无线定位系统是流行的，因为其废除了在定位头、定位摄像头和控制台之间使用信号绳，这显著地降低了对操作的阻碍和受伤风险。不过，无线定位系统依赖于电池来向定位头供电。较小的电池，虽然重量轻，但显著限制了定位头的作业时间。另一方面，具有较高容量的电池往往更重。尽管高容量电池允许更长的作业时间，但其使定位头增加了重量并且在安装、作业、可操纵性和传输上造成困难。因此，非常需要重量轻并有更长使用时间的无线定位系统。

本发明对定位头和系统提供了高级电源管理，以降低功率消耗并延长充电之间的作业时间。本发明还描述了用于对无线定位头进行充电的独特设计的实施例。
一种示例性的定位头可在第一工作模式，如正常作业模式，和第二工作模式，如节电模式进行工作，其中第二工作模式比第一工作模式消耗更少的功率。当至少一个预设事件出现时，定位头从第一工作模式切换到第二工作模式。定位头包括数据处理器，用于管理定位头的工作和电源管理；和至少一个功能模块，用于执行指定的功能。数据处理器监控至少一个功能模块的活动，并响应至少一个预设事件的出现，通过执行规定的步骤(例如选择性地调节功能模块或定位头的工作)来控制定位头进入第二工作模式。
功能模块可包括下述中的至少一个：无线通信接口，它被设置成与计算机或配对定位头进行通信；至少一个倾角传感器，用于感测定位头的倾斜角；电位计；图像传感器，用于产生图像数据，所述图像数据代表所取到的与车轮相关的目标的图像；空间关系传感器，用于测量定位头和配对定位头之间的空间关系；照明装置，它被设置以照明目标；电池，它被设置成向定位头供电；气体压力计，它被设置成生成与电池相关的信息；和，用户接口，它被设置成生成输出信息并接收输入。
至少一个预设事件可以包括低电池充电水平，由至少一个功能模块获得的数据缺少变化，测量的变化率低，引导进入第二工作模式的输入，功能模块中的一个不活动时间增加，和从计算机收到指令进入第二工作模式中的至少一个。
一个或多个规定的步骤包括断开向至少一个功能模块或数据处理器的部分或全部的供电；降低从至少一个功能模块获取数据的频率；降低至少一个功能模块获取感测数据的采样率；降低对从至少一个功能模块接收到的数据进行计算的频率；如果至少一个功能模块处于休眠模式，则跳过服务至少一个功能模块；和改变至少一个功能模块的工作；选择性地清除从至少一个功能模块接收到的数据；以及激活通知信号。
可以改变功能模块的工作，以降低功率消耗。示例性的改变包括降低至少一个功能模块采集目标图像的频率；将采集目标图像的至少一个功能模块切换到较低的图像分辨率；降低由至少一个功能模块产生的照明强度；降低至少一个功能模块从配对定位头感测信号的频率；和，降低至少一个功能模块与配对定位头或计算机系统进行通信的频率。
本发明还描述了自适应电源管理技术，所述技术根据功能模块或定位头的工作状态逐步调节省电的水平。
当在一个或多个功能模块处检测到特定活动时，定位头可以退出第二工作模式或省电模式。所述活动可以是由至少一个功能模块检测到的振动或运动，从计算机系统通过无线通信接口接收到的唤醒信号，表示用户希望操作定位头的输入信号，以及由配对定位头引起并由空间关系传感器检测到的空间关系变化，等等。
在另一个实施例中，车轮定位头通过巧妙设置的数据获取序列实现，使得在由相同的传感器生成其它无效或冗余数据之前获取或从传感器移出有效的数据。无效或冗余数据被清除、删去或只是简单地被覆盖，以降低非必要的功率消耗。
本发明还描述了独特的充电机构，它允许即使在对接装置没有外部电源，如AC电源时，对接装置仍能对定位头进行充电。
其它优点和新颖特征部分会在下文的说明书中阐述，而部分对于本领域技术人员来说在基于下文和所附的附图或通过对示例的制作或操作的认识后会变得显而易见。本发明的优点可以通过实践或使用尤其在所附权利要求书中指出的方法、手段和组合得以实现和得到。

附图只是通过示例的方式，而不是通过限定的方式，示出了本发明的一个或多个实施例。在附图中，相似的附图标记表示相同或相似的元件。
图1图示性地示出了与车轮相关的目标和主动感测头的第一装置。
图1A和1B示出了可用于被动头上的不同类型的目标。
图2是示例性车轮定位系统的功能框图，其中车轮定位系统的元件安装至所指定车辆的车轮(尽管车辆的其它元件为了方便起见而被省去)。
图3是系统的一些车轮安装构件的侧视图，其中一个主动感测头以部分剖视详图示出。
图4是一个主动感测头的侧视图，可用于说明摄像光轴对所测量重力矢量的节平面的关系。
图5是一个主动感测头的后视图，可用于说明摄像头对所测量重力矢量的曲面平面的关系。
图6是一个示例性主动感测头的部件的功能框图。
图7图示性地示出了与车轮相关的目标和主动感测头的另一装置，在这里利用其它目标和图像感测来测量主动头之间的空间关系。
图8是图7所示系统的一些车轮安装构件的侧视图，其中一个主动感侧头以部分剖视详图示出，大体与图3所示相似；但其中空间关系传感器利用另一个摄像头。
图9是图7中详细视图所示的示例性主动感测头的部件的功能框图。
图10-18图示性地示出了一系列可替换的装置，具有与车轮的不同组合相关的不同头/目标并对空间关系感测利用不同的设置或设备。
图19示出了示例性定位头的详细功能框图。
图20是示例性SPI多路复用器的示例性电路图。
图21A和21B示出了通过基于功能模块的不活动度逐步降低功率消耗的自适应电源管理的作业。

在下面的详细描述中，通过示例陈述多个特定细节，以便提供对本发明相关公开内容有详尽的理解。不过，本领域技术人员应当显而易见，本发明可以无需所述细节而得以实施。在其它情况，已知的方法、程序、部件和电路以较高级别被描述，而没有细节，以避免对本发明的各方面不必要的掩盖。
现在将对附图所示和下文所讨论的示例进行详细描述。
系统体系结构
图1示出了示例性定位系统，它体现了本发明的教导和技术。除了车轮，车辆的各元件被省去以方便阐述。
车轮定位系统包括一对安装在车辆的相应车轮22和24上的被动头21和23，车轮22和24在本第一示例中是前驱轮。主动感测头25和27适于与车辆的其它相应车轮26和28(在这里为后轮)结合安装。每个主动感测头包括图像传感器29或31，用于产生图像数据，它预期在不同的头安装至车辆20的相应车轮时包括被动目标的图像。在本第一示例中，主动感测头25和27中的图像传感器29和31是二维(2D)成像装置，如摄像机。
头21和23是被动的，因为它们包括目标但不包括任何传感元件。每个被动头21和23包括可以由主动头25和27中的图像传感器29或31中的一个观察到的一种类型的目标。被动头21或23上的目标，用于通过另一个头上的传感器进行图像感测，可以是主动或被动的。主动目标，例如发光二极管(LED)，是由电源驱动发出可被传感器检测到的能量(例如，IR或可见光)的源。被动目标是不通过电源驱动并且不发出能量以供传感器检测的元件。假设头25和27中有图像传感器，被动目标是以相应图像传感器能够检测到的方式反射(或不反射)光或其它能量的物体。在示例中，尽管目标可以包括一个或多个发光元件，目标也包括当由其它源照明并由主动感测头25和27中的摄像机或其它同类东西成像而可以检测到的明和暗的区域。
可用于任意一个被动车轮头21上的目标的第一示例在图1A中示出。在该第一示例中，目标是矩形的。可用于任意一个被动车轮头21上的目标的第二示例在图1B示出。在该第二示例中，目标是圆形的。在每种情况，目标包括平板，所述平板具有不同大小的圆圈的图案以预定形式和型式标记或安装在板的表面上。尽管图1A和1B示出了特定的图案(型式)，很明显大量不同的图案型式可用于每个目标上。例如，可以包括更多或更少数量的点并且点可以使用其它大小和形状。作为另一个示例，多面板或物体也可用于目标。许多示例利用多个反光元件设置以形成每个目标。供进一步参阅，参见Jackson的美国专利号5,724,743，该文献的全文公开内容在此被结合入本文引用。
系统还包括与至少一个主动感测头25或27相关的空间关系传感器。空间关系传感器使得当主动感测头被安装在车辆的车轮上时能够测量主动感测头25和27之间的空间关系。一般，空间关系传感器可以根据所用的传感器类型测量相对的位置和/或定向。位置测量是指透视图或测量装置的坐标系统中所测量项目的相对位置。位置的测量一般使用标准坐标系统，如笛卡儿(Cartesian)坐标或极坐标。定向可以从三维位置测量获得，或者定向可以独立于位置进行测量。定向涉及所测得的装置相对于测量装置在标准坐标系统中表示的旋转位置。定向一般在三个正交参考平面中以转动角表示。
对于本领域技术人员应当显而易见，本文讨论的车轮定位系统可以通过各种不同类型的空间关系传感器实现。在第一示例中，系统使用两个传统(1D)角度传感器33和35来测量束角面中主动感测头25和27的相对角度。
