CN1768246A - 用加速度计感测转向轴倾斜角和外倾角 - Google Patents

用加速度计感测转向轴倾斜角和外倾角 Download PDF

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Abstract

用于测量并计算轮对准角度的方法和装置。在对准过程期间，测量头中重量轻且机械鲁棒的加速度计附着于车辆的轮。所述加速度计的输出可通过存储器查询或基于温度的反馈控制环来补偿温度或热滞后效应。

Description

用加速度计感测转向轴倾斜角和外倾角
相关申请
本申请要求2003年4月4日提交的美国临时专利申请No.60/459,998的35 U.S.C.§119(e)之下的利益，所述美国临时申请的标题为“ConvectionBased Accelerometers for Sensing SAI and Camber”，其全部在此引入作为参考。
技术领域
本公开在此涉及轮对准系统，以及用于测量各种相关参数的方法和装置。更具体地，本公开涉及轮对准系统中轻量的、机械鲁棒的倾斜角(inclination)传感器的使用。
背景技术
轮对准是调整车辆上的轮角度使得其通常垂直于地面并相互平行的过程。这种调整的目的是获得最大轮胎寿命，以及确保车辆在沿直且水平的道路行驶时直行。
为了调整轮角度以获得适当的轮对准，必须首先测量实际轮角度，使得然后可以计算必需的调整。在轮对准方法中所利用的两个特定角度一般称作“外倾角(camber)”和“轮胎缘距(toe)”。外倾角，典型地以度为单位来测量，是轮从垂直面偏离的角度。因此，外倾角是当从车辆前面观看时所看到的轮的角度。如果轮顶部从汽车中心向外倾斜，则所述外倾角是正的；如果其朝汽车中心向内倾斜，那么所述外倾角是负的。轮胎缘距是两个轮胎前部距离和这些轮胎后部之间距离的差。它一般以英寸的分数来测量，并且通常设置为接近零，表示所述轮基本上相互平行。“内八字(toe-in)”表示轮胎前部比后部彼此更靠近；“外八字(toe-out)”是相反的情况。
某些类型的轮对准过程涉及将光学仪器放置于车辆四轮的每一个上。所述仪器可以一起装配在夹到每个轮的“头”中。头可包括发送装置如LED发射器及接收装置如光传感器。在对准过程期间，每个头的接收装置“查看”来自两个相邻轮的两个头的发送光。在轮转动时，由所述发送装置在四个轮周围所形成的光“盒”可因此由四个接收装置感测到，并且各种角度的轮可因此而计算。然而，这样的过程涉及某些固有的测量不准确性并可因此导致对准错误。例如，如果头被不正确地夹到轮，则可导致不准确的测量。
其它对准系统已利用非光学传感器以便测量对准角度，如摆、电解瓶和其它摆类型装置上的磁阻传感器。这些类型的传感器可能不易受到光学传感器可能遇到的摇摆和其它错误的影响。然而基于磁阻和摆的元件易于受到由机械震动所引起的破损和准确性问题的影响。另外的缺陷是这些类型的传感器可经常很大且难以操纵、而且相对昂贵。
所需的是在测量头上利用较轻、较便宜的传感器的轮对准方法。进一步所需的是轮对准系统，其测量头具有改进的鲁棒性，能够承受增强的机械震动而没有破损或测量精度上的偏离。
发明内容
在此公开的方法和系统通过提供利用机械鲁棒且易于使用的倾斜传感器的轮对准系统和方法来帮助解决这些和其它问题。由在此公开的方法和系统所利用的基于热的传感器比常规倾斜传感器更便宜、且更轻，使得其更易于操纵。
一方面，用于测量轮对准角度的方法包括将包括加速度计的测量头附着于轮，并用所述加速度计相对于重力测量轮角度。
另一方面，用于测量轮对准角度的方法包括将包括加速度计的测量头附着于轮，可操作地将热传感器连接到所述加速度计，用所述加速度计测量未补偿的轮角度，并用热传感器测量加速度计所受到的温度。该方法还包括根据未补偿的轮角度和已测温度来计算补偿的轮角度。
另一方面，用于轮对准系统的测量头包括：加速度计，配置为相对于重力来测量未补偿轮角度；热传感器，配置为测量所述加速度计所受到的温度；以及补偿器，可操作地耦合到所述加速度计和所述热传感器并且配置为根据未补偿的轮角度和已测温度来计算补偿的轮角度。
另一方面，轮对准系统包括：测量头，包括配置为相对于重力来计算轮角度的加速度计；及计算装置，可操作地耦合到所述测量头并配置为接收所述轮角度并基于所述轮角度来计算轮对准参数。
本公开的另外的方面和优点将从以下详细描述中对本领域技术人员容易变得明显，其中简单地通过对期望用于执行本公开的最好模式的说明而示出并描述仅示范性的实施例。如将要了解到的，本公开能够有其它及不同实施例，并且其几个细节在各个明显方面能够修改，而全部不背离本公开。相应地，附图和描述应看做本质上是说明性的而非限制性的。
