專利名稱：一種點的角坐標(biāo)測量方法及新型車輪定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種點的角坐標(biāo)測量方法和一種車輪定位裝置，該裝置為汽車生產(chǎn)和維修行業(yè)中的車輪定位儀的測量部分。
國內(nèi)仍在使用的國產(chǎn)或進(jìn)口的老式車輪定位儀操作繁、效率低、精度差，近期進(jìn)口的產(chǎn)品或關(guān)鍵技術(shù)由外國控制的合資產(chǎn)品雖克服了這些弊病，但價格昂貴，通常在15至30萬元人民幣，中高檔產(chǎn)品至今國內(nèi)仍無獨立生產(chǎn)能力。
老式電測車輪定位儀的測量原理通常是在兩個車輪上固定兩個對稱的測量裝置，再用輕質(zhì)的細(xì)線連接測量裝置的角位移敏感部位，并適當(dāng)繃緊。角敏元件通常為電位器。兩個車輪的角位置就能反映到電位器上，經(jīng)電路或電腦處理可得出該兩車輪的角位置數(shù)據(jù)。
進(jìn)口或合資的車輪定位儀的測量原理見

圖1，在各車輪(4)上共卡裝兩個或四個對稱的測量裝置，每一測量裝置由一個較小的箱體(1)、一個較長的管(2)和一個較大的箱體(3)組成。管(2)成水平固定在大箱體上，管的一個伸出端固定小箱體(1)。每一箱體內(nèi)置一個角位移敏感小系統(tǒng)的主體。大箱體內(nèi)的小系統(tǒng)負(fù)責(zé)前后互測功能，小箱體內(nèi)的小系統(tǒng)負(fù)責(zé)左右互測功能。角位移敏感小系統(tǒng)的處理部分在大箱體內(nèi)，處理后的信號再送至電腦。角位移敏感小系統(tǒng)有線陣CCD式的，有面陣CCD式的，它們的聯(lián)絡(luò)元件多為發(fā)光管；還有激光式的小系統(tǒng)，通常采用干涉測距的原理感覺小的角位移，大的角位移還有另外的敏感部件。很明顯，這類車輪定位儀如果要同時測量前后和左右方向的角坐標(biāo)，那么每一個測量裝置都必須包括兩個角位移敏感小系統(tǒng)，四個測量裝置就要八個小系統(tǒng)，所以成本偏高是必然的。
本發(fā)明的目的是提供一種獨特的檢測原理及一種低成本的車輪定位儀的測量方案。
見圖2，假想一個測量裝置在一個半徑為R、軸線為鉛垂的大圓柱桶(1)內(nèi)工作，其掃描器進(jìn)行一維的旋轉(zhuǎn)掃描；為該測量裝置指定一坐標(biāo)系φOZ，其中φ為掃描器的圓周角，Z為高度，Z與大桶的軸線重合；稱桶面上與φ=0，Z=0對應(yīng)的點為理想原點O；在掃描器中心對測量區(qū)域進(jìn)行觀察，規(guī)定在測量區(qū)域內(nèi)與桶面的交線之斜率較大的物質(zhì)面為A，另一面為B；如掃描器以已知角速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周的周期為T0；定義掃描器的仰角為λ，則有Z=R×tgλ(1)如掃描器以已知角速度旋轉(zhuǎn)，理想原點O已事先指定，所以轉(zhuǎn)軸的角度與時間在T0內(nèi)一一對應(yīng)，測得各物質(zhì)面訪問待測點的時刻即可算出這時轉(zhuǎn)軸的角度。所以無論掃描器是否自動旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)軸的角度總認(rèn)為是可測量的。
