CN100582724C - 四轮定位仪及进行四轮定位检测的方法 - Google Patents

Abstract

一种四轮定位仪及进行四轮定位检测的方法，检测方法包括以下步骤：调节安装到汽车车轮上的各探测杆的水平，从而定义四轮定位检测的测量基准；将各探测杆一致地向下倾斜，使各探测杆端部的检测传感器之间的光线不再被挡住；在各探测杆所倾斜的角度上建立新测量基准；在所述新测量基准上，利用各探测杆上的检测传感器进行四轮定位参数的检测。同时，本发明可根据探测杆向下倾斜的情况并结合外倾角来估算前束角测量的偏差值，对前束角进行补偿，从而得到准确的前束角测量结果。本发明提供了一种对超低底盘或“大包围”车型进行四轮定位测量的仪器和方法，不但成本低，而且操作方便、测量精度高。

Description

四轮定位仪及进行四轮定位检测的方法

技术领域

本发明涉及汽车的生产、维修、服务领域，尤其涉及四轮定位仪及进行四轮定位检测的方法。

背景技术

四轮定位角是存在于车辆悬架系统和各活动机件间的相对角度。保持正确的四轮定位角，可确保车辆的行驶稳定性，减少轮胎磨损。四轮定位仪是用于检测汽车的车轮定位参数的精密测量仪器，并与原厂的设计参数进行对比，指导使用者对车轮定位参数进行相应的调整，使其符合原设计要求，以达到理想的汽车行驶性能，即操纵轻便、行驶稳定可靠、减少轮胎偏磨损。

四轮定位仪提供前轮前束、前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角、后轮前束、后轮外倾角、推力角、轴距差和轮距差等测量参数。

如图1所示，其中前束角(Toe-in)定义为由车的上方向下看，车轮10中心线与汽车纵轴线所成的角度。向内为正，向外为负。总前束值等于两个车轮的前束值之和，即两个车轮中心线的夹角。前束角的功用在于补偿车轮因外倾角及路面阻力所导致的向内或向外滚动的趋势，以确保汽车的直进性。

如图2所示，其中外倾角(Camber)定义为由车前方看车轮10中心线与垂直线所成的角度，向外为正，向内为负。其角度的不同能改变车轮与地面的接触点及施力点，直接影响车轮的附着力及磨损状况，并改变车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。此外，外倾角的存在可用来抵消车身受负荷后，悬架系统机件变形及活动面间隙所产生的角度变化。外倾角的存在也会影响汽车的行进方向，这正如摩托车可利用倾斜车身来转弯。因此左右轮的外倾角必须相等，在力的平衡下不致影响汽车的直进性，再与前束配合，提高直进稳定性及避免车轮磨损不均。如果没有这个外倾角，满载时车轮就会过于向内侧倾斜，从而加速轮胎偏磨和车轮轴承磨损。因此，这个参数可以用于延长轮胎和车轮轴承的寿命。

如图3所示，现有的四轮定位仪设备主要部件一般由主机(图中未示出)和4个探测杆20组成，4个探测杆20分别通过4个轮夹(图中未示出)安装到四个车轮10上，与主机进行有线或无线方式的通信，以传递检测信号，再由主机进行分析处理。每个探测杆里面安装有2个CCD(电荷耦合器件)传感器和2个倾角传感器(即1个垂直倾角传感器V和1个水平倾角传感器E)，其中8个CCD传感器(即图中1#CCD至8#CCD)和4个垂直倾角传感器V用来测量四轮各个参数，剩下的4个水平倾角传感器E用来作为探测杆电子水平监控系统用。8个CCD传感器形成一个封闭的直角四边形，采用360度封闭式测量来检测汽车四个车轮的各个角度，并采用红外光线(红外发射管发出)光学成像后进行光斑分析来达到测量目的。

众所周知，测量仪器必须要有测量基准，因此产品在出厂之前，必须先经过零点标定，然后才可以使用。因为汽车车轮各种角度的存在，所以将4个探测杆安装到汽车车轮上测量时，8个CCD的坐标读值会偏离零点，这样根据光学成像原理就能够计算出车轮的各个角度。

