一种基于全新测量理念的车轮定位仪.docx
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一种基于全新测量理念的车轮定位仪
一种基于全新测量理念的车轮定位仪
由于汽车工业和交通运输的发展,汽车数量的增加和品质的提高,特别是高速公路和快速路的扩延和实际行驶车速的提高,正确的车轮定位已不仅仅是为了单纯的减少轮胎的不正常磨损,更重要的它是安全行驶的重要保证。
因此作为检测和校正车轮定位的关键设备—四轮定位仪,也就自然成为汽车生产厂家和维修厂及专修店的重要检测设备之一。
快速、准确、简单、可靠、购置和运行成本-这些往往成为选择四轮定位仪器的主要指标和要求。
就像其它产品一样,产品的技术含量是决定产品性能的关键因素之一。
在车轮定位仪的发展历史上经历了拉线(拉尺)、光学,电子(4、6、8传感器)、CCD、V3D等不同的技术发展阶段。
在此,我们想以目前定位仪中技术含量较高、具有代表性的定位仪与当前最为先进的采用V3D测量技术的定位仪进行对比,并针对使用中的实际需求对V3D测量技术做一简单介绍,与广大读者朋友共同探讨四轮定位仪技术和实际使用的发展趋势。
一.在车轮定位测量中常遇到的问题
1.举升器水平度校准:
一般情况下,在进行车轮定位时都需要一个专用的举升器(前部要放置测量转盘,后部要有滑动板),对于绝大多数定位仪,其测量原理上要求:
需要该举升器的台面在不同的高度上都要保持水平。
而在使用中,台面水平度难免会发生变化,造成测量误差。
为了保证测量的准确性,维修人员需要定期对举升设备进行水平度的检查和调整
2.测量速度:
根据统计,除了正确识别车型和输入必要的客户信息以外,做车轮定位所花费的大多数时间是用在安装测量单元和进行轮缘摆差的校正上(必须升起车辆使车轮自由转动,以便对相应车轮进行校正补偿),从而花费较多的时间,降低了整个作业的速度。
3.测量精度:
要保证测量精度,涉及的方面较多,扣除人为操作的原因,单从仪器系统看,涉及其测量原理、测量方式、传感器类型、信号传输、软件硬件等主要因素。
4.安全可靠:
通常,定位测量时必须在轮胎上安装测量单元(系统的关键电子器件—价格较贵),还可能需要在测量单元与主机之间连接数据传输线(现在很多系统已采用无线或蓝牙技术),在使用和调整操作中,往往由于意外的原因,致使测量单元和线路的损伤,为了保证测量精度,必须定期进行维护和系统标定。
5.运营成本:
由于上述原因,致使运营成本较高
二.V3D系统的测量原理
对于传统的车轮定位仪,其测量原理大家都比较熟悉了,不再赘述。
这里,我们仅对V3D系统的测量原理做一个简单的介绍:
1、V3D的创意
1985年,美国加州圣何塞市有一位工程师看到一辆停放在路边的小汽车有着明显的车轮外倾定位问题(见“图1”),受此事件启示,该工程师有了一个灵感。
他试想:
我们用肉眼都能发现车轮定位问题,那么能否用机器代替人来更精确地检测车轮定位问题呢?
