1.本发明涉及汽车测量技术领域，尤其涉及一种测量车轮外倾角与前束角的方法及系统。
背景技术：2.在汽车设计时，四个车轮的安装具有一定的相对位置关系，以保证汽车的行驶操纵稳定性，车辆左右两侧的轮胎一般是呈外八字设置；车辆四轮定位是以车辆的四轮参数为依据，所述的四轮参数包括主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束角，四轮定位参数的合理选择对降低轮胎磨损、提高整车方向控制性和降低油耗均有重要作用，现在车轮定位一般主要检测车轮外倾角和车轮前束角。
3.车轮外倾角是指，站在车辆前方的引擎盖处，从汽车的前方看轮胎竖向的几何中心线与地面铅垂线的夹角，称为外倾角。
4.前束角是指，从汽车的正上方向下看，由轮胎水平的中心线与沿汽车长度方向的纵向轴线之间的夹角称为前束角。
5.现有四轮定位测量技术中，主要采用三维成像技术进行四轮定位参数测量，测量系统其包括照相机、电脑、车轮夹具、反射盘、四轮定位测量软件；反射盘通过车轮夹具安装在汽车车轮上，通过照相机拍摄采集反射盘的图像，再将图像传入电脑以获得四个车轮位置的的空间角度信息，最后基于测量软件的分析和计算，得出车辆的四轮定位参数数据；现有技术在每次测量前均需要将反射盘装在车辆上，并对照相机及车辆状态进行校准，之后才能进行测量；同时反射盘在测量后需要取下，下一次测量时，还需要进行重新装配，每次测量的操作过程复杂，检测速度慢；并且现有的测量方法是基于拍照后图像识别原理，因此现有方法仅能实现车辆静态状况下的四轮定位参数测量，无法动态实时的测量并监测车辆四轮定位参数。
技术实现要素：6.本发明目的是提供一种测量车轮外倾角与前束角的检测方法及系统。
7.为实现以上目的，本发明技术方案为：
8.一种测量车轮外倾角与前束角的方法，包括以下步骤：
9.在与车轮相连的每个转向节上布置多个信号发射器，所述的信号发射器连接车载电脑；
10.在车身上布置信号接收器，所述的信号接收器与车载电脑相连，建立车身三维坐标系统；
11.汽车行驶过程中，信号接收器接收信号发射器发射的信号，计算每个信号接收器在车身坐标系中的坐标值，求得车轮外倾角与前束角；
12.将获得的车轮外倾角和前束角的实时数值，与预先设定的范围做对比，实时监控车辆运行状态。
13.进一步的是，所述的每个转向节上设置三个信号发射器，分别为一信号发射器、第二信号发射器、第三信号发射器。
14.进一步的是，所述的三个信号发射器位于同一个圆平面的圆周上，车轮围绕旋转轴线旋转，所述圆平面的圆心在旋转轴线上。
15.进一步的是，所述的车轮外倾角
16.其中b
车轮
、c
车轮
为中间参数，其计算公式为：
17.b
车轮
＝(z02-z01)*(x03-x01)-(z03-z01)*(x02-x01)，
18.c
车轮
＝(x02-x01)*(y03-y01)-(x03-x01)*(y02-y01)，
19.其中x01、y01、z01为第一信号发射器(6)的坐标值；x02、y02、z02为第二信号发射器(7)的坐标值；x03、y03、z03为第一信号发射器(8)的坐标值。
20.进一步的是，所述的车轮前束角
21.其中，a
车轮
为中间参数，其计算公式为：
22.a
车轮
＝(y02-y01)*(z03-z01)-(y03-y01)*(z02-z01)。
23.进一步的是，所述的每个信号接收器在车身坐标系中的坐标值依据信号接收器的坐标值及信号接收器与信号发射器之间的距离计算得出。
24.进一步的是，所述的信号发射器为电磁波信号发射器，电磁波在空气中的传播速度乘以信号发射与信号接收之间的时间差得出信号接收器与信号发射器之间的距离。
25.一种用于测量车轮外倾角与前束角的系统，包括多个信号发射器、多个信号接收器及车载电脑，所述的多个信号发射器位于车辆的转向节上；所述的多个信号发射器位于同一个圆平面的圆周上，所述圆平面的圆心位于车轮旋转轴线上，所述的多个信号接收器位于车身上，所述的多个信号发射器及多个信号接收器均与车载电脑连接，所述的信号接收器用于接收信号发射器发出的信号。
26.进一步的是，所述的多个信号接收器位于车身除车轮以外的部位。
27.进一步的是，所述的每个转向节上设置有三个螺纹孔，三个螺纹孔所确定的圆平面与车轮的旋转轴线垂直，通过螺栓及所述的螺纹孔将信号发射器固定在转向节上。
28.本发明的有益效果是：
