專利名稱：用加速度計感測轉向軸傾斜角和外傾角的制作方法
技術領域：
本公開在此涉及輪對準系統，以及用于測量各種相關參數的方法和裝置。更具體地，本公開涉及輪對準系統中輕量的、機械魯棒的傾斜角(inclination)傳感器的使用。
背景技術：
輪對準是調整車輛上的輪角度使得其通常垂直于地面并相互平行的過程。這種調整的目的是獲得最大輪胎壽命，以及確保車輛在沿直且水平的道路行駛時直行。
為了調整輪角度以獲得適當的輪對準，必須首先測量實際輪角度，使得然后可以計算必需的調整。在輪對準方法中所利用的兩個特定角度一般稱作“外傾角(camber)”和“輪胎緣距(toe)”。外傾角，典型地以度為單位來測量，是輪從垂直面偏離的角度。因此，外傾角是當從車輛前面觀看時所看到的輪的角度。如果輪頂部從汽車中心向外傾斜，則所述外傾角是正的；如果其朝汽車中心向內傾斜，那么所述外傾角是負的。輪胎緣距是兩個輪胎前部距離和這些輪胎后部之間距離的差。它一般以英寸的分數來測量，并且通常設置為接近零，表示所述輪基本上相互平行。“內八字(toe-in)”表示輪胎前部比后部彼此更靠近；“外八字(toe-out)”是相反的情況。
某些類型的輪對準過程涉及將光學儀器放置于車輛四輪的每一個上。所述儀器可以一起裝配在夾到每個輪的“頭”中。頭可包括發送裝置如LED發射器及接收裝置如光傳感器。在對準過程期間，每個頭的接收裝置“查看”來自兩個相鄰輪的兩個頭的發送光。在輪轉動時，由所述發送裝置在四個輪周圍所形成的光“盒”可因此由四個接收裝置感測到，并且各種角度的輪可因此而計算。然而，這樣的過程涉及某些固有的測量不準確性并可因此導致對準錯誤。例如，如果頭被不正確地夾到輪，則可導致不準確的測量。
其它對準系統已利用非光學傳感器以便測量對準角度，如擺、電解瓶和其它擺類型裝置上的磁阻傳感器。這些類型的傳感器可能不易受到光學傳感器可能遇到的搖擺和其它錯誤的影響。然而基于磁阻和擺的元件易于受到由機械震動所引起的破損和準確性問題的影響。另外的缺陷是這些類型的傳感器可經常很大且難以操縱、而且相對昂貴。
所需的是在測量頭上利用較輕、較便宜的傳感器的輪對準方法。進一步所需的是輪對準系統，其測量頭具有改進的魯棒性，能夠承受增強的機械震動而沒有破損或測量精度上的偏離。
發明內容
在此公開的方法和系統通過提供利用機械魯棒且易于使用的傾斜傳感器的輪對準系統和方法來幫助解決這些和其它問題。由在此公開的方法和系統所利用的基于熱的傳感器比常規傾斜傳感器更便宜、且更輕，使得其更易于操縱。
一方面，用于測量輪對準角度的方法包括將包括加速度計的測量頭附著于輪，并用所述加速度計相對于重力測量輪角度。
另一方面，用于測量輪對準角度的方法包括將包括加速度計的測量頭附著于輪，可操作地將熱傳感器連接到所述加速度計，用所述加速度計測量未補償的輪角度，并用熱傳感器測量加速度計所受到的溫度。該方法還包括根據未補償的輪角度和已測溫度來計算補償的輪角度。
另一方面，用于輪對準系統的測量頭包括加速度計，配置為相對于重力來測量未補償輪角度；熱傳感器，配置為測量所述加速度計所受到的溫度；以及補償器，可操作地耦合到所述加速度計和所述熱傳感器并且配置為根據未補償的輪角度和已測溫度來計算補償的輪角度。
另一方面，輪對準系統包括測量頭，包括配置為相對于重力來計算輪角度的加速度計；及計算裝置，可操作地耦合到所述測量頭并配置為接收所述輪角度并基于所述輪角度來計算輪對準參數。
本公開的另外的方面和優點將從以下詳細描述中對本領域技術人員容易變得明顯，其中簡單地通過對期望用于執行本公開的最好模式的說明而示出并描述僅示范性的實施例。如將要了解到的，本公開能夠有其它及不同實施例，并且其幾個細節在各個明顯方面能夠修改，而全部不背離本公開。相應地，附圖和描述應看做本質上是說明性的而非限制性的。
附圖示出幾個實施例并與描述一起用于解釋本公開的原理。
圖1示出由示范性輪對準系統所測量的外傾角。
圖2示出由示范性輪對準系統所測量的輪胎緣距。
圖3示出由示范性輪對準系統所測量的轉向軸傾斜角。
圖4示出示范性輪對準設置和各種角度的測量。