后来他想到了:
用照相机来代替人的眼睛接收信号,用计算机代替人的大脑处理信号。
逐步创立了V3D定位理论模型。
随着计算机技术和数字技术的发展,10年后美国FMC公司生产出第一台具有三维数字成像功能的V3D定位仪。
V3D定位仪的出现使车轮定位检测技术向前发展了一大步,车轮定位技术开始了三维数字成像时代。
图1:
有着明显车轮定位问题的汽车
2、V3D技术的理论基础
1)透视及透视缩短原理
若想让机器“看见”车轮的定位角度,需要应用到物体的光学透视原理和透视缩短原理。
透视原理用于测量物体移动的距离;透视缩短原理用于测量物体旋转的角度。
我们从“图2”中可以看到:
根据透视原理,铅笔由近及远时,所产生的视觉效果是铅笔的视觉尺寸会变得越来越小,所谓物像的近大远小;根据透视缩短原理,一个圆环沿纵轴方向旋转时,圆的水平尺寸将变得越来越短,逐渐变成一条线段(其长度是圆的直径),继续旋转时,圆环由线段逐渐伸展为椭圆,直至变成一个满圆。
旋转过程时,视觉中不变的尺寸是圆的转轴长度,依据视觉中椭圆形状,我们可计算出圆环沿纵轴方向所转过的角度。
同样,我们也可计算出圆环沿横轴方向所转过的角度。
圆环的横轴旋转和纵轴旋转放果的叠加,我可计算出三维空间任意方向上圆环所转过的角度及其转轴的空间位置。
图2:
透视与透视缩短现象
2)计算物体的距离与转角
我们如果知道了观测点至被观测物的距离和被观测物的实际尺寸,我们就可以通过软件计算出我们想确定的定位尺寸。
因此首先要确定照相机至被观察物体的距离,这可以根据“图3”和基本三角公式确定:
图3:
计算相机与物体之间的距离
“图3”中焦距F和被观察物体实际尺寸P已知,被观察物体在焦距点处的成像尺寸A是由软件计算出。
首先计算角度r和Z:
tanr=(A/2)/F和Z=(P/2)/sinr
由于我们知道了A,F,P和Z,就可以利用下述公式计算出D:
D=(P/2)/tanr或Z2=(P/2)2+D2
同样,我们也可以根据“图4”计算出被观测物体倾斜的实际角度R:
图4:
计算物体旋转的角度
3)为何要选择“圆”
V3D之所以选择圆作为观测物体(目标)是由圆的几何特性所决定的。
圆是轴对称图形,也是中心对称图形,且圆心到圆周上各点尺寸是一样的。
是进行透视及透视缩短操作最理想的图形。
图5:
理想的观测物体—圆
当一个圆向远处移动时,看起来会逐渐变小,参见“图6”。
若事先知道该圆的实际尺寸,我们就可以计算出该圆与观察点的距离。
图6:
圆移动时的视觉效果
如“图7”所示。
当圆向左或向右旋转时,其宽度看起来也会变小;当圆向前或向后旋转时,其高度看起来也会变小。
借助于上述宽度和高度外观上的变化,就可以计算转动角度。
图7:
圆转动时的视觉效果
3、V3D的组件
V3D定位仪使用的目标盘是经过特殊设计的,其上面有若干个圆斑,圆斑是由特殊的反光材料制成,非对称排列且大小不等,以便利用圆的透视和透视缩短特性,并且相互校验。
目标盘只是一个被动的反光板,其上没有任何连接线路和感应性的电子器件。
图8:
特制的目标盘
V3D的照相机是由一系列发光二极管(LED)和CCD照相机组成(见“图9”)。
发光二极管用于照亮目标盘。
光线照到目标盘时并反射回来被照相机接收。
这些圆的映像经软件处理,以确定距离和角度。
LED灯所发出光线的亮度非常高。
目标盘反射回来的光被过滤,只允许LED光被使用。
LED光每次闪光,照相机都捕捉到一张映像(见“图10”)。
图9:
V3D定位仪照相机
图10:
LED灯工作原理
4、3D模式
1)定位角度表达
如上面所述,根据透视原理,V3D测量系统可测量出目标盘所移动的距离;根据透视缩短原理,当圆环沿纵轴旋转时,我们可以此方式测量出前束角的变化。
当圆环沿横轴旋转时,我们可以此方式测量出主销后倾角的变化。
如“图11”所示,将目标盘通过夹具以特定角度安装在车轮上,当前后推动车辆时,车轮及目标盘随之前后滚动,这一过程中目标盘的对称线将形成一组矢量曲面,两条对称线之间的夹角叫矢量角,通过矢量角,我们可计算出车轮外倾角的变化。
图11:
