汽車四輪定位參數(shù)姿態(tài)測(cè)量方法研究

潘夢(mèng)鷂，陳少偉，林土勝，郇銳鐵，王 鋒，劉育清

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510510; 2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640;3.廣州市機(jī)動(dòng)車檢測(cè)行業(yè)學(xué)會(huì)，廣東 廣州 510410）

0 引 言

汽車四輪定位包括前輪和后輪定位，即轉(zhuǎn)向輪和非轉(zhuǎn)向輪定位。轉(zhuǎn)向輪定位是指轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)（主銷）和車軸三者之間保持一定的安裝位置，保證汽車直線行駛的操縱穩(wěn)定性，包括車輪定位參數(shù)（外傾角γw與前束角αw）、主銷定位參數(shù)（內(nèi)傾角γk與后傾角θk）；非轉(zhuǎn)向輪定位是指非轉(zhuǎn)向輪和車軸兩者之間保持一定的安裝位置，包括車輪定位參數(shù)（外傾角γw與前束角αw）。車輪定位參數(shù)、主銷定位參數(shù)分別沿車輪旋轉(zhuǎn)軸線、主銷轉(zhuǎn)向軸線設(shè)計(jì)[1-2]。

車輪外傾角γw是指車輪旋轉(zhuǎn)平面與縱向垂直平面之間的夾角，如圖1（a）所示。γw用于防止車輪內(nèi)傾，γw過(guò)大會(huì)造成輪胎磨損，同軸兩車輪γw不等會(huì)造成車輪行駛跑偏。

圖1 車輪定位角示意圖

車輪前束是指同軸兩車輪旋轉(zhuǎn)平面不平行，車輪前端向內(nèi)收的現(xiàn)象。車輪前束角αw是指車輪旋轉(zhuǎn)平面與車輪輪心前進(jìn)方向的夾角，如圖1（b）所示。αw用于消除車輪外傾角帶來(lái)車輪側(cè)向滑移的影響，αw過(guò)大會(huì)造成輪胎側(cè)滑、磨損，甚至爆胎[3]。

主銷內(nèi)傾角γk是指安裝在轉(zhuǎn)向輪的主銷向內(nèi)傾斜一定的角度，如圖1（c）所示。γk用于保證轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正和轉(zhuǎn)向操縱輕便，以及汽車直線行駛的操縱穩(wěn)定性。γk越大，轉(zhuǎn)向輪回正力矩越大，汽車直線行駛穩(wěn)定性越好；γk過(guò)大會(huì)造成輪胎磨損增大，同軸兩車輪γk不等會(huì)造成緊急制動(dòng)跑偏。

主銷后傾角θk是指安裝在轉(zhuǎn)向輪的主銷向后傾斜一定的角度，如圖1（d）所示。θk主要用于保證轉(zhuǎn)向輪的自動(dòng)回正，以及汽車直線行駛的操縱穩(wěn)定性。θk越大，轉(zhuǎn)向輪回正力矩越大，汽車直線行駛穩(wěn)定性越好；θk過(guò)大會(huì)造成方向回正過(guò)快、過(guò)猛[4]。

傳統(tǒng)汽車四輪定位參數(shù)測(cè)量方法包括靜態(tài)測(cè)量方法和動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，車輛需要開到特定的維修廠、檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用專用的、復(fù)雜的臺(tái)架進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果僅對(duì)檢測(cè)時(shí)點(diǎn)有效，無(wú)法了解四輪定位參數(shù)的變化趨勢(shì)，不能真實(shí)反映四輪定位參數(shù)的實(shí)際變化情況。靜態(tài)測(cè)量方法是指汽車在靜止?fàn)顟B(tài)下，使用氣泡水準(zhǔn)式、光學(xué)式、拉線式、激光式、紅外線式、CCD圖像式、3D影像式等四輪定位儀測(cè)量四輪定位值，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、價(jià)格高、測(cè)量速度慢、重復(fù)性差，可測(cè)量四輪定位參數(shù)（γw,αw,γk,θk），廣泛應(yīng)用于汽車維修廠。動(dòng)態(tài)測(cè)量方法是指汽車在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，使用滾筒式或滑板式側(cè)滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量車輪側(cè)滑量。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、價(jià)格高、測(cè)量速度快，只能測(cè)量側(cè)滑參數(shù)，一般應(yīng)用于汽車檢測(cè)線。

