СПОСОБ И СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ КОЛЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ПО ДАННЫМ ТРЕХМЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОЛЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2021 года по МПК G01B21/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Данная группа изобретений относится к способам, при которых осуществляют определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства с помощью блоков трехмерного сканирования, при котором на колеса проецируют ряд световых элементов, синхронно снимают подсвеченные колеса и передают полученные изображения на вычислительное устройство, которое осуществляет расчет необходимых параметров, а также к соответствующим системам, реализующим способ.

Блок трехмерного сканирования – любое устройство, которое может проецировать изображения и его сканировать в объеме точки проецируемого изображения. Блок трехмерного сканирования может состоять из модуля проецирования – то есть из любого устройства, излучающего свет по заданным параметрам, типичный представитель – проектор, и собственно модуля сканирования – любого устройства, которое может получить изображение. Например - стереопара видеокамер. Вместо видеокамеры и проектора могут применяться другие средства получения поверхности колеса, включая различные триангуляционные системы, сканирующие лазерные дальномеры, LIDAR, TOF камеры, и т.д.

ТС – транспортное средство.

Взаимная калибровка – информация о взаимном пространственном расположении блоков, устройств или деталей.

Контур – это граница светового элемента, проецируемого на поверхность ТС.

Световой элемент – это отражение от поверхности ТС света, проецируемого на поверхность ТС.

Заданная форма светового элемента – форма, которая проецируется. Например, могут проецироваться окружности, квадраты, правильные треугольники.

Однозначное соответствие – идентификация участка изображения, как относящегося к конкретному проецируемому световому элементу.

Пространственные точки – точки с вычисленными координатами в трехмерном пространстве.

Облако точек – множество пространственных точек.

Ключевые параметры геометрического положения колес – это пространственное положение центра колеса, вектор оси его вращения, а также углы вращения, поворота и вектор оси поворота колеса.

Уровень техники способа

В существующих стендах других производителей для бесконтактного измерения и регулировки углов установки колес также применяется способ стереоскопической фотографии колес, подсвеченных структурированной подсветкой в сочетании с различными математическими методами обработки данных поверхностей колес. Эти методы обычно используют построение параметрической модели поверхности с последующим вычислением наилучшего приближения модели к имеющимся данным, см. патент на изобретение EP2079982B1.

Другие методы предполагают вычисление наилучшего приближения абстрактной плоскости или криволинейной поверхности, или фигуры к имеющимся данным. В отдельных случаях эти методы требуют распознавания конструктивных особенностей колес, см. патент на изобретение US7583372B2 или контур границы между шины и диском см. патентная заявка DE 2948573. Все эти методы требуют задействования значительных вычислительных ресурсов, а также могут давать определенную ошибку в особых случаях, при несовпадении модели и реальных данных или при отклонении размеров колесных дисков и шин от идеальных из-за деформаций.

В частности, из уровня техники известен способ определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства, см. патент на изобретение EP0895056A2, опубликован 04.06.2008.

Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату.

Недостатком этого способа является то, что он может давать определенную ошибку при отклонении размеров колесных дисков и шин от идеальных из-за деформации, а также ее чувствительность к форме, цвету и отражающей способности поверхности обода дисков, что приводить к недостаточной точности измерения.

Раскрытие изобретения как способа

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства с помощью блока трехмерного сканирования отображаемых на транспортном средстве световых элементов, при котором на колесо проецируют ряд световых элементов и снимают подсвеченное колесо и передают полученные изображения на вычислительное устройство, которое осуществляет расчет необходимых параметров, позволяющий, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно возможность значительно уменьшить объем вычислений и повысить точность получаемых результатов, что и является поставленной задачей.

Для достижения этой цели расчет необходимых параметров вычислительным устройством осуществляют путем выполнения следующих этапов:

• на изображениях, полученных от блока трехмерного сканирования, производят поиск контуров заданной формы. Для каждого проецируемого светового элемента находят однозначно соответствующие участки на изображениях, содержащие найденные контуры и вычисляют пространственное положение центральной точки данного светового элемента. Из найденного множества пространственных точек исключаются все точки, находящиеся ниже горизонтальной плоскости, расположенной над уровнем пола. По оставшимся пространственным точкам производят построение пространственной регулярной сетки по принципу ближайшего соседа;

• разбивают полученную пространственную регулярную сетку на отдельные сегменты так, чтобы никакие точки любых двух сегментов не являлись соседними. Каждый сегмент, находящийся близко к уровню поверхности размещения ТС, признается колесом и поступает на дальнейшую обработку;

• выбирают набор секущих плоскостей таким образом, чтобы они не были параллельными и пересекали поверхность данного сегмента, за исключением определенного участка вблизи уровня поверхности размещения транспортного средства, и строят для каждой секущей плоскости линии ее пересечения с поверхностью данного сегмента;