圖5示出用于在輪對準系統中使用的示范性基于熱的測量頭。
圖6是示出補償器電路的示意圖。
圖7示出用于在輪對準系統中使用的計算裝置。
圖8示出示范性輪對準過程。
具體實施例方式
本公開現在參考其中示出幾個實施例的附圖更充分地描述。本領域技術人員將認識到方法、設備、系統、數據結構及計算機可讀介質實現在此描述的特征、功能或使用模式。例如，設備實施例可以執行方法實施例的對應步驟或行為。
圖1示出由示范性輪對準系統所測量的外傾角。外傾角是當從車輛前面觀看時的輪100的角度，通常以度為單位測量。如果輪100的頂部從車輛中心向外傾斜，則外傾角是正的，如角度102所示。如果輪100的頂部朝車輛中心向內傾斜，則外傾角是負的，如角度104所示。
圖2示出由示范性輪對準系統所測量的輪胎緣距。兩個相鄰輪胎200和202的輪胎緣距是輪胎200和202前部之間距離204與輪胎200和202后部之間距離206的差。輪胎緣距典型地以英寸的分數為單位來測量，并且零英寸的測量值將指示輪胎200和202基本上相互平行。
圖3示出由示范性輪對準系統所測量的轉向軸傾斜角(SAI)。SAI角300典型地以度為單位，并代表當從車輛前面觀看時的轉向樞軸線。當加到外傾角時，SAI使得車輛在其輪302從筆直向前的位置轉開時輕微提升。
圖4示出示范性輪對準設置和各種角度的測量。在所述示范性設置中，車輛具有排列用于對準測試的四個輪400、402、404、406。測量頭408、410可附著于每個輪。例如，測量頭408附著于輪400，而測量頭410附著于輪406。輪402和404也可使測量頭(未示出)附著其上。
輪400到406可轉動通過距離412，同時測量頭408、410進行對各種對準角度的重力依賴測量，如以下進一步詳細描述的。例如，由測量頭408所測量的角度可包括輪胎緣距414、SAI 416及外傾角418。輪胎緣距414相對于附著于輪402的測量頭而測量，而SAI 416和外傾角418相對于重力而測量。
在一個實施例中，測量頭408、410是基于對流或熱的加速度計。一個合適的熱加速度計是微機電系統(MEMS)加速度計，其從MEMSIC，Inc ofNorth Andover，MA可購得。
如本領域技術人員將理解的，本公開的實施例可包括各種MEMS加速度計，如常規固體檢驗質量(solid proof mass)加速度計。各種常規微機械加工或MEMS裝置可被使用以便測量輪對準參數或位置(例如輪胎緣距、外傾角和SAI)。
圖5示出用于在輪對準系統中使用的示范性基于熱的測量頭。測量頭500包括熱傳感器502和熱加速度計504，如上述可購得熱加速度計。當然，在另一實施例中，測量頭500可包括另一類型的MEMS加速度計(例如固體檢驗質量)和相應的邏輯功能。
熱加速度計504可包括具有集成的混合信號處理的雙軸、線性運動傳感器。所述熱加速度計504可以測量可變和常數加速度。常數加速度的特殊情況是重力。當所述熱加速度計504靜止時(即不存在橫向或垂直加速度)，作用于加速度計的唯一力是重力。(垂直的)重力和加速度計感測軸之間的角度是傾斜角。
在一個實施例中，為了從熱加速度計504的水平方向測量傾斜角，由于所述熱加速度計的輸出(即已測的傾斜角510)代表作用于感測軸的重力加速度而執行了計算，如在日期為2002年3月21日、標題為“Inclinatin Sensingwith Thermal Accelerometers”的MEMSIC Application Note#AN-00MX-007中所描述的，其在此引入作為參考。加速度計輸出(x-軸和y-軸)和重力之間的關系由等式1和2表示，其中Ax和Ay代表加速度計輸出，g是重力引起的加速度，而α、β是傾斜角角度。
Ax＝g·sin(α)(1)Ax＝g·sin(α)(2)所述傾斜角角度可從如等式3和4所示的正弦函數的反函數來計算。
