Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Achsgeometrie eines Fahrzeugs

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Achsgeometrie eines Fahrzeugs.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Prüfung und Messung der Lenkgeometrie während der Achsvermessung, konkret auf die 3D-Bestimmung der Lenkachse („Spreizachse") mit den Kenngrößen Spreizungswinkel, Nachlaufwinkel, Nachlaufstrecke und Lenkrollradius.

Im Rahmen einer Achsvermessung werden Spur- und Sturzwinkel des Fahrzeuges bestimmt und gegebenenfalls eingestellt. Eine weitere Teilaufgabe der Achsvermessung ist die Prüfung der Lenkgeometrie. Dies erfolgt durch Messen der Bewegung eines Rades während einer Lenkbewegung. In der Regel werden dabei der Spreizungs- und der Nachlaufwinkei gemessen.

Die Kenngrößen der Lenkgeometrie sind abhängig von der mechanischen Gestaltung der Lenkung. Es wird zwischen klassischen Geometrien, die eine feste Spreizachse haben, und sogenannten Raumlenkerachsen unterschieden. Kenngrößen zur Beschreibung der Lenkgeometrie mit fester Spreizachse wie z.B Spreizungswinkel, Nachlaufwinkel, Nachlaufstrecke und Lenkrollradius sind in der DIN 70000 definiert.

Zur Bestimmung der Kenngrößen erfolgt üblicherweise eine Messung des Spurwinkels und des Sturzwinkels während einer Lenkbewegung („Lenkradeinschlagroutine"). Aus den Spur- und Sturzwerten des Rades bei verschiedenen Radlenkwinkeln werden nachfolgend die Größen Spreizungswinkel und Nachlaufwinkel berechnet. In„HUNTER ENGINEERING CO, BRIDGETON, MO, USA: "STEERING GEO- METRY AND CASTER MEASUREMENT", SAE TECHNICAL PAPER SERIES, Nr. 850219, 1985, Seiten 1 -10, XP008068693 WARRENDALE, PA, USA" beschreibt Daniel B. January die Berechnung des Spreizungs- und des Nachlaufwinkels aus zwei Einzelmessungen, die während einer Radeinschlagbewegung durchgeführt werden. Da nur zwei Einzelmessungen durchgeführt werden, führen Messfehler der nur zwei Spur- und Sturzmessungen zu entsprechend großen Fehlern bei der Berechnung der Lenkgeometrie.

In EP 1 739 390 B1 wird die Verknüpfung von mehr als zwei Spur- und Sturzmessungen beschrieben, um die Messgenauigkeit durch das Anpassen („Fitten") eines Polynoms an die Messkurven der Spur- und Sturzwinkel zu erhöhen.

Die Spur- und Sturzmessung kann durch verschiedene bekannte Verfahren zur Achsvermessung erfolgen. Neuere Verfahren zur Achsvermessung erlauben eine optische Messung der Achsgeometrie über eine 3D-Erfassung der Radbewegung. In diesen Verfahren werden die geometrische 3D-Position und Ausrichtung der Drehachse und des Drehzentrums der Räder ermittelt. Dies kann durch die Messung von sogenannten Targets mit optischen Zielmarken am Rad (siehe z.B. DE 197 57 763 A1 , EP 1 042 643 B1 ) oder durch die dreidimensionale Erfassung der Oberfläche des Rades, z.B. durch die Projektion eines Musters auf die Radoberfläche, erfolgen (siehe z.B. EP 187 51 64 B1 , WO 2008/046715 A1 ).

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, welches es ermöglicht, die Achsgeometrie einfach mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 1 bis 9 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist die 3D-Berechnung der Parameter der Spreizachse aus der Drehachse und dem Drehzentrum des Rades bei verschiedenen Radlenkwinkeln unter Verwendung eines kinematischen Modells der Lenkungsgeometrie, wobei die Drehachse und das Drehzentrum des Rades über ei- ne 3D-Messung der Radlage, z.B. durch die Messung von optischen Targets am Rad oder mittels eines 3D-Oberflächenmodells des Rades, bestimmt werden.