在汽車行駛過(guò)程中，車輪作為與地面接觸的唯一零部件，承擔(dān)整車轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、載荷、驅(qū)動(dòng)等功能，四輪定位參數(shù)用于保證汽車直線行駛的操縱穩(wěn)定性，對(duì)于汽車的安全行駛極其重要。車輪定位參數(shù)是運(yùn)動(dòng)、大小變化的參數(shù)，在汽車行駛過(guò)程中，一方面車輪受到車輪法向力、縱向力、側(cè)向力和回正力矩、翻轉(zhuǎn)力矩、滾動(dòng)阻力矩等六分力影響，另一方面受到懸架減震器、輪轂輪輞等零件磨損、碰撞、變形、更換及輪胎壓變化影響，使車輪定位參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪回正力矩小、轉(zhuǎn)向擺振、行駛跑偏、輪胎磨損及爆胎等故障。國(guó)家立法對(duì)四輪定位參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格限制，在汽車出廠時(shí)，制造廠設(shè)定四輪定位參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)限值，在汽車使用過(guò)程中，維修廠或檢測(cè)機(jī)構(gòu)按照標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)車輪定位參數(shù)的失準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整[5]。

車輪作為汽車行駛過(guò)程中與地面接觸部件，隨著集成傳感技術(shù)和無(wú)線傳感技術(shù)的發(fā)展，如果在車輪安裝傳感器應(yīng)該可以得到最直接、真實(shí)、豐富的車輪定位參數(shù)信息。本文提出一種輪載式智能傳感 （wheel embedded intelligent sensors,WEIS）來(lái)全面地獲取汽車實(shí)時(shí)四輪定位參數(shù)的監(jiān)測(cè)技術(shù)[6-7]。通過(guò)在4個(gè)車輪安置一個(gè)智能三維加速度傳感單元，對(duì)車輪定位角度進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，建立全新的主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角姿態(tài)計(jì)算模型獲得四輪定位參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車四輪定位參數(shù)的直接、準(zhǔn)確、快速檢測(cè)[8]。

1 四輪定位參數(shù)測(cè)量方案及原理

在汽車行駛過(guò)程中，四輪定位參數(shù)（γw,αw,γk,θk）隨車輛的使用和零部件的磨損而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

1.1 四輪定位參數(shù)測(cè)量方案

圖2所示車輪傳感模塊安裝示意圖，通過(guò)在車輪輪轂安置的智能傳感模塊感知車輪的向心加速度、切向加速度和側(cè)向加速度，進(jìn)行四輪定位參數(shù)測(cè)量[9-10]。

圖2 車輪傳感模塊安裝示意圖

1.2 四輪定位參數(shù)測(cè)量的原理流程框圖

圖3為四輪定位參數(shù)測(cè)量原理流程框圖，其基本思路是：在車輪i（i=1～4）輪轂安裝1個(gè)智能加速度傳感單元獲取信息（amx,amy,amz），由車身與車輪在輪心聯(lián)接的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)關(guān)系、姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣Cbw，在車輪旋轉(zhuǎn)角θw=0°狀態(tài)，建立車輪外傾角、車輪前束角計(jì)算模型，計(jì)算出車輪外傾角γw、車輪前束角αw；由轉(zhuǎn)向系與轉(zhuǎn)向輪在主銷聯(lián)接的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)關(guān)系、姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣Ckw，在車輪旋轉(zhuǎn)角θw=0°，轉(zhuǎn)向輪向右、向左轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度δk、-δk狀態(tài)，建立主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角計(jì)算模型，計(jì)算出主銷內(nèi)傾角γk、主銷后傾角θk。

