用于光学测量行走机构的方法和装置.pdf

本发明涉及一种用于车辆(1)上的行走机构测量和/或用于车辆(1)上的行走机构部件动态检测的方法以及一种用于实施该方法的装置，在该方法中，借助一个照明装置(11)用由结构化的光构成的一个光图样(15)照亮车辆(1)的至少一个车轮(2)和/或至少一个区段并且借助给出图像的传感器装置(12，13)接收反射回来的光(4′)并在一个分析计算装置(16)中对反射回来的光(4′)进行分析计算。即使在不利的环境光情况下也能实现鲁棒的测量，其方式是，所述结构化的光由该照明装置在一确定的、窄的发射波长范围内窄带地发出，借助所述传感器装置(12，13)同样窄带地在与发射波长范围相适配的接收波长范围内感测该光并且在所述分析计算装置(16)中对该光进行分析计算，其中，外来光影响被排除。

1、  用于车辆(1)上的行走机构测量和/或用于车辆(1)上的行走机构部件动态检测的方法，在这种方法中，借助一个照明装置(11)用由结构化的光构成的一个光图样(15)照亮车辆(1)的至少一个车轮(2)和/或至少一个区段并且借助给出图像的传感器装置(12，13)接收反射回来的光(4′)并在一个分析计算装置(16)中对反射回来的光(4′)进行分析计算，其特征为，所述结构化的光由该照明装置在一确定的、窄的发射波长范围内窄带地发出，借助所述传感器装置(12，13)同样窄带地在与发射波长范围相适配的接收波长范围内感测该光并且在所述分析计算装置(16)中对该光进行分析计算，其中，外来光影响被排除。

2、  按照权利要求1所述的方法，其特征为，所述窄带光由一个产生窄带光的光源发射或者借助一个投影光具产生。

3、  按照权利要求2所述的方法，其特征为，所述窄带光由所述投影光具借助光谱选择性光学元件产生。

4、  按照权利要求2或3所述的方法，其特征为，所述窄带光借助一激光器和一折射的和/或衍射的投影光具或者一具有动态运动的反射镜的激光投影系统产生。

5、  按照权利要求2或3所述的方法，其特征为，所述窄带光借助一窄带发射的发光二极管组件和一相匹配的投影光具产生。

6、  按照权利要求2至5之一所述的方法，其特征为，借助所述投影光具也产生所述结构化的光的光图样。

7、  按照前面权利要求之一所述的方法，其特征为，作为光图样，产生一个规则的或不规则的点图样、一个线图样或者条纹图样、一个随机图样或者这些光图样中的至少两种的组合。

8、  按照前面权利要求之一所述的方法，其特征为，反射回来的光(4′)在一个探测单元(41)的给出图像的传感器装置(12，13)内通过一个成像光具(40)导入，在该成像光具中，成像参数借助一个透镜系统来预给定或者影响，借助至少一个光谱选择性光学元件进行与由照明装置(11)发出的所述窄带光的光谱适配。

9、  按照权利要求8所述的方法，其特征为，所述至少一个光谱选择性光学元件(43)也被用来影响成像参数和/或借助于所述成像光具(40)中的射线导向和/或通过光谱选择性光学元件的曲率来支持光谱适配，其中，将不希望的光谱选择性特性降低到最小。

10、  按照权利要求8或9所述的方法，其特征为，在所述成像光具(40)中，相对于光轴倾斜进入的光的角度在其进入所述至少一个光谱选择性光学元件(43)之前被减小。

11、  按照前面权利要求之一所述的方法，其特征为，在基于光图样(15)、特别是点图样进行分析计算时，根据反射光(4′)确定与车轮相关的3D点云(20)，使车轮(2)的参数表面模型适配于所述3D点云，通过对车轮(2)的不同旋转位置计算出车轮法向矢量来确定车轮轴线，根据车轮法向矢量的空间运动中计算出旋转轴线矢量作为旋转轴线。

12、  用于实施按照前面权利要求之一所述的方法的装置，具有一个用于产生结构化的光图样(15)并用于以该光图样(15)照亮车辆(1)的至少一个车轮(2)和/或至少一个区段的照明装置(11)，具有一个给出图像的传感器装置(12，13)用于接收反射回来的光(4′)，并具有一个分析计算装置(16)，其特征为，所述照明装置(11)构造得用于产生确定波长范围内的窄带光，用于感测该窄波长范围内的光的所述传感器装置(12，13)具有一个成像光具(40)，该成像光具(40)具有至少一个光谱选择性光学元件(43)。

