专利名称：一种点的角坐标测量方法及新型车轮定位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种点的角坐标测量方法和一种车轮定位装置，该装置为汽车生产和维修行业中的车轮定位仪的测量部分。
国内仍在使用的国产或进口的老式车轮定位仪操作繁、效率低、精度差，近期进口的产品或关键技术由外国控制的合资产品虽克服了这些弊病，但价格昂贵，通常在15至30万元人民币，中高档产品至今国内仍无独立生产能力。
老式电测车轮定位仪的测量原理通常是在两个车轮上固定两个对称的测量装置，再用轻质的细线连接测量装置的角位移敏感部位，并适当绷紧。角敏元件通常为电位器。两个车轮的角位置就能反映到电位器上，经电路或电脑处理可得出该两车轮的角位置数据。
进口或合资的车轮定位仪的测量原理见
图1，在各车轮(4)上共卡装两个或四个对称的测量装置，每一测量装置由一个较小的箱体(1)、一个较长的管(2)和一个较大的箱体(3)组成。管(2)成水平固定在大箱体上，管的一个伸出端固定小箱体(1)。每一箱体内置一个角位移敏感小系统的主体。大箱体内的小系统负责前后互测功能，小箱体内的小系统负责左右互测功能。角位移敏感小系统的处理部分在大箱体内，处理后的信号再送至电脑。角位移敏感小系统有线阵CCD式的，有面阵CCD式的，它们的联络元件多为发光管；还有激光式的小系统，通常采用干涉测距的原理感觉小的角位移，大的角位移还有另外的敏感部件。很明显，这类车轮定位仪如果要同时测量前后和左右方向的角坐标，那么每一个测量装置都必须包括两个角位移敏感小系统，四个测量装置就要八个小系统，所以成本偏高是必然的。
本发明的目的是提供一种独特的检测原理及一种低成本的车轮定位仪的测量方案。
见图2，假想一个测量装置在一个半径为R、轴线为铅垂的大圆柱桶(1)内工作，其扫描器进行一维的旋转扫描；为该测量装置指定一坐标系φOZ，其中φ为扫描器的圆周角，Z为高度，Z与大桶的轴线重合；称桶面上与φ=0，Z=0对应的点为理想原点O；在扫描器中心对测量区域进行观察，规定在测量区域内与桶面的交线之斜率较大的物质面为A，另一面为B；如扫描器以已知角速度旋转，设转轴每旋转一周的周期为T0；定义扫描器的仰角为λ，则有Z=R×tgλ(1)如扫描器以已知角速度旋转，理想原点O已事先指定，所以转轴的角度与时间在T0内一一对应，测得各物质面访问待测点的时刻即可算出这时转轴的角度。所以无论扫描器是否自动旋转，其转轴的角度总认为是可测量的。
将大圆桶以理想原点O为中心展开，见附图3，水平轴为圆周角φ，垂直轴为高度Z，观察点设在扫描器的中心，设测量区域为-180°＜φ＜180°和-R/2＜Z＜R/2。那么A、B面在过展开面理想原点O处与桶面的交线分别为A面Z=fa(φ)(2)B面Z=fb(φ)(3)设A面为了访问待测点M须从(0，0)处转过角度α1，B面须转过角度β1，这时它们与大圆桶的交线变为，A面Z=fa(φ-α1)(4)B面Z=fb(φ-β1)(5)因物质面A、B的描述方程是已知的，它们与大圆桶的交线就是已知的，其展开线fa(φ)和fb(φ)也就是已知的；又因A、B在待测点处有唯一的交线，那么该交线与大桶面应有唯一的交点。所以联立(4)、(5)式即可解得待测点M的坐标φm和Zm，用(1)即可求得λm。很显然，A、B在测量区域若不是有唯一交线，那么，上述方程就不会有唯一解。
若A、B为共平面的背靠背物质面如光平面，且与Z轴分别成45°和-45°角，则以上四式分别变为A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’)联立解得待测点M的坐标为