Eine optische Messung der 3D-Achsgeometrie erlaubt eine 3D-Erfassung der Radbewegung während des gesamten Messvorganges. Für die Lenkein- schlagsmessung bedeutet dies, dass zu jedem Zeitpunkt der Messung die SD- Position des Drehzentrums des Rades und der 3D-Richtungsvektor der Raddrehachse bekannt sind. Diese Messgrößen werden erfindungsgemäß für die 3D-Berechnung der Spreizachse verwendet.

Insbesondere umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung einer Achsgeometrie eines Fahrzeugs, ein an einer Achse des Fahrzeugs befestigtes Rad auf mehrere Einlenkpositionen mit verschiedenen Radlenkwinkeln einzulenken und die räumlichen Lage des Rades an den verschiedenen Einlenkpositionen zu messen. Aus den Ergebnissen der Messung der räumlichen Lage des Rades an den verschiedenen Einlenkpositionen wird die jeweilige Drehachse des Rades bestimmt. Die Parameter eines parametrischen Modells der Spreizachse werden so angepasst, dass die aus der Messung der räumlichen Lage bestimmten Drehachsen des Rades möglichst gut mit den aus dem parametrischen Modell berechneten Drehachsen übereinstimmen. Kenngrößen der Achsgeometrie werden dann aus dem so angepassten parametrischen Modell der Spreizachse berechnet.

Die so bestimmbaren Kenngrößen der Achsgeometrie umfassen insbesondere den Spreizungswinkel und den Nachlaufwinkel.

Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch die Bestimmung des jeweiligen Drehzentrums des Rades an den verschiedenen Einlenkpositionen und das parametrische Modell der Spreizachse umfasst auch das Drehzentrum des Rades. In diesem Fall können aus dem parametrischen Modell zusätzlich zum Spreizungswinkel und zum Nachlaufwinkel auch die Nachlaufstrecke und der Lenkrollradius bestimmt werden.

Mit einem solchen Verfahren sind die vier Kenngrößen der Spreizachse während der Achsvermessung durch eine direkte Berechnung der Parameter der Spreizachse ohne den bisher üblichen Umweg über die Ermittlung der Spur- und Sturzwerte bestimmbar. Die vollständige Modellierung der 3D-Bewegungsgeometrie ermöglicht es, die Parameter der Spreizachse mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Anpassen des parametrischen Modells der Spreizachse an die aus der 3D-Messung bestimmten Drehachsen unter Verwendung der Methode kleinster Quadrate. Die Methode kleinster Quadrate stellt ein zuverlässig und einfach zu implementierendes Verfahren zur Anpassung des parametrischen Modells der Spreizachse an die gemessenen Werte dar.

In einer Ausführungsform umfasst das Messen der räumlichen Lage des Rades das optische Erfassen und Auswerten wenigstens einer Oberfläche des Rades. Das optische Erfassen und Auswerten wenigstens einer Oberfläche des Rades, wie es beispielsweise aus EP 187 51 64 B1 und WO 2008/046715 A1 bekannt ist, ermöglicht eine besonders einfache und genaue Bestimmung der räumlichen Lage des Rades.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Transformation der Ergebnisse der 3D-Messung in ein fahrzeugfestes Koordinatensystem. Dazu wird die Bewegung des Fahrzeugs beispielsweise durch eine fortlaufende Messung des Drehzentrums und/oder des Drehvektors wenigstens eines Rades, das an einer nicht gelenkten Achse des Fahrzeugs angebracht ist, bestimmt.

Durch die Transformation in ein fahrzeugfestes Koordinatensystem werden während des Messvorgangs auftretende Fahrzeugbewegungen kompensiert. Die Messung kann so mit hoher Genauigkeit auch dann durchgeführt werden, wenn sich das Fahrzeug während des Messvorgangs bewegt. Die Zuverlässigkeit des Messverfahrens wird erhöht und seine Durchführung vereinfacht.