四轮定位仪一般有两套水平系统：机械水平和电子水平系统。机械水平就是在探测杆上安装有一个水平泡，可以很直观的来调节探测杆的水平，在零点标定时，探测杆的水平就是根据机械水平来调节水平的；电子水平就是由水平倾角传感器来监控探测杆当前水平状态的一个监控系统，它能够将探测杆的水平状态显示在探测杆的液晶显示屏或电脑主机的屏幕上，以便来提示操作者探测杆是否处于水平状态。当经过探测杆零点标定过后，两个水平系统就会是一致的。

如图4所示，在进行零点标定时，将4个探测杆安装到一个规则的矩形标定架上，然后根据机械水平泡来调整探测杆水平，并记录8个CCD传感器的当前坐标作为零点坐标。

有些车型为美观而改装，在车辆前后加上很低的挡风板(也就是常说的“大包围”车)，还有些车型底盘本身就很低，这些车型导致做四轮定位测量时前面(1#CCD、2#CCD)或后面(7#CCD、8#CCD)两传感器之间因为被阻挡而无法正常通讯。

因此为了能够正常测量，探测杆的设计必须考虑端部传感器(如上图所示1#CCD、2#CCD、7#CCD、8#CCD)的安装位置，为了保证不会因为汽车的侧板太低而挡住传感器的视线，端部传感器设计的越低越好，但是因为四轮定位主销测量时，需要将方向盘左右旋转20度来测量，旋转时探测杆端部很容易碰到地面，为了解决这些矛盾，大部分厂家在探测杆设计时采用了折衷的方法，就是端部传感器不能太高，也不能太低，既保证探测杆测量主销时尽量不要碰地，同时又保证大部分正常的车型(90％)不会因为底盘低而挡住传感器的光线。但是对于少数的超低底盘车仍无法进行测量。

为解决超低底盘车的四轮定位测量问题，目前市面上的四轮定位仪基本上采用以下几种方式：

1、采用辅助设备：轮夹降位器。

轮夹降位器是一种类似“L”形状的装置，连接在轮夹与探测杆之间，通过它可以将探测杆下降一个高度，这种方法除了需要增加成本外，测量精度还不能保证，操作起来也比较麻烦。

2、采用可以直接降位的轮夹。

有些轮夹在设计时，探测杆安装轴是可以上下移动的，测量时通过直接调节探测杆安装轴的位置也可以达到探测杆降位的效果，这是一种比较方便可靠的降位方式，但测量精度要靠轮夹的加工精度来保证，这样提高了轮夹的加工成本，而且使用时间长了，会有较大的误差。

综上所述，现有技术对一些超低底盘或“大包围”车型进行四轮定位测量时，存在成本高、操作复杂、精度低等的问题。

发明内容

为了解决现有技术中某些超低底盘或“大包围”车型进行四轮定位测量时，存在的成本高、操作复杂、测量精度低的问题，本发明提供了一种四轮定位仪及进行四轮定位的方法，能对超低底盘或“大包围”车型正常进行四轮定位测量，不但节省产品制造成本，而且操作方便、测量精度高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种进行四轮定位检测的方法，包括以下步骤：

a.调节安装到汽车车轮上的各探测杆的水平，从而定义四轮定位检测的测量基准；

b.将各探测杆一致地向下倾斜，使各探测杆端部的检测传感器之间的光线不再被挡住；

c.在各探测杆所倾斜的角度上建立新测量基准；

d.在所述新测量基准上，利用各探测杆上的检测传感器进行四轮定位参数的检测。

优选地，所述探测杆利用所述探测杆上的水平倾角传感器来调节水平。

可以手动或自动设置所述探测杆端部初始下降的高度，然后手动调节所述探测杆的倾斜，直到所述探测杆端部下降所设置的高度；如此反复，直到各探测杆端部的检测传感器之间的光线不被挡住为止。

所述探测杆向下倾斜的角度可由所述探测杆下降的高度H和探测杆的长度L来估算，所述探测杆的下降角度β＝argtan(H/L)。

所述新测量基准的建立是通过先将所述探测杆需要下降的角度加到所述水平倾角传感器的零点坐标上，从而根据所形成的新的电子水平的零点坐标重新调节所述探测杆的水平，从而建立所述新测量基准。