主动头25和27还包含重力传感器或此类元件，以测量倾角，通常是头的外倾角和纵倾角。在该第一示例中，头25包括一个或多个倾角传感器37；而头27包括一个或多个倾角传感器39。
如在随后的更详细例子中所示(关于图2)，系统还包括计算机。计算机处理来自主动感测头与观察目标相关的图像数据和倾角数据。计算机还处理来自至少一个空间关系传感器的空间关系数据。数据处理能够对车辆的至少一个测量结果进行计算。
在车轮定位系统中利用图像处理技术进行测量从根本上不同于利用传统的角度测量技术。尽管基本图像处理技术对于本领域技术人员来说是已知的，为清楚起见在此给出简要描述。物体的图像根据观察所述物体的视角而变化，并且图像中的变化直接关系并可由观察所述物体的观察路径的透视角确定。另外，已知仅通过将对象的透视图像与其真实非透视图像相关来确定观察对象的透视角是可行的。反之，通过将对象的透视图像与其非透视图像进行比较来确定对象对于观察路径(或垂直于其的平面)所定向的角度是可行的。
在实践中，对应于真实图像的数学表示，或数据(即通过垂直于目标的主平面观察目标所获得的图像)以及目标的维数被预先编程到计算机的存储器中，使得在定位过程中计算机具有参考图像，其中目标的所观察视角图像可以与参考图像进行比较。
计算机计算目标定向的方式是识别目标上的某些几何特征，获取其视角测量结果并将这些测量结果与之前预编程入计算机存储器的真实图像进行比较。
另外，由于目标的真实维数被预编程入计算机存储器中，本发明的方法和装置可用于确定车轮在三维空间中的准确位置。这可以通过首先确定某些元件在目标上图案的视角图像(例如，圆圈之间的距离)并将该图像的尺寸与这些元件的真实尺寸进行比较来进行。这会产生元件并因此是目标相对于图像传感器的距离。
对于本文讨论的车轮定位系统，主动头中的图像传感器观察与车轮相关的目标并产生描述目标的视角图像的图像数据。计算机将目标的视角图像数据与目标的真实形状相互关联。通过这样做，计算机将目标的某些已知几何元素的尺寸与视角图像中相应元素的尺寸相关联并且通过执行某些三角计算(或通过任何其它合适的数学或数值法)，来计算车辆车轮的定位。计算机还计算车轮旋转轴(车轮轴)与被动目标相关的三维位置和定向。
关于根据目标图像处理的测量结果的其它信息，再次参见Jackson的美国专利号5,724,743，该文献的全文公开内容在此被结合入本文引用。
图2示出了示例性车轮定位系统50以及车辆的四个车轮41、43、45和47(为简明起见未示出其它部分)的更全面的例子。系统50包括四个头51、53、55和57，用于安装到或以其它方式与车轮41、43、45和47结合，如附图中所示。可以使用各种不同类型的安装设备。在本示例中，被动头51和53安装在前轮41和43，并且前头51和53使用反光目标。当如图所示安装在车轮上时，反光目标面向后方，以便可被相应主动感测头中的图像传感器观察到。反光目标可以与那些使用在三维(3D)机器视觉定位系统中的类似。安装在后轮45和47上的头55和57是主动感测头，因为它们包括图像传感元件。在本示例中，头55和57还包括倾角和空间关系传感元件，如下文所讨论，用于获得信息以供车轮定位系统50的主机系统100进行处理。根据本发明的一个实施例，通过头55和57获得的数据以无线方式利用WIFI、蓝牙、UWB(超宽带)、Zigbee、或任何其它合适的无线技术，被传送到主机系统100。
图像传感器，如定位摄像头，位于每个后头中。所述每个摄像头的光轴面朝向沿着车辆的轨迹，以便测量连接至前轮的目标的位置和定向。摄像头不需要直接在车轮的轨迹上，也就是说在车轮的辗压线上。摄像头只需要面向在车轮轨迹的旁边足以观察并采集与前轮连接的被动头51、53上的目标的图像。在该示例中，主动感测头55包括图像传感模块或类似部件，其包含图像传感器，所述图像传感器以摄像头61面向前沿着左轮轨迹的形式。当这样安装时，摄像头61的视野包括安装在左前轮41上的被动头51的目标部分。类似地，主动感测头57包括图像传感模块或类似部件，其包含图像传感器，所述图像传感器以摄像头63面向前沿着右轮轨迹的形式。当这样安装时，摄像头63的视野包括安装在右前轮43上的被动头53的目标部分。
一个或多个传感器连接至后头55、57并且设置以测量两个主动感测头之间的空间关系。可以使用各种可用的传感技术，下文会讨论两个示例。在图2所示的示例中，主动感测头55包括传感器65；而主动感测头57包括传感器67。在本应用中传感器65和67用于感测主动感测头55和57之间的相对角度关系，而来自摄像头61和64的图像信号被处理以计算常规前轮定位参数，如外倾角和束角。
每个后头55、57还结合一个或多个倾角计，所述倾角计用作倾角传感器，以测量每个后头对重力的相对外倾角和纵倾角。这些倾角计，例如，可以包括MEMS类型的设备，所述MEMS类型的设备被设计以便结合到轨迹(跟踪)摄像机印刷电路板。
图3是系统中的一些车轮安装部件的侧视图。该左侧视图示出了左前头51，具有其被动目标，连接至左前轮41。侧视图还示出了左后主动感测头55，连接至左后轮45。图3还提供了主动感测头55的元件的放大详图，部分以剖视图示出。
如图所示，头55包括外壳71。为了清楚起见，省去了将外壳安装至车轮的硬件。外壳71包含面向前的轨迹(跟踪)摄像机(头)61。在本示例中，空间关系传感器65使用下文结合图6所述的光束角检测技术，尽管也可以使用其它类型的传感器。外壳还包括用户接口74，用于与用户进行通信；和印刷电路板75，所述印刷电路板包含数据处理电子器件，用于处理来自摄像机(头)和其它传感器的数据并与主机进行通信。为了实现示例性系统的感测头，电路板75还支持纵倾角倾角传感器77和外倾角倾角传感器79。尽管示出是分开的，两个倾角传感器77、79可以是单个倾角计模块的元件。传感器77、79将倾角读数传送到板75上的处理器，用于与摄像数据一起传输到主机系统100。
图4和5有些格式化的示出了主动感测头55的侧视图和后视图，示出了通过倾角传感器测得的轴对于其它元件的关系。假设在本文的讨论中倾角传感器77-79是单个MEMS倾角计的元件。倾角计确定相对于纵倾角平面(图4)的重力矢量和相对于外倾角平面(图5)的重力矢量。当然，对于另一主动感测头57(图2)进行类似的测量。这样，每个头对重力的定向可被处理以便使每个面向轨迹的摄像机(头)的光轴与重力相关(图4和5)。这样，每个前方目标对重力的关系也可通过处理图像数据和重力矢量数据进行测量。
图6是一个主动感测头的元件的功能框图，在这里是头55，尽管在该第一示例中头57的元件一般是类似的。
如上所述，主动感测头55包括图像感测模块81或类似部件，所述感测模块包含图像传感器，以轨迹(跟踪)摄像机(头)61的形式，它在使用中面向前沿着左轮的轨迹，以允许摄像机(头)获得包含被动头51的目标的图像(另参见图2)。面向轨迹图像传感器模块81，如图6所示，包括LED阵列83，用作照明器，以便发光对头51上的目标进行希望的照明，其中所述头51安装至车辆同侧的车轮41。摄像机(头)61是数码摄像机，它感测车轮定位应用的图像。在工作中，摄像机61根据在对应像素的图像中的点处所感测光的模拟强度生成每个图像像素的值。所述值被数字化并读出到主印刷电路板75上的电路。所述值可以在或不在摄像机传感器芯片上被数字化。
在本实施例中，空间关系传感器模块65包括光圈86和线性图像传感器87如电荷耦合器件(CCD)或CMOS单元。提供了IR LED，以便朝向相对头57中的类似束角传感器模块投射光束。以类似的方式，相对头57包括IR LED用于向头55投射光束。
来自相对头57的IR LED的IR光/辐射经由光圈86被线性图像传感器87感测。传感器87上检测到来自另一头IR光的精确点表示在头55中传感器87处来自相对头的光的相对入射角。以类似的方式，来自头55的IR LED的IR光/辐射经由相对头57中的孔被线性图像传感器感测；相对线性图像传感器上检测到来自LED的IR光的精确点表示在头57的线性传感器处来自头55的光的相对入射角。处理来自两个线性传感器的角度检测数据能够确定两个主动感测头中摄像机61和63的摄像机光轴之间的角度关系。
电路板75包括数据处理器89和相关的数据/程序存储器91。数据处理器89可以实现为单个芯片或一组单独封装的芯片。在工作中，每个摄像机61、63向数据处理器提供数字图像数据。如图所示，主动感测头55还包括外倾角倾角传感器79和纵倾角倾角传感器77。这些倾角计元件向处理器89提供重力角度测量结果(参见图4和5的描述)。处理器89对数据进行一个或多个操作并且向主机系统100提供用于传输的数据。