• определяют для каждой линии пересечения в системе координат, связанной с секущей плоскостью, осесимметричную линию, относительно которой участки линии сечения поверхностей, относящиеся к шине, расположены симметрично;

• производят построение осесимметричной плоскости, перпендикулярной секущей плоскости и проходящей через данную осесимметричную линию, по каждой осесимметричной линии;

определяют оси вращения колеса, как общей линии пересечения полученного набора осесимметричных плоскостей и центральной точки колеса, как точки, лежащей на оси вращения колеса в месте среднего положения всех проекций всех точек анализируемого объекта на оси вращения колеса

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность определения параметров геометрического положения колес ТС, который выгодно отличается от применяемых методов значительным уменьшением объема вычислений, повышенной точностью получаемых результатов, отсутствием предварительно заданной или вычисляемой параметрической модели колеса, а также возможностью плавного варьирования необходимого объема вычислений. Представленный способ устойчив при наличии локальных неоднородностей или других дефектов поверхности шины, колесного диска или колесного колпака, не требует распознавания конструктивных особенностей колес, и минимизирует необходимое количество сканирований колеса для определения его осей поворота при вращении, повороте или прокатке колеса.

Существует альтернативный вариант исполнения данного способа, при котором расчет необходимых параметров вычислительным устройством осуществляют путем расчета параметров по хотя бы двум разным положениям колеса, в процессе которого дополнительно строят координатные системы, связанные с каждым положением колеса, для чего выбирают тройку направляющих векторов таким образом, чтобы один из них был направлен вдоль линии осевой симметрии колеса, второй – перпендикулярно первому вектору и перпендикуляру к горизонтальной плоскости с учетом перекатывания колеса, а третий перпендикулярен первым двум и находят линию в системе координат, связанной с колесом, все точки которой являлись бы неподвижными точками в пространстве, если бы смещение колеса отсутствовало.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность определения параметров геометрического положения колес ТС с учетом возможного биения колес, в результате выгодно обеспечивающий более высокую точность измерения.

Существует также вариант исполнения данного способа, при котором в процессе определения параметров геометрического положения колес транспортного средства изменяют количество и размер проецируемых световых элементов.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность еще большего сокращения количества вычислений.

Существует ещё один вариант исполнения данного способа, при котором в процессе определения параметров геометрического положения колес транспортного средства, изменяют яркость проецируемых световых элементов

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность адаптации к изменяющимся условиям внешнего освещения.

Существует также возможный вариант исполнения данного способа, при котором после первого расчета параметров колеса, блок трехмерного сканирования отключает по команде от вычислительного устройства, все световые элементы, расположенные за пределами шины, либо любые отдельные световые элементы.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность еще большего сокращения количества вычислений, увеличения скорости вывода на экран измененных положений колес во время их регулировки и повышение комфорта работы.

Предпочтительный вариант исполнения данного способа, при котором блок трехмерного сканирования выполнен в виде двух взаимно откалиброванных видеокамер.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность наиболее рационального выполнения способа.

Существует также вариант исполнения данного способа, при котором по команде от вычислительного устройства включают и выключают с определенной частотой проецирование световых элементов, при этом две предварительно взаимно откалиброванные видеокамеры снимают и передают изображения колеса со световыми элементами и без световых элементов, а вычислительное устройство производит вычитание этих изображений, получая таким образом изображения содержащие только световые элементы без остального фона.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность адаптации к изменяющимся условиям внешнего освещения.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения как способа неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Кроме того, данное решение неочевидно для специалиста в данной области.

Уровень техники системы

Существуют бесконтактные решения, см. заявку на патент на изобретение WO2009056392A1, которые обеспечивают измерение углов установки колес ТС с помощью передвижных устройств, которые поочередно перемещаются напротив каждого колеса. Перемещение устройств со сканирующими устройствами относительно ТС, влечет за собой увеличения сложности механической и электрической систем из-за необходимости в приводных и направляющих системах и системах автоматизации, создавая проблемы безопасности из-за движущихся частей.

Также в заявке на патент на изобретение WO2019101986 представлено устройство, содержащее множества 3D сканеров, расположенных по периметру транспортного средства. Поле обзора устройства, состоит из полей обзора всех 3D сканеров. Альтернативное устройство содержит пару 3D сканеров, для каждой оси транспортного средства, направленных друг напротив друга по сторонам транспортного средства и содержащих неподвижных мишеней для взаимной привязки в случае отсутствия транспортного средства в их поле зрения.

Данные системы являются близкими по технической сути и достигаемому техническому результату предлагаемого изобретения как системы.