距离、前束、后倾角及外倾角的测量
2)建立测量基准平面-车身平面
V3D在建立模型时首先确定四个车轮旋转轴线,再由四个轴线确定车轴平面,即车身平面,这个平面是V3D测量系统的测量基准平面。
这个基准平面的优点是不依赖于重力或重力传感器。
图12:
建立车身平面
3)后倾角测量模式
如“图13”所示,以前车轮轴心为交点,做车身平面的垂线(图中虚箭头线所示),此线即是V3D测量系统测量主销后倾角的基准,即此线后倾角等于0。
此基准线不受举升设备台面的水平程度影响。
图13:
确立主销后倾角测量基准
我们做个实验,将车体向后倾斜,来测量主销后倾角值是否变化。
由于基准平面的倾斜,基于重力原理的定位仪此时会显示出后倾角的变化;由于V3D的参考平面是车身平面,V3D测量系统测量的后倾角仍然是0度,没有变化,如“图14”所示。
实验中,我们只是降低了车身后部,实际上主销后倾角没有变化,而V3D测量系统真实地反映了这一情况。
图14:
车体后倾时测试后倾角
4)外倾角测量模式
如“图15”所示,以车轮底边中点为交点,做车轴的垂线(图中虚箭头线所示),此线即是V3D测量系统测量外倾角的基准,即此线外倾角等于0。
此基准线不受举升设备台面的水平程度影响。
图15:
确立车轮外倾角测量基准
我们再做一个实验,将车体向一侧倾斜,来测量车轮外倾角值是否变化。
由于基准平面的倾斜,基于重力原理的定位仪此时会显示出外倾角的变化;由于V3D的参考平面是车身平面,V3D测量系统测量的外倾角仍然是0度,没有变化,如“图16”所示。
实验中,我们只是将车体向一侧倾斜,实际上外倾角没有变化,而V3D测量系统真实地反映了这一情况。
图16:
车体向一侧倾斜时测试外倾角
三、与传统定位仪的比较
从上述介绍可以看出V3D系统在设计理念和测量原理上不同于传统的定位仪,它力图通过直接成像技术反映更接近实际的车轮定位状态,尽可能避免传统定位仪的不足,以满足维修的实际需求。
下面我们仅就以下几个方面做一个简单的比较和概括。
1.定位基准:
理论上讲,做车轮定位是通过定位基准面来检测汽车车轮轮轴的状态,从而获得车轮的各个定位角度值。
对于传统的定位仪,通常是以重力方向为定位角度基准的。
进行测量时以汽车所停放的平面(举升机台面或地面)为基准平面,通过标定正确的倾角传感器来计算举升设备的水平状态和测量车轮相应的角度。
因此,基准平面的水平程度和倾角传感器标定精度直接影响定位结果的准确性。
事实上,无论对于地面或举升机台面都难以达到绝对水平的。
在实际使用中,我们常需对举升机台面进行定期或不定期的水平标定(亦称为校准),以确保基准平面接近理想状态。
根据前面的介绍,对于V3D定位仪是直接以车轮轮轴为基准所确定的三个相互垂直的平面(即:
轮轴平面、车轮平面和车身平面)为定位基准(见图13,其中:
目标盘是倾斜的,其对称线与轮轴线相交形成轮轴中心点。
车身平面是由每个车轮轮轴所在的中心点连接形成的;通过左右轴线中心点垂直于车身平面可得到轮轴平面,是主销后倾的基准面;通过轮轴中心点做与车身平面、轮轴平面垂直的车轮平面,是前束角、外倾角及主销内倾角的基准面),因此对汽车所停放的平面的水平程度没有严格的要求,只要确保车辆不发生滚落即可。
图15:
V3D定位仪基准平面
图16传统定位仪形成测量四边形的示意图
2.测量原理:
对于传统的定位仪,其系统是由计算机主机、信息主板和4个测量传感器及传输电缆等基本元件构成。
每个测量传感器分别由红外线发射器和接收器组成,四个测量传感器发射和接收光电信号,确定了U型或矩型闭合平面(如图14),通过对测量传感器进行钢圈补偿以确定钢圈的平均平面,同时测量传感器中的倾角传感器为测量定位角度提供了重力方向上的定位基准,从而间接测量出轮轴状态,实现定位角度的测量。
而对于V3D定位仪,其系统是由计算机主机、信息主板、高性能数字照相机和4个目标盘等基本元件构成。
照相机的发光二极管不断发射固定频率的红外线,目标盘接收到光线后,将光线反射给照相机进行成像,照相机将所成图像与事先储存在电脑中的图像数据进行比较后,精确地计算出目标与相机间距离,再通过数据处理后,计算出车辆相关尺寸,得出相应四轮定位数据。