圖3 四輪定位參數(shù)測(cè)量原理流程框圖

1.3 四輪定位參數(shù)數(shù)學(xué)模型

1.3.1 基本坐標(biāo)系

1）車身坐標(biāo)系ObXbYbZb（body，即b系）。坐標(biāo)原點(diǎn)Ob為車輛質(zhì)心，坐標(biāo)系與車身固聯(lián)；Xb軸平行于地面指向車輛前進(jìn)方向；Yb軸平行于地面指向駕駛員左側(cè)方向；Zb軸垂直于Xb和Yb軸，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖4（a）車身坐標(biāo)系所示。

2）輪心坐標(biāo)系OwXwYwZw（wheel，即w系）。坐標(biāo)原點(diǎn)Ow為車輪軸心，坐標(biāo)系與車輪固聯(lián)，隨車輪一起平移和旋轉(zhuǎn)；Yw軸在車輪中心平面內(nèi)，沿車輪旋轉(zhuǎn)軸指向車輪左側(cè)方向；Zw軸沿車輪半徑指向輪轂傳感模塊原點(diǎn)方向；Xw軸垂直于Yw和Zw軸，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖4（b）輪心坐標(biāo)系所示。

3）主銷坐標(biāo)系OkXkYkZk（kingpin，即k系）。坐標(biāo)原點(diǎn)Ok為車輪軸心，坐標(biāo)系與主銷固聯(lián)，不隨車輪旋轉(zhuǎn)；Zk軸沿主銷指向圓心反方向；Xk軸方向?yàn)檐囕喼行钠矫媾c過(guò)原點(diǎn)Ok垂直Zk軸平面的交線指向圓心反方向；Yk軸垂直于Xk和Zk軸，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖4（c）主銷坐標(biāo)系所示。

圖4 基本坐標(biāo)系

1.3.2 不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1）車身坐標(biāo)b系與輪心坐標(biāo)w系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

車身姿態(tài)角從車身坐標(biāo)b系轉(zhuǎn)換到輪心坐標(biāo)w系，車輪通過(guò)輪心旋轉(zhuǎn)軸線，相對(duì)b系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。w系相對(duì)b系的位置關(guān)系采用歐拉角（γw,θw,αw）表示。圖5（a）、（b）分別為車輪姿態(tài)角的空間表達(dá)和平面表達(dá)。

圖5 車輪姿態(tài)角

假設(shè)b系保持各軸方向不變，從車輛質(zhì)心平移到車輪輪心位置，通過(guò)Rz（αw）使Ob（Ow）XbXw垂直于地面、Ry（θw）使XbOb與OwXw重合、Rx（γw）使ObYb與OwYw重合3個(gè)旋轉(zhuǎn)順序，最后各軸方向與w系一致的狀態(tài)（見圖6）。b系到w系轉(zhuǎn)換矩陣為：

圖6 b系到w系的轉(zhuǎn)換途徑

由式（1）計(jì)算得到：

2）輪心坐標(biāo)w系與主銷坐標(biāo)k系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

車輪姿態(tài)角從輪心坐標(biāo)w系轉(zhuǎn)換到主銷坐標(biāo)k系，車輪通過(guò)主銷轉(zhuǎn)向軸線，相對(duì)w系轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。k系相對(duì)w系的位置關(guān)系采用歐拉角（γk,θk,δk）表示。物理意義為：①主銷內(nèi)傾角γk∈[-1?1?）是繞Xk軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角；②主銷后傾角θk∈[0∞）是繞Yk軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角；③轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角Δk∈[-ππ）是繞Zk軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角。圖7為主銷內(nèi)傾角、后傾角的空間表達(dá)。

圖7 主銷內(nèi)傾角、后傾角的空間表達(dá)

假設(shè)w系保持各軸方向不變，通過(guò)Rz（δk）使Ow（Ok）XwXk垂直于地面、Ry（θk）使OwXw與OkXk重合、Rx（γk）使OwYw與OkYk重合3個(gè)旋轉(zhuǎn)順序，最后各軸方向與k系一致的狀態(tài)（見圖8）。