附图说明
附图示出几个实施例并与描述一起用于解释本公开的原理。
图1示出由示范性轮对准系统所测量的外倾角。
图2示出由示范性轮对准系统所测量的轮胎缘距。
图3示出由示范性轮对准系统所测量的转向轴倾斜角。
图4示出示范性轮对准设置和各种角度的测量。
图5示出用于在轮对准系统中使用的示范性基于热的测量头。
图6是示出补偿器电路的示意图。
图7示出用于在轮对准系统中使用的计算装置。
图8示出示范性轮对准过程。
具体实施方式
本公开现在参考其中示出几个实施例的附图更充分地描述。本领域技术人员将认识到方法、设备、系统、数据结构及计算机可读介质实现在此描述的特征、功能或使用模式。例如，设备实施例可以执行方法实施例的对应步骤或行为。
图1示出由示范性轮对准系统所测量的外倾角。外倾角是当从车辆前面观看时的轮100的角度，通常以度为单位测量。如果轮100的顶部从车辆中心向外倾斜，则外倾角是正的，如角度102所示。如果轮100的顶部朝车辆中心向内倾斜，则外倾角是负的，如角度104所示。
图2示出由示范性轮对准系统所测量的轮胎缘距。两个相邻轮胎200和202的轮胎缘距是轮胎200和202前部之间距离204与轮胎200和202后部之间距离206的差。轮胎缘距典型地以英寸的分数为单位来测量，并且零英寸的测量值将指示轮胎200和202基本上相互平行。
图3示出由示范性轮对准系统所测量的转向轴倾斜角(SAI)。SAI角300典型地以度为单位，并代表当从车辆前面观看时的转向枢轴线。当加到外倾角时，SAI使得车辆在其轮302从笔直向前的位置转开时轻微提升。
图4示出示范性轮对准设置和各种角度的测量。在所述示范性设置中，车辆具有排列用于对准测试的四个轮400、402、404、406。测量头408、410可附着于每个轮。例如，测量头408附着于轮400，而测量头410附着于轮406。轮402和404也可使测量头(未示出)附着其上。
轮400到406可转动通过距离412，同时测量头408、410进行对各种对准角度的重力依赖测量，如以下进一步详细描述的。例如，由测量头408所测量的角度可包括轮胎缘距414、SAI 416及外倾角418。轮胎缘距414相对于附着于轮402的测量头而测量，而SAI 416和外倾角418相对于重力而测量。
在一个实施例中，测量头408、410是基于对流或热的加速度计。一个合适的热加速度计是微机电系统(MEMS)加速度计，其从MEMSIC，Inc ofNorth Andover，MA可购得。
如本领域技术人员将理解的，本公开的实施例可包括各种MEMS加速度计，如常规固体检验质量(solid proof mass)加速度计。各种常规微机械加工或MEMS装置可被使用以便测量轮对准参数或位置(例如轮胎缘距、外倾角和SAI)。
图5示出用于在轮对准系统中使用的示范性基于热的测量头。测量头500包括热传感器502和热加速度计504，如上述可购得热加速度计。当然，在另一实施例中，测量头500可包括另一类型的MEMS加速度计(例如固体检验质量)和相应的逻辑功能。
热加速度计504可包括具有集成的混合信号处理的双轴、线性运动传感器。所述热加速度计504可以测量可变和常数加速度。常数加速度的特殊情况是重力。当所述热加速度计504静止时(即不存在横向或垂直加速度)，作用于加速度计的唯一力是重力。(垂直的)重力和加速度计感测轴之间的角度是倾斜角。
在一个实施例中，为了从热加速度计504的水平方向测量倾斜角，由于所述热加速度计的输出(即已测的倾斜角510)代表作用于感测轴的重力加速度而执行了计算，如在日期为2002年3月21日、标题为“Inclinatin Sensingwith Thermal Accelerometers”的MEMSIC Application Note#AN-00MX-007中所描述的，其在此引入作为参考。加速度计输出(x-轴和y-轴)和重力之间的关系由等式1和2表示，其中Ax和Ay代表加速度计输出，g是重力引起的加速度，而α、β是倾斜角角度。
                   Ax＝g·sin(α)                        (1)
                   Ax＝g·sin(α)                        (2)
所述倾斜角角度可从如等式3和4所示的正弦函数的反函数来计算。
                   α＝sin-1(Ax/g)                      (3)
                   β＝sin-1(Ax/g)                      (4)