Недостатками этих систем является их скорость работы, которая зависит от скорости функционирования 3D сканеров, скорости передачи данных сканирования, а также скорости работы алгоритмов трехмерной реконструкции колес как геометрических объектов. В данной заявке не раскрывается, каким именно способом производится реконструкция трехмерной геометрии объекта, однако известно, что точность такой реконструкции обратно пропорциональна скорости ее выполнения. Точность данной реконструкции также напрямую зависит от количества исходных данных, поэтому частичное измерение колес ТС, в особенности при наличии локальных неоднородностей, присущих реальным колесам ТС, может приводить к ухудшению точности результатов измерений. Кроме того, поскольку, согласно данной заявке, процедура выравнивания может включать в себя этапы, на которых транспортное средство перемещается относительно рабочего места измерения, и может потребоваться измерить его в различных положениях, то может увеличиваться время действительного измерения ТС, что означает снижение коммерческой эффективности применения описываемого устройства. Практическое применение ограничено измерением только транспортных средств с двумя осями из-за ограничений, связанных с большим объемом вычислений и передачи данных, характерных для типовых 3D сканеров.

Раскрытие изобретения как системы

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить систему для определения параметров геометрического положения колес транспортных средств по данным трехмерного сканирования поверхностей их колес, позволяющую, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно возможность значительно уменьшить объем вычислений, повысить точность получаемых результатов и скорость их определения, получив за счет этого возможность одновременного сканирования ТС с двумя и более осями, с различной конфигурацией осей, в рамках одной зоны измерений, что и является поставленной задачей.

Для достижения этой цели система для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства характеризуется, по существу, тем, что она включает в себя:

• вычислительное устройство с устройствами ввода/вывода, отображения, распечатки, приема и передачи информации, связанное с

• множеством пар колонн с блоками трехмерного сканирования, функционирование которых основано на способах, описанных в данной заявке, причем

• колонны расположены по левой и правой сторонам транспортного средства симметрично относительно продольной оси площадки для измерений транспортного средства на расстоянии 3000 – 6000 мм друг относительно друга, при этом

• блоки трехмерного сканирования в каждой паре колонн направлены в сторону колес транспортного средства, перпендикулярно к продольной оси площадки для измерений, а

• расстояния между отдельными парами колонн со блоками трехмерного сканирования в направлении продольной оси площадки для измерений транспортного средства выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось частичное перекрытие зон видимости смежных блоков трехмерного сканирования в направлении продольной оси транспортного средства, при этом

• количество пар колонн с блоками трехмерного сканирования определяют исходя из необходимой длины участка регулировки и ширины кадра видеокамер в горизонтальном направлении, при этом

• все блоки трехмерного сканирования взаимно откалиброваны

• вычислительное устройство выполнено с возможностью объединения всех пространственных точек, вычисляемых при помощи блоков трехмерного сканирования, расположенных по левой или правой стороне транспортного средства, в единое облако точек, охватывающее всю зону измерения, обеспечивая таким образом одновременное измерение всех колес транспортного средства, находящегося в зоне измерения, вне зависимости от их взаимного расположения и местонахождения в ее пределах.

Благодаря данным выгодным характеристикам за счет того, что вычислительное устройство выполнено с возможностью объединения всех пространственных точек, вычисляемых при помощи блоков трехмерных сканеров, расположенных по левой или правой стороне транспортного средства, в единое облако точек, охватывающее всю зону измерения, обеспечивая таким образом одновременное измерение всех колес транспортного средства, находящегося в зоне измерения, вне зависимости от их взаимного расположения и местонахождения в ее пределах.

Существует преимущественный вариант исполнения данной системы, при котором:

• колонны с блоками трехмерного сканирования, кроме первой пары, выполнены с возможностью их поворота вокруг своей вертикальной центральной оси на углы в пределах ±20°, при этом

• каждая поворотная колонна с блоком трехмерного сканирования содержит мишень, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны, для контроля их перемещения в глобальной системе координат,

• колонны с блоками трехмерного сканирования первой пары, выполнены стационарными, при этом каждая колонна первой пары содержит дополнительную референтную камеру, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны, и направленную вдоль площадки для измерений в сторону мишеней поворотных колонн.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность уменьшения общего количества колонн за счет увеличения их области обзора, и как следствие, значительное снижение стоимости всей измерительной системы.

Существует ещё один вариант исполнения данной системы, при котором колонны с блоками трехмерного сканирования, содержащие мишень, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны, выполнены с возможностью перемещения вдоль продольной оси площадки для измерений.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность подстраивания системы под транспортные средства разной длины. То есть на одной площадке можно проводить замеры для небольших легковых автомобилей и длинномерных грузовиков.

