifens 12 mit einer Profilrille R1 und die geometrischen Zusammenhänge der Abschattung 20.
Eine tabellarische Übersicht über die resultierenden Abschattungen 20 in Prozent der Rillenbreite als Funktion der Rillenbreite, der Profiltiefe und des Öffnungswinkels φ zeigt, dass die Abschattung 20 bei einer Rillentiefe von 8 mm auf maximal 27% begrenzt ist.
Figure imgf000016_0001
Unter der Annahme einer Rillenbreite von 4 mm und einer Rillentiefe von 8 mm eines typischen PKW-Neureifens hat sich eine Auslegung des Messsystems mit einem effektiven Öffnungswinkel von φ = ± 20° als gut geeignet erwiesen.
Die Vermessung der betroffenen Profilrillen R1 , R2, R3, R4, R5 wird durch die Abschattung 20 zwar eingeschränkt, kann aber durch zusätzliche Randbedingungen wieder verbessert werden:
Zum einen wird das Ausmaß der Abschattung 20 umso geringer, je geringer die Profiltiefe ist, d.h. je weiter das Profil abgefahren ist. Dadurch erhöht sich die Messgenauigkeit je mehr sich die Profiltiefe dem kritischen Warnwert der gesetzlich vorgegebenen Mindesttiefe nähert oder diesen unterschreitet.
Des Weiteren kann die Messgenauigkeit auch durch eine Erhöhung der Anzahl der auf das Profil projizierten Lichtlinien 6 gesteigert werden. Anstatt einen kompletten Rillengrund mit einer einzigen Lichtlinie 6 zu vermessen, können vier Lichtlinien 6 mit nur 25% messbarem Rillengrund theoretisch dasselbe Messergebnis für diese Rille erbringen. Aufgrund von zu erwartenden fehlerbehafteten - -
Messungen ist eine deutlich größeren Anzahl von Lichtlinien 6 vorteilhaft, wie im Folgenden ausgeführt werden wird.
Typische PKW-Reifenprofile weisen in der Regel Längsrillen und schräg dazu verlaufende Nebenrillen auf, die systematisch wiederkehrende Blöcke mit einer
Größe von 4 mm bis 8 mm bilden. Um Strukturen dieser Größenordnung im Bild der Bildaufnahmeeinrichtung 18 sicher detektieren zu können, wird eine Abbildung mit einer Auflösung von mindestens 2-3 Pixel/mm gewählt. Die Abbildung eines Messbereichs von 700 mm, definiert durch die Schlitzlänge L, erfordert bei 3 Pixel/mm demnach einen Flächenbildsensor 8 mit einer Auflösung von 2100
Pixeln zumindest in einer Richtung der Bildaufnahmefläche des Flächenbildsen- sors 8.
Auf dem Markt sind entsprechende Flächenbildsensoren 8 verfügbar. Die am Markt kostengünstig verfügbaren Flächenbildsensoren 8 haben jedoch den
Nachteil, dass sie entweder relativ teuer sind oder Bilder nur mit niedrigen Aufnahmefrequenzen aufnehmen können. Ein typischer PKW-Reifen 12 hat einen Umfang von etwa 2000 mm und eine Latschlänge (Länge der Reifenaufstands- fläche) von etwa 100 mm. Bei einer Auslegung des Messsystems auf eine Überfahrgeschwindigkeit von maximal 15 km/h ist das Reifenprofil für die Bildaufnahmeeinrichtung 18 durch den Schlitz 14 für etwa 0,025 Sekunden sichtbar, so dass die Bildaufnahmeeinrichtung 18 auf eine Frequenz von mindestens 40 Bildern pro Sekunde ausgelegt sein muss. Erschwerend für den vorgesehenen Einsatz marktüblicher Flächenbildsensoren 8 für eine Profiltiefenmessung durch einen Schlitz 14 von unten kommt hinzu, dass zur Einhaltung des maximalen Öffnungswinkels φ von ± 20° mit Flächenbildsensoren 8 hoher Auflösung ein Abstand D zwischen dem Reifenprofil und dem Flächenbildsensor 8 (Aufnahmeabstand) von etwa 1 Meter erforderlich ist. Ein derartiger Aufnahmeabstand erfordert einen Bauraum entsprechender Größe oder andere konstruktive Maßnahmen.
Alternativ zu einem großen Bauraum kann daher vorgesehen werden, mehrere relativ preiswerte Bildaufnahmeeinrichtungen 18, deren Flächenbildsensoren 8 zwar eine geringere Auflösung aber eine ausreichend hohe Aufnahmefrequenz haben, in Längsrichtung L des Schlitzes 14 quer zur Fahrtrichtung F des Fahrzeugs 10 nebeneinander anzuordnen. - -
Figur 6 zeigt beispielhaft eine derartige Anordnung, mit vier Bildaufnahmeeinrichtungen 18, die jeweils mit einem am Massenmarkt verfügbaren Flächenbild- sensor 8 mit einem Sensorformat von 640 Pixel x 480 Pixel der Größe 7,5 μηη x 7,5 μηη, der standardmäßig Bilder mit einer Aufnahmefrequenz von bis zu 60 Bildern pro Sekunde aufnehmen kann, ausgestattet sind. Der Aufnahmeabstand
D1 verringert sich bei einer solchen Anordnung auf etwa 240 mm und es ergibt sich ein Abbildungsmaßstab von mb ~ 36.
Mit der aus der optischen 3D-Messtechnik bekannten Formel (1 ) lässt sich die erwartende Tiefenmessgenauigkeit für die Profilmesseinrichtung wie folgt abschätzen:
Diese Abschätzung zeigt, dass mit einer Vorrichtung, wie sie in der Figur 6 gezeigt ist, die für ein entsprechendes Messsystem vorgesehene Messgenauigkeit von ± 0.2 mm erreicht werden kann, auch wenn sich die Subpixelmessgenauig- keit spx aufgrund von Störeffekten verschlechtern würde.
Aus dem Format der Flächenbildsensoren 8, dem Öffnungswinkel φ = ± 20° und der Aufnahmeentfernung D1 = 240 mm ergibt sich ein rechteckiges Objektfenster 24 der Größe 175 mm x 130 mm. Da die Breite B des Schlitzes 14 nur 50 mm beträgt, werden, wie in der Figur 7a erkennbar, nahezu zwei Drittel der verfügbaren Bildaufnahmefläche des Flächenbildsensors 8 nicht genutzt.