数据处理器89的图像处理操作可以涉及格式化用于通信的不同数据。另外，处理器89在传输至主机系统100之前进行一定程度的预处理。对于图像数据，图像预处理可以包括梯度计算、背景消除和/或行程编码或其它数据压缩(参见例如Robb等的US专利号6,871,409)。处理器89还可在一定程度上处理图像数据，来响应来自倾角传感器77、79的倾角数据和/或空间关系测量数据。另外，倾角和交叉位置数据可以简单地转发到主机，以用于图像数据的进一步处理。
一个主动头中的处理器89被设置成接收来自另一头的数据并且内部执行车轮定位参数计算，并随后仅将车辆测量结果发送到主机系统100。另外，一个主动头中的处理器89被设置成计算所有的定位值并且还生成用户接口。在这里，主动头充当网络(web)服务器，为实现车轮定位系统的用户接口的网页提供服务，并且主机可以包括具有网络浏览器但没有车轮定位特定软件的任何通用计算机。
板75上的处理器89或其它控制器(未分开示出)还提供对主动感测头55的操作的控制。例如，控制元件(处理器89或其它控制器)会控制LED阵列83和IR LED的定时和发射强度以及摄像机81和线性图像传感器87的定时和可能其它可操作参数。控制元件可以进行电源管理，以便选择性地关闭或减少向感测头的不同元件或模块的供电，来响应感测头的预定事件或不活动状态的发生，以降低功率消耗并延长工作时间。感测头的电源管理的细节会很快进行描述。主动感测头55还包括与用户进行通信的用户接口74，并且处理器89或其它控制器会通过用户接口74感测和响应输入。
在主动感测头55和主机100的构件之间，并且在某些设置中在主动头之间提供双向数据通信(图2)，符合一个或多个适当的数据协议标准，以便能够以希望的速率和以无线方式与主机100进行往返数据通信。本领域技术人员会认识到，在车轮定位系统中可以使用其它数据通信接口，例如WIFI或无线以太网，Zigbee，蓝牙，UWB(超宽带)，IrDA，或任何其它合适的窄带或宽带数据通信技术。
板75上的电子电路以及图像传感器81和空间关系传感器模块65的元件从电源94接收供电。如果头55和57是无线的，电源可以利用电力存储介质，如可再充电或一次性电池，或超级电容。如果需要，系统50可以使用电缆供电和向头55和57传输信号或从头55和57传输信号，以防无线传输无法正常工作或电力存储介质没电。有线供电可以是传统的AC电网运行或通过USB或以太网电缆接收供电。
回到图2，主机100处理来自主动感测头55，57的数据并提供系统50的用户接口。在示例中，系统100可以通过台式个人计算机(PC)或其它计算机设备，例如笔记本电脑，UMPC(超级移动电脑)或类似设备来实现。还可以使用客户端/服务器设置，其中服务器执行主机处理，而一个主动头或另一用户设备会充当客户端以提供用户接口。尽管在高级车轮定位技术领域的人员会熟悉各种合适计算机系统的构件、编程和操作，在此提供简要示例可能会有所帮助。
计算机系统100包括中央处理器(CPU)101和提供用户接口的相关元件。CPU部分101包括用于进行信息通信的总线102或其它通信机构，和与总线102连接用于处理信息的处理器104。计算机系统100还包括主存储器106，如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储设备，连接至总线102，用于存储信息和由处理器104执行的指令。主存储器106还可用于存储执行处理器104指令期间的临时变量或其它中间信息。计算机系统100还包括连接至总线102的只读存储器(ROM)或其它静态存储装置，用于存储静态信息和处理器104的指令。提供了存储装置110，如磁盘或光盘，并且所述存储装置连接至总线102，用于存储信息和指令。虽然只示出了一个，许多计算机系统包括两个或多个存储装置110。
例如，计算机系统100的所示实施例还提供了本地用户接口，使得系统表现为个人计算机或工作站，可用于车轮定位间或汽车维修店。计算机系统100可以通过总线102连接至显示器112，如阴极射线管(CRT)或平板显示器，用于向计算机用户显示信息。输入设备114，包括字母数字和其它键，连接至总线102，用于向处理器104传达信息和命令选择。另一类型的用户输入设备是光标控制器116，如鼠标，轨迹球，或光标方向键，用于向处理器104传达方向信息和命令选择，CPU 101转而用于在显示器112上控制光标移动。光标输入设备116通常具有两个轴上的双自由度，第一轴(例如，x)和第二轴(例如，y)，允许设备指定平面中的位置。用户接口元件112-116和CPU 101之间的连接可以是有线的或可以使用光或射频无线通信技术。
CPU 101还包括一个或多个用于通信的输入/输出接口，以接口118的示例方式示出，接口118用于与主动感测头55和57进行双向数据通信。为了车轮定位应用，接口118能够使CPU接收来自主动感测头55和57的图像数据、空间关系测量数据和倾角数据。通常，接口118还允许主机系统100向主动感测头55和57发送操作命令和可能的软件下载。
尽管没有示出，如果需要，另一通信接口可通过网络提供通信。所述其它的接口可以是调制解调器，以太网卡或任何其它适当的数据通信设备。往返其它通信接口的物理链路可以是光、有线或无线的。
尽管计算机100可以在车间(店)中用作其它用途，定位系统50使用计算机系统100处理来自头55，57的数据，以便从头提供的数据获得希望的定位测量结果，并且为系统50提供用户接口。计算机系统100通常运行各种应用程序并存储数据，使得通过用户接口能够启动一个或多个交互作用，通过元件例如112-116实现希望的处理。对于车轮定位应用，编程包括适当的代码以处理从头55，57的特定实施接收的数据，包括计算以便从来自头55，57的不同数据获得希望的车轮定位测量参数。主机100会通常运行通用操作系统和特定适于执行定位相关数据处理和提供用户接口以便输入和输出定位测量和相关服务的希望信息的应用程序或壳(shell)。由于它是通用系统，系统100可以运行任何一个或多个各式各样的其它希望的应用程序。
包含在计算机系统100中的构件是通常可在通用计算机系统中找到的用作服务器，工作站，个人计算机，网络终端等等的那些构件。事实上，这些构件旨在表示广阔范畴的本领域公知的此类计算机构件。
在不同的时间，车轮定位应用的相关程序可以驻留在一个或多个若干不同的介质上。例如，一些或所有的程序可以存储在硬盘或其它类型的存储设备110上并装入CPU 101中的主存储器106以供处理器104执行。程序还可以驻留在或通过其它介质传送以便上传到系统100，以便实质上安装和/或升级其程序。因此，在不同的时间，所有或部分用于任一或所有软件元件的可执行代码或数据可以驻留在物理介质中或通过电磁介质携带或经由各种不同的介质传送以编程特定系统和/或主动感测头55，57的电子器件。如本文所使用的，术语如计算机或机器“可读介质”是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。所述介质可采取多种形式，包括但不限于，非易失性介质，易失性介质，和传输介质(例如，线缆，光纤等等)以及在系统间或系统构件间可以携带数据或指令的不同类型的信号。
头的偏位补偿可以与传统的常规定位头一样通过抬高后轮并使用外倾角传感器来测量偏位矢量然后抬高前轮并使用摄像机对绕前轮轴旋转的目标进行成像来进行。一种替换的方法是通过当轨迹(跟踪)摄像机对前方目标以及升降机、车辆或其它静止物体上的固定目标进行成像以便建立固定的坐标系统时沿升降机滚动车辆并用倾角计对头进行偏位测量，来避免抬高车轮。
如前所述，后头55，57与倾角计类型的倾角传感器结合来测量每个后头对重力的相对外倾角和纵倾角。一旦取得了偏离量并且测量了倾角计角度值，每个头对于重力的定向可被处理以将每个面向轨迹摄像机的光轴与重力关联。利用面向轨迹摄像机对重力的关系和测得的前方目标对面向轨迹摄像机的关系，可以计算前方目标对重力的关系。空间关系由传感器65和67测量，以确定轨迹摄像机61和63之间的空间关系。
前束角，后倾角和SAI可以利用类似于成像定位器中包括的那些技术进行测量，所述成像定位器可以是例如Visualiner 3D或“V3D”定位器，从John BeanCompany，Conway，Ark.，Snap-on Incorporated的一个分部可以获得。后推力角，每个后单独束角和轨迹摄像机彼此间的水平角度关系，可以通过由后空间关系传感器得到的测量结果获得。倾角计通过常用重力矢量参考将每个轨迹摄像机彼此相互关联。由于轨迹摄像机沿后推力角线有效地彼此关联，可以在直接涉及推力角和重力的坐标系统中确定每个前方目标的位置和定向。