Предпочтительный вариант исполнения данной системы, при котором блок трехмерного сканирования включает в себя по крайней мере две взаимно откалиброванные видеокамеры.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность использования наиболее простого устройства блока трехмерного сканирования, который дает высокую точность.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Кроме того, данное решение неочевидно для специалиста в данной области,

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

- фигура 1 изображает стадию поиска контуров световых элементов на изображениях, полученных от одного блока трехмерного сканирования для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства, согласно изобретению,

- фигура 2 изображает обработку изображений, когда для каждого проецируемого светового элемента найдены однозначно соответствующие участки изображений, полученные от блока трехмерного сканирования, произведено вычисление пространственных точек и нахождение принадлежащего колесу участка поверхности,

- фигура 3 схематично изображает построение секущих плоскостей, и линий пересечения их с поверхностью колеса, согласно изобретению,

- фигура 4 изображает построение полного набора секущих плоскостей к поверхности колеса, согласно изобретению,

- фигура 5 схематично изображает движение колеса при прокатке, и перемещение координатной системы, связанной с колесом,

- Фигура 6 изображает схематический вид сверху системы для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства, согласно изобретению

- Фигура 7 изображает схематический вид сверху альтернативного варианта системы для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства, согласно изобретению,

- Фигура 8 изображает примерный внешний вид колонн альтернативного варианта, оснащенного одной парой стационарных и до пяти пар поворотных колонн, согласно изобретению,

- фигуры 9а и 9в изображают внешний вид системы для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства, согласно изобретению,

- фигура 10 изображает внешний вид колонн альтернативного варианта, оснащенного одной парой стационарных и одной парой перемещаемых колонн, которые обладают возможностью перемещения по направляющим параллельно продольной оси площадки для измерений и регулировки.

На фигурах обозначены:

1 – корпус колонны

2 – модуль проецирования блока трехмерного сканирования,

3 – две взаимно откалиброванные видеокамеры блока трехмерного сканирования,

4 – референтная камера,

5 – мишень поворотной или перемещаемой колонны,

6 – направляющая перемещаемых колонн,

7 – модуль поворота поворотных колонн.

Колонны с блоками трехмерного сканирования:

11 – левая стационарная колонна,

12 – правая стационарная колонна,

21 – левая поворотная колонна,

22 – правая поворотная колонна,

101 – левая перемещаемая колонна,

102 – правая перемещаемая колонна,

А – расстояние между колоннами,

L – длина участка регулировки.

Согласно фигурам 6-10 система для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства, содержит вычислительное устройство (на фигурах не показано) с устройствами ввода/вывода, отображения, распечатки, приема и передачи информации, связанное с множеством пар колонн с блоками трехмерного сканирования. На фигурах 6-10 показано для примера, что блок трехмерного сканирования включает в себя отдельно модуль проецирования 2 и две взаимно откалиброванные видеокамеры блока трехмерного сканирования 3.

Колонны расположены по левой и правой сторонам транспортного средства симметрично относительно продольной оси площадки для измерений транспортного средства на расстоянии «А», выбранном в пределах 3000 – 6000 мм друг относительно друга.

Блоки трехмерного сканирования в каждой паре колонн направлены в сторону колес транспортного средства, перпендикулярно к продольной оси площадки для измерений. Расстояния между отдельными парами колонн со блоками трехмерного сканирования в направлении продольной оси площадки для измерений транспортного средства выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось частичное перекрытие зон видимости смежных блоков трехмерного сканирования в направлении продольной оси транспортного средства, при этом

Количество пар колонн с блоками трехмерного сканирования определяют, исходя из необходимой длины участка регулировки и ширины кадра видеокамер в горизонтальном направлении.

Вычислительное устройство выполнено с возможностью объединения всех пространственных точек, вычисляемых при помощи блоков трехмерного сканирования, расположенных по левой или правой стороне транспортного средства, в единое облако точек, охватывающее всю зону измерения, обеспечивая таким образом одновременное измерение всех колес транспортного средства, находящегося в зоне измерения, вне зависимости от их взаимного расположения и местонахождения в ее пределах.

Возможен вариант, когда колонны с блоками трехмерного сканирования, кроме первой пары, выполнены поворотными, с возможностью их поворота вокруг своей вертикальной центральной оси на углы в пределах ±20°, при этом каждая указанная поворотная колонна с блоком трехмерного сканирования содержит мишень, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны, для контроля их перемещения в глобальной системе координат. А колонны с блоками трехмерного сканирования первой пары, выполнены стационарными, при этом каждая колонна содержит дополнительную референтную камеру, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны, и направленную вдоль площадки для измерений в сторону мишеней поворотных колонн.