將大圓桶以理想原點O為中心展開，見附圖3，水平軸為圓周角φ，垂直軸為高度Z，觀察點設(shè)在掃描器的中心，設(shè)測量區(qū)域為-180°＜φ＜180°和-R/2＜Z＜R/2。那么A、B面在過展開面理想原點O處與桶面的交線分別為A面Z=fa(φ)(2)B面Z=fb(φ)(3)設(shè)A面為了訪問待測點M須從(0，0)處轉(zhuǎn)過角度α1，B面須轉(zhuǎn)過角度β1，這時它們與大圓桶的交線變?yōu)椋珹面Z=fa(φ-α1)(4)B面Z=fb(φ-β1)(5)因物質(zhì)面A、B的描述方程是已知的，它們與大圓桶的交線就是已知的，其展開線fa(φ)和fb(φ)也就是已知的；又因A、B在待測點處有唯一的交線，那么該交線與大桶面應(yīng)有唯一的交點。所以聯(lián)立(4)、(5)式即可解得待測點M的坐標(biāo)φm和Zm，用(1)即可求得λm。很顯然，A、B在測量區(qū)域若不是有唯一交線，那么，上述方程就不會有唯一解。
若A、B為共平面的背靠背物質(zhì)面如光平面，且與Z軸分別成45°和-45°角，則以上四式分別變?yōu)锳面Z=R×sinφ(2’)B面Z=-R×sinφ(3’)A面Z=R×sin(φ-α1)(4’)B面Z=-R×sin(φ-β1)(5’)聯(lián)立解得待測點M的坐標(biāo)為
φm=(α1+β1)/2(6)Zm=R×sin(-α1+β1)/2用(1)代入上式λm=arctg[sin(-α1+β1)/2](7)因電腦最容易測得某一面如A面在分別訪問參考點(并非桶面上的理想原點O，在實際測量時該原點不存在)和待測點時掃描器的角度差α，而A面在訪問參考點N時掃描器的角度(相對于理想原點O)為α0，且α0不等于0，所以上述各式中的α1應(yīng)為α+α0；同理β1應(yīng)為β+β0。這時φm=(α+β+α0+β0)/2(8)λm=arctg[sin(-α+β-α0+β0)/2](9)很明顯，在掃描器物質(zhì)面能可靠訪問的測量區(qū)域內(nèi)，每一待測點M均有唯一一對數(shù)據(jù)α、β與之對應(yīng)。
為得到α0和β0，必須對測量裝置進(jìn)行實驗室計量檢定處理。方法是在桶面上的理想原點O處設(shè)置一敏感元件用以感覺物質(zhì)面的訪問，然后測量A面在分別訪問該測量裝置內(nèi)參考點N處的敏感元件和該理想原點處的敏感元件時掃描器的角度差，即α0；同理可測得β0。將α0、β0存入磁盤，供測量系統(tǒng)軟件使用。
根據(jù)(8)式，α、β，α0、β0均不得互相顛倒。而光平面A、B分別通過參考點N時的信號都在一條通路上送至電腦，所以必須在系統(tǒng)中予以辨別。見附圖4，在每一T0內(nèi)，參考點N處的敏感元件分別被A、B各訪問一次，將分別產(chǎn)生兩個電信號Pa和Pb。若將該敏感元件設(shè)在掃描器的中心水平面上，則Pa到Pb的間隔Tab與Pb到Pa的間隔Tba將相等，均為T0的一半，因而無法確定某一信號究竟是Pa還是Pb，如附圖4(b)所示。所以，本發(fā)明將參考點N即一敏感元件設(shè)置在掃描器的中心水平面以下，于是Tba＞Tab，如附圖4(c)所示。如果參考點N設(shè)在中心水平面以上，則Tba＜Tab，如附圖4(a)所示。這樣電腦可根據(jù)這一關(guān)系作出正確的判斷。Pa和Pb確定后，在計量檢定時，根據(jù)理想原點處的敏感元件產(chǎn)生的信號相對于Pa和Pb出現(xiàn)的時間范圍就能正確地對α0、β0賦值；在實際測量時，則根據(jù)待測點敏感元件產(chǎn)生的信號相對于Pa和Pb出現(xiàn)的時間范圍而正確的對α、β賦值。如用其它參考時刻產(chǎn)生辦法(如特意關(guān)閉某一物質(zhì)面對參考點N處的敏感元件的訪問、另加機電開關(guān)、另加光電開關(guān)、另加磁電開關(guān)等)時，使該電信號在T0內(nèi)只出現(xiàn)一次，則可避免辨別的問題，但這些都將增加成本。
很明顯，若物質(zhì)面A、B不共面，或A、B有一個為非平面，或掃描器的角速度不均勻，盡管φm和Zm或λm都能唯一的計算出來，但它們的計算公式都將變得很復(fù)雜。若A、B與掃描器轉(zhuǎn)軸所成的角度不分別是45°和-45°，則A、B在待測點處將不會近似于正交，待測點的二維角坐標(biāo)的測量精度將一維高，另一維低，結(jié)果整個儀器的精度就低；若選擇A、B與掃描器轉(zhuǎn)軸所成的角度為其它值使A、B在待測點處近似于正交，這時A、B的掃描范圍將一大一小，對測量也不利。