圖8 w系到k系的轉(zhuǎn)換途徑

w系到k系轉(zhuǎn)換矩陣為：

由式（3）計(jì)算得到：

1.3.3 車輪外傾角γw、車輪前束角αw的計(jì)算

假設(shè)車輪旋轉(zhuǎn)角θw=0°，得到：

由式（6）得到：

1.3.4 主銷內(nèi)傾角γk、主銷后傾角θk的計(jì)算

根據(jù)轉(zhuǎn)向系與轉(zhuǎn)向輪在主銷聯(lián)接關(guān)系，由w系→k系的轉(zhuǎn)換矩陣Ckw，那么轉(zhuǎn)向輪輪心加速度有：

假設(shè)轉(zhuǎn)向輪繞主銷軸左右轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度δk、-δk得到：

由式（9）得到：

由式（10）得到：

2 四輪定位測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)驗(yàn)

2.1 研發(fā)

四輪定位測(cè)量系統(tǒng)硬件主要由中央控制模塊、車輪傳感模塊兩個(gè)部分組成。

1）車輪傳感模塊設(shè)計(jì)

車輪傳感模塊共有4個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)由帶Zigbee無(wú)線通信功能微處理器、三維加速度傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路、電源等部分組成，獲取車輪三維加速度數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線方式傳送給中央控制模塊。圖9為車輪傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)物，傳感節(jié)點(diǎn)由X、Y、Z三軸加速度傳感器測(cè)量。

圖9 車輪傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

2）中央控制模塊設(shè)計(jì)

中央控制模塊主要由帶ZigBee無(wú)線通信功能的中央處理器、控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信模塊、串口通信模塊等組成，用無(wú)線射頻方式與車輪傳感單元建立通信，對(duì)車輪傳感信息進(jìn)行處理。圖10為中央控制模塊實(shí)物。

圖10 中央控制模塊實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備：圖11、圖12分別為車輪傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)圖、實(shí)驗(yàn)車圖。

圖11 車輪傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)圖

圖12 實(shí)驗(yàn)車圖

實(shí)驗(yàn)車型號(hào)為豐田普銳斯，在舉升器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)采集車輪信息，以左前輪為例，實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出車輪定位參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1所示，車輪定位參數(shù)示值誤差曲線如圖13所示，測(cè)量系統(tǒng)示值誤差 （-0.01o,0o,-0.65o,-0.31o），示值方差 （0.45o,0.63o,1.00o,0.49o）。

圖13 車輪定位參數(shù)示值誤差曲線

表1 車輪定位參數(shù)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，實(shí)驗(yàn)條件下能夠直接、準(zhǔn)確、快速測(cè)量四輪定位參數(shù)大小變化[11-12]。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）傳統(tǒng)四輪定位測(cè)量方法，主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角采用幾何關(guān)系進(jìn)行間接、近似計(jì)算，無(wú)法直接測(cè)量、測(cè)量誤差大。新方法通過(guò)在車輪安置一個(gè)智能三維加速度傳感單元，對(duì)車輪定位角度進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，建立全新的主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角姿態(tài)計(jì)算模型獲得四輪定位參數(shù)。

2）傳統(tǒng)四輪定位測(cè)量方法，車輛需要開到特定的維修廠、檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用專用的、復(fù)雜的臺(tái)架進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、價(jià)格高、測(cè)量速度慢、重復(fù)性差。新方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便捷，價(jià)格便宜，可代替現(xiàn)有四輪定位儀，實(shí)現(xiàn)直接、準(zhǔn)確、快速檢測(cè)四輪定位參數(shù)。

3）新技術(shù)可以發(fā)展應(yīng)用為數(shù)據(jù)線式、藍(lán)牙式、WIFI式、5G式等新型便攜式四輪定位儀，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程對(duì)車輪四輪定位參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。