平面方程系数的测量方法及车轮定位装置.pdf

本发明涉及一种平面方程系数的测量方法以及由此方法制成的车轮定位装置。其测量方法的基本思想为：利用点的角坐标测量原理，通过待测反光面测量已知的点，计算反光平面方程的系数。使用上述方法制成的平面方程系数测量装置可组成车轮数不太受限制的车轮定位系统，该车轮定位系统生产成本低，维修成本低，降低劳动强度。

1、  一种平面方程系数的测量方法，若为其测量装置指定直角坐标系Oxyz，其对应的极坐标系为Oφλz，其中O为坐标系原点，x为水平前后坐标，y为水平左右坐标，z为垂直坐标，φ为圆周角坐标，λ为仰角坐标，令待测平面(ρ)具有反光性，可测量平面(ρ)在直角坐标系Oxyz内的方程ax+by+cz-1＝0的系数(a，b，c)，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；该扫描器上固定两个激光器(L_A，L_B)，激光器(L_A，L_B)分别发出薄的光扇平面(A，B)，如果将它们同时旋转至某测量区域时，它们有唯一交线；在坐标系原点附近设置至少2个固定观察点，如(S，T)；在测量范围内，所述光平面(A，B)通过(ρ)反射后可到达所述观察点(S，T)；分别测出光扇面(A，B)到达观察点(S，T)时扫描器所处的圆周角，根据这些圆周角算出待测平面在所述坐标系Oxyz内方程ax+by+cz-1＝0的系数(a，b，c)。

2、  根据权利要求1的方法，其特征在于：所述扇光面(A，B)共平面，它们与扫描器转轴所成的角度分别为±45°。

3、  一种车轮定位装置，若为其指定直角坐标系Oxyz，其对应的极坐标系为Oφλz，其中O为坐标系原点，x为水平前后坐标，y为水平左右坐标，z为垂直坐标，φ为圆周角坐标，λ为仰角坐标，令待测平面(ρ)与待测车轮有固定的位置关系，且具有反光性，该装置可测量平面(ρ)在直角坐标系Oxyz内的方程ax+by+cz-1＝0的系数(a，b，c)，其特征在于：该装置内固定一个只须作一维旋转的扫描器；该扫描器上固定两个激光器(L_A，L_B)，激光器(L_A，L_B)分别发出薄的光扇平面(A，B)，如果将它们同时旋转至某测量区域时，它们有唯一交线；在坐标系原点附近设置至少2个固定观察器，如(S，T)；在测量范围内，所述光平面(A，B)通过(ρ)反射后可到达所述观察器(S，T)；分别测出光扇面(A，B)到达观察器(S，T)时扫描器所处的圆周角，根据这些圆周角算出待测平面(ρ)在所述坐标系Oxyz内方程ax+by+cz-1＝0的系数(a，b，c)。