在另一实施例中，所述热加速度计504可定位在垂直方向。当需要对大于90°弧的角度进行倾斜角测量值时，所述加速度计的输出(x-轴和y-轴)可以组合以便获得遍及360°弧范围的角度的好的分辨率。以此途径，一个双轴加速度计被配置以便测量单个轴倾斜角。
在这种配置中的加速度和倾斜角角度之间的关系由等式5和6来定义。在该配置中(δ+γ)＝90°弧，这样能够知道δ或γ的任何一个。
                    Ax＝g·sin(δ)                        (5)
                    Ay＝g·sin(γ)                        (6)
等式5中的Ax关系可以改写为等式7。等式5和6相除产生等式8。
                Ax＝g·sin(-y+90°arc)＝g·cos(γ)        (7)
        [Ay/Ax]＝[(g·sin(γ))/(g·cos(γ))]＝tan(γ)     (8)
因此所述倾斜角角度γ可通过应用正切函数的反函数来计算，如等式9所示。
                    γ＝tan-1[Ay/Ax]                     (9)
如本领域技术人员将理解的，垂直取向的一个优点是两个输出共有的误差在Ay除以Ax的信号处理中得以去除。热加速度计的进一步细节可在MEMSIC Application Note#AN-00MX-007中找到，其也在上被参考。
再参照图5，倾斜角输入506由热加速度计504接收，而温度输入508由热传感器502接收。已测倾斜角510从热加速度计输出，而已测温度512从热传感器512输出，且两个信号输入到补偿器514。如本领域技术人员将理解的，当热加速度计504暴露于不同环境温度时灵敏度和零重力(g)偏置改变。尽管所述热加速度计504和所述温度传感器502不同地示出，但是所述热加速度计504可以引入温度传感器或具有相同物理封装的其它功能。补偿器514调整热加速度计504的输出以补偿由已测温度512所引起的温度效应。
所述灵敏度典型地随上升的温度而降低，并且所述零g偏置可随上升的温度而增大或减小。可使用各种技术来补偿温度变化。例如，在此引入作为参考的日期为2002年4月11日、标题为“热加速度计温度补偿”的MEMSICApplication Note#AN-00MX-002描述了一些温度补偿技术。
关于所述热加速度计504的灵敏度的热效应可以用等式10来表征，其中Si是在任何初始温度Ti的灵敏度，而Sf是在任何最终温度Tf的灵敏度，其中温度以开尔文度(K)为单位。温度项T的指数典型地由制造商提供，因为所述指数可依赖于热加速度计504的结构而变化。
S i · T i 2.67 = S f · T f 2.67 - - - ( 10 )
在一个实施例中，已测温度512可以由热加速度计504作为输入接收，所述热加速度计可以将其直接用于反馈控制环以补偿温度效应。例如，所述热传感器502(例如常规热敏电阻(thermistor))可用于运算放大器电路的输入网络。导致的反馈增益电路包括电阻器网络以便近似加速度计灵敏度行为的反行为。所述反馈增益电路的另外的细节参考图6在以下描述。基于热的测量头500的输出516是补偿的倾斜角，被调节用于补偿由热传感器502所测量的温度的效应。
为了用于基于热的测量头500，热加速度计504可被校准成零重力(g)偏移。零g偏置随温度而变化的量可由等式11来表征，其中Z是在任何温度T的零g偏置，而a、b、c是所述热加速度计504特有的常数。
              Z＝a+b·T+c·T2                          (11)
在一个实施例中，可通过针对各个温度测量所计算的角度的变化来获得所述零g偏置补偿，同时将热加速度计504保持在水平位置。例如，可以驱使热加速度计504经过三个温度，同时保持在水平位置。
针对多个温度测量每个轴的零偏移并存储在补偿器514的存储部件520中，如在数据表中或作为可计算函数。所述补偿器514还可包括信号处理能力，如模数转换器、数模转换器以及微控制器(或其它处理器)。补偿器514然后可访问存储部件520以检索这些数据，并随后使用它们来补偿由于热传感器502所测量的温度变化而发生的热加速度计504的测量灵敏度的变化。例如，补偿器514可将已测温度512与存储于存储部件520中的诸如调整数据或调整函数的调整因子相比较。所述调整因子由补偿器514检索并应用到已测倾斜角510以产生补偿的倾斜角516。在一个实施例中，可使用常规线性近似来计算自零偏移的偏移校正。如本领域技术人员将理解的，也可使用其它曲线拟合技术如样条。