α＝sin-1(Ax/g) (3)β＝sin-1(Ax/g) (4)在另一實施例中，所述熱加速度計504可定位在垂直方向。當需要對大于90°弧的角度進行傾斜角測量值時，所述加速度計的輸出(x-軸和y-軸)可以組合以便獲得遍及360°弧范圍的角度的好的分辨率。以此途徑，一個雙軸加速度計被配置以便測量單個軸傾斜角。
在這種配置中的加速度和傾斜角角度之間的關系由等式5和6來定義。在該配置中(δ+γ)＝90°弧，這樣能夠知道δ或γ的任何一個。
Ax＝g·sin(δ)(5)Ay＝g·sin(γ)(6)等式5中的Ax關系可以改寫為等式7。等式5和6相除產生等式8。
Ax＝g·sin(-y+90°arc)＝g·cos(γ)(7)[Ay/Ax]＝[(g·sin(γ))/(g·cos(γ))]＝tan(γ) (8)因此所述傾斜角角度γ可通過應用正切函數的反函數來計算，如等式9所示。
γ＝tan-1[Ay/Ax] (9)如本領域技術人員將理解的，垂直取向的一個優點是兩個輸出共有的誤差在Ay除以Ax的信號處理中得以去除。熱加速度計的進一步細節可在MEMSIC Application Note#AN-00MX-007中找到，其也在上被參考。
再參照圖5，傾斜角輸入506由熱加速度計504接收，而溫度輸入508由熱傳感器502接收。已測傾斜角510從熱加速度計輸出，而已測溫度512從熱傳感器512輸出，且兩個信號輸入到補償器514。如本領域技術人員將理解的，當熱加速度計504暴露于不同環境溫度時靈敏度和零重力(g)偏置改變。盡管所述熱加速度計504和所述溫度傳感器502不同地示出，但是所述熱加速度計504可以引入溫度傳感器或具有相同物理封裝的其它功能。補償器514調整熱加速度計504的輸出以補償由已測溫度512所引起的溫度效應。
所述靈敏度典型地隨上升的溫度而降低，并且所述零g偏置可隨上升的溫度而增大或減小。可使用各種技術來補償溫度變化。例如，在此引入作為參考的日期為2002年4月11日、標題為“熱加速度計溫度補償”的MEMSICApplication Note#AN-00MX-002描述了一些溫度補償技術。
關于所述熱加速度計504的靈敏度的熱效應可以用等式10來表征，其中Si是在任何初始溫度Ti的靈敏度，而Sf是在任何最終溫度Tf的靈敏度，其中溫度以開爾文度(K)為單位。溫度項T的指數典型地由制造商提供，因為所述指數可依賴于熱加速度計504的結構而變化。
Si·Ti2.67=Sf·Tf2.67---(10)]]>在一個實施例中，已測溫度512可以由熱加速度計504作為輸入接收，所述熱加速度計可以將其直接用于反饋控制環以補償溫度效應。例如，所述熱傳感器502(例如常規熱敏電阻(thermistor))可用于運算放大器電路的輸入網絡。導致的反饋增益電路包括電阻器網絡以便近似加速度計靈敏度行為的反行為。所述反饋增益電路的另外的細節參考圖6在以下描述。基于熱的測量頭500的輸出516是補償的傾斜角，被調節用于補償由熱傳感器502所測量的溫度的效應。
為了用于基于熱的測量頭500，熱加速度計504可被校準成零重力(g)偏移。零g偏置隨溫度而變化的量可由等式11來表征，其中Z是在任何溫度T的零g偏置，而a、b、c是所述熱加速度計504特有的常數。
Z＝a+b·T+c·T2(11)
在一個實施例中，可通過針對各個溫度測量所計算的角度的變化來獲得所述零g偏置補償，同時將熱加速度計504保持在水平位置。例如，可以驅使熱加速度計504經過三個溫度，同時保持在水平位置。
針對多個溫度測量每個軸的零偏移并存儲在補償器514的存儲部件520中，如在數據表中或作為可計算函數。所述補償器514還可包括信號處理能力，如模數轉換器、數模轉換器以及微控制器(或其它處理器)。補償器514然后可訪問存儲部件520以檢索這些數據，并隨后使用它們來補償由于熱傳感器502所測量的溫度變化而發生的熱加速度計504的測量靈敏度的變化。例如，補償器514可將已測溫度512與存儲于存儲部件520中的諸如調整數據或調整函數的調整因子相比較。所述調整因子由補償器514檢索并應用到已測傾斜角510以產生補償的傾斜角516。在一個實施例中，可使用常規線性近似來計算自零偏移的偏移校正。如本領域技術人員將理解的，也可使用其它曲線擬合技術如樣條。