φm=(α1+β1)/2(6)Zm=R×sin(-α1+β1)/2用(1)代入上式λm=arctg[sin(-α1+β1)/2](7)因电脑最容易测得某一面如A面在分别访问参考点(并非桶面上的理想原点O，在实际测量时该原点不存在)和待测点时扫描器的角度差α，而A面在访问参考点N时扫描器的角度(相对于理想原点O)为α0，且α0不等于0，所以上述各式中的α1应为α+α0；同理β1应为β+β0。这时φm=(α+β+α0+β0)/2(8)λm=arctg[sin(-α+β-α0+β0)/2](9)很明显，在扫描器物质面能可靠访问的测量区域内，每一待测点M均有唯一一对数据α、β与之对应。
为得到α0和β0，必须对测量装置进行实验室计量检定处理。方法是在桶面上的理想原点O处设置一敏感元件用以感觉物质面的访问，然后测量A面在分别访问该测量装置内参考点N处的敏感元件和该理想原点处的敏感元件时扫描器的角度差，即α0；同理可测得β0。将α0、β0存入磁盘，供测量系统软件使用。
根据(8)式，α、β，α0、β0均不得互相颠倒。而光平面A、B分别通过参考点N时的信号都在一条通路上送至电脑，所以必须在系统中予以辨别。见附图4，在每一T0内，参考点N处的敏感元件分别被A、B各访问一次，将分别产生两个电信号Pa和Pb。若将该敏感元件设在扫描器的中心水平面上，则Pa到Pb的间隔Tab与Pb到Pa的间隔Tba将相等，均为T0的一半，因而无法确定某一信号究竟是Pa还是Pb，如附图4(b)所示。所以，本发明将参考点N即一敏感元件设置在扫描器的中心水平面以下，于是Tba＞Tab，如附图4(c)所示。如果参考点N设在中心水平面以上，则Tba＜Tab，如附图4(a)所示。这样电脑可根据这一关系作出正确的判断。Pa和Pb确定后，在计量检定时，根据理想原点处的敏感元件产生的信号相对于Pa和Pb出现的时间范围就能正确地对α0、β0赋值；在实际测量时，则根据待测点敏感元件产生的信号相对于Pa和Pb出现的时间范围而正确的对α、β赋值。如用其它参考时刻产生办法(如特意关闭某一物质面对参考点N处的敏感元件的访问、另加机电开关、另加光电开关、另加磁电开关等)时，使该电信号在T0内只出现一次，则可避免辨别的问题，但这些都将增加成本。
很明显，若物质面A、B不共面，或A、B有一个为非平面，或扫描器的角速度不均匀，尽管φm和Zm或λm都能唯一的计算出来，但它们的计算公式都将变得很复杂。若A、B与扫描器转轴所成的角度不分别是45°和-45°，则A、B在待测点处将不会近似于正交，待测点的二维角坐标的测量精度将一维高，另一维低，结果整个仪器的精度就低；若选择A、B与扫描器转轴所成的角度为其它值使A、B在待测点处近似于正交，这时A、B的扫描范围将一大一小，对测量也不利。
为说明车轮定位装置的原理，设汽车前进方向为坐标系的Y，左右方向为X，垂直方向为Z。如附图5(a)所示，设测量装置(1)、(2)分别装卡在两个无任何角度偏差的理想车轮上，先在Z=0平面内观察，E、F分别为(1)、(2)的安装点，G、H分别为(1)、(2)的扫描器中心，I、J分别为(1)、(2)的外部光敏元件位置，GK、HM分别指向(1)、(2)的理想原点，这里实际上是X轴方向。因测量装置的安装点、扫描器中心、外部光敏元件位置及理想原点方向均相对于测量装置固定，所以r、s、δ、ε均为已知，对给定的汽车型号，因轴距、轮距基本固定不变，所以d、c也为常数。图5(b)是(1)和(2)与其理想姿态分别有偏差角u、v的情况，测量装置的互测角为θ12和θ21，定义JG和IH与X轴的角分别为ρ、σ，则ρ=θ12+u，σ=θ21-V。但ρ的正切应为点J、G的Y的分量差除以X的分量差，即 用迭代数值算法可在5次迭代后得到误差小于0.00001的u、v的结果，从而用θ21、θ12求出了u和v。如果θ21、θ12是从后轮测量装置得到的φ21和φ12，很多种车辆的左右后束角就分别是-u、V。
同理通过测量λ12、λ21并利用λ120、λ210可算出(1)、(2)在Y=0平面内的相应角度。用类似的方法就可以算出四个测量装置分别与其理想姿态的偏差角。
