專利名稱：一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置和方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，底盤集成控制技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，而輪胎決定著整個(gè)系 統(tǒng)的控制精度和整體性能。車輪外傾角是指車輪中心平面與汽車垂直平面的夾角(如圖1中所示Y)。當(dāng)車 輪頂部向汽車外部?jī)A斜時(shí)角度為正，反之為負(fù)。車輪外傾角主要作用是使車輪與地面的動(dòng) 態(tài)承載中心得到合理的分配，對(duì)輪胎力學(xué)特性有顯著影響，同時(shí)達(dá)到提高機(jī)械零件的使用 壽命，減少輪胎的磨損等效果。若車輪外傾角不正確，輪胎會(huì)出現(xiàn)異常的磨損，汽車在行駛 時(shí)也會(huì)發(fā)生偏駛的現(xiàn)象。到目前為止，由于輪胎在行駛過程中高速旋轉(zhuǎn)，路面狀況變化復(fù)雜，造成輪胎外傾 角變化快，變化量微小等特點(diǎn)，對(duì)傳感器和測(cè)量方法提出了較高要求。隨著試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量 傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，給滿足高頻、微變的輪胎外傾角動(dòng)態(tài)特性的監(jiān)測(cè)提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的主要目的在于提供一種裝置和方法，通過該裝置和方法能夠很容易 在行駛過程中確定車輛輪胎的外傾角，解決車輛輪胎外傾角動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)困難的問題。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明裝置發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置， 包括上激光發(fā)射器，安裝在輪轂上側(cè)邊緣處靠近輪胎，用于發(fā)射定位信號(hào)；下激光發(fā)射器，安裝在上激光發(fā)射器垂直下方距離D處，位于上激光發(fā)射器和輪 胎旋轉(zhuǎn)中心的連線上，用于發(fā)射定位信號(hào)；激光接受器，狹長(zhǎng)條板狀CMOS安裝在輪胎旋轉(zhuǎn)軸線所在平面與翼子板相交處，一 端與變速箱輸出軸相連，可隨同變速箱輸出軸360度旋轉(zhuǎn)，另一端懸置，用于捕捉上激光發(fā) 射器和下激光發(fā)射器的激光信號(hào)；步進(jìn)電機(jī)，安裝在翼子板頂部，輸出旋轉(zhuǎn)力矩，用于對(duì)激光接受器位置進(jìn)行調(diào)節(jié)；變速箱，安裝在輪胎旋轉(zhuǎn)軸線所在平面與翼子板相交處，輸入軸與步進(jìn)電機(jī)相連， 輸出軸與激光感受器相連，用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)減速增扭，驅(qū)動(dòng)激光感受器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；控制器，安裝在車身內(nèi)，用于根據(jù)激光接受器的信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的方法， 包括下述步驟步驟1)系統(tǒng)從初始位置啟動(dòng)，在首次達(dá)到平衡位置時(shí)獲取初始輪胎外傾角；步驟2)如果輪胎外傾角發(fā)生變化，激光接收器獲取激光束落點(diǎn)位置變動(dòng)，則系統(tǒng) 計(jì)算落點(diǎn)距離，根據(jù)評(píng)定規(guī)則決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步距角，進(jìn)而改變激光接收器的角度；
步驟3)系統(tǒng)再對(duì)監(jiān)測(cè)激光束的落點(diǎn)變化重新進(jìn)行計(jì)算判定，直到判得激光接收器與輪胎平行，調(diào)節(jié)激光接收器程序終止，得出輪胎重新達(dá)到的外傾角。輪胎外傾角外傾正 向變大，激光束在激光接收器上照射點(diǎn)的位置上移，Li, L2變小，但兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離 差Δ變大，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則縮小Δ的變化。當(dāng)再次達(dá)到Δ =D時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止 工作。激光感受器再次與輪胎平行，由原有的外傾角減去步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過的角度計(jì)算出此 時(shí)輪胎外傾角。輪胎外傾角內(nèi)傾負(fù)向變大，激光照射點(diǎn)的激光感受器上的位置下移，Li，L2變大，兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差Δ變大，步進(jìn)電機(jī)瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則縮小Δ的變化。當(dāng)再次達(dá)到Δ =D時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止工作。激光感受器再次與輪胎平行，由原有的外傾角加上步進(jìn)電機(jī)旋 轉(zhuǎn)過的角度計(jì)算出此時(shí)輪胎外傾角。