Diesem Nachteil kann durch eine zusätzliche, lineare Optik 22, wie z.B. einer Zylinderlinse 22, die im Strahlengang 7, zwischen dem Flächenbildsensor 8 und dem Schlitz 14 angeordnet ist und die nur in einer Raumrichtung Brechkraft besitzt, abgeholfen werden.
Figur 7b zeigt eine solche Zylinderlinse 22 im Strahlengang 7 der Bildaufnahmeeinrichtung 18, die den Sichtbereich des Flächenbildsensors 8 in Fahrtrichtung F komprimiert und dadurch eine vorteilhafte Steigerung der Auflösung in Richtung der Breite B des Schlitzes 14 auf etwa 10 Pixel/mm bewirkt.
Ein alternatives Konzept sieht vor, das nicht quadratische Bildformat des
Flächenbildsensors 8 der Bildaufnahmeeinrichtung 18 durch eine Drehung um - -
90° mit seiner höheren Auflösung von 640 Pixel für die Messung der kleineren Objektfensterbreite B zu verwenden. Dadurch nimmt die Auflösung in Richtung der Breite B des Schlitzes 14 auf etwa 13 Pixel/mm zu. Ein weiteres Konzept sieht vor, den Aufnahmeabstand D1 zum Beispiel auf einen Aufnahmeabstand D2 < D1 zu verringern, so dass das Objektfenster 24 nur noch etwa 50 mm x 37 mm beträgt und die 50 mm der Breite B des Objektfensters 24 auf die 640 Pixel des Flachenbildsensors 8 abgebildet werden, wie in der Figur 8a gezeigt.
Auf diese Weise wird eine noch höhere Auflösung für die Tiefenmessgenauigkeit und eine deutlich höhere Messgenauigkeit erreicht, die sich gemäß Formel (2) durch einen verringerten Abbildungsmaßstab abschätzen lässt. Die dabei reduzierte Größe des Objektfensters 24 in der Richtung quer zur Fahrtrichtung F kann, wie in der Figur 8b gezeigt, durch eine das Bild quer zur Fahrtrichtung F aufweitende Zylinderlinse 23 kompensiert werden.
Ein weiterer Vorteil der in der Figur 8b gezeigten Anordnung besteht darin, dass typische Verzeichnungsfehler und Abschattungen der Zylinderlinse 23 im
Wesentlichen in der für die Bestimmung der Profiltiefe weniger relevanten
Richtung quer zur Fahrtrichtung F auftreten.
Auch eine Kombination aus einer Komprimierung des Bildes in einer Richtung parallel zur Fahrtrichtung F gemäß Figur 7b und einer Aufweitung des Bildes in der Richtung quer zur Fahrtrichtung F gemäß Figur 8b ist möglich, um den
Abbildungsmaßstab und die Auflösung sowohl parallel als auch quer zur
Fahrtrichtung F zu optimieren.
In einem in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird die normale Abbildungsoptik der Bildaufnahmeeinrichtung 18 mit der linearen Optik 22, 23 zu einem gemeinsamen optischen System zusammengefasst, das in den
Richtungen parallel und quer zur Fahrtrichtung F eine unterschiedliche Brechkraft aufweist. Da die Aufnahmeeinrichtung 18 in diesem Fall mit nur einem einzigen Objektiv versehen wird, das die Eigenschaften der Bildaufnahmeeinrichtung 18 und der linearen Optik 22, 23 miteinander vereint, vereinfacht sich die
Konstruktion der Bildaufnahmeeinrichtung 18. - -
Die Genauigkeit und die Robustheit der Profiltiefenmessung können durch eine Erhöhung der Anzahl der auf das Profil projizierten Lichtlinien 6 weiter gesteigert werden. In den Profilgrund der Reifenlauffläche sind gemäß einer gesetzlichen Richtlinie sogenannte Abriebindikatoren integriert, die sich gegenüber dem Rillengrund um den Betrag der gesetzlich vorgeschriebenen minimalen Profiltiefe erheben. Durch diese Erhebungen sowie durch andere Störobjekte wie Schmutz oder verklemmte Steinchen kann die Messung verfälscht werden, wenn die fehlerhaften Messungen nicht robust als Ausreißer erkannt und eliminiert werden. Robuste
Schätzer zur Effizienzsteigerung von Schätzverfahren, wie zum Beispiel der RANSAC-Algorithmus, sind aus der mathematischen Statistik bekannt. Aufgrund der zum Teil vorgeschriebenen Anordnung der Abriebindikatoren und ihrer typischen Ausdehnung von etwa 6 mm bis 10 mm in Laufrichtung können die Messwerte im vorgesehen Messfenster mit einer Schlitzbreite von 50 mm einen theoretischen Ausreißeranteil von 20% aufweisen. Abhängig von der im gewissen Umfang vom Reifenhersteller frei wählbaren Anordnung der Abriebindikatoren und der zufälligen Position der Abriebindikatoren im Bereich des Schlitzes 14 zum Zeitpunkt der Messung, kann bei nur wenigen Linien der Ausreißeranteil jedoch im günstigen Fall einen Wert von 0% und im ungünstigen
Fall einen Wert von 100% einnehmen, so dass eine Erkennung, ob Ausreißer vorliegen bzw. welche Messwerte als Ausreißer zu werten sind, gar nicht bzw. nur mit großer Unsicherheit möglich ist. In der Figur 9 ist auf der y-Achse der Anteil der Fehlmessungen (in Prozent) als
Funktion der auf der x-Achse aufgetragenen Anzahl n der Lichtlinien 6 aufgetragen. Mit einer steigenden Anzahl n an Lichtlinien 6 nähert sich die Anzahl der Ausreißer im ungünstigen Fall dem theoretischen Ausreißeranteil (hier 20%) asymptotisch an.