13、  按照权利要求12所述的装置，其特征为，所述至少一个光谱选择性光学元件(43)在该成像光具(40)内部安置在这样一个位置：在该位置，相对于光轴倾斜进入该成像光具(40)内的光的角度减小和/或所述至少一个光谱选择性光学元件为了避免光谱过滤特性的方向依赖性而是弯曲的。

用于光学测量行走机构的方法和装置
背景技术
本发明涉及一种用于测量行走机构和/或用于动态检测汽车上的行走机构部件的方法以及一种用于实施该方法的装置，在这种方法中，借助一照明装置用由结构化的光线组成的光图样照亮至少一个车轮和/或至少一个车辆区段，借助给出图像的传感器装置接收反射回来的光并且在一分析计算装置中对其进行分析计算。
在DE103 35 829 A1和平行的EP 1 505 367 A2中已说明了一种该类型的方法和装置。在这种用于确定车轴几何参数的已知方法中，将一个光图样例如具有可变周期或者具有单色栅格结构或者具有通过彩色编码实现面编码的条纹图样在端面侧投影到车轮上，从车轮端面反射的光从不同于投影方向的另一方向被变像器接收，而车轮旋转，以便尽管在通常的车轮上存在不平度也能尽可能精确并且鲁棒地确定车轮的法向矢量或者说参考平面。然而在这种用于测量行走机构的无接触式光学方法中难以达到高精度的可靠测量结果。
在US 4,745,469中也说明了一种方法，用该方法在已求出旋转轴线的基础上光学地无接触地进行车轴测量。在测量中求出前束角和外倾角，在测量期间，车辆位于滚动试验台上。借助投影系统将激光线或者其它图样投影到车轮或者轮胎上。借助摄像机对图样成像，通过三角测量法，根据摄像机坐标和已知的摄像机相对于投影仪的布置描述表面上的3D坐标且由此求出车轮位置，然后由此最后确定前束和车轮外倾角。
在DE 10 2005 063 082 A1和DE 10 2005 063 083 A1中也说明了光学测量行走机构的方法，在这些方法中，结构化的光投影到车轮上并且也投影到车轮周围的车身区域上，借助一给出图像的传感器装置接收光。
在用于求出旋转轴并且测量轴几何参数的其它方法和装置中，用一单目摄像系统或者立体摄像系统观察车辆，如在EP 0 895 056 A2和DE 29 48573 A1中所示出的那样。在摄像机图像的灰度值图像中确定显著特征例如轮辋边缘的位置。根据轮辋边缘或图像中其它特征的几何位置计算出它们在空间的位置并由此计算出前束或者车轮外倾角。在DE 10 2004 013 441 A1中也介绍了一种这样的测量方法，其中，为了求出车轮的旋转轴线引入一个3D模型。在测量时也例如拍照轮辋的立体图像并确定气门的角度位置。在DE 10 2005 017 624中指出，通过求出3D点云来获取车轮特征和/或车身特征，以便由此确定车辆的车轮几何参数和/或车轴几何参数，其中对旋转车轮的拍摄特别是也在车辆从旁边驶过的期间进行。
还有一些方法，在这些方法中，代替现有车轮特征借助机械辅助措施安置特别的标记，如在DE 100 32 356 A1中示出的那样。虽然这样的标记对于测量和分析计算来说得到车轮上的可良好感测的结构，但它们需要附加费用。
此外在DE 199 49 704 A1和DE 199 49 982 C2中示出了用于检测其它行走机构部件如减震器、关节间隙的光学测量方法，其中，对车轮运动和/或车身运动进行光学测量。
在所有这些无接触式光学测量方法或者装置中，在没有特别标记的情况下难以借助投影光进行精确而可靠、鲁棒的行走机构测量和/或行走机构部件动态检测，特别是在不平的实际测量条件下和在规定尽可能简单进行测量的条件下。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于在使用结构化照明的情况下对车辆进行行走机构测量和/或行走机构部件动态检测的方法，该方法尽可能鲁棒地抗外部干扰影响，并且也提供一种相应的装置。
该任务通过权利要求1或者权利要求11的特征解决。在这里规定，由照明装置在一定的窄的发射波长范围内窄带地发出结构化的光，借助传感器装置在与发射波长范围相匹配的接收波长范围内同样窄带地感测该光并且在分析计算装置中对其进行分析计算，其中，外来光影响被排除。对于该装置，该任务这样解决：照明装置构造得用于产生一定波长范围的窄带光，用于感测该窄波长范围内的光的传感器装置具有一成像光具，该成像光具具有至少一个光谱选择性的光学元件。通过这些措施，即使在不利的环境光线情况下、特别是在环境光强的情况下也能够可靠地感测和分析计算结构化的光图样。