可以通过将每个后头以与校准当前常规头几乎相同的方式安装在直校准杆上来进行校准。杆首先旋转以补偿偏离。随后可以设定后方空间关系传感器的零偏移，并且通过校平校准杆，可以设定每个外倾角传感器零偏移。纵倾角零偏移通过用精密水准器校平头并记录纵倾角倾角计值来设定。通过添加另一适于安装轨迹摄像机的前方目标的校准杆，可以实现增强的摄像机校准(参见James Dale，Jr.的US专利申请公开号2004/0244463)。在进行了上述初始校准之后，轨迹摄像机在目标和杆绕前方校准杆的轴旋转时测量前方目标的定向。可以计算一个摄像机对另一摄像机的关系，并因此可以检查或校准每个摄像机对后方空间关系的关系。通过校平前方目标校准杆，还可以检查每个轨迹摄像机对本地倾角计的固定关系。这种冗余检查可能构成要求测量准确性可跟踪性的客户的ISO检查。
此外，小目标可以固定至每个前方转盘，允许另外测量或反复核对转角。
对于本领域技术人员来说显而易见，本文所讨论的车轮定位系统可以通过各种不同类型的空间关系传感器实现。图像传感器是一种类型的空间关系传感器。图像传感器可以包括具有二维阵列传感元件的摄像机，产生数据，表示预计在传感器视野范围内包含目标的图像。来自图像传感器的数据可被处理，以确定关于所观察的目标并因此所述头、车轮或其它与目标相关的物体的位置和定向信息。现有技术图像传感器的一个示例是用于Visualiner 3D中的摄像机，其中Visualiner 3D可从John Bean Company，Conway，AR，Snap-on Incorporated的分部商业获得。角度传感器是另一种类型的可应用空间关系传感器。角度传感器产生表示传感器相对于点的角度的数据。一般已知不同类型的角度传感器。角度传感器的一个示例是线性CCD传感器，用于可从John Bean Company获得的Visualiner中。
因此，现在考虑一个示例可能是有帮助的，该示例中上文结合图3和6所述的光圈和线性图像传感器类空间关系传感装置由类似于轨迹摄像机的成像类型摄像机取代。图7-9是与图1，3和6相似的视图/框图，除了本第二实施例示出使用目标和图像传感器用于空间关系传感功能的所述可替换技术。车轮和与图1，3和6的实施例中类似的元件使用类似的编号，并且以与前述基本相同的方式构造和工作。本示例在前轮41和43上使用被动二维目标51和53；并且它在后轮上使用主动头55’和57’，用于沿车辆轨迹测量，类似于图1的示例。后方主动感测头使用摄像机61，63或类似的2D图像传感器，以获得前头51，53上目标的图像，并确定目标相对于主动头的相对位置和定向，如上文结合图2所述。不过，两个主动头55’和57’的空间关系由至少一个2D图像传感器97确定，其中2D图像传感器97获得安装在相对主动头上2D目标67’的图像。在该示例中，主动头57’具有关联目标67’，所述目标67’与头51和53上的目标中的一个类似，但是头57’不包括用于空间关系测量功能的传感器。主动感测头55’根据成像的目标67’对横越车辆后方的空间关系测量使用图像处理型方式。图像传感器97通常类似于图2的示例中用作2D图像传感器的摄像机或类似设备。
如图8和9更详细所示，空间关系传感器95使用类似于面向轨迹图像传感器模块81的图像传感模块。空间关系图像传感模块95包括数码摄像机97和LED阵列99。LED阵列99用作照明器。对于空间关系传感应用，LED阵列99产生红外(IR)照明。另一后头57’包括由LED阵列99照明的IR敏感反光目标67’(图7)，而LED阵列99又由摄像机97感测。
空间关系摄像机97使位于配对头(横跨车辆后方)上取代另一空间关系传感器的目标67’成像。摄像机61和97可以共享一个头中的公共处理板，而另一头可以只使用单个摄像机(用于轨迹跟踪)和目标(用于横越(for cross))。处理由摄像机97获得的目标图像可以计算后头之间的角度空间关系，以与图1和2的示例中处理来自主动头摄像机的图像以确定车轮安装目标的相对角度和/或位置几乎相同的方式。不同于前述示例中测量空间关系角度，图像传感模块和相关的图像处理测量相对主动头上目标的3D空间关系。关于根据目标图像处理的测量的其它信息，再次参见Jackson的US专利号5,724,743。
在图7-9的系统中，至少一个主动头包含重力传感器，以测量头的外倾角和纵倾角。由于安装在相对主动头上目标的成像允许系统获得两个主动头之间的三维(3D)空间关系测量结果，只需要一个主动头具有重力传感器。另外，结构、操作和计算大体类似于前述示例。
在前述示例中，主动头与后轮关联，并且目标与车辆的前轮关联。不过，本领域技术人员会理解，前述基本设置可以有许多变化形式。另外，图像传感器和其它传感器有各种不同的组合，用于确定可以使用的空间关系。下文将描述和示出其中的若干个。
例如，图10示出了类似于图1的装置，其中主动头和目标头被互换位置。图10的车轮定位系统包括安装在车辆220相应车轮222和224上的一对被动头221和223，在本示例中是后轮。主动感测头225和227适于与车辆220的相应前轮226和228结合安装。同样，每个主动感测头包括用于产生图像数据的图像传感器229或231，当不同的头被安装至相应车轮时，所述图像数据预计包括被动目标的图像。在本示例中，主动感测头225和227中的图像传感器229和231是二维(2D)成像设备，例如，类似于前述示例中轨迹(跟踪)摄像机的摄像机。
头221和223是被动的，因为它们包括可由主动头225和227中的一个图像传感器观察到的一种类型的目标，但是它们不包括任何传感元件。通常，目标包括当由其它源照明并由主动感测头225和227中的摄像机或类似设备成像时可以检测到的明和暗区域。
如前述示例，系统还包括与至少一个主动感测头225或227相关的空间关系传感器。空间关系传感器在主动感测头安装到车轮上时能够测量主动感测头225和227之间的空间关系。在本示例中，系统使用二维(1D)角度传感器333和335，以测量束角平面中主动感测头225和227的相对角度。主动头225和227还包括重力传感器或类似元件，以测量头的倾角，通常是外倾角和纵倾角。因此，头225包括一个或多个倾角传感器337；而头227包括一个或多个倾角传感器339。
如前述示例(例如，图2)所示，系统还包括计算机。计算机处理来自主动感测头关于所观察的目标的图像数据和倾角数据。计算机还处理来自至少一个空间关系传感器的空间关系数据。数据处理能够计算车辆的至少一个测量结果。
如前所述，本例基本上是图1所示示例的目标/主动感测头位置的前后置换。虽然没有示出所有的变化形式，本领域技术人员会理解，对于本文所讨论的每个其它装置也可以实现类似类型的前后变化形式和/或左右变化形式。
图11示出了另一可替换结构。在该示例中，两个主动感测头安装在车辆的一侧，并且两个被动传感器安装在车辆的相对侧。如图所示，在被动头上安装目标提供了稍微离开车轮的延伸(扩展)，以便使得主动头中的图像传感器看到目标并使目标成像。每个主动头包括图像传感器，所述图像传感器获取连接至车辆的相对侧上相应车轮的目标的图像。如前述示例，每个主动头包括重力传感器，以测量头的外倾角和纵倾角。这里，两个主动头的空间关系通过两个常规角度传感器测量两个头之间的束角平面角度来确定。由于结构、操作和计算与先前示例中大体相似，本领域技术人员应当理解图11的示例，而无需在这里进行更详细的描述。
图12示出了另一可替换结构。在该示例中，两个主动传感器安装在车辆的一侧，而两个被动传感器安装在车辆的另一侧。每个主动头包括图像传感器，它获取连接至车辆相对侧相应车轮的目标的图像。这里，两个主动头的空间关系通过一个或多个图像传感器来确定，所述图像传感器获得安装在相对主动头上的目标的图像。在示例中，前方主动头包括目标，而后方主动头包括2D图像传感器，以与图7-9的示例中3D空间关系测量相似的方式，用于获得该目标的图像。至少一个主动头包括重力传感器，以测量头的外倾角和纵倾角。由于该系统获得了两个主动头之间的3D位置和定向测量结果，只需要一个主动头具有重力传感器。同样，由于结构、操作和计算与先前示例大体相似，本领域技术人员应当理解图12的示例，而无需在这里进行更详细的描述。
图13示出了另一可替换结构。本示例使用包含单个2D图像传感器的第一主动感测头，用于获取安装在车辆同一侧另一车轮上的第一被动头上的被动目标的图像。第一被动头安装至与第一主动头相同的车辆一侧的车轮上。在附图所示的具体示例中，第一主动头安装在左后轮上，而第一被动头安装在左前轮上。第一被动头上的一个目标可供与左后轮关联的2D图像传感器成像，也就是说，沿着车辆那一侧的车辆轨迹。
不过，第一被动头还包括相对于第一被动目标处于已知相对位置的第二被动头。第二被动目标延伸到车轮前方，以使它能够被位于车辆相对侧的相应2D图像传感器观察到，用于在空间关系测量中成像。因此，第二主动头横跨第一被动头而安装，也就是说第二主动头位于所示结构的右前轮。第二主动头包括两个2D图像传感器。一个所述传感器获得安装在第一被动头上目标的图像，所述第一被动头连接至相对(左前)车轮用于空间关系测量。第二主动头中的另一2D图像传感器获取安装在第二被动头上的目标的图像，第二被动头安装在车辆的同一侧，也就是说，在本例中位于右后轮上。第二被动头包括单个目标，并且所述头横跨第一主动头而安装。