Возможен также вариант, когда колонны с блоками трехмерного сканирования, кроме первой пары, выполнены с возможностью перемещения вдоль продольной оси площадки для измерений.

Преимущественно, но не обязательно, блок трехмерного сканирования опционально включает в себя по крайней мере две взаимно откалиброванные видеокамеры.

На фигуре 6 представлен вариант системы, которая состоит из множества пар колонн с блоками трехмерного сканирования колес, функционирующими способом, описанным выше. Колонны с блоками трехмерного сканирования в каждой паре расположены по левой и правой сторонам ТС симметрично относительно продольной оси площадки для измерений (ТС) на расстоянии 3000 – 6000 мм друг относительно друга. Блоки трехмерного сканирования колонн в каждой паре, направлены в сторону колес ТС, перпендикулярно к продольной оси площадки для измерений, т.е. друг к другу. Количество колонн определяется, исходя из необходимой длины участка измерений, размерами колес транспортных средств, обслуживаемых на данном участке и зоны видимости блоками трехмерного сканирования в горизонтальном направлении. Все блоки трехмерного сканирования взаимно откалиброваны известными методами с помощью мишеней (5).

Функционирование системы основано на одновременной съемке всеми блоками трехмерного сканирования, объединения всех пространственных точек, вычисляемых при помощи блоков трехмерного сканирования, расположенных по левой или правой стороне транспортного средства, в единое облако точек, охватывающее всю зону измерения, поиска и определения параметров всех колес, находящихся в пределах зоны измерений. Данная система предназначена для пунктов, в которых проводятся измерения разных по длине и конфигурации осей ТС.

На фигуре 7 представлен альтернативный вариант системы, которая построена, исходя из необходимости минимизации количества пар колонн с блоками трехмерного сканирования. Данный вариант предполагает использование колонн, кроме первой пары, поворачивающихся вокруг своей вертикальной оси на углы +/- 20 градусов, и обладающих за счет этого увеличенной зоной обзора. Расширение кадра получается в результате поворота поля зрения каждой колонны в горизонтальной плоскости.

На фигуре 8 представлен примерный внешний вид колонн альтернативного варианта, оснащенного одной парой стационарных и до пяти пар поворотных колонн. Все колонны с блоками трехмерного сканирования, кроме первой пары, обладают возможностью поворота вокруг своей вертикальной центральной оси. Для контроля перемещения поворотных колонн каждая из них содержит мишень, а первая стационарная пара колонн содержит дополнительные референтные камеры, направленные вдоль площадки для измерений в сторону мишеней поворотных колонн. Указанные референтные камеры и мишени взаимно откалиброваны совместно со соответствующими блоками трехмерного сканирования каждой стационарной колонны. Относительное перемещение мишеней пересчитывается в текущее положение блоков трехмерного сканирования задних колонн относительно глобальной системы координат, связанной с передними стационарными колоннами. Могут также применяться другие способы контроля перемещения подвижных колонн. Расстояния между колоннами определяются индивидуально для каждого пункта регулировки, исходя из зон видимости камер с учетом их поворота на +/- 20 градусов, геометрических параметров и конфигураций ТС, обслуживаемых в каждом конкретном пункте.

На фигурах 9а, 9в представлен примерный внешний вид колонн альтернативного варианта, оснащенного одной парой стационарных 11, 12, и одной парой поворотных колонн 21, 22, которые содержать шаговый мотор 7 для автоматического поворота в необходимом положении.

На фигуре 10 представлен примерный внешний вид колонн альтернативного варианта, оснащенного одной парой стационарных 11, 12 и одной парой перемещаемых колонн 101, 102, которые обладают возможностью перемещения по направляющим 6 параллельно продольной оси площадки для измерений и регулировки.

Осуществление изобретения

Способ для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства работает следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения. Имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.

Согласно фигурам 1-5 представленный способ определения параметров геометрического положения колес автомобилей по данным трехмерного сканирования поверхностей колес предполагает использование блока трехмерного сканирования, состоящего, например, из двух взаимно откалиброванных видеокамер 3 и модуля проецирования 2 (фигура 9а). На колесо проецируется ряд определенных световых элементов, например, световых элементов в форме эллипса, прямоугольника, небольшого размера, не обязательно правильной формы, а видеокамеры 3 синхронно с модулем проецирования 2 световых элементов снимают подсвеченное колесо и передают полученные изображения на вычислительное устройство, которое осуществляет расчет необходимых параметров.

На полученных изображениях от блока трехмерного сканирования см. фиг. 1, производится поиск контуров каждого светового элемента, при этом отбрасываются контуры, не подходящие по размеру или ряду других критериев.