類似地，補償器514可以配置以便于提高熱加速度計504的準確度。幾個加速度計測量值可被采用以用于如以上所述相對于水平位置的多個角度的每個。這些數據可存儲在存儲部件520中并由補償器514根據已測溫度512來檢索以便補償已測傾斜角510。
另外，在實施例中，所述補償器514可使用所計算的偏移校正來設置數模轉換器(DAC)中的電壓，其被電加到熱加速度計504的輸出/從熱加速度計504的輸出減去。盡管本領域技術人員將理解該電壓的設置可以用軟件完成，但是模擬電路的一個優點是用來自熱加速度計504的給定電壓擺幅，在模擬鏈中可獲得較高的增益，以獲得更高的準確性。即，模數轉換器(ADC)的測量范圍不折衷，以便測量所述熱加速度計504的零偏移。加速度信號滿刻度輸出(在室溫)被設置以便不超過ADC滿刻度范圍。
在一個實施例中，在水平位置校準之后，所述熱加速度計504被放置使得x軸和y軸二者相對于重力處于已知角度。例如所述角度可以選擇在測量范圍的中間。所述熱加速度計504的輸出(在每個軸)補償溫度偏移并得到記錄。該值產生所述熱加速度計504的增益(以伏特每G為單位)，其用作用于在各種溫度下的增益計算的基礎，如等式12所定義。如本領域技術人員將認識到的，等式12特別適用于上述MEMS加速度計(其從MEMSIC，Incof North Andover，MA可購得)，并且對于其它類型的裝置可存在不同特性。類似于上述偏移校正，等式12中的指數函數可由常規插入技術(如線性的或二次的)來近似。在另一實施例中，等式12可以用反饋控制環中的可編程增益放大器來實現或估計。
圖6是示出補償器電路的原理圖。在示出的實施例中，所述補償器電路通常包括偏移校正部分605。作為實例，該偏移校正部分605示出以用于熱加速度計輸出510的一個軸。當然，在雙或多軸環境中，若需要，相同或類似的偏移校正部分605可實現以用于其它軸。所述熱加速度計輸出510提供給緩沖器/濾波器電路610。電阻R25和R27然后對所緩沖/濾波的信號執行偏移校正。所計算的偏移校正612被電加到所緩沖/濾波的信號或從所緩沖/被濾波的信號減去。所計算的偏移校正612從微控制器DAC接收。
運算放大器614然后用來將信號電平移位到電源軌(supply rail)間的大約中間部位。參考電壓616被選擇在電源軌電壓之間并被提供給所述運算放大器614。低通濾波器620然后對電平經調整的信號濾波并將偏移補償傾斜角516輸出到所述微控制器。
圖7示出用于在輪對準系統中使用的計算裝置，如圖4所示的示范性輪對準設置。如圖7所示，所述計算裝置705包括連接網絡710、處理器715、存儲器720、閃存722、輸入/輸出裝置控制器725、輸入裝置727、輸出裝置729、存儲裝置控制器730以及通信接口735。
連接網絡710可操作地耦合處理器715、存儲器720、閃存722、輸入/輸出裝置控制器725、存儲裝置控制器730以及通信接口735的每個。所述連接網絡710可以是電總線、光網絡、開關結構、或其它合適的互連系統。
處理器715是常規微處理器。在一個實施例中，所述計算裝置705是便攜的且通過電池供電。在這個實例中，處理器715或其它電路可設計為低功率操作以便在需要再充電或更換電池前提供令人滿意的運行時間。
處理器715執行來自存儲器720或閃存722的指令或程序代碼模塊。所述計算裝置705的操作是可編程的并由程序代碼模塊配置。這樣的指令可從計算機可讀介質如耦合到存儲裝置控制器730的裝置中讀取到存儲器720或閃存722中。
包含在存儲器720或閃存722中的指令序列的執行使處理器715執行在此描述的方法或功能。在可替換的實施例中，硬連線電路(hardwiredcircuitry)可用于代替軟件指令或與軟件指令結合來實現本公開的方面。因此，本公開的實施例不限于硬件電路和軟件的任何具體組合。存儲器720可以是例如一個或多個常規隨機存取存儲器(RAM)裝置。閃存722可以是一個或多個常規的閃RAM(flash RAM)、或電子可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)裝置。存儲器720還可以用于在處理器715執行指令期間存儲臨時變量或其它中間信息。例如，存儲器720可用來存儲從一個或多個測量頭408、410所收到的輪角度信息。