在图13的结构中，至少一个主动头包含重力传感器，以测量头的外倾角和纵倾角。由于系统获得了两个主动头间的3D位置和定向测量结果，只需要一个主动头具有重力传感器。一般，图13所示系统的实现和操作的细节从概述和先前结合图1-9的详细描述中显而易见。
图14所示的示例大体类似于图13的示例，除了在图14的系统中，第一主动头还包含第二图像传感器。在所述头中的第二图像传感器获取连接至第二被动头的第二目标的图像。这种设置相对于图13的结构具有优势，因为它只需要两个独特的头硬件设置，而不是四个。两个主动头是相同的，并且两个被动头是相同的。每个主动头与图8和9所示的头55’类似。一个主动头应被标识为前头而另一个为后头。这一般可以通过嵌入式处理器中的固件完成。
该设置的第二优点在于第二空间关系测量是冗余信息，计算车轮定位不需要所述信息。该冗余信息可用作系统上的校准核查。如果两个主动头都包含重力传感器，可以验证外倾角和束角。如果只有一个主动头包含重力传感器，只能够验证束角校准。
在图15所示的示例中，系统使用具有安装在每个前轮上的目标的被动头，基本与图1-9的示例相同。所示位于后轮的主动头包含2D图像传感器。每端具有目标的参考杆被设置使得每个主动头可以观察到参考杆上的一个目标以及位于车辆同侧的前轮上的目标。参考杆上两个目标的相对位置和定向是已知的。系统可以从通过主动头测得的两个参考目标的3D位置和定向以及两个参考目标的已知关系找到两个主动头的空间关系。这提供了由空间关系传感器获得的空间关系信息-图7-9示例的目标。由于参考目标位置固定，他们还可以用作滚动偏位期间测量的参考。本领域技术人员应当从附图、说明和其它类似示例的先前描述理解本示例的详细结构和操作。
图16所示的示例大体类似于图15的示例工作，除了只有单个参考目标。主动头中图像传感器的视角必须足够宽广以便能够观察到车辆同侧上的被动头目标和单个参考目标。
图17示出了示例性车轮定位系统的另一个示例。这里，系统使用具有安装在每个前轮上的连接目标的被动头。主动头安装在后轮上，同先前的若干个示例。每个主动头包括2D图像传感器，以便获得车辆相应侧上被动头目标的图像。
图像传感器从后轮中心向前伸出，使得传感器位于后轮轮胎的前方，以便提供车辆下方视野的横跨车辆(cross-vehicle)线。一个图像传感器，在示例中为安装在左后轮上主动头上的传感器，包含部分反射镜，它将来自被动目标的图像传递到车辆的另一侧上或将来自安装在相应主动头上的目标的图像反射到车辆另一侧上。镜像的操作在图19中更详细地示出。
来自安装在车辆同侧上的被动头(也就是说，位于所示结构中的左前轮)上被动目标的光，直接穿过半镀银镜到达安装在左后轮上主动感测头上的2D图像传感器。来自相对主动头(也就是说在所示结构中安装在右后轮上的主动头)上被动目标的光，以一角度到达镜子的部分反射侧并被反射进入安装在左后轮上主动感测头上的2D图像传感器。本系统的优点是通过允许传感器中的一个观察两个不同目标，消除了一个图像传感器。
对于定位摄像机和目标的示例性结构和组合的其它细节，参见共同申请待审的专利申请序列号11/487,964(律师案号66396-275)，名称为“车轮定位系统和方法(VEHICLE WHEEL ALIGNMENT SYSTEM AND METHODOLOGY)”，共同转让给本申请的受让人，该文献以全文形式在此被结合入本文引用。
图19是详细的功能框图，示出了提供高级电源管理的示例性感测头。为了便于阐述，根据图6所示感测头的结构来讨论高级电源管理的详细操作。不过，对于本领域技术人员显而易见，本文所讨论的电源管理可以通过各种不同类型的感测头或定位系统实现，包括本文所公开的以及其它变化形式，如基于图像或非图像的车轮定位系统，利用远程操作或连接至车轮的传感器或头来测量车轮和悬挂系统的不同角度。
示例性感测头55包括电路板75和用于与用户进行通信的用户接口74。用户接口74包括输入和/或输出设备，如键盘、控制按钮、开关、显示屏、触摸屏输入、语音识别、LED、扬声器等。如前结合图6所述，印刷电路板75包括数据处理器89，存储设备91和电源94。电路板75连接至一个或多个外围设备510、511。每个外围设备包括一个或多个功能模块，用于执行相应指定的功能，例如无线传输，检测相对于其它感测头的空间关系，照明，图像捕获，检测车轮的空间特征等。每个功能模块包括一个或多个控制器，以控制模块的工作。
例如，外围设备510包括摄像模块61，它通过图像传感器实现，例如电荷耦合器件(CCD)或CMOS单元；LED阵列模块83，用作照明器，以便发光对安装在车辆同侧的车轮上的目标进行希望的照明；和无线通信模块552，符合蓝牙标准，以便与主机系统100进行无线通信。主机系统可以实现为固定计算机系统或便携式计算机系统，如笔记本或手持计算机、超级移动PC(UMPC)PDA、智能电话等。主机系统还可以实现为感测头的部分。外围设备511包括利用光束角检测技术的空间关系传感器模块65，如前文结合图6所述，以便检测主动感测头55和57之间的相对空间关系；倾角传感器模块579，用MEMS型倾角计实现，用于测量外倾角和感测设备纵倾角；电位计模块577，用旋转电位计实现，以便对感测设备55相对于车轮/车轮固定夹组件的轴角进行编码；和IR收发器模块554，用于形成通信通道，以便向感测头57发送和接收测量数据，如结合图2所述。
尽管图19所示功能模块是根据图6所示的感测头进行描述的，本领域技术人员会认识到，功能模块和外围设备的选择和组合不仅限于图9和19所示。而是，可以使用不同类型或不同组合的外围设备和/或功能模块，来实现具有不同功能的不同类型的感测头。
每个功能模块能够以至少两种不同的模式工作：正常工作模式，执行对应每个功能模块的相应功能，和至少一种休眠模式，它通过降低整个或只是部分功能模块的非必要用电，以便比正常工作模式消耗更少的电力。在一个实施例中，功能设备具有多个休眠模式，提供不同等级的节电。工作模式的操作和控制细节很快会进行描述。
(1)数据处理器
根据一个实施例，与电源管理相关的任务主要由数据处理器89处理和执行。数据处理器89包括管理处理器560和DSP控制器561。管理处理器560处理系统管理任务，例如电源管理、数据通信、系统完整性和用户接口。管理处理器560利用主机接口(HPI)与DSP控制器561进行通信。每个模块利用串行外围接口(SPI)经由SPI多路复用器连接至管理处理器560。SPI多路复用器是可编程逻辑器件(CPLD)，设计以确保每个SPI接口与每个其它SPI接口和管理处理器560分离。通过这种方式，没有一个故障模块能够导致共享SPI接口到管理处理器560的信号竞争和故障。管理处理器560可以利用ARM 9微控制器实现，ARM 9微控制器可从Atmel Corporation of San Jose，California获得。
DSP控制器561独立于管理处理器560执行固件，并且负责处理从摄像模块61接收到的图像数据和取得目标平面定向。在一个实施例中，DSP控制器561在自检特证被调用使得图像传感器生成测试图像时还确定图像完整性。DSP控制器561可以利用Texas Instruments Incorporated的视频/图像处理器TMS320DM642实现。
(2)摄像模块
摄像模块61可以用Omnivision OV9121图像传感器实现，所述OV9121图像传感器具有1280×1024像素图像分辨率，可从Sunnyvale，California的Omnivision获得。图像传感器的设置、曝光时间、增益设置和图像获取由图像控制器(未示出)控制，图像控制器例如是Freescale MC9S08微控制器，可从Austin，Texas的Freescale Semiconductor，Inc.获得。图像控制器经由SPI通信总线与管理处理器560进行通信。管理处理器560可以命令摄像模块拍摄背景帧(无照明)紧随后是照明帧或只是一个或其它类型的帧。由图像传感器获得的图像数据连接至DSP控制器561的视频端口，其中图像以预定速率获得，例如24或48百万像素/秒(MegaPixels/sec.)。在一个实施例中，图像控制器还监控图像传感器的不同功能、温度、图像帧像素计数和供电电压，以确保摄像模块的正确工作。任何故障或不同于额定的变化会由图像控制器经由SPI接口报告至管理处理器560。在另一个实施例中，图像传感器可以由图像控制器命令，以生成覆盖测试图案。DSP控制器561可以分析该测试图像，以评估图像传感器功能完整性。
LED阵列模块