Der Erfolg des Ausreißertests ist auch abhängig von einem vorzugebenden Grenzwert, bis zu welcher Grenze ein Messwert nicht als Ausreißer gilt. Je kleiner der Grenzwert gewählt werden kann, desto zuverlässiger können die Ausreißer detektiert werden, einhergehend mit weniger Rechenaufwand, je genauer der theoretische Ausreißeranteil a priori bekannt ist. - -
Praktische Messungen haben ergeben, dass mindestens dreißig Lichtlinien 6 empfehlenswert sind, um eine absolute Messgenauigkeit von < ± 0.2 mm bei einer Robustheit von > 98% zu gewährleisten. Bei einer hohen Anzahl n von Lichtlinien 6 geht die lokale, linienweise Abtastung in eine flächenhafte Abtastung über, die zusätzliche Möglichkeiten zur Messung und Bewertung des Reifenprofils eröffnet. Ein weiterer Vorteil einer hohen Abtastdichte ist, dass die Abriebindikatoren sicher als solche detektiert und gemessen werden können, weil dadurch die relative Messgenauigkeit und Zuverlässig- keit der Ergebnisse verbessert wird. Hilfreich ist dazu die Kenntnis, dass die
Abriebindikatoren für die meisten Reifenprofile in Laufrichtung etwa 10 mm Ausdehnung aufweisen, die bei einer hohen Anzahl von Linien 6 einfacher segmentiert werden können. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, Hinweise auf Schäden wie Auswaschungen oder Sägezahnbildung im Profil geben zu können oder die einseitige Abnutzung des Profils als Folge eines fehlerhaften
Radsturzes zu erkennen. Darüber hinaus kann die hohe Abtastdichte dazu verwendet werden, um anhand der unterschiedlichen Profilstrukturen zu unterscheiden, ob es sich um einen Sommer-, Winter- oder Alljahresreifen handelt.
Die Breite einer Lichtlinie 6 im Bild auf dem Flächenbildsensor 8 ist abhängig von der Qualität der abbildenden Optiken der Beleuchtungseinrichtung 4 und der Bildaufnahmeeinrichtung 18, von der Oberflächenrauhigkeit und von weiteren Effekten wie Streulicht und Speckle. Abbildungseffekte können deshalb durchaus toleriert werden, wenn sie systematisch zu einer Linienverbreiterung beitragen.
Wie bereits erwähnt, ist die Breite einer abgebildeten Lichtlinie 6 entscheidend für die Linienpunktmessgenauigkeit. Aus der Anforderung einer optimalen Linienbreite von ca. fünf Pixel zur Linienpunktmessung im Subpixel-Bereich und unter Annahme eines minimalen Abstandes von einem Pixel zur Trennung der Lichtlinien 6 lässt sich herleiten, dass theoretisch maximal 106 Lichtlinien 6 möglich sind, wenn, wie im Beispiel beschrieben, auf dem Flächenbildsensor 8 640 Pixel zur Verfügung stehen.
Von der objektseitigen Betrachtung her ist die Generierung von Lichtlinien 6 mit einer Linienbreiten von 0,3 mm oder weniger technisch möglich, so dass unter
Annahme eines Linienabstandes von beispielsweise 0,2 mm etwa einhundert Lichtlinien 6 in einen Schlitz 14 mit einer Breite B von 50 mm projiziert werden können. - -
Die geeignete Breite der projizierten Lichtlinien 6 ist deshalb abhängig von der Abbildungsgeometrie und systemimmanenter Abbildungsfehler und wird so festgelegt, dass durch alle Einflussfaktoren eine Linienbreite im Bild auf dem Flächenbildsensor 8 von etwa fünf Pixeln entsteht und mindestens dreißig
Lichtlinien 6 abgebildet werden können.
Bei einer hohen Anzahl von Lichtlinien 6 und sich einem daraus ergebenden geringen Abstand zwischen den einzelnen Lichtlinien 6 ist, abhängig von der Tiefenausdehnung des Objekts und vom Winkel δ zwischen der Projektionsrichtung der Beleuchtungseinrichtung 4 und der Aufnahmerichtung der
Bildaufnahmeeinrichtung 18 am Objekt, eine eindeutige Zuordnung des Bildes einer Lichtlinie 6a auf dem Flächenbildsensor 8 zu einer projizierten Lichtlinie 6 nicht mehr ohne weiteres möglich.
Um eine eindeutige Zuordnung zu ermöglichen, muss die sich aus der Objekttiefe und der Aufnahmegeometrie ergebende Verschiebung des Lichtstrahls 5 im Bild geringer als der Abstand der abgebildeten Linien 6a im Bild sein. Aus der Formel (2) und den dort angegebenen Parametern zur Bildauflösung und Aufnahmekonfiguration lässt sich zum Beispiel ableiten, dass eine
Tiefenänderung von etwa 1 mm einer Verschiebung des Lichtstrahles um etwa 3 Pixel auf dem Flächenbildsensor 8 entspricht. Wenn die Profiltiefe eines fabrikneuen Reifens 12 von 8 mm bis 9 mm zugrunde gelegt wird, ergibt sich im Bild für die Profiltiefe von 9 mm eine Verschiebung der Linienabschnitte des Rillengrundes gegenüber der Lauffläche um etwa 9 mm * 3 Pixel/mm = 27 Pixel.
Unter Berücksichtigung einer zusätzlichen, optimalen Linienbreite von ca. 5 Pixeln wird bei einer verfügbaren Auflösung von 640 Pixeln für Lichtlinien 6 mit einem konstanten Abstand voneinander die Grenze der eindeutigen Zuordnung bei maximal zwanzig Lichtlinien 6 erreicht. Bei einer darüber hinausgehenden
Anzahl an Lichtlinien 6 wird die Unterscheidung zwischen den einzelnen Lichtlinien 6 zunehmend schwieriger und fehlerträchtig.
Eine Verringerung des Schnittwinkels δ vergrößert die mögliche Anzahl an Lichtlinien 6, bei denen die Eindeutigkeit der Zuordnung erhalten bleibt. Aus der
Formel (2) ist jedoch ebenfalls ersichtlich, dass die Tiefenmessgenauigkeit bei einem kleineren Schnittwinkel δ abnimmt. Zum Erreichen der für die hier vorgesehene Profiltiefenmessung erforderlichen hohen Messgenauigkeit wird - - einem großen Schnittwinkel δ ~ 40° der Vorzug gegeben und für die eindeutige Zuordnung einer hohen Anzahl von Lichtlinien 6, die sich im Bild durch die genannten Bedingungen ineinander verschoben haben, wird als zusätzliche Maßnahme eine Kodierung der Lichtlinien 6 durchgeführt, um Mehrdeutigkeiten aufzulösen.
Eine erste, einfache Möglichkeit einer räumlichen Linienkodierung ist eine Variation der Abstände zwischen benachbarten Lichtlinien 6, d.h. die
Beleuchtungseinrichtung 4 beleuchtet das zu vermessende Teilstück des
Reifenprofils zeitgleich mit mehreren Lichtlinien 6, die alle die gleiche Breite aber unterschiedliche Abstände voneinander haben.