很显然，图5(a)的描述具有很宽的普遍性。
见图6，四轮检测时，把车辆调成规定的状态，分别在左前、右前、左后、右后轮辋外侧水平卡装上用本发明制成的四个对称的管形测量装置，分别称为(1)、(2)、(3)、(4)。它们的扫描器组件均设置在前后轮之间的一端，其所有的外部光敏元件也设置在这一端，而参考点N则设置在管内的另一端。很明显，若将设置改为与本发明的相反，则测量装置间的前后互测必受管腔截面的限制而使可测区域过小。
用(1)的后右侧光敏元件能测量该光敏元件相对于(2)的角坐标，而该光敏元件是固定在(1)上的，因而能算出(1)相对于(2)的两个独立角坐标；同理，用(2)的后左侧光敏元件能测量(2)相对于(1)的两个独立角坐标。同理，用(3)的前右侧和(4)的前左侧的一对光敏元件能联合测出(4)和(3)之间的角位置。用(1)后头和(3)前头的一对光敏元件能联合测出(1)和(3)之间的角坐标。用(2)后头和(4)前头的一对光敏元件能联合测出(2)和(4)之间的角坐标。最后可分别算出各测量装置与其理想姿态的偏差角。
可用电脑按要求时刻点亮激光管，必要时按要求时刻启停扫描器的电机，即可有序的、时分地测出各管形装置相对于相邻管形装置的角坐标。
测量装置作为定位仪的主要组成部分，目前市售定位仪中，测量装置的成本约占仪器总成本的70％到80％。而以本发明所述方法制成的测量装置只占组成的定位仪总成本的30％以下，该仪器中成本最高者为电脑，而电脑成本在快速下落，所以总成本有望在批量生产时低于一万元人民币。低成本的定位仪才有可能在全国近三万家规模不大的汽修企业中普及，给汽修的总体水平以大幅提高，同时为国家节省大量的外汇，也为仪器的生产者带来利润。
本发明的最佳实现方式为一种管形测量装置，见附图7，管形测量装置的一端内固定一个扫描器组件，该组件包括激光器电刷部分(1)、(2)、(3)、反光柱(6)、激光束产生部分(7)及电机(8)；(8)的转子支承(2)、(3)、(6)、(7)。激光束垂直照在一根充以水银的玻璃管(6)上，该水银柱直径略小于光束直径，光束在水银柱两侧各反射成一扇光面，因光束与反光柱垂直，所以这两扇光面就在同一平面内。该玻璃管(6)与电机(8)的旋转轴线成45°角，旋转轴又是铅垂的，反射光面与旋转轴也总是成45°角或-45°角。该发光组件又被电机(8)带动绕轴以一均匀角速度旋转。管形装置在扫描器组件所在的这一端开有窗口，光面可从其间射出，在这一端的外部还固定了两个外部光敏元件(4)、(5)，用以分别接受从各相邻管形测量装置射来的光面，但不接受本管发光组件发出的光面。管形装置的另一端的下面管壁上固定一个内部光敏元件(9)，作为参考点，它不接受从相邻管形测量装置射来的光面，只接受本管发光组件发出的光面，该参考点N低于扫描器的中心水平面。但这三个光敏元件在电路中是全部并联的，信号从一个通路送往电脑，又节省了成本，还省去了切换的控制工作。为使这三个光敏元件不要同时工作，电脑将适当控制各管形装置中的电机(8)的启停时刻。电脑软件根据信号到来的时刻范围判断它来自哪一个光敏元件。
为测出待测点的角坐标，先让电机(8)以均匀角速度旋转。各测量点处光敏元件在光扇面经过时电流发生变化，该信号经过放大、去噪音、去环境光干扰等项处理变为电脑可识别的电脉冲，让电脑测出该电脉冲到来的时刻，该时刻即可认为是该光面经过该测量点的时刻。从参考点N处的光敏元件(9)上获得的时刻为参考时刻，从待测点光敏元件上获得的是待测时刻，用这些时刻就可算出α、β，从而进一步算出待测点相对于管形装置的角坐标。
权利要求