為說明車輪定位裝置的原理，設(shè)汽車前進(jìn)方向為坐標(biāo)系的Y，左右方向為X，垂直方向為Z。如附圖5(a)所示，設(shè)測量裝置(1)、(2)分別裝卡在兩個無任何角度偏差的理想車輪上，先在Z=0平面內(nèi)觀察，E、F分別為(1)、(2)的安裝點，G、H分別為(1)、(2)的掃描器中心，I、J分別為(1)、(2)的外部光敏元件位置，GK、HM分別指向(1)、(2)的理想原點，這里實際上是X軸方向。因測量裝置的安裝點、掃描器中心、外部光敏元件位置及理想原點方向均相對于測量裝置固定，所以r、s、δ、ε均為已知，對給定的汽車型號，因軸距、輪距基本固定不變，所以d、c也為常數(shù)。圖5(b)是(1)和(2)與其理想姿態(tài)分別有偏差角u、v的情況，測量裝置的互測角為θ12和θ21，定義JG和IH與X軸的角分別為ρ、σ，則ρ=θ12+u，σ=θ21-V。但ρ的正切應(yīng)為點J、G的Y的分量差除以X的分量差，即 用迭代數(shù)值算法可在5次迭代后得到誤差小于0.00001的u、v的結(jié)果，從而用θ21、θ12求出了u和v。如果θ21、θ12是從后輪測量裝置得到的φ21和φ12，很多種車輛的左右后束角就分別是-u、V。
同理通過測量λ12、λ21并利用λ120、λ210可算出(1)、(2)在Y=0平面內(nèi)的相應(yīng)角度。用類似的方法就可以算出四個測量裝置分別與其理想姿態(tài)的偏差角。
很顯然，圖5(a)的描述具有很寬的普遍性。
見圖6，四輪檢測時，把車輛調(diào)成規(guī)定的狀態(tài)，分別在左前、右前、左后、右后輪輞外側(cè)水平卡裝上用本發(fā)明制成的四個對稱的管形測量裝置，分別稱為(1)、(2)、(3)、(4)。它們的掃描器組件均設(shè)置在前后輪之間的一端，其所有的外部光敏元件也設(shè)置在這一端，而參考點N則設(shè)置在管內(nèi)的另一端。很明顯，若將設(shè)置改為與本發(fā)明的相反，則測量裝置間的前后互測必受管腔截面的限制而使可測區(qū)域過小。
用(1)的后右側(cè)光敏元件能測量該光敏元件相對于(2)的角坐標(biāo)，而該光敏元件是固定在(1)上的，因而能算出(1)相對于(2)的兩個獨立角坐標(biāo)；同理，用(2)的后左側(cè)光敏元件能測量(2)相對于(1)的兩個獨立角坐標(biāo)。同理，用(3)的前右側(cè)和(4)的前左側(cè)的一對光敏元件能聯(lián)合測出(4)和(3)之間的角位置。用(1)后頭和(3)前頭的一對光敏元件能聯(lián)合測出(1)和(3)之間的角坐標(biāo)。用(2)后頭和(4)前頭的一對光敏元件能聯(lián)合測出(2)和(4)之間的角坐標(biāo)。最后可分別算出各測量裝置與其理想姿態(tài)的偏差角。
可用電腦按要求時刻點亮激光管，必要時按要求時刻啟停掃描器的電機，即可有序的、時分地測出各管形裝置相對于相鄰管形裝置的角坐標(biāo)。
測量裝置作為定位儀的主要組成部分，目前市售定位儀中，測量裝置的成本約占儀器總成本的70％到80％。而以本發(fā)明所述方法制成的測量裝置只占組成的定位儀總成本的30％以下，該儀器中成本最高者為電腦，而電腦成本在快速下落，所以總成本有望在批量生產(chǎn)時低于一萬元人民幣。低成本的定位儀才有可能在全國近三萬家規(guī)模不大的汽修企業(yè)中普及，給汽修的總體水平以大幅提高，同時為國家節(jié)省大量的外匯，也為儀器的生產(chǎn)者帶來利潤。