Figur 10 zeigt beispielhaft eine Mehrzahl von Lichtlinien 6, deren Abstände zur jeweils benachbarten Linie von der mittleren Linie aus zu den Rändern links und rechts stetig zunehmen. Die auf dem Bildflächensensor 8 abgebildeten Linienabschnitte sind in der Figur 10 nicht dargestellt, um die Darstellung einfach zu halten.
Für die Erzeugung eines kodierten Linienmusters mit variablem Linienabstand, wie er in der Figur 10 gezeigt ist, können ein oder mehrere diffraktive optische Elemente 46 verwendet werden.
Eine alternative Ausführung sieht eine zeitliche Kodierung der Lichtlinien 6 oder eine Kombination aus einer räumlichen und einer zeitlichen Kodierung der Lichtlinien 6 vor. Eine Anzahl von eindeutig bestimmbaren Lichtlinien 6 wird mehrfach, jedoch zeitlich und räumlich versetzt, auf den zu messenden Profilausschnitt projiziert. Dabei müssen die Beleuchtungsfrequenz der Beleuchtungseinrichtung 4 und die Aufnahmefrequenz der Bildaufnahmeeinrichtung 18 entsprechend synchronisiert sein. Auch erhöht sich die Anzahl der benötigten Beleuchtungseinrichtungen 4, sofern als Beleuchtungseinrichtung 4 nicht ein programmierbarer Linienprojektor eingesetzt wird.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel werden Lichtlinien 6 mit unterschiedlicher Wellenlänge (Farbe) auf den zu messenden Profilausschnitt projiziert und es werden eine oder mehrere Bildaufnahmeeinrichtungen 18 eingesetzt, die mit einem Farbsensor versehen sind, so dass die Lichtlinien 6 mit unterschiedlicher Wellenlänge (Farbe) getrennt voneinander ausgewertet werden können. - -
Alle zuvor beschriebenen Kodierungen können auch beliebig miteinander kombiniert werden, um die Eindeutigkeit der Zuordnung zu optimieren und/oder die Anzahl der unterscheidbaren Lichtlinien 6 noch weiter zu erhöhen.
Bei der Überfahrt über die Schlitze 14 in der Fahrbahn 16 werden die Reifen 12 nur in Ausnahmefällen von lediglich einem Messmodul 26, d.h. einer Kombination aus einer Beleuchtungseinrichtung 4 und der zugehörigen Bildaufnahmeeinrichtung 18, erfasst. In der Regel werden die Reifen 12 in den Bildsequenzen von mindestens zwei benachbarten Messmodulen 26 abgebildet. Das liegt zum einen an der Breite der Reifen 12, die oft größer als die Länge L der Schlitze 14 von L=175 mm ist, und zum anderen an der zufälligen Fahrspur, die sich nicht exakt und zuverlässig auf ein einziges Messmodul 26 begrenzen lässt. Im Bereich der Überlappung benachbarter Messmodule 26 werden Lichtlinien 6 beider Messmodule 26 abgebildet. Dies erschwert eine eindeutige Zuordnung der Lichtlinien 6 zusätzlich. Die zuvor beschriebene Kodierung der Lichtlinien 6 muss daher auch geeignet sein, um die Lichtlinien 6 benachbarter Messmodule 26 eindeutig dem jeweiligen Messmodul 26 zuordnen zu können. Neben einer Kombination der zuvor vorgeschlagenen Kodierungen, die verschiedene DOEs 46 und/oder zusätzlichen technischen Aufwand erfordern, bietet zum Beispiel ein DOE 46, das ein asymmetrisch kodiertes Linienmuster erzeugt, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Identifikation der Lichtlinien 6 benachbarter Messmodule 26, z.B. indem das für alle Messmodule 26 verwendete einheitliche DOE 46 in benachbarten Messmodulen 26 in einer wechselseitigen, insbesondere um 180° gedrehten Anordnung verwendet wird.
Ein alternatives, in der Figur 14 gezeigtes Konzept sieht vor, die Konstruktion der Messmodule 26 asymmetrisch zu gestalten und benachbarte Messmodule 26 in einer wechselseitig um jeweils 180° gedrehten Ausrichtung zu montieren, so dass die Schlitze 14 in Fahrtrichtung F gegeneinander versetzt sind. Dadurch wird verhindert, dass Lichtlinien 6 in den Messbereich benachbarter Messmodule 26 projiziert werden und eine Lösung mit einheitlich ausgebildeten Messmodulen 26 möglich. Das Zusammenwirken der Schlitze 14 ermöglicht auch in diesem Ausführungsbeispiel eine lückenlose Erfassung des Reifenprofils, unabhängig von der zufälligen Fahrspur. - -
Figur 1 1 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Profiltiefe in oder auf einer Fahrbahn 16 quer zur Fahrtrichtung F eines Kraftfahrzeuges 10. Zu einem kompletten Prüfsystem gehören mindestens zwei Messeinrichtungen, eine für jede Fahrzeugseite.
Die Messeinrichtungen zur Messung der Profiltiefe der Reifen 12 beider Fahrzeugseiten sind über Kabel 31 oder drahtlos mit einer gemeinsamen Mess- und Auswerteinrichtung 30 verbunden. Die Mess- und Auswerteeinrichtung 30 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 32 zum Anzeigen der Ergebnisse und bei Bedarf mit einem Server 34 verbunden.
Die beschriebene Vorrichtung kann einen zusätzlichen Sensor 28 aufweisen, der ausgebildet ist, um ein auf die Vorrichtung zufahrendes Fahrzeug 10 zu detek- tieren. Der zusätzliche Sensor 28 ist mit der Mess- und Auswerteeinrichtung 30 verbunden und versetzt die Mess- und Auswerteeinrichtung 30 unmittelbar vor der Überfahrt des Fahrzeuges 10 von einem Ruhezustand in den Messzustand.
Der zusätzliche Sensor 28 kann ein Kontaktschalter sein, der durch einen auf das Prüfsystem zufahrendes Reifen 12 ausgelöst wird. Der zusätzliche Sensor 28 kann auch zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 verwendet werden: Bei einem bekannten Abstand d1 zwischen dem zusätzlichen Sensor 28 und dem Schlitz 14 zur Profiltiefenmessung kann durch die Messung der Zeit, die zwischen Auslösen des zusätzlichen Sensors 28 und dem Überfahren des Schlitzes 14 vergeht, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 ermittelt werden.