29.1.本发明所有测量设备与系统均固定安装在车辆上，没有外界仪器或设备接入，与现有技术相比，无需反复对测量设备进行安装及拆卸。
30.2.本发明可以实时监测车辆在不同行驶工况下的车轮外倾角及前束角的参数变化情况；由于信号发射器输出的信号是动态实时的，因此本发明测量方法对车辆四轮定位信息的测量和监测也是动态实时的；将测得的外倾角、前束角、车轮内外点坐标随时间动态变化的值记录在行车电脑中，并通过显示器进行显示，实现车轮运行状态的实时的监测和记录。
附图说明
31.图1为本发明车轮的轮边零件结构图。
32.图2为信号发射器布置形式图。
33.图3车身端信号接收器布置形式图。
34.图4为本发明通过信号接收器坐标获取发射器坐标原理图。
35.图中：车轮1；转向节2；轮毂3；轴承4；旋转轴线5；第一信号发射器6；第二信号发射器7；第三信号发射器8；信号接收器9。
具体实施方式
36.为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
37.本发明的四轮定位测量系统与方法可用于悬架形式为麦弗逊、扭力梁、多连杆的四轮汽车上，包括轿车、suv等，本实施例采用含转向节的前麦弗逊悬架说明：
38.一种测量车轮外倾角与前束角的方法，包括以下步骤：
39.步骤一：在与车轮1相连的转向节2上布置多个信号发射器；
40.如图1及图2所示，在每个转向节2上设置三个螺纹孔，车轮绕着旋转轴线5旋转，在加工螺纹孔时，需要保证三个螺纹孔所确定的圆平面与车轮的旋转轴线5垂直，通过螺栓及所述的螺纹孔将信号发射器固定在转向节上；
41.在每个转向节2上布置三个信号发射器，分别为第一信号发射器6、第二信号发射器7、第三信号发射器8；四个车轮共计十二个信号发射器，所述的信号发射器与车载电脑电连接，所述的信号发射器可以是电磁波信号发射器；
42.每个转向节上的三个信号发射器确定一个圆平面，即每个转向节上的三个信号发射器在同一个圆的圆周上，所述圆的圆心与车轮外侧面的圆心重合，并且所述圆的圆心在旋转轴线5上；每个转向节上的三个信号发射器确定的圆平面的圆心及轴心与车轮的外侧面的圆心及轴心相同。
43.步骤二：在车身上布置信号接收器，所述的信号接收器与与车载电脑相连，完成车身三维坐标系的建立；
44.如图3所示，在车辆的车身端布置三个信号接收器9，所述的三个信号接收可以设置在车身内部，也可以设置在车身外部除车辆轮胎的位置；
45.第一信号发射器6、第二信号发射器7、第三信号发射器8以及三个信号接收器9均与车载电脑连接，信号接收器接收信号发射器发出的电磁波信号，车载电脑对信号发射器及信号接收器进行标定，使每个信号发射器有对应的信号接收器；
46.关于车身三维坐标系的建立，是以车身上的任意一点为原点，通过三坐标测量设备建立车身xyz三维坐标系统，并将所述的车身三维坐标系统存储于车载电脑上，所述的车身三维坐标系统建立后，车身上每一点的坐标值是已知的，因而位于车身上的三个信号接收器的坐标是已知的。
47.步骤三：汽车行驶过程中，信号接收器接收信号发射器发射出的信号，计算车轮旋转轴线5上的两点在车身坐标系中的坐标值，求得车轮外倾角与前束角；
48.在车辆行驶过程中，在车身坐标系中，以车身上的任意点为原点，因而车身上的三个信号接收器的坐标值相对于原点是不变的。
49.当车辆行驶的道路崎岖不平时，在车辆过坑或过坎的过程中，车轮会出现上下跳
动的情形，因而车轮旋转轴线5上任意点的坐标值在车辆行驶过程中会不断变化；转向节2与车轮固定安装在一起，因而位于每个转向节2上的三个信号发射器的坐标值在车辆行驶过程中也会不断变化。
50.本实施例中，信号发射器是电磁波信号发射器，车载电脑上的计时器计算信号接收器接收到信号与信号发射器发射信号的时间差，所述的时间差乘以电磁波在空气中的传播速度即得到三个信号发射器分别与对应的三个信号接收器之间的距离为a、b、c。
51.设转向节2上的三个信号发射器在车身三维坐标系统中的坐标分别为：第一点：x01(t)，y01(t)，z01(t)、第二点：x02(t)，y02(t)，z02(t)、第三点：x03(t)，y03(t)，z03(t)，其中t表示t时刻某一点的坐标值。
52.完成车身三维坐标系建立后，三个信号接收器的坐标值是已知的，三个信号接收器的坐标值结合三个信号发射器分别与对应的三个信号接收器的之间的距离a、b、c，车载电脑计算得到三个信号发射器的坐标值，图4为通过信号接收器坐标及信号接收器与信号发射器之间的距离获取信号发射器坐标的原理图。