圖1是測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置的結(jié)構(gòu)和原理示意圖，用來說明測(cè)量車輛輪胎 外傾角的裝置組成和工作原理。圖2是驅(qū)動(dòng)器SH-3F075M的接線圖，用于說明三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器以及控 制器的連接方式。圖3是激光接收芯片電路框圖。
圖4是互阻放大器RGC結(jié)構(gòu)圖。圖5是有源電感作負(fù)載的差分放大器結(jié)構(gòu)圖，用于說明DA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖6是S3C44B0X芯片的連接方式圖，用來說明控制器在系統(tǒng)中的連接方式。圖7是直流電壓變換器連接圖。圖8是測(cè)量系統(tǒng)程序流程圖，用來說明測(cè)量系統(tǒng)的工作原理。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合相應(yīng)附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置，包括上激光發(fā)射器5，安裝在輪轂上側(cè)邊緣處靠近輪胎，用于發(fā)射定位信號(hào)；采用美國 邦納工程國際有限公司生產(chǎn)的QS186LE14型激光發(fā)射器，干電池供電。下激光發(fā)射器6，安裝在上激光發(fā)射器垂直下方距離D處，保證上激光發(fā)射器和下 激光發(fā)射器連線的延長(zhǎng)線經(jīng)過輪胎旋轉(zhuǎn)中心，用于發(fā)射定位信號(hào)；同樣采用美國邦納工程 國際有限公司生產(chǎn)的QS186LE14型激光發(fā)射器，干電池供電。激光接受器4，狹長(zhǎng)條板狀CMOS安裝在輪胎旋轉(zhuǎn)軸線所在平面與翼子板相交處， 一端與變速箱輸出軸相連，可隨同變速箱輸出軸360度旋轉(zhuǎn)，另一端懸置，用于捕捉上激光 發(fā)射器和下激光發(fā)射器的激光信號(hào)；步進(jìn)電機(jī)，安裝在翼子板頂部，輸出旋轉(zhuǎn)力矩，用于對(duì)激光接受器4位置進(jìn)行調(diào) 節(jié)；變速箱，安裝在輪胎7旋轉(zhuǎn)軸線所在平面與翼子板相交處，輸入軸與步進(jìn)電機(jī)相 連，輸出軸與激光感受器相連，用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)減速增扭，驅(qū)動(dòng)激光感受器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；控制器，安裝在車身內(nèi)，用于根據(jù)激光接受器4的信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。
步進(jìn)電機(jī)采用北京斯達(dá)特公司的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)以及與之配套的驅(qū)動(dòng)器 SH-3F075M,圖2所示為其接線圖。SH-3F075M驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)共有三路，它們是步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào) DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE，它們?cè)隍?qū)動(dòng)器內(nèi)部分別通過限流電阻接入光耦的負(fù)輸入端。1)步進(jìn)脈沖信號(hào)CP步進(jìn)脈沖信號(hào)CP用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度。驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)CP脈沖就 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，CP脈沖的頻率與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，控制CP脈沖的個(gè) 數(shù)，就可以使步進(jìn)電機(jī)精確定位。因此，用微控制器PORTA 口控制步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入以驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)。2)方向電平信號(hào)DIR方向電平信號(hào)DIR用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。以微控制器PORTA 口控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