Zusätzlich kann ein Umweltsensor 36 vorgesehen sein, der beispielsweise ein lichtempfindlicher Sensor ist, der zur Optimierung der Beleuchtung und
Abbildung eingesetzt wird, indem der Umweltsensor 36 kontinuierlich oder in einem vorgegebenen Zeitintervall die Intensität des Umgebungslichtes (Tag, Nacht, Sonne, Wolken, ...) misst.
Auch der Umweltsensor 36 ist mit der Mess- und Auswerteeinrichtung 30 des Messsystems verbunden. Die Mess- und Auswerteeinrichtung 30 analysiert die Sensordaten und stellt optimale Parameter für die Beleuchtungseinrichtung 4 (z.B. Beleuchtungsintensität) und/oder die Bildaufnahmeeinrichtung 18 (z.B.
Integrationszeit) bereit, die eine Unter- oder Überbelichtung während der Messungen verhindern. - -
In einem Ausführungsbeispiel kann eine zusätzliche Bildaufnahmeeinrichtung gleichzeitig die Funktionen des Kontaktsensors 28 und des Umweltsensors 36 realisieren und sowohl ein sich der Messvorrichtung näherndes Fahrzeug 10 detektieren, als auch das Umgebungslicht analysieren. Die zusätzliche Bildauf- nahmeeinrichtung kann ggf. auch das Kennzeichen des Fahrzeugs 10 ermitteln und es auf diese Weise ermöglichen, die Messergebnisse automatisch dem Fahrzeug 10 zuzuordnen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Bildaufnahmeeinrichtung 18 der Messvorrichtung selbst als Sensor zur Analyse der Intensität des Umgebungslichtes eingesetzt. In einem separaten Messmodus wird kontinuierlich oder in einem vorgegebenen Zeitintervall die Intensität des Umgebungslichtes analysiert und die optimalen Parameter zur Profiltiefenmessung werden fortlaufend ermittelt. Sobald sich ein Fahrzeugs 10 der Messvorrichtung nähert, wird der Messmodus der Messvorrichtung auf die eigentliche Profiltiefenmessung umgestellt, bei der Profiltiefenmessung werden dann die zuvor ermittelten Parameter verwendet.
Die Mess- und Auswerteeinrichtung 30 ist beispielsweise mit einer Rechner- einrichtung (CPU), einer Speichereinrichtung (RAM) und einer Auswertesoftware ausgestattet und führt die Analyse der Messdaten des Umweltsensors 36, die Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Bildanalyse zur Unterscheidung des Reifentyps, zur Berechnung der Profiltiefe, Profiltiefenabweichung und flächenhaften Profilstruktur jedes Reifens 12, eine Berechnung der relativen Abweichung der Profiltiefen und Profiltiefenabweichung der Reifen 12 an jeder
Achse, eine Bewertung der Profiltiefe, Profiltiefenabweichung und Profilstruktur für jeden Reifen 12 anhand definierter Grenzwerte, eine Bewertung der relativen Abweichung und der Differenz der Profiltiefenabweichung der Reifen 12 an einer Achse anhand definierter Grenzwerte sowie eine zusammenfassende Reifen- diagnose für das Gesamtfahrzeug durch und steuert die Anzeigeeinrichtung 32 zur Ausgabe der Prüfergebnisse sowie bei Bedarf die Übertragung der
Ergebnisse der Prüfung und Auswertung an den übergeordneten Server 34.
Ein erfindungsgemäßes Messsystem kann zweckmäßigerweise in eine
Überfahrrinne 38 integriert werden, wie sie aus dem Straßenbau bekannt und bewährt sind. Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel (ohne die Darstellung der Anschlusskabel) mit einer solchen Überfahrrinne 38 im Querschnitt. Zur
Optimierung des verfügbaren Bauraums werden die Abbildung und die - -
Beleuchtungslinien über Spiegel 42, 44 umgelenkt. Durch eine symmetrische Anordnung der optischen Elemente 4, 18, 42, 44 wird erreicht, dass die
Strahllängen für die Beleuchtungseinrichtung 4 und die Bildaufnahmeeinrichtung 18 identisch sind und damit der Fächerwinkel der Lichtebenen 5 der
Beleuchtungseinrichtung 4 ebenso groß ist wie der Öffnungswinkel φ der Bildaufnahmeeinrichtung 18.
Eine Montage der optischen Elemente 4, 18, 42, 44 sowie der Mess- und Auswerteeinrichtung 30 an einer Seitenwand 39 der Überfahrrinne 38 schützt die optischen Elemente 4, 18, 42, 44 und die Mess- und Auswerteeinrichtung 30 zum Beispiel vor Stauwasser, dass sich am Boden der Überfahrrinne 38 sammelt. Die Montage aller Komponenten 4, 18, 42, 44, 30 des Messsystems an einem Deckel 37 der Überfahrrinne 38 ermöglicht es, die Komponenten 4, 18, 42, 44, 30 einfach zu warten und/oder auszutauschen. Der Kontaktsensor 28 und der Umweltsensor 36 sind in der Fig. 12 nicht dargestellt. Sie können sowohl im Deckel 37 als auch außerhalb der Überfahrrinne 38 angeordnet werden.
Figur 13 zeigt die Überfahrrinne 38 eines erstes Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Messung der Profiltiefe auf einer Fahrzeugseite mit einer Anordnung von vier quer zur Fahrtrichtung F nebeneinander angeordneten Messmodulen 26, die einen gemeinsamen Schlitz 14 haben, in der Aufsicht. Auf die Darstellung der Anschlusskabel wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit erneut verzichtet. Ein Fahrzeug 10 fährt in dieser Darstellung zur Messung von unten nach oben (in Fahrtrichtung F) oder von oben nach unten über den Schlitz 14.
Figur 14 zeigt die Überfahrrinne 38 in einer vereinfachten Darstellung ohne die optischen Elemente 4, 18, 42, 44, die Auswerteeinrichtung 30 und die Anschlusskabel in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung von vier neben- einander angeordneten Messmodulen 26, die eine asymmetrische Konstruktion aufweisen und wechselseitig um jeweils 180° gedreht in der Überfahrrinne 38 angeordnet sind, so dass die vier Schlitze 14 in Fahrtrichtung F zueinander versetzt angeordnet sind. Die Schlitze 14 sind so konstruiert, dass sie gemeinsam die gesamte Breite der Überfahrrinne 38 abdecken und quer zur Fahrtrich- tung F keine Lücke im Schlitz 14 vorhanden ist. Ein Fahrzeug 10 fährt in dieser
Darstellung zur Messung von unten nach oben (in Fahrtrichtung F) oder von oben nach unten über die Schlitze 14. - -
Der Schlitz 14 kann durch eine transparente Schicht, z.B. aus Glas oder Plexiglas, verschlossen werden, um die optischen Elemente 4, 18, 42, 44 vor
Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen.