4、  根据权利要求3的装置，其特征在于：所述扇光面(A，B)共平面，它们与扫描器转轴所成的角度分别为±45°。

5、  根据权利要求4的装置，其特征在于：所述扫描器以一已知的角速度旋转。

6、  根据权利要求4或5的装置，其特征在于：所述扫描器以一匀角速度旋转。

7、  根据权利要求4或5的装置，其特征在于：所述观察器为光敏管。

8、  根据权利要求4或5的装置，其特征在于：激光器(L_A，L_B)的供电部分为高频电磁耦合模块。

平面方程系数的测量方法及车轮定位装置
本发明涉及平面方程系数的测量方法和用于汽车维修车轮定位装置。
车轮定位最常见的是四轮定位，目前面世的有多种方法。
较一般的定位法是静态激光加线阵图象传感(CCD)法，各传感器上设置一个左右观测的线阵CCD，一个前后观测的线阵CCD；在一传感器上设置若干固定的激光面射向相邻传感器，根据线阵CCD上亮点的位置计算各车轮的相互位置。
中国专利号为ZL99111663.1的文献介绍了一种动态激光法，各传感器上放置一个旋转激光面扫描器，并设置若干固定的光敏管，根据光敏管输出的感光脉冲到来的时刻计算光敏管在扫描器坐标系内的二维角坐标，然后计算各车轮的相互位置。
以上都是主动测量式的，即测量部件要被安装在被测车轮上，而测量部件都要用电，势必连着电缆；要么用电池加无线联络措施。所以生产和使用都比较烦琐。同时，测量部件为脆弱部件，在车轮上来回装卸容易损坏。
专利号为EP0971205A2的文献公开了一种被动测量的四轮定位系统，所谓被动测量是指不用将测量部件装夹在车轮上。测量部分使用高分辨率的面阵图像传感器(CCD)，原来的安装部分由一反光板代替，反光板上有规定的花纹，用CCD观察反光板，根据其花纹的位置及大小计算各车轮的位置方程系数。实际上，它是一个平面方程系数测量系统。操作很简单，但要求CCD分辨率较高，否则，无精度可言，因而成本较高。售价在2004年达30万元人民币。
本发明的装置部分介绍的也是被动测量的车轮定位系统，操作也很简单，且无须高分辨率的CCD，生产成本低。
文献ZL99111663.1提供了待测点的角坐标测量方法，该方法规定的测量介质为各相同性的均匀介质，如空气，测量的是待测点的角坐标。本发明之方法的基本思想为：在上述方法的基础上，改变待测点的性质使之成为固定已知的观察点，改变测量介质的性质使之成为待测的反光面。通过反光面测量观察点时，其结果必然与通过均匀介质测量观察点的结果不同，因为其中包含了反光面的方程系数信息，本发明之方法的最后任务是根据这些不同的结果计算反光面的方程系数。
本发明之装置的基本思想为：用平面方程系数测量装置测量固定在各车轮上的反光板的方程系数，进一步计算车辆的车轮定位参数。
本发明的目的是：用廉价的部件做出高精度的车轮定位系统。
本发明追求的目标是：以成本不高于1万元人民币的材料制成的产品要与时价30万元人民币的产品比美。
本发明提出了一种高精度的、廉价的四轮定位系统的测量方案，以小的投入取得了好的效果。如果将该发明推广，可提高汽车生产和维修的总体技术水平，又节省投资。本发明克服了一般四轮定位仪必须两个种类的传感器的弊病，用一种平面方程系数测量装置可以组成一台四轮定位仪，直接降低了生产成本，同时也因此降低了备份成本和售后的维修成本。
本发明的方法的基本依据为“点的角坐标的测量方法”，该方法公布在《一种点的角坐标测量方法及车轮定位装置》，其中国专利号为ZL99111663.1。
如图1所示，为本发明之方法的原理图。根据上述文献，如果光面通过均匀介质到达光敏管时，可测量该光敏管的理想二维角坐标。而如果已知光敏管的二维角坐标，而光面经过反射后才到达光敏管，实际测量的二维角坐标就不是理想的，它应包含反光面方程系数地信息，因而可以测量反光面的方程系数。一个平面的方程系数只有三个，而一个点的二维角坐标含有两份信息，所以至少需要测量两个点的二维角坐标才能计算一个反光平面的方程系数，其中有一份信息是冗余的。
平面方程系数的计算方法：
为该测量装置指定直角坐标系0xyz，其对应的极坐标系可表示为Oφλz，其中0为坐标系原点，x为水平前后坐标，y为水平左右坐标，z为垂直坐标，φ为圆周角坐标，λ为仰角坐标。
设待测平面ρ在指定直角坐标系0xyz内的方程为：
ax+by+cz-1＝0
其中a、b和c为未知数；