为解决由于上述探测杆倾斜降位检测所产生的对车轮前束角测量结果及基于车轮前束角的其它四轮定位参数测量结果所带来的较大误差，优选地，在进行四轮定位参数检测时，还包括以下步骤：

e.在新测量基准上利用各探测杆上的检测传感器，对车轮前束角和外倾角进行检测；

f.根据所述探测杆向下倾斜的情况并结合所述外倾角来估算由于外倾角的存在而产生的对所述前束角测量所带来的偏差值；

g.将所述偏差值补偿到所测得的前束角上，从而得到准确的前束角测量结果。

其中，所述偏差值Φ可以按如下方式进行估算：

Φ＝argtan(H·sin(α)/L)或Φ＝argsin(H·tan(α)/L)

其中，α为所测得的车轮外倾角。

根据本发明的另一方面，还提供一种四轮定位仪，其包括：

四个探测杆，用于安装到汽车车轮上，所述探测杆端部设有检测传感器，用于对四轮定位参数进行检测；所述各探测杆在安装到汽车车轮上后能够向下倾斜，使各探测杆端部的检测传感器之间的光线不再被挡住；

水平倾角传感器，其设置于所述各探测杆上，用于调节所述各探测杆的水平，从而定义四轮定位检测的测量基准；

主机，其与所述各探测杆上的各传感器进行通讯，用于接收检测信号并进行数据处理，其中所述主机以在各探测杆所倾斜的角度上建立的新测量基准，利用各探测杆上的检测传感器进行四轮定位参数的检测结果处理。

进一步地，所述主机在新测量基准上利用各探测杆上的检测传感器，对车轮前束角和外倾角进行检测；并根据所述探测杆向下倾斜的情况并结合所述外倾角来估算由于外倾角的存在而产生的对所述前束角测量所带来的偏差值；将所述偏差值补偿到所测得的前束角上，从而得到准确的前束角测量结果。

所述检测传感器优选地采用CCD传感器。

本发明在实现对一些超低底盘或“大包围”车型进行四轮定位测量的同时，不仅节省了产品的制造成本，而且操作方便，精度高，误差可以控制在0.02度以内。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加显而易见，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为前束角示意图；

图2为外倾角示意图；

图3为现有技术四轮定位测量原理示意图；

图4为现有技术探测杆标定原理示意图；

图5为本发明四轮定位仪结构原理示意图；

图6为本发明探测杆倾斜降位测量过程示意图；

图7示出了传统的前束角测量原理；

图8(a)、图8(b)、图8(c)分别示出了本发明进行补偿计算所需的各种参数；

图9为本发明主机用户界面的测量操作流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明，类似或相同的标号表示类似或相同的部件。

现有技术在进行四轮定位测量时都是通过将探测杆整体降位后，利用机械水平系统或电子水平系统调节探测杆水平，然后再进行四轮定位参数的测量。虽然探测杆本身可以倾斜，但只是用来调节探测杆的水平，这种倾斜方式会使得水平基准发生变化，即，因为汽车轮胎各角度定义的测量面是水平面，当探测杆向下倾斜后，测量面就会向下偏离水平面，因此无法进行准确测量。

同时由于外倾角的存在，即轮胎面不垂直地面，就会导致两探测杆之间所形成的夹角会发生变化，这样就会带来前束角测量的较大误差，无法实现前束角及基于前束角的其它四轮定位参数的精确测量。

本发明基于上述考虑，采用探测杆倾斜降位方式测量，并从测量算法上来作精密补偿，从而解决了某些“大包围”和超低底盘车可能出现的四轮定位测量问题，并通过精确的算法完全补偿了因为探测杆倾斜降位带来的较大误差。