53.车轮1通过轮毂3及轴承4与转向节2连接，车轮绕着旋转轴线5旋转；在车轮不断旋转的过程中，旋转轴线5与转向节2始终保证恒定的相对位置关系，因此通过转向节上三个信号发射器的位置，结合存储于车载电脑的车轮尺寸以及信号发射器距离车轮圆心的距离值，可以获得旋转轴线5上的车轮内侧面中心点以及车轮外侧面中心点的坐标值。
54.设车轮内侧面中心点坐标为x1(t)，y1(t)，z1(t)，车轮外侧面中心点坐标为x2(t)，y2(t)，z2(t)，其中t表示t时刻某一点的坐标值；车轮内侧面中心点以及车轮外侧面中心点的连线可以形成车轮旋转轴线5。
55.基于转向节上的三个信号发射器的坐标值，同时结合信号发射器距离车轮圆心的距离值，可以得出车轮一个侧面圆心的坐标值，结合车轮尺寸，如车轮内侧面中心点至车轮外侧面中心点的距离值，可得出车轮另外一个侧面圆心的坐标值，即求出了x1(t)，y1(t)，z1(t)，x2(t)，y2(t)，z2(t)，其中t表示t时刻某一点的坐标值；。
56.两点确定一条直线，基于车轮内侧面中心点以及车轮外侧面中心点的坐标值，获得车轮旋转轴线的空间向量；
57.本发明对转向节2上的三个信号发射器点的坐标、车轮内侧面中心点以及车轮外侧面中心点的坐标值进行计算，过程如下：
58.转向节2上的三个信号发生器可以确定一个圆平面，且该圆平面的法向量与车轮转动中心平行。
59.因此，可以通过圆平面的法向量的方向，间接获取到车轮旋转轴线5的方向，依据法向量与车身坐标系中xy平面和yz平面的夹角，获取到车辆的外倾角与前束角。
60.位于一个转向节2上的三个信号发射器确定一个圆平面，依据空间几何坐标系原理，三点确定平面的法向量公式为：
[0061][0062]
其中，a、b、c为中间参数，其计算公式为：
[0063]
a＝(y2-y1)*(z3-z1)-(y3-y1)*(z2-z1)
[0064]
b＝(z2-z1)*(x3-x1)-(z3-z1)*(x2-x1)
[0065]
c＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)
[0066]
旋转轴线5垂直于三个信号发射器确定的圆平面；依据车轮旋转轴线的方向向量方向与三个信号发射器确定的圆平面的法向量方向相同，可以得出车轮旋转轴线向量为：
[0067]
其中:
[0068]a车轮
＝(y02-y01)*(z03-z01)-(y03-y01)*(z02-z01)
[0069]b车轮
＝(z02-z01)*(x03-x01)-(z03-z01)*(x02-x01)
[0070]c车轮
＝(x02-x01)*(y03-y01)-(x03-x01)*(y02-y01)
[0071]
i、j、k为与x轴，y轴，z轴方向相同的单位向量,单位向量是指模等于1的向量，a
车轮
、b
车轮
、c
车轮
为中间参数。
[0072]
进一步的，基于空间向量角度，可换算获得车轮外倾角与前束角；
[0073]
其中，车轮旋转轴线向量与车身坐标系中xy平面的夹角等于车轮外倾角，记为α(t)；车轮旋转轴线向量与车身坐标系中yz平面的夹角等于车轮前束角，记为β(t)。
[0074]
换算公式为：
[0075]
车轮外倾角
[0076]
车轮前束角
[0077]
步骤四：将获得车轮外倾角和前束角的实时数值，与预先设定的范围做对比，实时监控车辆运行状态；
[0078]
由于信号发射器输出的信号是动态实时的，因此本发明测量方法对车辆四轮定位信息的测量和监测也是动态实时的；也可以设置信号发射器的发射频率，如每5秒或每10秒发射一次信号；将测得的外倾角、前束角、车轮内外点坐标随时间动态变化的值记录在行车电脑中，并通过显示器进行显示，实现车轮运行状态的监测和记录；车载电脑存储有预先设定的外倾角及前束角合格范围，如测得的外倾角或前束角不在预先设定的合格范围内，则应当对车辆轮胎进行保养维修处理，本发明还可以接入四轮定位参数超差预警系统，提醒驾驶员对车辆进行维修保养。
[0079]
一种用于测量车轮外倾角与前束角的系统，包括多个信号发射器，多个信号接收器及车载电脑，所述的多个信号发射器位于车辆的转向节2上；本实施例中，每个转向节2上设置三个信号发射器，分别为第一信号发射器6、第二信号发射器7、第三信号发射器8，所述的三个信号发射器位于同一个圆平面的圆周上，所述的圆平面与车轮外侧面共圆心，所述的多个信号接收器位于车身除车轮以外的部位；所述的多个信号发射器及多个信号接收器均与车载电脑连接。