类似地，补偿器514可以配置以便于提高热加速度计504的准确度。几个加速度计测量值可被采用以用于如以上所述相对于水平位置的多个角度的每个。这些数据可存储在存储部件520中并由补偿器514根据已测温度512来检索以便补偿已测倾斜角510。
另外，在实施例中，所述补偿器514可使用所计算的偏移校正来设置数模转换器(DAC)中的电压，其被电加到热加速度计504的输出/从热加速度计504的输出减去。尽管本领域技术人员将理解该电压的设置可以用软件完成，但是模拟电路的一个优点是用来自热加速度计504的给定电压摆幅，在模拟链中可获得较高的增益，以获得更高的准确性。即，模数转换器(ADC)的测量范围不折衷，以便测量所述热加速度计504的零偏移。加速度信号满刻度输出(在室温)被设置以便不超过ADC满刻度范围。
在一个实施例中，在水平位置校准之后，所述热加速度计504被放置使得x轴和y轴二者相对于重力处于已知角度。例如所述角度可以选择在测量范围的中间。所述热加速度计504的输出(在每个轴)补偿温度偏移并得到记录。该值产生所述热加速度计504的增益(以伏特每G为单位)，其用作用于在各种温度下的增益计算的基础，如等式12所定义。如本领域技术人员将认识到的，等式12特别适用于上述MEMS加速度计(其从MEMSIC，Incof North Andover，MA可购得)，并且对于其它类型的装置可存在不同特性。类似于上述偏移校正，等式12中的指数函数可由常规插入技术(如线性的或二次的)来近似。在另一实施例中，等式12可以用反馈控制环中的可编程增益放大器来实现或估计。
Figure A20048000848600121
图6是示出补偿器电路的原理图。在示出的实施例中，所述补偿器电路通常包括偏移校正部分605。作为实例，该偏移校正部分605示出以用于热加速度计输出510的一个轴。当然，在双或多轴环境中，若需要，相同或类似的偏移校正部分605可实现以用于其它轴。所述热加速度计输出510提供给缓冲器/滤波器电路610。电阻R25和R27然后对所缓冲/滤波的信号执行偏移校正。所计算的偏移校正612被电加到所缓冲/滤波的信号或从所缓冲/被滤波的信号减去。所计算的偏移校正612从微控制器DAC接收。
运算放大器614然后用来将信号电平移位到电源轨(supply rail)间的大约中间部位。参考电压616被选择在电源轨电压之间并被提供给所述运算放大器614。低通滤波器620然后对电平经调整的信号滤波并将偏移补偿倾斜角516输出到所述微控制器。
图7示出用于在轮对准系统中使用的计算装置，如图4所示的示范性轮对准设置。如图7所示，所述计算装置705包括连接网络710、处理器715、存储器720、闪存722、输入/输出装置控制器725、输入装置727、输出装置729、存储装置控制器730以及通信接口735。
连接网络710可操作地耦合处理器715、存储器720、闪存722、输入/输出装置控制器725、存储装置控制器730以及通信接口735的每个。所述连接网络710可以是电总线、光网络、开关结构、或其它合适的互连系统。
处理器715是常规微处理器。在一个实施例中，所述计算装置705是便携的且通过电池供电。在这个实例中，处理器715或其它电路可设计为低功率操作以便在需要再充电或更换电池前提供令人满意的运行时间。
处理器715执行来自存储器720或闪存722的指令或程序代码模块。所述计算装置705的操作是可编程的并由程序代码模块配置。这样的指令可从计算机可读介质如耦合到存储装置控制器730的装置中读取到存储器720或闪存722中。
包含在存储器720或闪存722中的指令序列的执行使处理器715执行在此描述的方法或功能。在可替换的实施例中，硬连线电路(hardwiredcircuitry)可用于代替软件指令或与软件指令结合来实现本公开的方面。因此，本公开的实施例不限于硬件电路和软件的任何具体组合。存储器720可以是例如一个或多个常规随机存取存储器(RAM)装置。闪存722可以是一个或多个常规的闪RAM(flash RAM)、或电子可擦除可编程只读存储器(EPROM)装置。存储器720还可以用于在处理器715执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。例如，存储器720可用来存储从一个或多个测量头408、410所收到的轮角度信息。