本發(fā)明的最佳實現(xiàn)方式為一種管形測量裝置，見附圖7，管形測量裝置的一端內(nèi)固定一個掃描器組件，該組件包括激光器電刷部分(1)、(2)、(3)、反光柱(6)、激光束產(chǎn)生部分(7)及電機(8)；(8)的轉(zhuǎn)子支承(2)、(3)、(6)、(7)。激光束垂直照在一根充以水銀的玻璃管(6)上，該水銀柱直徑略小于光束直徑，光束在水銀柱兩側(cè)各反射成一扇光面，因光束與反光柱垂直，所以這兩扇光面就在同一平面內(nèi)。該玻璃管(6)與電機(8)的旋轉(zhuǎn)軸線成45°角，旋轉(zhuǎn)軸又是鉛垂的，反射光面與旋轉(zhuǎn)軸也總是成45°角或-45°角。該發(fā)光組件又被電機(8)帶動繞軸以一均勻角速度旋轉(zhuǎn)。管形裝置在掃描器組件所在的這一端開有窗口，光面可從其間射出，在這一端的外部還固定了兩個外部光敏元件(4)、(5)，用以分別接受從各相鄰管形測量裝置射來的光面，但不接受本管發(fā)光組件發(fā)出的光面。管形裝置的另一端的下面管壁上固定一個內(nèi)部光敏元件(9)，作為參考點，它不接受從相鄰管形測量裝置射來的光面，只接受本管發(fā)光組件發(fā)出的光面，該參考點N低于掃描器的中心水平面。但這三個光敏元件在電路中是全部并聯(lián)的，信號從一個通路送往電腦，又節(jié)省了成本，還省去了切換的控制工作。為使這三個光敏元件不要同時工作，電腦將適當(dāng)控制各管形裝置中的電機(8)的啟停時刻。電腦軟件根據(jù)信號到來的時刻范圍判斷它來自哪一個光敏元件。
為測出待測點的角坐標(biāo)，先讓電機(8)以均勻角速度旋轉(zhuǎn)。各測量點處光敏元件在光扇面經(jīng)過時電流發(fā)生變化，該信號經(jīng)過放大、去噪音、去環(huán)境光干擾等項處理變?yōu)殡娔X可識別的電脈沖，讓電腦測出該電脈沖到來的時刻，該時刻即可認(rèn)為是該光面經(jīng)過該測量點的時刻。從參考點N處的光敏元件(9)上獲得的時刻為參考時刻，從待測點光敏元件上獲得的是待測時刻，用這些時刻就可算出α、β，從而進(jìn)一步算出待測點相對于管形裝置的角坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種點的角坐標(biāo)測量方法，其特征在于在其裝置內(nèi)固定一個只須作一維旋轉(zhuǎn)的掃描器和一個能反映參考方位的部件；該掃描器上固定有兩片薄的物質(zhì)扇面，描述該兩扇面的方程已知，每一扇面只在掃描器轉(zhuǎn)軸的某一側(cè)存在，如果將它們同時旋轉(zhuǎn)至某測量區(qū)域時，它們有唯一交線；在實際測量之前，先確定參考方位與為該測量裝置指定的坐標(biāo)系φOλ的角位置關(guān)系，并將該關(guān)系數(shù)據(jù)保留，供實際測量時使用，其中φ為掃描器的圓周角，λ為掃描器的仰角；分別測出這兩扇物質(zhì)面通過待測點時掃描器相對于參考方位轉(zhuǎn)過的角度α、β，根據(jù)α、β及參考方位與φOλ的角位置關(guān)系就可算出待測點在φOλ內(nèi)的二維角坐標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于在測量時掃描器以一已知的角速度如勻角速度旋轉(zhuǎn)，分別測出從掃描器通過參考方位時開始至這兩扇物質(zhì)面通過待測點時的時間可分別測出，再根據(jù)這組時間計算出α、β。
3.如權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于兩扇物質(zhì)面共平面，它們與掃描器轉(zhuǎn)軸分別所成的角度其一為45°，另一為-45°。