1.一种点的角坐标测量方法，其特征在于在其装置内固定一个只须作一维旋转的扫描器和一个能反映参考方位的部件；该扫描器上固定有两片薄的物质扇面，描述该两扇面的方程已知，每一扇面只在扫描器转轴的某一侧存在，如果将它们同时旋转至某测量区域时，它们有唯一交线；在实际测量之前，先确定参考方位与为该测量装置指定的坐标系φOλ的角位置关系，并将该关系数据保留，供实际测量时使用，其中φ为扫描器的圆周角，λ为扫描器的仰角；分别测出这两扇物质面通过待测点时扫描器相对于参考方位转过的角度α、β，根据α、β及参考方位与φOλ的角位置关系就可算出待测点在φOλ内的二维角坐标。
2.如权利要求1的方法，其特征在于在测量时扫描器以一已知的角速度如匀角速度旋转，分别测出从扫描器通过参考方位时开始至这两扇物质面通过待测点时的时间可分别测出，再根据这组时间计算出α、β。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于两扇物质面共平面，它们与扫描器转轴分别所成的角度其一为45°，另一为-45°。
4.一种车轮定位装置，为车轮定位仪的一部分，在车辆的至少两个车轮外侧装卡上对称的该装置，则它们可互测其间一个相对于另一个的角位置，其特征在于在本装置内固定一个只须作一维旋转的光扫描器和一个能反映参考方位的部件；该扫描器以一已知的角速度旋转；该扫描器上固定一发光组件，该发光组件能产生两扇很薄的背靠背的光面A和B，描述这两扇光面的方程已知，每一扇光面面只在扫描器转轴的某一侧存在，如果将它们同时旋转至某测量区域时，它们有唯一交线；在实际测量之前，先确定参考方位与为该测量装置指定的坐标系φOλ的角位置关系，并将该关系数据保留，供实际测量时使用，其中φ为扫描器的圆周角，λ为扫描器的仰角；在待测装置的方便处即待测点设置一光敏元件，光面通过该光敏元件时该光敏元件中的电流发生变化，该电流变化信号可送至电脑能测出从扫描器通过参考方位时开始至光面A、B通过待测点时的时间Ta、Tb，然后根据Ta、Tb分别算出A、B通过待测点时扫描器相对于参考方位的角度α、β，根据α、β及参考方位与φOλ的角位置关系就可算出待测点在φOλ内的二维角坐标。
5.如权利要求4的车轮定位装置，其特征在于两扇光面是由一束激光以一定角度如90°照在一根直径适当的反光柱上形成的，使两扇光面共平面；反光柱为一玻璃管，玻璃管内充以水银。
6.如权利要求4或5的车轮定位装置，其特征在于光面A、B与扫描器转轴分别所成的角度其一为45°，另一为一45°。
7.如权利要求4、5或6的车轮定位装置，其特征在于测量时转轴旋转的角速度是连续的、均匀的。
8.如权利要求4、5、6或7的车轮定位装置，其特征在于各装置的扫描器转轴方向是铅垂的，其发光组件与该装置上只接受相邻装置所发出光面的外部光敏元件同处装置的一端，而且该端均设置在前后车轮之间，于是仅用一个发光组件就能方便地将光面投向多个相邻装置的外部光敏元件上。
9.如权利要求4、5、6、7或8的车轮定位装置，其特征在于扫描器转轴通过参考方位的时刻用另一光敏元件产生的信号送至电脑而获得，其中该信号是由该光敏元件感觉本装置内的光面而产生的；该光敏元件适当偏离扫描器的中心水平面。
10.如权利要求4、5、6、7、8或9的车轮定位装置，其特征在于每一装置上感知任何光面的光敏元件在电路中全部并联，它们产生的信号只由一条通路送至电脑，可由电脑控制扫描器电机的启停时刻从而控制这些信号出现的时间范围，然后判断某时刻的信号是由哪一个光敏元件产生的。
全文摘要
本发明涉及的是一种点的角坐标的测量方法及汽车行业中的车轮定位仪的测量部分。该方法的特征在于:用一维旋转扫描器测量点的二维角坐标,该扫描器上固定两扇物质面,分别测量两个物质面访问待测点时扫描器的角度,再算出待测点的二维角坐标。车轮定位装置的特征在于:该装置内只须安装一个按上述测量方法工作的一维光面扫描器就能测量多个相邻的这种装置相对于本装置的角坐标,从而可算出各车轮相互间的二维角位置关系。
文档编号G01B11/26GK1285503SQ9911166
公开日2001年2月28日 申请日期1999年8月23日 优先权日1999年8月23日
发明者胡修泰 申请人:胡修泰