Eine Messung ist gültig, wenn alle Lichtlinien 6 auf dem Bildflächensensor 8 abgebildet sind. Unter günstigen Bedingungen, d.h. bei großen Latschlängen (die Latschlänge ist abhängig vom Reifentyp, vom Reifendruck und der Radlast) können mit einer Aufnahmefrequenz von 60 Bildern pro Sekunde auch bei Geschwindigkeiten von mehr 15 km/h gültige Messergebnisse erzielt werden, wenn mindestens ein Bild erfasst wird, dass alle Linien umfasst.
Sind nicht alle Lichtlinien 6 auf dem Bildflächensensor 8 abgebildet, wird die Messung als ungültig gewertet. Überschreitet zusätzlich die Überfahrgeschwindigkeit einen vorgegebenen Grenzwert von z.B. 15 km/h, wird als mögliche Ursache für die Fehlmessung eine zu hohe Geschwindigkeit ausgewiesen.
Eine Möglichkeit der Geschwindigkeitsmessung ohne zusätzlichen Sensor bzw. Kontaktschalter 28 bietet die in Figur 14 gezeigte Anordnung, bei der die Schlitze 14 mit einem bekannten Abstand d2 in Fahrtrichtung F versetzt zueinander angeordnet sind. Die Messung des zeitlichen Versatzes bei der Überquerung der Schlitze 14 benachbarter Messmodule 26 erfolgt durch eine Korrelationsanalyse der aufgezeichneten Lichtlinien 16 in den Bildsequenzen benachbarter Messmodule 26.
Während einer Messung fährt das Fahrzeug 10 zuerst mit einem Vorderrad 12 und dann mit einem Hinterrad 12 über den Schlitz 14 bzw. die Schlitze 14 der Messanordnung. So können mit einer Messanordnung die Profiltiefen aller Räder 12 auf einer Fahrzeugseite in einem Messvorgang nahezu gleichzeitig bestimmt werden.
Anschließend werden für alle Räder 12 die Ergebnisse automatisch bewertet und z.B. über eine Ampel farblich und/oder durch einen geeigneten Bewertungstext dem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt. Die Bewertung der Profiltiefe erfolgt dabei auf der Grundlage der gesetzlich vorgegebenen Mindestprofiltiefe von 1 ,6 mm und einem aus Gründen der Fahrsicherheit empfohlenen Grenzwert von 3 mm bis 4 mm für die Warnung vor stark abgenutzten Reifen mit nur noch geringer Restnutzungsdauer.
Unterschreitet eine gemessene Profiltiefe den vorgegebenen Warnwert, wird die Ampelfarbe„Gelb", bei Unterschreiten der Mindestprofiltiefe wird die Ampelfarbe „Rot" und sonst die Ampelfarbe„Grün" ausgegeben.
Figure imgf000029_0001
Tabelle 1 - -
Ein weiteres Prüfkriterium für die Reifenprofiltiefe stellt die Tatsache dar, dass die Profiltiefe für die Reifen 12 auf einer Achse in der Regel gleich sein sollte, aber zwischen den Reifen 12 auf der Vorder- und Hinterachse durchaus differieren darf:
Figure imgf000030_0001
Tabelle 2
Da bei einem eventuellen Reifenwechsel während der Fahrzeugnutzung auf einer Achse immer die gleichen Reifen montiert werden, ergibt sich mit einer relativen Profilanalyse eine zusätzliche Möglichkeit, Abweichungen zwischen linkem und rechtem Rad einer Achse zu prüfen. Die Differenz zwischen den beiden Profiltiefen sollte einen definierten Grenzwert nicht überschreiten. Wird der Grenzwert überschritten, deutet dies auf einen fehlerhaften Reifendruck oder Reifen unterschiedlicher Qualität hin und es wird die Ampelfarbe„Gelb" ausgegeben. Eine sich über die Reifenbreite verändernde Profiltiefe gibt einen Hinweis auf eine fehlerhafte Fahrwerkseinstellung. Wird ein hierfür vorgegebener Grenzwert überschritten, wird die Ampelfarbe„Gelb" ausgegeben:
Figure imgf000030_0002
Tabelle 3 - -
Die Ausgabe an einer Anzeigevorrichtung für den Fahrer zeigt vorzugsweise nur ein Ergebnis für das Gesamtfahrzeug:
Figure imgf000031_0001
Tabelle 4
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Profiltiefenmessung auf einer Fahrzeugachse kann somit insgesamt die folgenden Verfahrensschritte umfassen:
1 . Analyse des Umgebungslichtes (Tag, Nacht, Sonne, Wolken) und Einstellen der Beleuchtungsintensität der Beleuchtungseinrichtungen 4 und der Integrationszeit der Bildaufnahmeeinrichtungen 18. 2. Aktivieren des Messsystems bei Annäherung eines Fahrzeugs 10.
3. Beleuchten des Schlitzes mit mehreren kodierten Lichtlinien 6 und kontinuierliches Erfassen und Speichern der Bilder der Bildaufnahmeeinrichtungen 18 beim Überrollen mit dem Reifen 12 (auf beiden Fahrzeugseiten mit je- weils einem Messsystem).
4. Bestimmung der Fahrgeschwindigkeit.
5. Durchführung der Bildanalyse mit eindeutiger Identifikation der einzelnen Lichtlinien 6 (Dekodierung), Bestimmung aller Linienpunkte für jeden Reifen 12. - -
6. Berechnen der Profiltiefe für jede Profilrille R1 , R2, R3, R4, R5 und Lichtlinie 6 für jeden Reifen 12. Ermittlung eines repräsentativen Profiltiefenwertes für jede Rille R1 , R2, R3, R4, R5 aus den Informationen aller Lichtlinien 6.
7. Berechnung einer mittleren Profiltiefe für jeden Reifen 12 aus den Profiltiefen aller Profilrillen R1 , R2, R3, R4, R5 sowie die Profiltiefenabweichung über die Breite des Reifens 12.