In einer Ausführungsform umfasst das Einschlagen des Rades nur eine kleine, differenzielle Auslenkung aus der Geradeausstellung, insbesondere eine Auslenkung von nicht mehr als 5°. Bei einer differenziellen Auslenkung kann auch die Achsgeometrie von Fahrzeugen mit einer sogenannten Raumlenkerachse zuverlässig bestimmt werden. Insbesondere können die geometrischen Größen der Momentanschraubachse bestimmt und daraus die 3D-Größen der Spreizachse abgeleitet werden. In einer Ausführungsform werden statt des Lenkrollradius der Lenkhebelarm am Radmittelpunkt und der Lenkhebelarm in der Fahrbahnebene bestimmt. So können weitere Parameter der Lenkgeometrie bestimmt werden.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Vergleich der gemessenen Ist-Bewegung des Rades mit einer hinterlegten Soll-Bewegung des Rades. So kann die Qualität der Achsgeometrie des Fahrzeugs bestimmt werden. Insbesondere können Verzerrungen der Achsgeometrie, wie sie zum Beispiel durch Unfallschäden am Fahrzeug verursacht werden, festgestellt und bewertet werden.

Die Ist-Werte können beispielsweise in Form einer Tabelle in einem Speicher hinterlegt sein. In der Tabelle nicht vorhandene Zwischenwerte können zusätzlich durch Interpolation berechnet werden. in einer Ausführungsform ist die hinterlegte Soll-Bewegung des Rades eine Funktion des Radlenkwinkels und/oder des Einfederzustandes des Fahrzeuges. Dies ermöglicht einen besonders genauen Vergleich der Ist-Bewegung des Ra- des mit der hinterlegten Soll-Bewegung. Insbesondere werden Fehler bei der

Bewertung der Achsgeometrie, die durch unterschiedliche Radlenkwinkel und/oder Einfederzustände des Fahrzeugs verursacht werden, zuverlässig vermieden. In einer Ausführungsform umfasst das parametrische Modell auch eine geometrische Modellierung der kinematischen Kette der Radaufhängung, die z.B. aus Gelenken, Stab-, Dreiecks- oder Trapezlenkern besteht. Dies ermöglicht die Bestimmung und/oder Kontrolle ausgewählter Bewegungsparameter der Lenkungsgeometrie.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Messplatzes zur Durchführung findungsgemäßen Fahrwerksvermessung; Figur 2 eine schematische Ansicht einer 3D-Punktwolke eines Rades mit einer aus einem 3D-Oberflächenmodell des Rades berechneten Drehachse des Rades;

Figur 3 eine schematische Frontansicht eines Rades mit ausgewählten Kenngrößen der Lenkgeometrie; und

Figur 4 eine schematische Seitenansicht eines Rades mit auswählten weiteren Kenngrößen der Lenkgeometrie.

Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Messplatz, der zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Fahrwerksvermessung geeignet ist, mit einem an dem Messplatz angeordneten zu vermessenden Fahrzeug 2.

Das Fahrzeug 2 hat zwei Achsen 8a, 8b, eine Vorderachse 8a und eine Hinterachse 8b, die parallel zueinander im rechten Winkel zur Längserstreckung des Fahrzeugs 2 angeordnet sind.

An den beiden Enden der beiden Achsen 8a und 8b ist jeweils ein Rad 4a, 4b des Fahrzeugs 2 montiert. Die Räder 4a an der Vorderachse 8a sind lenkbar, die Räder 4b an der Hinterachse 8b sind starr. In der in der Figur 1 gezeigten Darstellung sind die Räder 4a, die an der Vorderachse 8a des Fahrzeugs 2 angebracht sind, um einen Radlenkwinkel ß aus der Geradeausstellung ausgelenkt.

Seitlich des Fahrzeugs 2 ist jedem der Räder 4a, 4b gegenüberliegend jeweils ein Messkopf 6 angeordnet. Jeder der vier Messköpfe 6 weist eine Beieuch- tungseinrichtung 6a auf, die eingerichtet ist, um das dem jeweiligen Messkopf 6 gegenüberliegende Rad 4a, 4b des Fahrzeugs 2 zu beleuchten. Die Beleuchtungseinrichtungen 6a können so ausgebildet sein, dass sie das Rad 4a, 4b entweder homogen oder mit einem strukturierten Lichtmuster beleuchten. Insbesondere können die Beleuchtungseinrichtungen 6a jeweils einen Laser aufweisen und so ausgebildet sein, dass sie jeweils ein strukturiertes Laserlichtmuster erzeugen und auf das dem jeweiligen Messkopf 6 gegenüberliegende Rad 4a, 4b projizieren.