В дальнейшем, производят поиск контуров заданной формы. Для каждого проецируемого светового элемента находят однозначно соответствующие участки на изображениях, содержащие найденные контуры и вычисляют пространственное положение центральной точки данного светового элемента. Из найденного множества пространственных точек исключаются все точки, находящиеся ниже горизонтальной плоскости, расположенной над уровнем пола. По оставшимся пространственным точкам производят построение пространственной регулярной сетки по принципу ближайшего соседа.

Разбивают полученную пространственную регулярную сетку на отдельные сегменты так, чтобы никакие точки любых двух сегментов не являлись соседними. Каждый сегмент, находящийся близко к уровню поверхности размещения ТС, признается колесом и поступает на дальнейшую обработку.

Все автомобильные шины с высокой степенью точности являются телами вращения, поэтому любые линии, получаемые при пересечении поверхности шины плоскостью, обладают свойством осевой симметрии, см фигуру 3. Это означает, что линия пересечения поверхности колеса любой заданной плоскостью («секущей плоскостью»), будет обладать свойством осевой симметрии на участке данной поверхности, относящейся к шине. В дальнейшем будем использовать термин «линия сечения».

В силу того, что все точки линии сечения принадлежат также секущей плоскости, можем перейти к системе координат, связанной с секущей плоскостью, где пространственная координата Z неизменна и равна нулю. При этом снижение размерности задачи поиска линии симметрии значительно уменьшает объем необходимых вычислений и экономит вычислительные ресурсы.

Находим линию, относительно которой участки линии сечения, относящиеся к шине, расположены симметрично. Указанная симметрия сохраняется для плоскости, перпендикулярной секущей плоскости и проходящей через найденную линию, поэтому данная осесимметричная плоскость будет проходить через центр и осевую линию шины.

Секущие плоскости могут быть параллельны оси симметрии шины, но могут и располагаться под углом к ней. Найдя несколько осесимметричных плоскостей рис 4, методом наименьших квадратов находим линию осевой симметрии шины как линию их пересечения и точку на данной линии, как среднюю точку проекций верхних точек шины на данную линию. Для формирования линии пересечения плоскостей осевой симметрии необходимо так выбирать секущие плоскости, чтобы результирующие плоскости осевой симметрии не были параллельны друг другу.

По небольшому количеству сечений, получая участки поверхности, обладающие свойством осевой симметрии, и относящиеся таким образом к поверхности шины, предварительно определяем центр и ось вращения колеса, внутренний и внешний радиус шины, в дальнейшем используем данную информацию для исключения не подходящих для окончательного расчета точек из анализируемых данных.

После построения основного количества сечений по оставшимся данным, относящимся к поверхности шины, определяем центр и ось вращения колеса с достаточной точностью.

Увеличение количества сечений приводит к повышению точности определения линии осевой симметрии шины. Это позволяет плавно варьировать необходимый объем вычислений в зависимости от требуемой точности и скорости.

Секущие плоскости должны выбираться таким образом, чтобы исключить определенный участок поверхности шины вблизи основания, около которого шина имеет значительную деформацию под нагрузкой.

Система координат, связанная с колесом фиг. 5, определяется тремя взаимно перпендикулярными векторами, а также координатами начальной точки, совпадающей с центром шины.

Тройка направляющих векторов выбирается таким образом, чтобы один из них был направлен вдоль линии осевой симметрии шины, второй – вертикально вдоль радиуса, а третий перпендикулярен первым двум.

При перекатывании колеса вперед и назад от начального положения, зная расположение плоскости основания и положение центра колеса, вычисляется угол вращения колеса и вносится соответствующая коррекция в ориентацию тройки направляющих векторов.

Таким образом получается система координат, связанная с колесом, удобная для дальнейших расчетов.

Реальные шины автомобиля могут иметь деформации, в результате которых линия осевой симметрии шины не совпадает с реальной осью вращения колеса. Для решения этой задачи используется специальная процедура компенсации биения, в процессе которой производится прокатка или прокрутка колеса на определенный угол.

При прокрутке колеса задача определения оси вращения сводится к нахождению линии в системе координат, связанной с колесом, все точки которой являются неподвижными точками в пространстве. При прокатке колеса ищут аналогичную линию оси вращения, с поправкой на перемещение колеса. Для нахождения оси вращения требуется минимум два положения колеса.

Аналогичным образом решают задачу нахождения оси поворота колеса (оси шкворня).

Промышленная применимость

Предлагаемый способ для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства и система могут быть осуществлены специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец системы для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства.

Система, представленная на рис. 6, идеально подходит для организации поста измерений многоосных ТС с разной конфигурацией осей, во время любого их заезда в зону ремонта для обслуживания или пред-выездного технического контроля.