[0080]
最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0081]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关
系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
技术特征：1.一种测量车轮外倾角与前束角的方法，其特征在于包括以下步骤：在与车轮(1)相连的每个转向节(2)上布置多个信号发射器，在车身上布置信号接收器(9)，所述的信号发射器及信号接收器(9)均与车载电脑连接；建立车身三维坐标系统；汽车行驶过程中，信号接收器接收信号发射器发射的信号，计算每个信号接收器在车身坐标系中的坐标值，求得车轮外倾角与前束角；将获得的车轮外倾角和前束角的实时数值，与预先设定的范围做对比，实时监控车辆运行状态。2.如权利要求1所述的一种测量车轮外倾角与前束角的方法，其特征在于所述的每个转向节(2)上设置三个信号发射器，分别为第一信号发射器(6)、第二信号发射器(7)、第三信号发射器(8)。3.如权利要求2所述的一种测量车轮外倾角与前束角的方法，其特征在于所述的三个信号发射器位于同一个圆平面的圆周上，车轮围绕旋转轴线(5)旋转，所述圆平面的圆心在旋转轴线(5)上。4.如权利要求1所述的一种测量车轮外倾角与前束角的方法，其特征在于所述的车轮外倾角其中b
车轮
、c
车轮
的计算公式为：c
车轮
＝(x02-x01)*(y03-y01)-(x03-x01)*(y02-y01)，b
车轮
＝(z02-z01)*(x03-x01)-(z03-z01)*(x02-x01)，其中x01、y01、z01为第一信号发射器(6)的坐标值；x02、y02、z02为第二信号发射器(7)的坐标值；x03、y03、z03为第一信号发射器(8)的坐标值。5.如权利要求1所述的一种测量车轮外倾角与前束角的方法，其特征在于所述的车轮前束角其中，a
车轮
的计算公式为：a
车轮
＝(y02-y01)*(z03-z01)-(y03-y01)*(z02-z01)。6.如权利要求1所述的测量车轮外倾角与前束角的方法，其特征在于所述的每个信号接收器在车身坐标系中的坐标值依据信号接收器的坐标值及信号接收器与信号发射器之间的距离计算得出。7.如权利要求1所述的测量车轮外倾角与前束角的方法，其特征在于所述的信号发射器为电磁波信号发射器，电磁波在空气中的传播速度乘以信号发射与信号接收之间的时间差得出信号接收器与信号发射器之间的距离。8.一种用于测量车轮外倾角与前束角的系统，包括多个信号发射器、多个信号接收器(9)及车载电脑，所述的多个信号发射器位于车辆的转向节(2)上；所述的多个信号发射器位于同一个圆平面的圆周上，所述圆平面的圆心位于车轮旋转轴线(5)上，所述的多个信号接收器位于车身上，所述的多个信号发射器及多个信号接收器均与车载电脑连接，所述的信号接收器(9)用于接收信号发射器发出的信号。
9.如权利要求8所述的用于测量车轮外倾角与前束角的系统，其特征在于所述的多个信号接收器位于车身除车轮以外的部位。10.如权利要求8所述的用于测量车轮外倾角与前束角的系统，其特征在于所述的每个转向节(2)上设置有三个螺纹孔，三个螺纹孔所确定的圆平面与车轮的旋转轴线(5)垂直，通过螺栓及所述的螺纹孔将信号发射器固定在转向节(2)上。
技术总结本发明公开一种测量车轮外倾角与前束角的方法及系统，包括在与车轮相连的每个转向节上布置多个信号发射器，所述的信号发射器连接车载电脑；在车身上布置信号接收器，所述的信号接收器与车载电脑相连，建立车身三维坐标系统；汽车行驶过程中，信号接收器接收信号发射器发射的信号，计算每个信号接收器在车身坐标系中的坐标值，求得车轮外倾角与前束角；将获得的车轮外倾角和前束角的实时数值，与预先设定的范围做对比，实时监控车辆运行状态；本发明可以实时监测车辆在不同行驶工况下的车轮外倾角及前束角的参数变化情况，以便及时对轮胎进行保养及维修。胎进行保养及维修。胎进行保养及维修。
技术研发人员：邹衍 吴宗乐 黄义民 张静雯 乔德林
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