8. Prüfen der Gültigkeit der Messung jedes Reifens 12.
8a. Sind nicht alle Lichtlinien 6 in mindestens einem Bild abgebildet und ist die berechnete Geschwindigkeit größer als der Grenzwert, wird dem
Fahrzeug 10 der Zustand„Messung ungültig, Geschwindigkeit zu hoch:
Ampelfarbe Rot" zugeordnet. Die Auswertung wird abgebrochen. Es erfolgt keine weitere Analyse, sondern eine entsprechende Ausgabe an den Fahrer gemäß Verfahrensschritt 15.
8b. Sind nicht alle Lichtlinien 6 in mindestens einem Bild abgebildet und ist die berechnete Geschwindigkeit geringer als der Grenzwert, wird dem Fahrzeug 10 der Zustand„Messung ungültig (nicht messbereit): Ampelfarbe Rot" zugeordnet. Die Auswertung wird abgebrochen. Es erfolgt keine weitere Analyse, sondern eine entsprechende Ausgabe an den Fahrer und an die Servicezentrale gemäß Verfahrensschritt 15.
9. Ermitteln der flächenhaften Profilstruktur aus den bestimmten
Linienpunkten jedes Reifens 12.
10. Analyse der Profilstruktur und Bestimmung des Reifentyps jedes Reifens 12.
10a. Wird in der Jahreszeit Winter der Reifentyp als Sommerreifen identifiziert, wird diesem Reifen 12 der Zustand„Falscher Reifentyp: Ampelfarbe Rot" zugeordnet.
10b. Wird in der Jahreszeit Sommer der Reifentyp als Winterreifen identifiziert, wird diesem Reifen 12 der Zustand„Reifentyp prüfen: Ampelfarbe Gelb" zugeordnet.
1 1. Bewerten der mittleren Profiltiefe jedes Reifens 12 durch Vergleich der gemessenen Profiltiefe mit definierten Grenzwerten (die Grenzwerte für Sommer- und Winterreifen können verschieden sein). - -
1 1 a. Hat die mittlere Profiltiefe die gesetzlich vorgegebene
Mindestprofiltiefe erreicht oder unterschritten, wird diesem Reifen 12 der Zustand„Mindestprofiltiefe erreicht: Ampelfarbe Rot" zugeordnet.
1 1 b. Liegt die mittlere Profiltiefe zwischen der gesetzlich vorgegebenen Mindestprofiltiefe und dem sicherheitsrelevanten Grenzwert, wird diesem Reifen 12 der Zustand„Reifenverschleiß prüfen: Ampelfarbe Gelb" zugeordnet.
1 1 c. Ist die mittlere Profiltiefe größer oder gleich dem
sicherheitsrelevanten Grenzwert, wird diesem Reifen 12 der Zustand „Ampelfarbe Grün" zugeordnet.
12. Bewerten der Abweichung der Profiltiefe über die Reifenbreite jedes Reifens 12 anhand eines definierten Grenzwertes, wenn die mittlere Profiltiefe größer oder gleich dem sicherheitsrelevanten Grenzwert ist.
12a. Überschreitet die Profiltiefenabweichung den Grenzwert, wird diesem Reifen 12 der Zustand„Reifenverschleiß einseitig, Fahrwerk prüfen: Ampelfarbe Gelb" zugeordnet.
13. Analyse der flächenhaften Profilstruktur jedes Reifens 12 in Laufrichtung auf Vorliegen von Sägezahnstruktur und Auswaschungen und Bewertung anhand eines definierten Grenzwertes, wenn die mittlere Profiltiefe größer oder gleich dem sicherheitsrelevanten Grenzwert ist.
13a. Überschreitet die Tiefe der flächenhaften Profilstruktur den
Grenzwert, wird diesem Reifen 12 der Zustand„Reifenverschleiß prüfen:
Ampelfarbe Gelb" zugeordnet.
14. Bestimmung der relativen Differenz der mittleren Profiltiefe und der Profiltiefenabweichung über die Reifenbreite der Reifen 12 einer Achse und Vergleich mit vordefinierten Grenzwerten, wenn die mittlere Profiltiefe beider Reifen 12 größer oder gleich dem sicherheitsrelevanten Grenzwert ist.
14a. Ist die berechnete Differenz der mittleren Profiltiefe links/rechts größer als der Grenzwert, wird dem Reifen 12 mit der geringeren Profiltiefe der Zustand„Reifenverschleiß unterschiedlich, Reifendruck, Reifenqualität prüfen: Ampelfarbe Gelb" zugeordnet; die Ampelfarbe„Grün" wird überschrieben.
14b. Ist die berechnete Differenz der Profiltiefenabweichung über Reifenbreite links/rechts größer als der Grenzwert, wird beiden Reifen 12 der Achse der Zustand„Reifenverschleiß unterschiedlich, Fahrwerk prüfen:
Ampelfarbe Gelb" zugeordnet; die Ampelfarbe„Grün" wird überschrieben. - -
15. Bestimmung des Zustandes für das Gesamtfahrzeug.
15a. Wurden alle Reifen 12 mit der Ampelfarbe„Grün" bewertet, wird dem Gesamtfahrzeug der Zustand„Ampelfarbe Grün" zugeordnet.
15b. Wurde mindestens ein Reifen 12 mit der Ampelfarbe„Gelb" bewertet, wird dem Gesamtfahrzeug der Zustand„Reifenverschleiß prüfen, Ampelfarbe Gelb" zugeordnet.
15c. Wurde mindestens ein Reifen 12 mit der Ampelfarbe„Rot" bewertet, wird dem Gesamtfahrzeug der Zustand„Reifenverschleiß prüfen, Ampelfarbe Rot" zugeordnet.
15d. Wurden nicht alle Lichtlinien 6 in mindestens einem Bild abgebildet und ist die berechnete Geschwindigkeit größer als der Grenzwert, wird dem Fahrzeug 10 der Zustand„Messung ungültig, Geschwindigkeit zu hoch:
Ampelfarbe Rot" zugeordnet.
15e. Wurden nicht alle Lichtlinien 6 in mindestens einem Bild abgebildet und ist die berechnete Geschwindigkeit geringer als der Grenzwert, wird dem Fahrzeug 10 der Zustand„Messung ungültig (nicht messbereit): Ampelfarbe Rot" zugeordnet: Zusätzlich wird die Servicezentrale informiert.