Система, представленная на рис. 8, 9а, 9в, выпускается под брендом «Техно Вектор», модификации 8214, 8316, 8418, 85110, 86112 с поворотными задними колоннами. Опытный образец системы, представленной на рис. 10, был изготовлен и подтвердил все требуемые характеристики.

Таким образом испытания опытных образцов вариантов представленной системы для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства показали, что она обеспечивает возможность значительного уменьшения объема вычислений, обладает высокой точностью получаемых результатов, при отсутствии предварительно заданной или вычисляемой параметрической модели колеса и привязки к его ободу или другим характерным особенностям, а также возможность плавного варьирования необходимого объема вычислений.

Эффект от применения данного изобретения может состоять в том, что:

- представленный способ устойчив при наличии локальных неоднородностей или других дефектов поверхности шины, колесного диска или колесного колпака,

- не требует распознавания конструктивных особенностей колес,

- минимизирует необходимое количество вычислений при сканировании колеса для определения его ключевых параметров, позволяя таким образом использовать множество сканирующих устройств и обеспечивая измерение за считанные секунды,

- предоставляет возможность построения гибких решений под условия конкретного автосервиса,

- позволяет построение систем для регулировки многоосных ТС,

- система является бесконтактной, поэтому исключает любое повреждение колес ТС в процессе измерения,

- достигается существенный экономический эффект использования системы, благодаря исключению механических операций установки измерительных приспособлений на колеса ТС, следствием чего является повышение пропускной способности участка измерения и регулировки,

- минимизируется время одного измерения, что позволяет организовать массовый регулярный контроль исправности ТС, например, для крупных автосервисов или автопарков, что повышает безопасность дорожного движения и снижает вероятность преждевременного износа шин.

Использование: для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства. Сущность изобретения заключается в том, что на колеса проецируют ряд световых элементов и снимают подсвеченные колеса и передают полученные изображения на вычислительное устройство, которое осуществляет расчет необходимых параметров, а также к соответствующим системам, реализующим способ. Согласно изобретению, производят поиск контуров и вычисляют пространственное положение центральной точки каждого проецируемого светового элемента заданной формы, видимого на изображениях от блока сканирования, и производят последующее построение пространственной регулярной сетки, образующей облако точек, включающее полученные пространственные точки. Затем разбивают облако точек на отдельные сегменты так, чтобы никакие точки любых двух сегментов не являлись соседними, и выбирают сегмент, находящийся ближе всего к уровню поверхности размещения транспортного средства. Выбирают набор секущих плоскостей таким образом, чтобы они не были параллельными и пересекали поверхность данного сегмента, за исключением определенного участка вблизи уровня поверхности размещения транспортного средства, и строят для каждой секущей плоскости линии ее пересечения с поверхностью данного сегмента. Определяют для каждой линии пересечения в системе координат, связанной с секущей плоскостью, осесимметричную линию, относительно которой участки линии сечения поверхностей, относящиеся к шине, расположены симметрично. Производят построение осесимметричной плоскости, перпендикулярной секущей плоскости и проходящей через данную осесимметричную линию, по каждой осесимметричной линии. Определяют оси вращения колеса, как общей линии пересечения полученного набора осесимметричных плоскостей и центральной точки колеса, как точки, лежащей на оси вращения колеса в месте среднего положения всех проекций всех точек анализируемого объекта на оси вращения колеса. Технический результат: значительное уменьшение объема вычислений, что приводит к повышенной точности получаемых результатов, при отсутствии предварительно заданной или вычисляемой параметрической модели колеса и привязки к его ободу или другим характерным особенностям, а также возможность плавного варьирования необходимого объема вычислений, позволяя таким образом использование множества сканирующих устройств, обеспечивая высокую скорость измерения множества транспортных средств с разной колесной формулы и колесной базы в рамках одной зоны измерений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства с помощью блоков трехмерного сканирования отображаемых на транспортном средстве световых элементов, при котором на колеса проецируют ряд световых элементов и снимают подсвеченные колеса и передают полученные изображения на вычислительное устройство, которое осуществляет расчет необходимых параметров, отличающийся тем, что расчет необходимых параметров вычислительным устройством осуществляют путем выполнения следующих этапов:

• производят поиск контуров и вычисляют пространственное положение центральной точки каждого светового элемента заданной формы и производят последующее построение пространственной регулярной сетки, образующей облако точек, включающее полученные пространственные точки;

• разбивают облако точек на отдельные сегменты так, чтобы никакие точки любых двух сегментов не являлись соседними, и выбирают сегмент, находящийся ближе всего к уровню поверхности размещения транспортного средства;

• выбирают набор секущих плоскостей таким образом, чтобы они не были параллельными и пересекали поверхность данного сегмента, за исключением определенного участка вблизи уровня поверхности размещения транспортного средства, и строят для каждой секущей плоскости линии ее пересечения с поверхностью данного сегмента;