LED阵列模块83执行图像照明(频闪)，由照明控制器(未示出)控制，可以用Freescale MC9S08微控制器实现，它也可以从Freescale Semiconductor，Inc.获得。LED阵列模块53包括两组高效、高输出红外LED。两个恒流电源各自向每组传输电流。在正常工作中，只需要一组LED。每组LED可以交替使用，从而增加了每组LED的使用寿命。此外，LED或电源的故障只限制感测设备的使用而不会导致感测设备完全不能用。照明控制器经由SPI总线与管理处理器560进行通信，以设置和控制图像照明。来自摄像模块61的闪控信号被LED阵列模块83利用，以使图像照明与图像传感器曝光时间同步。在一个实施例中，照明控制器监控照明模块83的不同参数和工作，如温度、电源电压和LED电流，以确保正确工作。任何故障或从预设范围或水平的偏离由照明控制器经由SPI总线报告至管理处理器560。
(4)无线通信模块
无线通信模块552符合一种或多种无线通信标准，如蓝牙标准，并且与主机系统100进行无线通信。天线，如Centurion D-Puck高增益天线，被提供以传输和接收无线信号。通信控制器(未示出)，例如Freescale的MC9S08微控制器，将通信模块552的标准蓝牙HCI UART接口与SPI总线桥接。在一个实施例中，通信模块552被编程以进入蓝牙定义的Hold、Sniff或Park模式，以便在低使用期间节电。在另一个实施例中，通信控制器监控通信模块552的不同功能和/或参数，例如无线电接口通信和电源电压，以确保正确工作。任何失灵和/或故障或不同于额定的变化会报告至管理处理器560。
(5)空间关系传感器模块
如前结合图2、6和18所述，空间关系传感器模块65准确测量感测设备55、57之间的水平角度关系(交叉束角)。图像传感器，如具有3648像素线性CCD的线性CCD传感器，设置在缝隙或掩膜的后面。传感器控制器(未示出)被提供以执行复杂的CCD记时和数据获取，其中传感器控制器可以用低功率ARM 7微控制器实现，它可从Atmel Corporation获得。在一个实施例中，为了响应在休眠模式期间空间关系传感器模块65的任何活动，传感器控制器可以通过触发SPI总线从输出数据线(MISO)发出中断信号以中断和唤醒管理处理器560，此时SPI接口未激活。传感器控制器监控不同的功能，如LED电流和电源电压，以确保空间关系传感器模块65的正确工作。在一个实施例中，在缝隙掩膜腔(掩膜后)内部设置测试LED。测试LED设计以照明相同感测头上的整个CCD，以便执行逐个像素的自检。显著偏离额定或预定范围或水平的像素被标记为弱或无效像素。从标记像素获得的数据在角度计算过程中被补偿或被弃。工厂和现场校准因子可以存储在传感器控制器内部闪存中并包括用于数据完整性的校验和。任何故障或不同于额定的变化会由传感器控制器经由SPI接口报告至管理处理器560。
(7)IR收发器模块
IR收发器模块554被设置成与另一感测头57的IR收发器模块建立无线通信链路。无线通信链路基于标准RS-232协议，每个比特编码成以500KHz载波频率调制的IR光触发。IR通信链路可以自动接收和传输数据，即使感测头处于休眠模式。应当理解，可以利用其它类型的无线通信技术，来实现两个感测头之间的无线通信链路。
感测头55利用IR通信链路来同步感测头55、57中的空间关系模块的传感器控制器实时时钟。通过这种方式，感测头能够以已知的关系对配对感测头执行定位数据获取周期。在另一个实施例中，感测头可以通过IR通信链路发送命令，请求配对感测头上的空间关系传感器根据特定时间或紧接外部触发器后开始束角传感器数据采集周期。
在另一个实施例中，配对感测头之间的无线通信链路向主机系统100提供冗余数据传输通道(路径)。感测头55经由IR收发器模块554向配对感测头发送数据副本，所述数据副本由感测头55生成并经由配对感测头的无线通信模块发送到主机系统100。在配对感测头处，数据副本与配对感测头感测和生成的数据组合，并且组合的数据经由配对感测头的无线通信模块发送到主机系统100。通过这种方式，每个无线电通信包含来自两个感测头的所有数据。这在配对感测头的任何无线通信模块变得断断续续或失灵时改进了通信可靠性。
(8)倾角传感器模块
倾角传感器模块579可以利用两平面MEMS型倾角计实现，它能够测量外倾角和感测头纵倾角。倾角控制器(未示出)，例如一组两个Texas InstrumentsMPS430超低功率微控制器，每个具有集成的温度传感器和集成的SPI总线接口，被提供以处理和将来自倾角计的角度数据经由SPI接口传达到管理处理器560。
MEMS倾角计被设置成执行自检，所述自检使内部微机械硅梁偏离一定量。通过测量角度输出变化来评估该偏离能够确定倾角计是否有缺陷或校准失效。任何故障或偏离额定的变化会报告至管理处理器560，以表示相应模块中的错误。
在一个实施例中，来自检测感测头纵倾角的倾角计的输出被用于唤醒感测头退出休眠模式并进入正常工作模式。倾角计纵倾角输出由相应的倾角控制器不断地监控。如果出现预定水平的变化，表示车辆或发送头周围的振动或活动，倾角控制器在SPI接口未激活时触发SPI总线从输出数据线(MISO)以中断管理处理器并将管理处理器560从休眠模式唤醒。
根据另一个实施例，在低或无活动(角度变化)期间，管理处理器560接连降低用于从倾角传感器模块和/或其它功能模块取回数据的数据采集周期的频率。在周期之间，管理处理器560和其它功能模块可以进入休眠模式，其中大部分电源长时间关闭。倾角计可以检测感测头55的非常轻微的运动，表示车辆周围的可能活动。一旦检测到该运动，倾角控制器通知管理处理器560恢复数据采集周期。
(9)电位计模块
旋转传感器，如旋转电位计577，对感测头55相对于车轮/车轮固定夹组件的轴角进行编码。电位计控制器(未示出)将由电位计检测到的位置转换成轴角并通过SPI总线向管理处理器560传达角度数据，其中电位计控制器可以用TexasInstruments MPS430微控制器实现。
在一个实施例中，工厂和现场校准因子计算并存储在倾角控制器和电位计控制器中。每个控制器监控不同的功能和/或参数，包括温度和电源电压。
(10)总线和接口系统
如图19所示，本发明的示例性感测头利用符合SPI(串行外围接口)标准的总线系统，在功能模块和处理器89之间进行通信。提供SPI多路复用器，用于经由从SPI总线连接至功能模块和经由主SPI总线连接至处理器89，其中SPI多路复用器可以利用可编程逻辑器件实现，如CPLD(复杂可编程逻辑器件)或FPGA(现场可编程门阵列)。
图20示出了示例性SPI多路复用器的框图。SPI多路复用器提供7个从端口(端口0到端口7)，用于连接至功能模块；和两个主端口(第一主端口和第二主端口)，以便可选地支持多个主控制器，如管理处理器560和DSP控制器561。信号Master1/Master2选择管理处理器560和DSP控制器561中的一个作为SPI主控制器。通过这种方式，第二控制器，例如DSP控制器561，可以在如果管理处理器560发生故障时承担对感测头55的控制。每个主端口具有系统时钟线(M1_SCK，M2_SCK)，表示数据从主端口传输到选定从端口的数据传输指示线(M1_MOSI(主出从入)和M2_MOSI)，表示数据从从端口传输到主端口的数据接收指示线(M1_MISO(主入从出)和M2_MISO)，以及选择连接至从端口的功能模块中的一个的一组地址线(M1_PS0-M1_PS3和M2_PS0-M2_PS3)。每个从端口具有系统时钟线(S1_SCK-S7_SCK)，表示数据从主端口传输到选定从端口的数据接收指示线(S1_MOSI-S7_MOSI)，表示数据从从端口传输到主端口的数据传输指示线(S1_MISO-S7_MISO)，以及从选择线(S1_SS-S7_SS)，其中的一种状态表示特定的从端口是否被选定并被激活用于数据通信。
如前所述，当没有在使用中或处于休眠模式期间，根据管理处理器560发出的控制信号，可以部分或全部关闭向功能模块的供电。在传统的设计中，多个模块直接连接到SPI总线而不使用SPI多路复用器，任何未通电模块可以加载总线，这可能导致较高的电流需求来驱动总线信号，损失总线信号完整性，或甚至导致整个总线故障。此外，在传统的多点设置中，故障模块的特征对于处理器89可能是不明确的。在图20所示的构架中，功能模块通过SPI多路复用器彼此隔离并和总线系统隔离，并且模块可以根据需要被关闭而不影响SPI总线的加载或完整性。此外，主控制器可以在上电自检期间顺序寻址每个模块，以确保每个模块正常运作。如果发现模块故障，主控制器可以识别故障模块，例如根据与故障模块相关的地址。