如图5和图6所示本发明四轮定位仪包括：四个探测杆20(左前、右前、左后、右后探测杆)，用于安装到汽车车轮10上，探测杆端部设有检测传感器(如CCD传感器)，用于对四轮定位参数进行检测；各探测杆在安装到汽车车轮上后能够向下倾斜，使各探测杆端部的检测传感器之间的光线不再被挡住；水平倾角传感器，其设置于各探测杆上，用于调节各探测杆的水平，从而定义四轮定位检测的测量基准；

主机，其与各探测杆上的各传感器采用有线或无线方式进行通讯，用于接收检测信号并进行数据处理，其中主机以在各探测杆所倾斜的角度上建立的新测量基准，利用各探测杆上的检测传感器进行四轮定位参数的检测结果处理。

主机还在所述的新测量基准上利用各探测杆上的检测传感器，对车轮前束角和外倾角进行检测；并根据探测杆向下倾斜的情况并结合所测得外倾角来估算由于外倾角的存在而产生的对所述前束角测量所带来的偏差值；将偏差值补偿到所测得的前束角上，从而得到准确的前束角测量结果。

探测杆的水平调节是利用探测杆里现有的水平倾角传感器来实现的，不需要增加额外的成本，经济适用、方便可靠。如图6所示，左边显示为在车轮10上安装的探测杆20处于正常测量状态，右边显示为探测杆20处于下降后的状态，下降高度为H。

本发明涉及到的四轮定位仪设备主要部件是由主机和4个探测杆组成，每个探测杆里面安装有2个CCD传感器和2个倾角传感器(一个垂直倾角传感器和一个水平倾角传感器)，其中8个CCD传感器和4个垂直倾角传感器用来测量四轮各个参数，剩下的4个水平倾角传感器用来作为电子水平监控器用，在正常测量时，水平倾角传感器可以监控探测杆当前的水平状态，并将其水平状态显示在探测杆的液晶显示屏或电脑主机的屏幕上，这样操作者就可以根据提示来调整探测杆的水平状态，使其处于标准的测量面上，这就是我们前面提到的电子水平系统。

本发明在进行四轮定位[偏心补偿]、[主销测量]、[后轴参数]、[前轴参数]等检测时，如果碰到超低底盘的车，因为传感器被底盘挡住而无法正常测量的情况，可以通过软件手动或自动的方式来设置探测杆倾斜的角度(也就是1#、2#或7#、8#传感器下降的高度)，设置完后，软件会修改电子水平的基准，并且在电脑显示屏上或探测杆的液晶显示屏上会显示当前探测杆的电子水平状态，操作者根据电子水平提示开始倾斜探测杆到达指定的位置，然后软件通过算法精确的补偿掉因为探测杆倾斜所带来的误差，保证探测杆倾斜测量和不倾斜测量的值保持一致，从而达到降位测量的目的。

4个探测杆里面的水平倾角传感器和电脑主机里的测量软件里的降位测量模块是本发明的关键，水平倾角传感器用于监控探测杆的水平状态，保证4个探测杆处于标准的水平测量面上。它们是这样来实现探测杆智能降位的，在探测杆进行零点标定时，软件会记录所有CCD及倾角传感器的坐标，这些坐标就是我们说的零点坐标。在正常测量过程中，软件会连续的读取水平倾角传感器的当前坐标，然后与零点坐标对比，以此来判断探测杆是否处于水平测量状态；当软件进入降位模块后，算法系统会通过探测杆需要下降的高度和探测杆的长度根据三角函数计算出探测杆需要倾斜的角度，然后将这个角度加在4个水平倾角传感器的零点坐标上，这时当操作者再根据水平倾角传感器的提示调整4个探测杆水平后，探测杆就自然呈现下降的一个状态，这样就达到了探测杆智能降位的目的。

如图8(a)-(c)所示，那么，整个系统控制探测杆下降时，首先在测量软件上先设定要下降的高度H，然后通过探测杆的长度L及三角公式可以算出探测杆的下降角度β＝argtan(H/L)，再将这个角度加到水平倾角传感器的零点坐标AH0上，也就是说现在电子水平的零点都被改成AH0+β了，这时，操作者如果根据电子水平来调节探测杆的水平时，探测杆就自然呈现一个下降的状态，并且4个探测杆下降的高度是相等的，这时机械水平会变成不水平，不过这里可以不用管它。