输入/输出装置控制器725提供接口给输入装置727和输出装置729。所述输出装置729可以是例如常规显示屏。所述显示屏可以包括相关硬件、软件、或需要用于产生屏幕显示的其它装置。在一个实施例中，输出装置729是常规液晶显示器(LCD)。所述显示屏还可包括触摸屏能力。所示实施例还包括可操作地耦合到所述输入/输出装置控制器725的输入装置727。所述输入装置727可以是例如外部或集成键盘或光标控制板(pad)。来自测量头408、410的信号也可由输入/输出装置控制器725来接收。如果需要，这些信号可被转换并接口到通信网络710。如本领域技术人员将理解的，所述处理器715可使用这些信号来计算轮对准参数。
存储装置控制器730可用来将处理器715接口到各种存储器或存储装置，如磁、光、或电存储。通信接口735为计算装置705提供双向数据通信耦合。通信接口635可功能上耦合到网络750。在一个实施例中，通信接口735提供一个或多个输入/输出端口以便接收电的、射频、或光信号并将在所述端口上收到的信号转换成适于在连接网络710上传输的格式。所述通信接口735可包括射频调制解调器和与发送和接收无线或有线通信有关的其它逻辑。例如，通信接口735可为所述计算装置705提供以太网接口、蓝牙和/或802.11无线能力。所述通信接口735还可用于从所述测量头408、410接收各种格式的信号。
图8示出示范性的轮对准过程。在示出的实施例中，所述过程首先将一个或多个测量头408、410附着805于对应的轮400、406。所述计算装置705从所述测量头408、410接收810代表轮对准角度的一个或多个信号。所述计算装置705利用收到的角度信息来计算815轮对准参数，然后所述过程结束。
在描述了用加速度计来感测转向轴倾斜角和外倾角的实施例(其用于说明而非限制)之后，注意的是本领域技术人员可按照以上示教做出修改或变化。因此应该理解的是，在所附权利要求及等价形式所限定的本发明的范围和精神内可以对所公开的特定实施例做出修改。

Claims (20)

1.一种用于测量轮对准角度的方法，该方法包括：
将包括加速度计的测量头附着于轮；以及
用所述加速度计相对于重力来测量轮角度。
2.权利要求1的方法，其中所述加速度计包括微机电系统(MEMS)装置。
3.权利要求1的方法，其中所述加速度计包括固体检验质量。
4.权利要求1的方法，其中所述加速度计测量由加速度引起的热传递的内部变化。
5.权利要求1的方法，进一步包括：
通过计算装置，基于所述已测角度来计算至少一个轮对准参数。
6.权利要求5的方法，其中所述轮对准参数包括轮胎缘距、外倾角及转向轴倾斜角中的至少一个。
7.一种用于测量轮对准角度的方法，该方法包括：
将包括加速度计的测量头附着于轮；
可操作地将热传感器连接到所述加速度计；
用所述加速度计来测量未补偿的轮角度；
用所述热传感器来测量所述加速度计所受到的温度；以及
根据所述未补偿的轮角度和所述已测温度来计算补偿的轮角度。
8.权利要求7的方法，其中所述加速度计包括微机电系统(MEMS)装置。
9.权利要求7的方法，其中所述加速度计包括固体检验质量。
10.权利要求7的方法，其中所述加速度计测量由加速度所引起的热传递的内部变化。
11.一种用于轮对准系统的测量头，该测量头包括：
加速度计，配置为相对于重力来测量未补偿的轮角度；
热传感器，配置为测量所述加速度计所受到的温度；以及
补偿器，可操作地耦合到所述加速度计和所述热传感器并且配置为根据所述未补偿的轮角度及所述已测温度来计算补偿的轮角度。
12.权利要求11的测量头，进一步包括：
存储器部件，可操作地耦合到所述补偿器并且配置为存储多个角度的至少一个及对应的温度和调整函数。
13.权利要求11的测量头，其中所述加速度计包括热加速度计并且所述补偿器进一步配置为补偿所述热加速度计的灵敏度和零重力偏移。
14.权利要求11的测量头，其中所述补偿器实施反馈控制环以补偿热灵敏度和零重力偏移的至少一个。
15.权利要求11的测量头，其中所述补偿器利用至少两个温度点来实施近似以便于计算零重力偏移。
16.一种轮对准系统，包括：
测量头，包括配置为相对于重力来计算轮角度的加速度计；以及
计算装置，可操作地耦合到所述测量头并且配置为接收所述轮角度并基于所述轮角度来计算轮对准参数。
17.权利要求16的轮对准系统，其中所述轮对准参数包括轮胎缘距、外倾角和转向轴倾斜角的至少一个。
18.权利要求16的轮对准系统，其中所述加速度计包括微机电系统(MEMS)装置。
19.权利要求16的轮对准系统，其中所述加速度计包括固体检验质量。
20.权利要求16的轮对准系统，其中所述加速度计测量由加速度引起的热传递的内部变化。
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