3)脫機(jī)信號(hào)FREE此信號(hào)為選用信號(hào)，低電平有效。當(dāng)此信號(hào)為低電平時(shí)，電機(jī)處于自由無力矩狀 態(tài)，當(dāng)此信號(hào)為高電平或懸空不接時(shí)，取消脫機(jī)狀態(tài)。OPTO端為三路信號(hào)的公共正端，即三 路光耦的正輸入端。OPTO端用+5V電源通過穩(wěn)壓電路供電。SH-3F075M型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可用于驅(qū)動(dòng)三相步進(jìn)電機(jī)，采用三相六根線步進(jìn)電 機(jī)，步進(jìn)電機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)器相連(圖2中A、A、B、B、C、C)。SH-3F075M型驅(qū)動(dòng)器需外部提供 直流電源(圖2中DC)，電源電壓范圍為+24V。激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向激光接受器，被內(nèi)部的CMOS線性相機(jī) 接收，CMOS線性相機(jī)可以測(cè)得不同的激光落點(diǎn)位置。根據(jù)這個(gè)位置的預(yù)先標(biāo)定數(shù)字信號(hào)處 理器就能計(jì)算出落點(diǎn)和激光接收器旋轉(zhuǎn)中心之間的距離。光束在接收元件的位置通過模擬 和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口 內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)給ECU。圖3為激光接收芯片電路框圖，I接觸端和D接觸端分別連接一個(gè)互阻放大器 TIA(Tran-Impedance Amplifier)，并連接三級(jí)差分放大器 DA(Differential Amplier)，以 及輸出緩沖OB (OutputBuffer)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，電路中4個(gè)電阻R與外加電容C組成了直 流負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，以穩(wěn)定直流點(diǎn)和交流增益。由于光接收芯片電路采用了差分輸出，而且響應(yīng) 度較小，因此后續(xù)的放大器應(yīng)當(dāng)采用差分形式，并提供足夠大的增益以克服噪聲的影響。如圖4所示，互阻放大器采用了 RGC(Regulated Cascade)結(jié)構(gòu)，其中Rl，RS, Ml, Mb，Rb構(gòu)成RGC結(jié)構(gòu)，它具有穩(wěn)定的直流偏置及非常小的輸入阻抗。電源電壓為5V。DA采 用了有源電感作負(fù)載的差分放大器結(jié)構(gòu)(如圖5)，利用并聯(lián)峰化技術(shù)來拓寬帶寬。控制器采用S3C44B0X，目前，以32位處理器作為高性能嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心已 是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。ARM處理器因其突出的優(yōu)點(diǎn)在32位微控制器領(lǐng)域里得到非 常廣泛的應(yīng)用，因此，ARM處理器在汽車電子領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。S3C44B0X微處理器 片內(nèi)集成ARM7TDMI核，采用0. 25umCM0S工藝制造，并在ARM7TDMI核基本功能的基礎(chǔ)上集 成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)。S3C44B0X芯片的連接方式如圖6所示，輸入端ΑΙΝ0、AINl分別接CMOS的高電平 Vout+和低電平Vout-。輸出端GPF0、GPFO, GPFO, GPFO分別接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的CP、DIR、FREE、OPTO 端。如圖7所示，電源采用直流電壓變換器，將汽車蓄電池電壓12伏轉(zhuǎn)換為5伏供控制器S3C44B0X和COMS使用，同時(shí)提供24伏給驅(qū)動(dòng)器SH-3F075M。一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的方法，包括下列步驟初始化獲得起始角，狹長(zhǎng)條狀激光感受器4與車身3的夾角α從0度開始繞變速 箱1輸出軸軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。