如图9所示，在进行四轮定位时，探测杆初始状态处在图6左边中的正常测量状态下，当进入[偏心补偿]、[主销测量]、[后轴参数]、[前轴参数]等检测时，程序首先会自动检测8个CCD传感器的状态，如果发现图3中的1#、2#CCD或7#、8#CCD传感器出现异常，程序马上会弹出个对话框，询问操作者是否是因为汽车底盘太低而导致CCD传感器异常，如果确认是汽车底盘太低的缘故后，程序又会提示操作者将会进入“探测杆智能倾斜降位”功能模块，并且程序自动设置初始探测杆端部下降高度为10mm，然后通过下降的高度和探测杆的长度根据三角函数计算出探测杆倾斜的角度，在探测杆电子水平的零值上加上这个角度，以修改当前探测杆水平的状态，并且在界面上提示操作者，需要根据电子水平的提示来倾斜探测杆重新调整水平。

4个探测杆降位时需要降同样的高度，用手动随便来调整探测杆的高度时很难使它们下降的高度一致，所以这里采用了电子水平也就是水平倾角传感器来解决这个问题，就是首先将下降的高度通过三角函数转化成角度，然后由水平倾角传感器来计算并控制探测杆的下降，水平倾角传感器控制就体现在电子水平上，所有的这些算法都封装在主机软件里，操作者只需要根据电子水平的提示将探测杆手动调“水平”就可以了，调完后，探测杆自然就呈倾斜的状态了，而且倾斜的高度会是一致的，这时候探测杆就处在图6右边的探测杆倾斜降位测量状态，在各探测杆所倾斜的角度上建立新测量基准；在所述新测量基准上，利用各探测杆上的检测传感器进行四轮定位参数的检测。

另外，由于外倾角的存在，即轮胎面不垂直地面，导致两探测杆之间降位时所形成的夹角会发生变化，这样就会带来前束角测量的较大误差，也无法保证基于前束角的其它四轮定位参数的精确测量。下面具体描述针对此问题的解决方案：

如图7所示，先简述传统的CCD四轮定位仪前束值(角)的测量原理：图7是一个俯视图，图中下面的探测杆20为安装在左轮轮夹上的探测杆，上面的探测杆20为安装在右轮轮夹上的探测杆；右轮前束角为0度，左轮有一前束角，角度为∠BOA。探测杆在标定时，两个探测杆是平行的，即对面红外发射二极管是从B点投影到CCD感光芯片上(O点)的，其成像坐标值定义为X轴原点X₀，在实际测量时，由于左轮有一前束角，右轮探测杆端部上的红外发射二极管是从A点，经投影到CCD感光芯片上(O点)，其成像坐标值肯定不为标定时定义的X轴坐标值，记为X₁，根据这个成像坐标差值X₁-X₀、CCD成像系数K及前束值的数学计算公式，就可得到左轮前束角的测量值：

∠BOA＝(X₁-X₀)×K

根据本发明采用如下方法对探测杆降位后前束角进行补偿：在新测量基准上利用各探测杆上的检测传感器，对车轮前束角和外倾角进行检测；根据探测杆向下倾斜的情况并结合外倾角来估算由于外倾角的存在而产生的对所述前束角测量所带来的偏差值；将这个偏差值补偿到所测得的前束角上，从而得到准确的前束角测量结果。

根据测量原理，当探测杆下降后，它将对前束角的测量结果带来一个偏差值Φ，这个偏差值与探测杆的长度L、设定下降的高度值H、以及当前车轮的外倾角α(如图8所示)有直接的关系，以如下公式进行估算：

Φ＝argtan(H·sin(α)/L)或Φ＝argsin(H·tan(α)/L)