另外，如前所述，SPI总线系统和SPI多路复用器也被编程，以允许未选择的功能模块通过驱动特定信号线，例如MISO信号，请求连接到主SPI总线。通过在功能模块未被选择时改变MISO信号的状态，功能模块使得SPI多路复用器向主控制器提供中断请求信号。主控制器可以通过对SPI多路复用器查询特定模块地址请求连接来服务该中断请求，并随后选择该模块以便连接和数据通信。尽管图20所示的示例中从端口使用MISO信号线来表示服务请求，应当理解，可以使用单独专用的信号线来表示服务请求。
(10)供电和充电子系统
如图19所示，感测头55包括供电和充电子系统，向感测头55供电。供电和充电子系统包括电源94、充电器515、充电连接器516、气体压力计514和电池517。
电池517包括一个或多个蓄电单元，例如可充电电池，一次性电池，化学电池，燃料电池，电容性蓄电设备，例如超级电容等，或者其任意组合。在一个实施例中，电池517包括一个或多个锂离子或锂聚合物电池组。
如果提供可充电电池，可以通过将充电连接器516连接至外部电源，如AC或DC电源，对电池进行充电。充电器515控制和调整适于对电池517进行充电的充电电流和电压。提供电源94，以将电池517和/或外部电源的供电转换成适于感测头55的水平。
气体压力计514监控、测量和计算多个电池参数和工作状态，并且提供有关电池和/或充电状况的不同类型的信息，包括电流、可用容量、耗尽时间、充满时间、充电状态、电池温度、电压、充电状况(charging status)、放电和充电电流、低电压阈值等，并补偿自放电、老化、温度、和放电率。气体压力计514可以追踪(记录)电池充电/放电全周期的数量以便预测电池517的剩余寿命。例如，可充电电池，如镍(Nickle)金属氢化物或锂离子电池，通常被认为具有大约500个充电和放电全周期的使用寿命。气体压力计514根据电池的使用记录预测何时需要更换电池。信息可以由时间、使用次数或电池可被充电或放电的全周期数来表示。
在另一个实施例中，气体压力计514根据当前电池容量和与过去定位过程中功率消耗的历史数据来预测可用工作时间的一段时间。例如，气体压力计514预测电池具有对感测头定位工作可供电10小时的容量。该信息使得技术人员能更好估计在电池没电前他或她有多少时间来完成当前定位过程，或决定鉴于预期的工作量，是否应当对特定感测头进行再充电。
在另一个实施例中，气体压力计514根据当前电池容量和当前充电状况或过去充电(历史)记录来预测需要多少时间使电池充满电。
有关电池514和充电或使用状况的信息可以通过用户接口74传达给用户，例如当感测头在使用或充电时。气体压力计514可以用bqJUNIOR系列芯片实现，所述bqJUNIOR系列芯片可从Texas Instruments，Inc.获得。
在一个实施例中，除了使用外部电源，例如工厂(商店)AC电源，对电池517进行充电之外，充电器515包括备用电源，用于在外部电源由于电源故障或电源线断开而不能被感测头使用时对电池517进行充电。备用电源可以是任何类型的蓄电设备，如可充电电池、一次性电池、化学电池、燃料电池，电容性蓄电设备，例如超级电容或升压电容等，或其任意组合。备用蓄电设备具有足够的容量对完全耗尽的电池517进行再充电。
当工厂(商店)AC电源可用时，电池517可以通过工厂(商店)AC电源或备用蓄电设备进行再充电。当工厂(商店)AC电源未连接或不可用时，电池517只能通过备用蓄电设备进行再充电。这种设计使得电池517能够在工厂(商店)AC电源完全断开时也能再充电。备用蓄电设备可以在工厂(商店)AC电源连接至充电连接器516时在正常再充电过程中被再充电。另外，备用蓄电设备可以单独再充电，例如通过向燃料电池添加燃料，或用另一充满电的蓄电设备进行更换。
在另一个实施例中，定位系统包括对接装置，用于可分开地接收感测头并对所接收的感测头进行再充电。当感测头停靠在对接装置中时，电池517通过连接至对接装置的AC或DC电源，和/或通过设置在对接装置中的备用蓄电设备进行再充电。
在另一个实施例中，感测头55包括可选的振动检测电路，利用数字智能MEMs设备检测自由下落。振动控制器可以用Texas Instruments的MPS430微控制器实现，它从智能MEMS设备采集加速度数据并记录下落持续时间，以确定下落是否实际发生并且获得和记录有关下落的信息，例如下落时间和/或此冲击的峰值加速度，用于评估损坏和故障诊断。
高级电源管理
本发明的示例性定位系统执行高级电源管理，以降低非必要功率消耗。通过降低功率消耗，充电之间的工作时间得以延长。
在一个实施例中，当执行高级电源管理时，管理处理器560确定是否发生一个或多个预设事件。如果确实发生至少一个预设事件，管理处理器560控制感测头55以执行规定的步骤，以进入节电模式，所述节电模式比正常工作模式消耗更少电能但不是完全关闭对整个感测头55的供电。指定预设事件的数据和规定的步骤可以利用数据网络从远程系统动态取回或存储在管理处理器560可访问的非易失性存储设备中，如闪存592。
在一个实施例中，规定的步骤包括发出控制信号以控制电路板75上的适当功能模块和/或部件进入休眠模式，所述休眠模式通过断开部分或全部向一些或所有功能模块或部件的供电，比正常工作模式消耗更少的电能。
在另一个实施例中，规定的步骤包括重新设置感测头的功能模块或部件的工作，例如通过降低数据采样率，降低成像目标的分辨率，降低从功能模块或外围设备提取数据的频率等。例如，管理处理器560可被命令在消耗更少电力的模式工作，这通过断开对管理处理器560内部的不同外围构件的供电，降低一个或多个时钟信号的频率，或关闭一个或多个时钟信号等来实现。
在另一个实施例中，根据控制信号，如实时时钟信号，调节或改变管理处理器560或DSP控制器61的工作。管理处理器560和/或DSP控制器61被设定在节电模式工作，例如通过断开对管理处理器560内部的不同外围构件的供电，降低一个或多个时钟信号的频率，和/或关闭一个或多个时钟信号等来实现。实时时钟信号定期唤醒管理处理器560或DSP控制器61。管理处理器560或DSP控制器61随后执行需要的任务并且一旦在完成任务后返回到节电模式，直到实时时钟信号唤醒它们。如果没有任务要执行，管理处理器560或DSP控制器61立即返回到节电模式。
例如，如果实时时钟信号每0.1秒唤醒管理处理器560和/或DSP控制器61，并且在数据采集周期过程中所采集的每批数据需要管理处理器560或DSP控制器61的10msec的处理时间，管理处理器560或DSP控制器61仅需要在10msec处理期间被唤醒，并且可以在接下来的90msec回到休眠模式，直到再次被实时时钟信号唤醒。
在一种节电模式中，持续向电路板75上的某些构件或一些功能模块供电，所述构件或功能模块例如倾角计模块570中的纵倾角传感器，用户接口74上的按钮(用于用户将感测头从节电模式唤醒)，无线通信接口(用于向主机系统100传输信号和从主机系统100接收信号)，等等。这些构件在节电模式被持续供电，允许检测唤醒事件，所述唤醒事件表示感测头55需要退出节电模式。唤醒事件的示例包括：
由倾角计模块579中的纵倾角传感器检测到的震动或运动；
从主机系统100经由无线通信接口模块552接收的唤醒信号；
用户接口74上的按钮，表示用户希望操作定位系统；
由配对感测头造成并由空间关系传感器模块65检测到的空间关系变化；
......
等等。
当唤醒事件发生时，向管理处理器560发送中断。作为对中断信号的响应，管理处理器560发出命令，以唤醒一个或多个先前处于节电模式的功能模块或部件。在一个实施例中，当感测头在节电模式工作时，管理处理器560以降低非必要功率消耗的模式工作。例如，管理处理器560可以断开向管理处理器560内部的不同外围组件的供电，降低一个或多个时钟信号的频率，或甚至关闭(断开)一个或多个时钟信号，等等。唤醒电路监控中断信号的到来。当表示唤醒事件出现的中断信号到达时，唤醒电路发出控制信号，以唤醒管理处理器560和/或一个或多个功能模块或组件。
触发进入节电模式的示例性事件包括：
在预定的时间段内缺少测量角度变化，如两次测量间的差异低于预定百分比；
由摄像模块61获得的目标定向缺少变化，如两次测量间的差异低于预定百分比；
由摄像模块61捕获的目标图像缺少变化，如两个连续图像间的差异低于预定百分比；
来自倾角计模块579的测量结果缺少变化，如两次测量间的差异低于预定百分比；
来自空间关系传感器模块65的测量结果缺少变化，如两次测量间的差异低于预定百分比；
来自电位计模块577的测量结果缺少变化，如两次测量间的差异低于预定百分比；
按下的按钮，表示用户命令进入节电模式；
从主机系统100收到命令，进入节电模式；
收到信号，表示一个或多个功能模块处于休眠模式；
由特定功能模块获取的数据缺少变化；和
电池低电量指示；
预定时间段中没有目标图像；
读取指示应当进入节电模式的实时时钟信号；
指派的任务完成；
......