所述窄带光由一个产生窄带光的光源发出或者借助一个投影光具产生，由此得到可选择的有利方案。
在此，由此得到可靠的工作方式：所述窄带光由投影光具借助于光谱选择性光学元件产生。
也可以通过借助一个激光器和一个折射的和/或衍射的投影光具或者一个具有动态运动的反射镜的激光投影系统产生窄带光来支持可靠的功能。此外，也可通过借助一个窄带发射的发光二极管组件和一个相匹配的投影光具产生窄带光来支持可靠的功能。
借助投影光具还产生结构化的光的光图样，由此可以得到其它优点。
各种不同的其它构型可能性在于：作为光图样，产生一个规则的或不规则的点图样、线图样或条纹图样、一个随机图样或者这些光图样中的至少两种的组合。
此外，以下措施有助于可靠测量：反射光在探测单元的给出图像的传感器装置中通过一个成像光具来引导，在该成像光具中成像参数借助透镜系统来预给定或者影响，借助至少一个光谱选择性光学元件进行与由照明装置发出的窄带光的光谱适配。
在此有利措施在于，所述至少一个光谱选择性光学元件被用来影响成像参数和/或借助于在成像光具内的射线导向来支持光谱适配，其中可以将不希望的光谱选择性特性降低到最小。
尤其在使用具有大物镜视角的成像光具时测量精确度由此改善：在该成像光具内相对于光轴倾斜进入的光的角度在其进入所述至少一个光谱选择性光学元件之前被减小，或者说由此改善：所述至少一个光谱选择性光学元件在成像光具内布置在这样一个位置：在该位置，相对于光轴倾斜进入成像光具内的光的角度减小。在此，对进入光谱选择性光学元件的光入射角度的类似影响也可以仅仅或者附加地通过该光学元件曲率来引起。
测量时的有利做法在于：在基于光图样、特别是点图样分析计算时根据反射光确定与车轮相关的3D点云并使车轮的参数表面模型适配于3D点云，通过计算车轮不同旋转位置的车轮法向矢量来确定车轮轴线，根据车轮法向矢量的空间运动计算出旋转轴线矢量作为旋转轴线。
附图说明
下面借助于实施例参考附图详细介绍本发明。
图中示出：
图1在行走机构测量环境内的测量装置前视图，
图2一个照明装置和一个传感器装置的示意图，
图3从传感器装置左右摄像单元视野看的投影光图样。
具体实施方式
图1示出了用于行走机构测量的测量环境，例如用于按照在DE 10 2006048 725.7中详细介绍的方法或者结构借助测量装置10来求出车轮2的旋转轴线，其中，车辆可以从测量装置10旁边经过。除车轮2外也可以将车身3(优选在车轮2周围)一起引入到在测量之中。
测量装置10具有用于光图样15、例如点状光图样(参见图3)的投影装置11并具有两个相对于该投影装置以预给定的空间位置和方向安置的、给出图像的传感器单元12、13以及一个控制单元14，该控制单元为了传递数据而与投影装置11和以立体布局定位的、给出图像的传感器单元12、13相连接，并且具有用于控制投影装置11、给出图像的传感器单元12、13和在需要情况下连接的其它部件的以及用于分析计算数据和描述测量结果的电子装置，如同分析计算装置16那样。
图2详细示出了投影装置11以及一个给出图像的传感器单元12。光源30通过照明光具31发出光4，其中照明光具31具有至少一个折射的射线成形单元32和/或一个或者多个衍射的射线成形单元33。替换所示出的结构方式，例如可以取代衍射的射线成形单元33而使用一个第二折射单元，例如一个微透镜阵列。发射光4被结构化并且具有所述光图样15。此外，离开照明光具31的发射光4是窄带的并且只包括一个窄的波长范围，例如一个纳米或者多个纳米，例如30nm(在最大辐射功率的50％时测量)。在此，为了可视地监控，波长范围在可见光谱范围之内、例如在红色光谱范围之内是有利的。
如图2所示，从车轮2和/或车身3反射回来的光4′被一个呈成像光具40形式的接收光具接收并且被输送给一个探测单元41，以便紧接着对接收的信号进行分析计算。成像光具40具有一具有成像光学元件42、44的透镜系统以及至少一个呈光谱滤光单元43形式的光谱选择性光学元件，该光谱滤光单元在其光谱透射范围方面与发射光4和反射光4′的带宽相协调，使得特别是要利用的光被透射到达传感器单元41并且来自周围环境的外来光的影响被抑制。因此，光谱滤光单元43的透射带宽总是微小的，例如比要利用的反射光4′的带宽大几纳米，例如达到30nm或者最高达到50nm(在最大功率的50％时)，其中有用光的和光谱滤光器的平均波长大致一致。