Zusätzlich zur Beleuchtungseinrichtung 6a weist jeder Messkopf 6 eine Stereo- Aufnahmeeinrichtung 6b, 6c auf, die in dem in der Figur 1 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel jeweils zwei Kameras 6b, 6c enthält, die voneinander beabstandet auf beiden Seiten der jeweiligen Beleuchtungseinrichtung 6a innerhalb des Messkopfes 6 angeordnet und auf das dem jeweiligen Messkopf 6 gegenüberliegende Rad 4a, 4b des Fahrzeugs 2 ausgerichtet sind. Jeder der Messköpfe 6 stellt so ein Stereobild des ihm gegenüberliegenden Rades 4a, 4b zur Verfügung.

Die Messköpfe 6 sind über elektrische Leitungen 12 mit einer Auswerteeinheit 10 verbunden, welche die von den Messköpfen 6 zur Verfügung gestellten Stereobilder auswertet, um die Achsgeometrie des Fahrzeugs 2 zu bestimmen.

In einer vereinfachten, in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform ist der Messplatz mit weniger als vier Messköpfen 6 ausgestattet. Insbesondere können nur zwei Messköpfe 6 vorgesehen sein, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugs 2 angeordnet sind. In diesem Fall ist die Achsvermessung für beide Achsen 8a, 8b in zwei getrennten, aufeinander folgenden Schritten durchzuführen.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine 3D-Messpunktwolke eines Rades 4a, wie sie aus einem von einem der Messköpfe 6 aufgenommenen Ste- reobild berechnet wird. Die Einzelheiten der Bestimmung einer SD-

Messpunktwolke aus einem Stereobild sind beispielsweise in EP 1 875 164 B1 beschrieben. Die Berechnung der Drehachse aus einer 3D-Messpunktwolke mit einem parametrischen Oberflächenmodell des Rades ist in WO 2008/046715 beschrieben.

Figur 2 zeigt weiterhin den Richtungsvektor n (Vektoren werden im Folgenden durch Fettdruck dargestellt) der Drehachse des Rades 4a, wie er aus einem parametrischen Modell des Rades 4a, welches, wie in WO 2008/ 046715 beschrieben, an die 3D-Messpunktwolke angepasst worden ist, bestimmbar ist.

Auch das in der Figur 2 gezeigte Drehzentrum Z des Rades 4a ist aus dem parametrischen Modell bestimmbar.

Figur 3 zeigt eine schematische Frontansicht eines Rades 4a mit einem Radradi- us R und einer Spreizachse S. In der Figur 3 sind weiterhin der Lenkrollradius r ₀ , der Spreizungswinkel σ, der Ortsvektor zur Spreizachse o _s , der vom Ursprung 0 des fahrzeugfesten Koordinatensystems K auf die Spreizachse S zeigt, und der Richtungsvektor n _s , der die Richtung der Spreizachse S angibt, gezeigt.

Figur 4 zeigt eine schematische Seitenansicht des Rades 4a, welches in der gezeigten Darstellung zur Bewegung entlang der Fahrtrichtung v von rechts nach links vorgesehen ist, wobei der Nachlaufwinkel r und die Nachlaufstrecke x _T gezeigt sind.

Figur 5 zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zunächst wird die Lage des Rades 4a für mehrere Einlenkpositionen mit verschiedenen Radlenkwinkeln ß, gemessen (Schritt 10).

Dazu wird das Rad 4a auf einen Radlenkwinkel ß-, eingelenkt, für den jeweiligen Radlenkwinkel ß-, wird wenigstens ein Stereobild des Rades 4a aufgenommen und aus dem Stereobild wird eine 3D-Messpunktwolke berechnet. Die Drehachse rii sowie das Drehzentrum Zj des Rades 4a werden durch Anpassen eines parametrischen Oberflächenmodells an die 3D-Messpunktwolke bestimmt (Schritt 11 ).