利用高技术的数字相机和V3D技术,计算出车辆车身平面、轮轴平面和每一个车轮的车轮平面。
利用三个平面的几何关系确定车辆的四轮定位数据,并将这些数据与原厂数据进行比较,告知操作人需要调整的角度信息。
3.测量方式:
对于传统的定位仪,是通过带有倾角传感器的测量传感器来实现光电信号的转换,实现定位测量。
对于V3D定位仪,是通过照相机来实现光电数字成像,实现定位测量。
4.信号传输:
对于传统的定位仪,进行车轮定位时,每个车轮上安装测量传感器(亦称测量头),其所检测的信号通过专用电缆或无线信号发射/接收装置与计算机进行通讯。
对于V3D定位仪,在进行车轮定位时,每个车轮上安装的是反光盘(亦称目标盘),反光盘反射来自照相机总成中LED灯发出的红外线,并被数字相机接收,生成数字信号,再由计算机处理该信号。
信号传输过程中,相机与安装在车轮上的目标盘之间无需任何线的连接。
5.软件:
对于传统的定位仪,如果是六束测量传感器机型主要是测量前轮的定位基本值;如果是八束测量传感器机型可以测量所有定位角度。
对于这两类机型,都不能单独仅对某个车轮进行测量。
对于V3D定位仪,所进行的定位测量是实时的,能够对四个车轮中任何一个车轮单独进行定位。
通过特制的目标盘,可自动测量或自动输入车身高度和轮胎高度。
6.硬件:
对于传统的定位仪,测量传感器内有倾角传感器、集成电路板、光电转换部件、光学部件,其质量比较重、易有电路故障、磕碰易于损坏、价格昂贵。
对于V3D定位仪,由目标盘取代了传统定位仪中的测量传感器,其上无任何电子器件,无需任何线连接,取用轻便,价格便易。
7.精确性:
对于传统的定位仪,是以间接的方式测量出所测量车辆的轮轴状态,其精确性需考虑定位测量时举升机的水平程度、轮胎气压、测量传感器的测量精度等因素。
对于V3D定位仪,是以直接成像的方式测量出所测量车辆的轮轴状态,确保了定位结果的精确性,其精确性由特制的目标盘、高品质照相机及软件来保证。
8.测量速度:
对于传统的定位仪,由其测量原理所决定,完整的四轮定位操作,必须做车轮的钢圈补偿,否则会影响四轮定位测量结果的准确性。
再加上反复调整测量传感器的水平等操作。
若想得车辆的基本定位数值,这一过程平均需要10分钟。
对于V3D定位仪,由其测量原理所决定,做四轮定位时无需进行钢圈补偿操作,只需将车轮进行前后滚动20cm(通过轮轴轴线所形成的矢量线测得车轮外倾角和前束角),即可获得车辆的基本定位数值。
比如,美国的JohnBeanV3D定位仪,由于无需对其目标盘调节水平和进行轮胎补偿校正,这一过程仅需1分11秒。
可谓当前最快的定位测量速度。
9.定位操作:
对于传统的定位仪,操作时测量传感器的传输信号易于被遮挡。
定位操作步骤繁锁。
对于V3D定位仪,因照相机高高地立于车辆及举升机的正前方,不易发生传输信号的遮挡问题。
且定位操作步骤简化。
10.标定维护:
为确保测量结果的准确性,对于传统的定位仪,需要定期进行举升台面的水平标定,以及测量传感器的横角及顺角的标定。
对于V3D定位仪,无需像传统定位仪那样进行定期标定,如果说有标定,只需进行照相机相对位置识别的标定(RCP标定),此标定在出厂时已完成,一旦正确安装后,用户处无需再做此标定。
11.成本核算:
对于传统的定位仪,测量传感器的成本在整个定位仪中所占比重比较大,因其易于损坏和发生故障,保修期过后用户的维修成本较高。
由于测量速度较低,其工作效率也较低。
对于V3D定位仪,其外部电子器件少,即使价格较贵的照相机,因其技术成熟、耐用,且因其安装位置远离作业空间,安全性较好,日后维护成本也较低。
因其无与伦比的测量速度,是当前工作效率最高的定位仪。
结语:
V3D测量系统是一种基于全新测量理念的车轮定位仪。
测量基准科学,它提供了一种革命性的测量方式,其速度快,准确性好,可靠性高,维护成本低。
对车轮定位仪技术的发展起着导向作用。
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