由照明装置通过投影装置11发射出的光4包含光图样，其中该光图样的结构可以是规则的或者不规则的点图样、线图样或者条纹图样、可以是随机图样或者是这些结构的组合。在此，光图样的照明或投影的可能的技术方案是，照明装置具有激光器和专门的投影光具，尤其是折射的和/或衍射的光具、具有动态运动的反射镜的激光投影系统、具有特殊的、匹配的投影光具的窄带发射发光二极管(LED)或者光谱被缩窄的、具有专门的投影光具的宽带发射光源，例如热辐射器。照明装置除光源30外还具有折射的和/或衍射的光学元件或者具有一个具有动态运动的反射镜的投影系统，这些反射镜用来产生投影的照明结构。在此，发射光可以在时间上被节拍化，例如以1ms至10ms范围内的周期持续时间。
接收光具或者说成像光具40的透镜系统构造得用于达到或者调节到最佳成像参数构成。光谱选择性光学元件例如有色玻璃滤光片或者干涉滤光片在光谱方面与发射光4或者反射光4′的光谱相匹配，其中，光谱选择性光学元件可以同时通过合适的造型例如弯曲率和/或在成像光程内的位置而用于成像功能和滤光功能。通过在成像光具40内的合适的射线导向可以支持光谱选择性元件的特性。通过在成像光具40内的合适的射线导向也可以抑制可能的、不希望的光谱选择性元件特性例如滤光作用的方向依赖性，或者使其降低到最小。这些措施有利地有助于通过一个大视角的物镜将倾斜于光轴射入成像光具40中的光不失真地、光谱窄带地过滤，使得在测量装置中可以有利地实现例如大于40°或者50°的大物镜视角，其中与入射角相关的滤光特性实际上几乎保持不变。
给出图像的传感器单元12、13例如是摄像机，其中，成像光具40构造为摄像光具。
形成光图样15的光的光谱窄带性和接收光具的光谱窄带性使得即使在强环境光下、例如在强烈的太阳辐射下也能构可靠测量，因为具有光图样的反射光4′能够被可靠地与环境光相区别。在该基础上得到对由车轮反射的光图样15′、15″的可靠的、确定的分析计算。
除光图样15外图3还示出了从两个给出图像的传感器单元12、13的视角看到的由车轮反射的光图样15′、15″，这些传感器单元呈左、右立体摄像机的形式，其中，光点的似线一般排列在两个摄像中不同地弯曲。该光图样例如是激光点图样。
根据沿相对于给出图像的传感器单元12、13的斜线的各个不同倾斜角度的立体移动矢量中例如可以确定与车轮相关的3D点云，如在上面提到的DE 10 2006 048 725.7中详细解释的那样。
测量装置10构造得用于进行精确的、鲁棒的行走机构测量和/或行走机构部件动态检测。通过光图样15的投影，该方法不依赖于固定地与车轮表面或者说车轮构造和/或在必要情况下与车身表面相关联并在它们运动时随之游移的参考点，因此也不必识别车轮表面或者车身表面上的结构。而是通过借助光图样15的结构化照明产生稳定的特征，它们不是位置固定地与车轮表面或者车身表面连接，因此在运动时不随之游移。例如在这里介绍的方法中，特别是在车辆相对于测量装置10从旁边驶过时也能够以较高的鲁棒性测量车轮2的旋转轴线的位置。可以取消车轮的位置固定的旋转(滚动检测台或者抬起车辆)。紧接着例如可以根据已知的旋转轴线位置计算轴几何参数，如前束和外倾角。在此也可以进行轮辋跳动补偿。
替换以立体布局设置的传感器单元12、13，也可以用单摄像机系统或多摄像机系统进行基于具有光图样15的结构化照明的3D测量，其中，与在立体布局情况下一样，通过确定3D点云对测量数据进行算法上的处理。
在实施该方法时，在车轮2从旁边驶过或者旋转时，每个时间步骤进行一次图样投影并由此计算出一个3D点云。为了分析计算，例如将车轮2或者车身的一个参数表面模型装入3D点云内，如在所提到的R315415中同样详细说明的那样。作为光图样，例如将按照图3的细目激光点图样投影到轮胎上。为了提高精确度或者鲁棒性，对每个激光点根据摄像机组件的立体图像的移动矢量(差距)计算出深度，其中，窄带照明光和通过窄带接收件组件得到的接收光有助于可靠地感测和提高测量精确度。