• определяют для каждой линии пересечения в системе координат, связанной с секущей плоскостью, осесимметричную линию, относительно которой участки линии сечения поверхностей, относящиеся к шине, расположены симметрично;

• производят построение осесимметричной плоскости, перпендикулярной секущей плоскости и проходящей через данную осесимметричную линию, по каждой осесимметричной линии;

• определяют оси вращения колеса, как общей линии пересечения полученного набора осесимметричных плоскостей и центральной точки колеса, как точки, лежащей на оси вращения колеса в месте среднего положения всех проекций всех точек анализируемого объекта на оси вращения колеса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчет необходимых параметров вычислительным устройством осуществляют путем расчета параметров по хотя бы двум разным положениям колеса, в процессе которого дополнительно строят координатные системы, связанные с каждым положением колеса, для чего выбирают тройку направляющих векторов таким образом, чтобы один из них был направлен вдоль линии осевой симметрии колеса, второй – перпендикулярно первому вектору и перпендикуляру к горизонтальной плоскости с учетом перекатывания колеса, а третий перпендикулярен первым двум, и находят линию в системе координат, связанной с колесом, все точки которой являлись бы неподвижными точками в пространстве, если бы смещение колеса отсутствовало.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе определения параметров геометрического положения колес транспортного средства изменяют количество и размер проецируемых световых элементов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе определения параметров геометрического положения колес транспортного средства изменяют яркость проецируемых световых элементов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после первого расчета параметров колеса блок трехмерного сканирования отключает по команде от вычислительного устройства все световые элементы, расположенные за пределами шины, либо любые отдельные световые элементы.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что блок трехмерного сканирования выполнен в виде двух взаимно откалиброванных видеокамер.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что по команде от вычислительного устройства включают и выключают с определенной частотой проецирование световых элементов, при этом две предварительно взаимно откалиброванные видеокамеры снимают и передают изображения колеса со световыми элементами и без световых элементов, а вычислительное устройство производит вычитание этих изображений, получая таким образом изображения, содержащие только световые элементы без остального фона.

8. Система для определения параметров геометрического положения колес транспортного средства по данным трехмерного сканирования поверхностей колес транспортного средства, содержащая

• вычислительное устройство с устройствами ввода/вывода, отображения, распечатки, приема и передачи информации, связанное с

• множеством пар колонн с блоками трехмерного сканирования, функционирование которых основано на способах по пп.1-7, причем

• колонны расположены по левой и правой сторонам транспортного средства симметрично относительно продольной оси площадки для измерений транспортного средства на расстоянии 3000-6000 мм друг относительно друга, при этом

• блоки трехмерного сканирования в каждой паре колонн направлены в сторону колес транспортного средства, перпендикулярно к продольной оси площадки для измерений, а

• расстояния между отдельными парами колонн с блоками трехмерного сканирования в направлении продольной оси площадки для измерений транспортного средства выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось частичное перекрытие зон видимости смежных блоков трехмерного сканирования в направлении продольной оси транспортного средства, при этом

• количество пар колонн с блоками трехмерного сканирования определяют, исходя из необходимой длины участка регулировки и ширины кадра видеокамер в горизонтальном направлении, при этом

• все блоки трехмерного сканирования взаимно откалиброваны, при этом

• вычислительное устройство выполнено с возможностью объединения всех пространственных точек, вычисляемых при помощи блоков трехмерного сканирования, расположенных по левой или правой стороне транспортного средства, в единое облако точек, охватывающее всю зону измерения, обеспечивая таким образом одновременное измерение всех колес транспортного средства, находящегося в зоне измерения, вне зависимости от их взаимного расположения и местонахождения в ее пределах.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что

• колонны с блоками трехмерного сканирования, кроме первой пары, выполнены поворотными, с возможностью их поворота вокруг своей вертикальной центральной оси на углы в пределах ±20°, при этом каждая поворотная колонна с блоком трехмерного сканирования содержит мишень, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны, для контроля их перемещения в глобальной системе координат,

• колонны с блоками трехмерного сканирования первой пары выполнены стационарными, при этом каждая колонна содержит дополнительную референтную камеру, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны и направленную вдоль площадки для измерений в сторону мишеней поворотных колонн.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что колонны с блоками трехмерного сканирования, содержащие мишень, взаимно откалиброванную с блоком трехмерного сканирования данной колонны, выполнены с возможностью перемещения вдоль продольной оси площадки для измерений.

11. Система по любому из пп.8, 9, 10, отличающаяся тем, что блок трехмерного сканирования включает в себя по крайней мере две взаимно откалиброванные видеокамеры.