探测杆降位补偿后达到的效果如下：

1)如果探测杆没有下降正常测量时，前束的计算公式为：

ψ_正常＝(X₁-X₀)×K

其中：ψ_正常：正常测量时的前束角；

      X₁：正常测量时的CCD当前的坐标读值；

      X₀：CCD的零点坐标值；

      K：CCD的系数。

2)探测杆下降后的测量时，前束的计算公式为：

ψ_下降＝(X₂-X₀)×K-Φ；

其中：ψ_下降：下降后的前束角；

      X₂：下降后CCD当前的坐标读值；

      Φ：下降后的前束角的补偿值，Φ＝argtan(H·sin(α)/L)或Φ＝argsin(H·tan(α)/L)。

3)最后达到的效果

ψ_正常＝ψ_下降

这样根据上述补偿原理，实现了在倾斜降位的测量方法下对前束角及基于前束角的其它四轮定位参数的精确测量，偏差值Φ可以根据外倾角的正负而在所测得的前束角的基础上增加或减小。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变型方案实现本发明，可以构思出其它的探测杆水平调节方法、新水平基准的建立方法、以及前束角的补偿方法。以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1、一种进行四轮定位检测的方法，包括以下步骤：

调节安装到汽车车轮上的各探测杆的水平，从而定义四轮定位检测的测量基准；

将各探测杆一致地向下倾斜，使各探测杆端部的检测传感器之间的光线不再被挡住；

在各探测杆所倾斜的角度上建立新测量基准；

在所述新测量基准上，利用各探测杆上的检测传感器进行四轮定位参数的检测；

其中，所述探测杆利用所述探测杆上的水平倾角传感器来调节水平；所述新测量基准的建立是通过先将所述探测杆需要下降的角度加到所述水平倾角传感器的零点坐标上，根据所形成的新的电子水平的零点坐标重新调节所述探测杆的水平，从而建立所述新测量基准。

2、根据权利要求1所述的进行四轮定位检测的方法，其特征在于，手动或自动设置所述探测杆端部初始下降的高度，然后手动调节所述探测杆的倾斜，直到所述探测杆端部下降所设置的高度；如此反复，直到各探测杆端部的检测传感器之间的光线不被挡住为止。

3、根据权利要求2所述的进行四轮定位检测的方法，其特征在于，所述探测杆向下倾斜的角度由所述探测杆下降的高度H和探测杆的长度L来估算，所述探测杆的下降角度β＝argtan(H/L)。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的进行四轮定位检测的方法，其特征在于，在进行四轮定位参数检测时，包括以下步骤：

在所述的新测量基准上利用各探测杆上的检测传感器，对车轮前束角和外倾角进行检测；

根据所述探测杆向下倾斜的情况并结合所述外倾角来估算由于外倾角的存在而产生的对所述前束角测量所带来的偏差值；

将所述偏差值补偿到所测得的前束角上，从而得到准确的前束角测量结果。

5、根据权利要求4所述的进行四轮定位检测的方法，其特征在于，所述偏差值Φ以如下方式进行估算：

Φ＝argtan(H·sin(α)/L)或Φ＝argsin(H·tan(α)/L)

其中，α为所测得的车轮外倾角。

6、一种四轮定位仪，其包括：

四个探测杆，用于安装到汽车车轮上，所述探测杆端部设有检测传感器，用于对四轮定位参数进行检测；所述各探测杆在安装到汽车车轮上后能够向下倾斜，使各探测杆端部的检测传感器之间的光线不再被挡住；

水平倾角传感器，其设置于所述各探测杆上，用于调节所述各探测杆的水平，从而定义四轮定位检测的测量基准；

主机，其与所述各探测杆上的各传感器进行通讯，用于接收检测信号并进行数据处理，其中所述主机以各探测杆所倾斜的角度上建立的新测量基准，利用各探测杆上的检测传感器进行四轮定位参数的检测结果处理。

7、根据权利要求6所述的四轮定位仪，其特征在于，所述主机在所述的新测量基准上利用各探测杆上的检测传感器，对车轮前束角和外倾角进行检测；并根据所述探测杆向下倾斜的情况并结合所述外倾角来估算由于外倾角的存在而产生的对所述前束角测量所带来的偏差值；将所述偏差值补偿到所测得的前束角上，从而得到准确的前束角测量结果。

8、根据权利要求6所述的四轮定位仪，其特征在于，所述检测传感器为电荷耦合器件图像传感器。

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