4.一種車輪定位裝置，為車輪定位儀的一部分，在車輛的至少兩個車輪外側(cè)裝卡上對稱的該裝置，則它們可互測其間一個相對于另一個的角位置，其特征在于在本裝置內(nèi)固定一個只須作一維旋轉(zhuǎn)的光掃描器和一個能反映參考方位的部件；該掃描器以一已知的角速度旋轉(zhuǎn)；該掃描器上固定一發(fā)光組件，該發(fā)光組件能產(chǎn)生兩扇很薄的背靠背的光面A和B，描述這兩扇光面的方程已知，每一扇光面面只在掃描器轉(zhuǎn)軸的某一側(cè)存在，如果將它們同時旋轉(zhuǎn)至某測量區(qū)域時，它們有唯一交線；在實際測量之前，先確定參考方位與為該測量裝置指定的坐標(biāo)系φOλ的角位置關(guān)系，并將該關(guān)系數(shù)據(jù)保留，供實際測量時使用，其中φ為掃描器的圓周角，λ為掃描器的仰角；在待測裝置的方便處即待測點設(shè)置一光敏元件，光面通過該光敏元件時該光敏元件中的電流發(fā)生變化，該電流變化信號可送至電腦能測出從掃描器通過參考方位時開始至光面A、B通過待測點時的時間Ta、Tb，然后根據(jù)Ta、Tb分別算出A、B通過待測點時掃描器相對于參考方位的角度α、β，根據(jù)α、β及參考方位與φOλ的角位置關(guān)系就可算出待測點在φOλ內(nèi)的二維角坐標(biāo)。
5.如權(quán)利要求4的車輪定位裝置，其特征在于兩扇光面是由一束激光以一定角度如90°照在一根直徑適當(dāng)?shù)姆垂庵闲纬傻模箖缮裙饷婀财矫?；反光柱為一玻璃管，玻璃管?nèi)充以水銀。
6.如權(quán)利要求4或5的車輪定位裝置，其特征在于光面A、B與掃描器轉(zhuǎn)軸分別所成的角度其一為45°，另一為一45°。
7.如權(quán)利要求4、5或6的車輪定位裝置，其特征在于測量時轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角速度是連續(xù)的、均勻的。
8.如權(quán)利要求4、5、6或7的車輪定位裝置，其特征在于各裝置的掃描器轉(zhuǎn)軸方向是鉛垂的，其發(fā)光組件與該裝置上只接受相鄰裝置所發(fā)出光面的外部光敏元件同處裝置的一端，而且該端均設(shè)置在前后車輪之間，于是僅用一個發(fā)光組件就能方便地將光面投向多個相鄰裝置的外部光敏元件上。
9.如權(quán)利要求4、5、6、7或8的車輪定位裝置，其特征在于掃描器轉(zhuǎn)軸通過參考方位的時刻用另一光敏元件產(chǎn)生的信號送至電腦而獲得，其中該信號是由該光敏元件感覺本裝置內(nèi)的光面而產(chǎn)生的；該光敏元件適當(dāng)偏離掃描器的中心水平面。
10.如權(quán)利要求4、5、6、7、8或9的車輪定位裝置，其特征在于每一裝置上感知任何光面的光敏元件在電路中全部并聯(lián)，它們產(chǎn)生的信號只由一條通路送至電腦，可由電腦控制掃描器電機的啟停時刻從而控制這些信號出現(xiàn)的時間范圍，然后判斷某時刻的信號是由哪一個光敏元件產(chǎn)生的。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種點的角坐標(biāo)的測量方法及汽車行業(yè)中的車輪定位儀的測量部分。該方法的特征在于:用一維旋轉(zhuǎn)掃描器測量點的二維角坐標(biāo),該掃描器上固定兩扇物質(zhì)面,分別測量兩個物質(zhì)面訪問待測點時掃描器的角度,再算出待測點的二維角坐標(biāo)。車輪定位裝置的特征在于:該裝置內(nèi)只須安裝一個按上述測量方法工作的一維光面掃描器就能測量多個相鄰的這種裝置相對于本裝置的角坐標(biāo),從而可算出各車輪相互間的二維角位置關(guān)系。
文檔編號G01B11/26GK1285503SQ9911166
公開日2001年2月28日 申請日期1999年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月23日
發(fā)明者胡修泰 申請人:胡修泰