上激光點(diǎn)5發(fā)射的激光照射在激光感受器上點(diǎn)距離變速箱輸 出軸旋轉(zhuǎn)軸線的的位置記為L(zhǎng)i，下激光點(diǎn)6發(fā)射的激光照射在激光感受器上點(diǎn)距離變速箱 輸出軸旋轉(zhuǎn)軸線的的位置記為L(zhǎng)2。兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差為Δ =L2-L1。激光發(fā)射器 5、6與輪胎7垂直安裝，由平行四邊形原理可知，如果激光感受器4位置與輪胎位置平行， 可得上下激光照射點(diǎn)在激光感受器上的距離Δ與上下激光發(fā)射器在輪胎上的距離D相等。 由控制程序記錄下電機(jī)旋轉(zhuǎn)過的角度，此時(shí)激光感受器與車身之間的夾角α與輪胎外傾 角Y互補(bǔ)，即α = 90° -γ。輪胎外傾角外傾正向變大，激光束在激光接收器上照射點(diǎn)的位置上移，Li，L2變 小，但兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差△變大，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則縮小△的變化。當(dāng)再次 達(dá)到△ =D時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止工作。激光感受器再次與輪胎平行，由原有的外傾角減去步 進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過的角度計(jì)算出此時(shí)輪胎外傾角。輪胎外傾角內(nèi)傾負(fù)向變大，激光照射點(diǎn)的激光感受器上的位置下移，Li，L2變大， 兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差Δ變大，步進(jìn)電機(jī)瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則縮小Δ的變化。當(dāng)再次達(dá)到Δ =D時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止工作。激光感受器再次與輪胎平行，由原有的外傾角加上步進(jìn)電機(jī)旋 轉(zhuǎn)過的角度計(jì)算出此時(shí)輪胎外傾角。程序流程如圖8所示，系統(tǒng)從初始位置啟動(dòng)，首次達(dá)到平衡位置獲取初始輪胎外 傾角。如果輪胎外傾角發(fā)生變化，激光接收器獲取激光束落點(diǎn)位置變動(dòng)，則系統(tǒng)程序會(huì)計(jì)算 落點(diǎn)距離。程序根據(jù)評(píng)定規(guī)則決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步距角，進(jìn)而改變激光接收器的角度。系 統(tǒng)程序再返回到監(jiān)測(cè)激光束的落點(diǎn)變化重新進(jìn)行計(jì)算判定，直到判得激光接收器與輪胎平 行，調(diào)節(jié)激光接收器程序終止，得出輪胎重新達(dá)到的外傾角。
權(quán)利要求
一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置，其特征是，該裝置包括上激光發(fā)射器，安裝在輪轂上側(cè)邊緣處靠近輪胎，用于發(fā)射定位信號(hào)；下激光發(fā)射器，安裝在輪轂上側(cè)邊緣處靠近輪胎，用于發(fā)射定位信號(hào)；激光接受器，安裝在輪胎旋轉(zhuǎn)軸線所在平面與翼子板相交處，用于捕捉上激光發(fā)射器和下激光發(fā)射器的激光信號(hào)；步進(jìn)電機(jī)，安裝在翼子板頂部，輸出旋轉(zhuǎn)力矩，用于對(duì)激光接受器位置進(jìn)行調(diào)節(jié)；變速箱，安裝在輪胎旋轉(zhuǎn)軸線所在平面與翼子板相交處，輸入軸與步進(jìn)電機(jī)相連，輸出軸與激光感受器相連，用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)減速增扭，驅(qū)動(dòng)激光感受器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；控制器，安裝在車身內(nèi)，用于根據(jù)激光接受器的信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置，其特征在于，所述下激光 發(fā)射器位于在上激光發(fā)射器垂直下方距離D處，位于上激光發(fā)射器和輪胎旋轉(zhuǎn)中心的連線 上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置，其特征在于，其中所述激 光接受器采用的是CMOS傳感器；形狀為狹長(zhǎng)條板狀，一端與變速箱輸出軸相連，可隨同變 速箱輸出軸360度旋轉(zhuǎn)，另一端懸置。