设观察点T的坐标为已知的(x_t0，y_t0，Z_t0)，T过反光平面ρ的镜像点T1的坐标为(x_t1，y_t1，Z_t1)，其中x_t1，y_t1，Z_t1都是a、b和c的函数；
利用x_t1，y_t1，Z_t1可换算出T1的圆周角坐标为φ_t1(a，b，c)，仰角坐标为λ_t1(a，b，c)，也都是a、b和c的函数；
同理可换算出S1的圆周角坐标为φ_s1(a，b，c)，仰角坐标为λ_s1(a，b，c)，也都是a、b和c的函数；
测量观察点T的过反光平面ρ的角坐标，等价于通过均匀介质测量点T1的角坐标。测量时，可得到关于T的2个圆周角数据φ_At和φ_Bt，分别对应光面A和B，由此可计算T1的圆周角坐标为φ_t(φ_At，φ_Bt)，仰角坐标为λ_t(φ_At，φ_Bt)，具体计算过程在文献ZL99111663.1里有详细的介绍。
同理可计算S1的圆周角坐标为φ_s(φ_As，φ_Bs)，仰角坐标为λ_s(φ_As，φ_Bs)。
这样，对T和T1就有方程：
φ_t1(a，b，c)＝φ_t(φ_At，φ_Bt)
λ_t1(a，b，c)＝λ_t(φ_At，φ_Bt)
对S和S1有：
φ_s1(a，b，c)＝φ_s(φ_As，φ_Bt)
λ_s1(a，b，c)＝λ_s(φ_As，φ_Bt)
选择上述4个方程中的3个可得到a、b和c的解。
根据上述专利文献所述，扫描器上激光器(L_A，L_B)分别发出的光扇面A和B共平面是一种好的选择；A和B分别与扫描轴线成±45°的光面为一比较好的选择，可使待测平面各方程系数的测量误差均匀一致。
既然待测平面ρ在在直角坐标系0xyz内的方程ax+by+cz-1＝0的方程系数a、b和c可算出，那么待测平面ρ的位置、倾斜等特性就可以计算出来。使待测平面ρ与车轮轴线垂直，就可以计算车轮的位置和姿态，因而可以用本发明之方法制成平面方程系数测量装置即车轮定位装置。
该车轮定位装置与上述专利文献所述的车轮定位装置的异同点为：1、原装置的“外部光敏元件”这里改为“观察器”，并且两个观察器的接收范围一样，用途改为“接收本装置所发光面的反射光”；2、由于现在的电机每旋转一周都自动一个周期信号，参考点的问题比原来简单了，装置外型可以不是“管型”；3、原来因为激光器成本较高，须将一光束在水银柱两侧各反射成一扇光面，现在可以使用两个标准的线激光器；4、用电刷对激光器供电存在寿命问题，现在可以使用高频电磁耦合的措施。
根据上述专利文献所述，扫描器以固定已知的角速度旋转为一比较好的选择，扫描器的圆周角只是时间的函数，可方便测量；进一步，以固定的已知的匀角速度旋转为最好的选择，这时扫描器的圆周角只是时间的线性函数，更方便测量。
根据上述专利文献所述，观察器采用光敏管为一比较好的选择，可使成本降到最低。使用其它图像传感器也是可以的，但成本都高很多。
分别使用2个、4个、6个、8个或10个本发明所述的车轮定位装置，可以实现2轮、4轮、6轮、8轮或10轮定位系统。
本发明的有益效果就是使新的四轮定位仪在具备要求功能的前提下进一步降低成本，降低劳动强度，提高设备使用寿命。由于各平面方程系数测量装置的规格一样，可以互换，维修成本也降低。由于平面方程系数测量装置之间互不联系，没有依赖关系，因而可以使用任意多个平面方程系数测量装置实现多轮定位，系统的复杂性只随车轮多少线性增加，所以可以很方便的实现2轮、4轮、6轮、8轮、10轮定位系统，解决了大车的多轮定位问题。而且还由于平面方程系数测量装置之间互不联系，没有依赖关系，为一个平面方程系数测量装置配备一个时间检测通道就可以实现多个该类装置同时工作，同时处理，提高了系统的运行速度。
图1为本发明之方法的原理图，其中(L_A，L_B)为激光器，分别发出薄的光扇面A和B；ρ为反光平面，S、T为位置固定的观察器，实际为光敏管；T1为T关于反光镜ρ的镜像点；S1为S关于反光镜ρ的镜像点；O为坐标系原点，x为水平前后坐标，y为水平左右坐标，z为垂直坐标，φ为圆周角坐标，λ为仰角坐标。
图2为本发明之装置的原理示意图，其中1为车轮，(L_A，L_B)为激光器，分别发出薄的光扇面A和B；ρ为反光平面，S、T为位置固定的观察器，实际为光敏管；O为坐标系原点，x为水平前后坐标，y为水平左右坐标，z为垂直坐标，φ为圆周角坐标，λ为仰角坐标。
本发明的最佳实施方案为图2所示的车轮定位装置。