等等。
规定步骤的示例包括：
断开对感测头的一个或多个功能模块和/或组件的部分或全部供电；
降低从一个或多个功能模块或外围设备提取数据的频率；
降低一个或多个功能模块获取数据的采样率，如降低摄像模块61捕获目标图像的频率或空间关系传感器模块65采样来自配对感测头的信号的频率；
降低执行从一个或多个功能模块接收到的数据的计算的频率；
如果一个或多个功能模块处于休眠模式，则跳过服务一个或多个功能模块；和
在需要更少计算功率或使用更少数据的模式工作，例如降低摄像模块61或空间关系传感器模块65捕获图像的分辨率或频率；
通过打开更少的LED来降低LED阵列模块83的照明强度；
通过缩短照明时间或降低工作周期来改变LED阵列模块83的照明作业；
选择性地清除从一个或多个功能模块接收到的数据；
关闭对DSP控制器561的供电；
激活用户接口74上的通知信号；
降低由LED阵列模块83产生的照明强度；
降低无线通信模块与配对感测头或主机系统进行通信的频率；
断开对管理处理器560或DSP控制器61内部的一个或多个外围组件的供电；
降低用于管理处理器560或DSP控制器61的一个或多个时钟信号的频率；停止产生用于管理处理器560或DSP控制器61的一个或多个时钟信号；命令一个或多个功能模块上的一个或多个控制器进入休眠模式或节电模式；
...
等等。
应当理解，预设事件中的一个或任意组合可以与本文所述规定步骤的一个或任意组合相结合。还应当理解，通过选择性地将预设事件分组和/或将规定步骤分组成不同的小组或群，可以获得节电的多个等级(水平)。每个预设事件或规定步骤可被指定到一个或多个小组或群。通过执行一组或多组规定步骤来响应一组或多组预设事件的出现，可以获得不同的节电等级。
管理处理器560记录跟踪每个功能模块或组件的工作模式。例如，每个功能模块或组件可以改变通过管理处理器560可读的信号线的状态，表示功能模块或组件在正常工作模式或休眠模式工作。
如果出现中断信号，表示感测头55应当从节电模式退出，管理处理器560控制感测头执行一个或多个预设步骤，以退出节电模式。预设步骤的示例包括下述至少一个：
开通对至少一个功能模块或组件的部分或全部供电；
增加从至少一个功能模块或组件提取数据的频率；
增加至少一个功能模块获取感测数据的采样率；
增加执行从至少一个功能模块或组件接收到的数据的计算的频率；
恢复服务至少一个功能模块或组件；和
激活通知信号，所述通知信号表示感测头已离开节电模式；
......
等等。

应当理解，不同类型的控制信号，用于离开节电模式的不同预设步骤，用于触发进入节电模式的不同预设事件，和用于进入节电模式的不同规定步骤可以混合和结合，以获得不同的节电等级。还应当理解，多个节电等级可以通过选择性地将不同类型的中断，用于离开节电模式的不同预设步骤，用于触发进入节电模式的不同预设事件，以及用于进入节电模式的不同规定步骤分组成不同的小组或群来获得。每个中断，每个用于离开节电模式的预设步骤，每个预设事件，和每个用于进入节电模式的规定步骤可被指定到一个或多个小组或群。通过混合和结合不同小组或群可以获得不同的节电等级。在一个实施例中，感测头执行自适应电源管理。管理处理器560间歇地检查功能模块或组件(例如DSP控制器561)是否缺少活动性达一预定时间段。如果确定功能模块或组件的不活动状态超过预定时间段，管理处理器560逐步改变功能模块或组件的作业，或改变管理处理器560关于功能模块或组件的工作的方式，以降低功率消耗。例如，管理控制器560逐步减慢从功能模块或组件读取数据的频率。不活动的时间越长，读取的频率越低，直到读取停止并且对功能模块或组件的供电断开。在另一个实施例中，如果所发生的预设事件在由至少一个功能模块获得的数据上缺少变化，规定步骤包括逐步地降低从至少一个功能模块读取数据的频率。数据缺少变化保持地越长，读取频率越低，直到读取停止并且对功能模块或组件的供电断开。如果所发生的预设事件是低速率测量变化，规定步骤包括逐步地降低从至少一个功能模块读取数据的频率。测量变化保持在低速率的时间越长，读取频率越低，直到读取停止并且对功能模块或组件的供电断开。
图21A示出了自适应电源管理的示例工作，其中自适应电源管理通过功能模块改变下次采样的时间间隔或通过管理处理器560改变下次从功能模块读取数据的时间间隔。左坐标轴表示功能模块的不活动时间间隔，而右坐标轴是管理处理器560从功能模块读取数据的时间间隔。水平坐标轴是时间推移。
在时区I中，不活动时间小于最低阈值，表示功能模块在正常工作模式工作。相应地，通过管理处理器560下次从功能模块读取数据的时间间隔被设定为默认读取间隔Td。在时区II中，不活动时间超过第一不活动阈值，通过管理处理器560下次从功能模块读取数据的时间间隔增大到t1，t1比默认读取间隔Td长。由于管理处理器560在读取之间在节电模式工作，并且可以更少服务功能模块来响应功能模块的更长不活动间隔，非必要功率消耗得以降低。
在时区III中，随着功能模块的不活动时间继续增大并且超过第二阈值，通过管理处理器560下次从功能模块读取数据的时间间隔又一次增大到t2，以便进一步降低通过管理处理器560的服务频率。在时区IV和V中，工作类似于对于时区II和III的描述，以便逐步增大下次从功能模块读取数据的时间间隔，并降低非必要功率消耗。
如果不活动时间继续增大并超过第四阈值，下次从功能模块读取数据的时间间隔现在为t5，t5设定为无穷大，表示管理处理器560会完全停止从功能模块访问数据。控制信号会被发出，以命令功能模块进入休眠模式。
图21B示出了自适应电源管理的另一个示例。类似于图21A所示的示例，针对功能模块的下次读取数据的时间间隔根据功能模块的不活动时间间隔进行调整。如图21B所示，功能模块的不活动时间被测量并被提供给乘法器，所述乘法器将输入的不活动时间与常量或变量倍数k相乘，其中k为实数。乘法器的输出用作下次从功能模块读取数据的新时间间隔。如果功能模块的不活动时间增大，则下次读取时间间隔也增大。这种机制降低了对功能模块的非必要读取或服务。因此，降低了功率消耗。
在图21A和21B所示的示例操作中，如果出现中断信号，表示功能模块应被唤醒，不活动时间被重置为零或任意预定数。结果，在图21A所示的示例中，由管理处理器560下次从功能模块读取数据的时间间隔再次被设定为Td，即默认的读取间隔。
对于图21A和21B所述的相同技术可用于改变或改动功能模块捕获或采样数据的采样间隔。例如，所述技术可用于改变摄像模块61捕获目标图像的频率，其中所述目标连接至车辆同侧的前轮。
根据另一个实施例，自适应电源管理可以根据由功能模块获得或感测的数据变化率实现。读取变化越少，读取频率越低，直到读取停止并且功能模块或组件被命令进入休眠模式。管理处理器560不断监控由功能模块获得的数据变化率，并将该变化率与多个预设阈值进行比较，按照对图21A和21B所述技术相似的方式。例如，如果变化率低于预定阈值，管理处理器560逐步降低读取频率。
在另一个实施例中，感测头默认设定以节电模式工作，所述节电模式断开对电路板75上一个或多个功能模块或组件的部分或全部供电。只有当中断信号到达管理处理器560时，一个或多个选定的功能模块或组件被唤醒以执行预期的功能或计算。
根据另一个实施例，严重低电量状况触发一组独特的规定步骤，所述步骤通过降低用于计算定位参数的数据量或改变功能模块或组件的工作方式来延长电池寿命。例如，规定步骤可以包括降低管理处理器560的数据采集频率，降低功能模块的数据采样率，停用非必要设备，改变一个或多个时钟信号的频率，和/或利用较低分辨率捕获图像。电池状况可由气体压力计514向管理处理器560报告。
在另一个实施例中，使用了独特的图像感测设置，来降低功率消耗。如前结合图19所述，空间关系传感器模块65利用光束角检测技术，以检测对配对感测头的相对位置。如前针对图6所述，传感器模块65包括线性图像传感器87，所述传感器87可利用3648像素线性CCD实现；和光圈86，用于检测由相对头57中类似传感器模块投射的光束。来自相对头57的IR光/放射线经由光圈86被线性图像传感器87感测。传感器87上来自其它头的IR光被检测到的准确点表示其它头在头55中传感器87上的入射光的相对角。
申请人注意到只有一部分3648像素需要执行光束角检测(“有效像素”)，而其它部分的像素对于光束角检测是冗余的或不传递有意义数据(“无效像素”)。在一个实施例中，只需要1000个像素来获得精确测量车轮束角所需的希望测量范围和分辨率。空间关系传感器65将光圈86设置在相对CCD传感器的独特位置处，使得曝光于来自配对头57的IR光的像素是在读取周期中首先从CCD移位寄存器移出的1000个像素，其中所述像素需要执行光束角检测。在读取周期中，只有由这1000个像素产生的像素数据被移出CCD。来自无效像素的剩余像素被清除并且空间关系传感器模块65被关闭直到另一次读取的时间到了。在另一个实施例中，一些类型的传感器，如CMOS传感器，允许通过在读取周期中直接寻址有效像素来直接访问(读取)感兴趣的像素。
尽管前文描述了被认为是最佳模式和/或其它示例，应当理解，可以对其进行各种改进，并且本文所述的主题可以用不同形式和示例实现，并且可以在多个应用中应用该教导，而本文只描述了其中的一些。希望通过所附权利要求书来要求保护落入本发明实际范围的任何和所有的应用、改进和变化。