In einem alternativen Verfahren werden Bilder von an dem Rad 4a befestigten Zielmarken (Targets) aufgenommen, die Positionen der Zielmarken bestimmt und die Drehachse n-, sowie das Drehzentrum Z, des Rades 4a aus den Positionen der Zielmarken berechnet.

Weiterhin wird eine eventuell vorhandene Bewegung des Fahrzeugs 2 bestimmt (Schritt 12) und die Drehachse rij und das Drehzentrum Zj, die im Schritt 11 ermittelt worden sind, werden in ein fahrzeugfestes Koordinatensystem K transformiert (Schritt 13).

Diese Verfahrensschritte werden für m verschiedene Radlenkwinkel ?, des Rades 4a wiederholt.

Als Ergebnis liegen m 3D-Koordinaten x _Ki des Drehzentrums Z, des Rades 4a und m 3D-Richtungsvektoren n _Ki der Drehachse des Rades 4a in einem euklidischen, fahrzeugfesten Koordinatensystem K für m verschiedene Radlenkwinkel ßi während des jeweiligen Lenkeinschlages vor. Die kinematische Modellierung der Spreizachse S mit einem Ortsvektor o _s und einem Richtungsvektor n _s

beschreibt die Bewegung des 3D-Drehzentrums XD und des 3D-Drehvektors nD in Abhängigkeit vom Radlenkwinkel ßj zu jedem Zeitpunkt i (i=1...m) des Einlenkvorgangs. Die Spreizachse S entspricht dabei einer räumlichen Drehachse.

Der Vektor o _s ist der 3D-Ortsvektor zu einem Punkt auf der Spreizachse S und ist im Fahrzeugkoordinatensystem K definiert. Der Vektor n _s =[n _x , n _y , nJ ^T ist der SD- Richtungsvektor der Spreizachse S (siehe Fig.3).

Aus dem Radlenkwinkel ?, des Rades 4a um die Spreizachse S ergibt sich eine 3x3- Rotationsmatrix R, welche entsprechend der Formel von Rodrigues, siehe z.B. Murray, R. M.; Li, Z.; and Sastry, S. S., A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation, FL: CRC Press, 1994, darstellbar ist:

Der 3D-Richtungsvektor n _s der Spreizachse S kann bei geeigneter Definition derLage des Fahrzeugkoordinatensystems K in der Fahrbahnebene zweckmäßigerweise über die gesuchten geometrischen Winkel Nachlauf r und Spreizung σ parametrisiert werden.

Der 3D-Richtungsvektor n _s ist für die linke Seite: und für die rechte Seite:

Durch die Kombination der vorhandenen Messungen des Drehzentrums XK, und der Drehachse Π ι mit der beschriebenen Modellierung der Spreizachse S werden im Schritt 20 mit bekannten Optrmierungsverfahren, wie z.B. der Methode der kleinsten Quadrate die 3D-Lage des Ortsvektors n _s und des Richtungsvektors o _s einer modellierten

Spreizachse S, welche die beste Übereinstimmung mit den gemessenen Werten aufweist, bestimmt. Dies kann z.B. iterativ über eine Linearisierung der Gleichungen erfolgen. Aus dem so optimierten parametrischen Modell f( ?i,n _s ,o _s ,n _D ) der Spreizachse S sind die Kenngrößen Spreizungswinkel σ, Nachlaufwinkel τ, Lenkrollradius r ₀ und Nachlaufstrecke r _r durch geometrische Berechnungen bestimmbar.

Werden ausschließlich die gemessenen Drehachsen n«i und nicht auch die Drehzentren x«i des Rades 4a zur Berechnung der Achsgeometrie verwendet, ist eine ausschließliche Bestimmung des Spreizungswinkels σ und des Nachlaufwinkels T möglich, wobei auf die Bestimmung von Nachlaufstrecke r _T und Lenkrollradius r ₀ verzichtet wird: Dies stellt ein vereinfachtes Verfahren zur Verfügung, das vorzugsweise dann verwendet wird, wenn auf die Bestimmung der Nachlaufstrecke r _T und des Lenkrollradius r ₀ verzichtet werden kann.