16. Optische Anzeige des Prüfergebnisses für den Fahrer:
16a. Ergebnis der Reifendiagnose für das Gesamtfahrzeug 10 mit Klartext der Bezeichnung des ermittelten Zustande und/oder der an den Zustand gekoppelten Ampelfarbe.
16b. Optional Ergebnis der Reifendiagnose für jeden einzelnen Reifen 12 mit Klartext der Bezeichnung des ermittelten Zustande und/oder der an den Zustand gekoppelten Ampelfarbe und/oder den ermittelten Messwerten zur Bewertung des einzelnen Reifens 12 und/oder zur Vergleichsbewertung der Reifen 12 einer Achse.
17. Optional Übertragung der Messdaten und Ergebnisse an einen
Server 34.
Die Verfahrensschritte für ein zweiachsiges Fahrzeug 10 umfassen die oben beschriebenen Verfahrensschritte 3 bis 14 für die Vorderachse und unmittelbar daran anschließend die gleichen Verfahrensschritte 3 bis 14 für die Hinterachse. Die Verfahrensschritte 15 bis 17 werden für alle Reifen 12 des Fahrzeuges gleichzeitig ausgeführt.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Vermessen des Profils der Lauffläche eines Reifens (12) mit einem Messmodul (26), das
wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung (4), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im Betrieb wenigstens eine Lichtlinie (6) auf das zu vermessende Profil projiziert, und
wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung (18), die zur Aufnahme wenigstens eines Bildes wenigstens eines Bereiches des zu vermessenden Profils ausgebildet ist, aufweist
wobei die wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung (4) und die wenigstens eine Bildaufnahmeeinrichtung (18) so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Beleuchtungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung (4) und die Bildaufnahmerichtung der Bildaufnahmeeinrichtung (18) weder parallel zueinander noch orthogonal zur Lauffläche des Reifens (12) ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung mehrere Messmodule (26) aufweist, die quer zur Laufrichtung (F) des Reifens (12) angeordnet und mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung (30) verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Beleuchtungseinrichtungen (4) der Messmodule (26) jeweils ausgebildet sind, ein Muster, das mehrere
Lichtlinien (6) umfasst, auf das Profil zu projizieren, wobei die Beleuchtungseinrichtungen (4) insbesondere jeweils wenigstens ein diffraktives optisches Element (46) aufweisen, das ausgebildet ist, um ein solches Muster zu erzeugen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beleuchtungseinrichtungen (4) so ausgebildet sind, dass die einzelnen Lichtlinien (6) kodiert sind, so dass sie identifizierbar und insbesondere eindeutig einem der Messmodule (26) zuordenbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kodierung eine räumliche Kodierung, eine zeitliche Kodierung oder eine Kombination daraus umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bildaufnahmeeinrichtungen (18) jeweils wenigsten ein optisches Element (22, 23), insbesondere eine Zylinderlinse, aufweisen, das ausgebildet ist, um den Bildaufnahmebereich der Bildaufnahmeeinrichtung (18) zu verzerren, insbesondere um den Bildaufnahmebereich parallel zur Laufrichtung (F) des Reifens (12) zu verdichten und/oder quer zur Laufrichtung (F) des Reifens (12) aufzuweiten.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bildaufnahmeeinrichtung (18) einen Flächenbildsensor (8) aufweist, der in den beiden Richtungen seiner Fläche ein unterschiedliche Anzahl an Pixeln aufweist und der so angeordnet ist, dass die Richtung, die die höhere Anzahl an Pixeln aufweist, parallel zur Fahrtrichtung (F) des Fahrzeugs (10) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Messmodule (26) nebeneinander ausgebildet sind und wobei die diffraktiven optischen Elemente (46) unmittelbar benachbarter Messmodule (26) gegeneinander verdreht ausgerichtet sind, so dass sie unterschiedlich kodierte Lichtmuster erzeugen.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messmodule (26) so ausgebildet sind, dass die Beleuchtungseinrichtungen (4) und Bildaufnahmeeinrichtungen (18) in der Laufrichtung (F) des zu vermessenden Reifens (12) versetzt zueinander angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Öffnungswinkel φ der Bildaufnahmeeinrichtung (18) und der Fächerwinkel der Lichtebene (5) der Beleuchtungseinrichtung (4) ± 20° beträgt und wobei der Winkel δ zwischen der Beleuchtungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung (4) und der Bildaufnahmerichtung der Bildaufnahmeeinrichtung (18) zwischen 20° bis 45°, insbesondere 40° beträgt.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die wenigstens einen zusätzlichen Sensor (28) aufweist, der ausgebildet ist, um die Annäherung eines Reifens (12) und/oder die Beleuchtung des Reifenprofils zu detektieren.
1 1 . Verfahren zum Vermessen des Profils der Lauffläche eines Reifens (12) mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: den zu vermessenden Reifen (12) über die Vorrichtung zu rollen; mit den Beleuchtungseinrichtungen (4) jeweils wenigstens eine Lichtlinie (6) auf die Lauffläche des zu vermessenden Reifens (12) zu projizieren; mit den Bildaufnahmeeinrichtungen (18) jeweils wenigstens ein reflektiertes Bild der Lauffläche aufzunehmen; die Lichtlinien (6) in den aufgenommenen Bildern zu identifizieren und einer der Beleuchtungseinrichtungen (4) zuzuordnen; die aufgenommenen Bilder der Lichtlinien (6) auszuwerten, um die Tiefe des Profils zu bestimmen.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei das Verfahren zusätzlich umfasst, die Geschwindigkeit des Reifens (12) zu bestimmen und das Verfahren abzubrechen, wenn eine zulässige Maximalgeschwindigkeit überschritten wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei das Verfahren zusätzlich umfasst, die bestimmte Profiltiefe mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und eine Warnung auszugeben, wenn die bestimmte Profiltiefe den vorgegebenen ersten Grenzwert unterschreitet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, wobei das Verfahren zusätzlich umfasst, die für die Reifen (12) einer Achse bestimmten Profiltiefen miteinander zu vergleichen und eine Warnung auszugeben, wenn die Differenz zwischen den Profiltiefen der Reifen (12) einer Achse einen vorgegebenen zweiten Grenzwert unterschreitet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, wobei das Verfahren zusätzlich umfasst, Abbildungsparameter, insbesondere die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung (4) und/oder die Integrationszeit der
Bildaufnahmeeinrichtung (18), zu optimieren.
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