4.一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的方法，其特征是，該方法包括下述步驟步驟1)系 統(tǒng)從初始位置啟動(dòng)，在首次達(dá)到平衡位置時(shí)獲取初始輪胎外傾角；步驟2)如果輪胎外傾角發(fā)生變化，激光接收器獲取激光束落點(diǎn)位置變動(dòng)，則系統(tǒng)計(jì)算 落點(diǎn)距離，根據(jù)評(píng)定規(guī)則決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步距角，進(jìn)而改變激光接收器的角度；步驟3)系統(tǒng)再對(duì)監(jiān)測(cè)激光束的落點(diǎn)變化重新進(jìn)行計(jì)算判定，直到判得激光接收器與 輪胎平行，調(diào)節(jié)激光接收器程序終止，得出輪胎重新達(dá)到的外傾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的方法，其特征在于，所述步驟1) 中具體包括下列步驟初始化獲得起始角，激光接收器與車身的夾角α從0度開始繞變速 箱輸出軸軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；上激光點(diǎn)發(fā)射的激光照射在激光接收器上點(diǎn)距離變速箱輸出軸 旋轉(zhuǎn)軸線的位置記為L(zhǎng)i，下激光點(diǎn)發(fā)射的激光照射在激光接收器上點(diǎn)距離變速箱輸出軸旋 轉(zhuǎn)軸線的位置記為L(zhǎng)2;兩個(gè)激光束照射在激光接收器上的照射點(diǎn)的距離差Δ與上下激光 發(fā)射器在輪胎上的距離相等；由控制程序記錄下電機(jī)旋轉(zhuǎn)過的角度，此時(shí)激光感受器與車 身之間的夾角α與輪胎外傾角Y互補(bǔ)，即α =90° -Y。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的方法，其特征在于，所述步驟2) 中具體包括下列步驟輪胎外傾角外傾正向變大，激光束在激光接收器上照射點(diǎn)的位置上 移，L1，L2變小，但兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差Δ變大，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則縮小Δ的變 化；所述步驟3)中具體包括下列步驟當(dāng)兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差△再次達(dá)到A=D 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止工作；激光感受器再次與輪胎平行，由原有的外傾角減去步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過 的角度計(jì)算出此時(shí)輪胎外傾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的方法，其特征在于，所述步驟2) 中具體包括下列步驟輪胎外傾角內(nèi)傾負(fù)向變大，激光照射點(diǎn)的激光感受器上的位置下移， Li，L2變大，兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差Δ變大，步進(jìn)電機(jī)瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則縮小Δ的變化；所述步驟3)中具體包括下列步驟當(dāng)兩個(gè)激光照射點(diǎn)的距離差△再次達(dá)到A=D時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止工作；激光感受器再次與輪胎平行，由原有的外傾角加上步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過的角度計(jì)算出此時(shí)輪胎外傾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量車輛輪胎外傾角的裝置和方法，目的在于在行駛過程中確定車輛輪胎的外傾角，解決車輛輪胎外傾角動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)困難的問題。該裝置由上激光發(fā)射器、下激光發(fā)射器、激光接收器、步進(jìn)電機(jī)、變速箱和控制器組成。該方法為系統(tǒng)從初始位置啟動(dòng)，首次達(dá)到平衡位置獲取初始輪胎外傾角。如果輪胎外傾角發(fā)生變化，激光接收器獲取激光束落點(diǎn)位置變動(dòng)，則系統(tǒng)程序會(huì)計(jì)算落點(diǎn)距離。程序根據(jù)評(píng)定規(guī)則決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步距角，進(jìn)而改變激光接收器的角度。系統(tǒng)程序再返回到監(jiān)測(cè)激光束的落點(diǎn)變化重新進(jìn)行計(jì)算判定，直到判得激光接收器與輪胎平行，調(diào)節(jié)激光接收器程序終止，得出輪胎重新達(dá)到的外傾角。
文檔編號(hào)G01B11/26GK101813466SQ20101013935
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者江浩斌, 王大沖, 陳龍, 黃晨 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)