輸入/輸出裝置控制器725提供接口給輸入裝置727和輸出裝置729。所述輸出裝置729可以是例如常規顯示屏。所述顯示屏可以包括相關硬件、軟件、或需要用于產生屏幕顯示的其它裝置。在一個實施例中，輸出裝置729是常規液晶顯示器(LCD)。所述顯示屏還可包括觸摸屏能力。所示實施例還包括可操作地耦合到所述輸入/輸出裝置控制器725的輸入裝置727。所述輸入裝置727可以是例如外部或集成鍵盤或光標控制板(pad)。來自測量頭408、410的信號也可由輸入/輸出裝置控制器725來接收。如果需要，這些信號可被轉換并接口到通信網絡710。如本領域技術人員將理解的，所述處理器715可使用這些信號來計算輪對準參數。
存儲裝置控制器730可用來將處理器715接口到各種存儲器或存儲裝置，如磁、光、或電存儲。通信接口735為計算裝置705提供雙向數據通信耦合。通信接口635可功能上耦合到網絡750。在一個實施例中，通信接口735提供一個或多個輸入/輸出端口以便接收電的、射頻、或光信號并將在所述端口上收到的信號轉換成適于在連接網絡710上傳輸的格式。所述通信接口735可包括射頻調制解調器和與發送和接收無線或有線通信有關的其它邏輯。例如，通信接口735可為所述計算裝置705提供以太網接口、藍牙和/或802.11無線能力。所述通信接口735還可用于從所述測量頭408、410接收各種格式的信號。
圖8示出示范性的輪對準過程。在示出的實施例中，所述過程首先將一個或多個測量頭408、410附著805于對應的輪400、406。所述計算裝置705從所述測量頭408、410接收810代表輪對準角度的一個或多個信號。所述計算裝置705利用收到的角度信息來計算815輪對準參數，然后所述過程結束。
在描述了用加速度計來感測轉向軸傾斜角和外傾角的實施例(其用于說明而非限制)之后，注意的是本領域技術人員可按照以上示教做出修改或變化。因此應該理解的是，在所附權利要求及等價形式所限定的本發明的范圍和精神內可以對所公開的特定實施例做出修改。
權利要求
1.一種用于測量輪對準角度的方法，該方法包括將包括加速度計的測量頭附著于輪；以及用所述加速度計相對于重力來測量輪角度。
2.權利要求1的方法，其中所述加速度計包括微機電系統(MEMS)裝置。
3.權利要求1的方法，其中所述加速度計包括固體檢驗質量。
4.權利要求1的方法，其中所述加速度計測量由加速度引起的熱傳遞的內部變化。
5.權利要求1的方法，進一步包括通過計算裝置，基于所述已測角度來計算至少一個輪對準參數。
6.權利要求5的方法，其中所述輪對準參數包括輪胎緣距、外傾角及轉向軸傾斜角中的至少一個。
7.一種用于測量輪對準角度的方法，該方法包括將包括加速度計的測量頭附著于輪；可操作地將熱傳感器連接到所述加速度計；用所述加速度計來測量未補償的輪角度；用所述熱傳感器來測量所述加速度計所受到的溫度；以及根據所述未補償的輪角度和所述已測溫度來計算補償的輪角度。
8.權利要求7的方法，其中所述加速度計包括微機電系統(MEMS)裝置。
9.權利要求7的方法，其中所述加速度計包括固體檢驗質量。
10.權利要求7的方法，其中所述加速度計測量由加速度所引起的熱傳遞的內部變化。
11.一種用于輪對準系統的測量頭，該測量頭包括加速度計，配置為相對于重力來測量未補償的輪角度；熱傳感器，配置為測量所述加速度計所受到的溫度；以及補償器，可操作地耦合到所述加速度計和所述熱傳感器并且配置為根據所述未補償的輪角度及所述已測溫度來計算補償的輪角度。
12.權利要求11的測量頭，進一步包括存儲器部件，可操作地耦合到所述補償器并且配置為存儲多個角度的至少一個及對應的溫度和調整函數。
13.權利要求11的測量頭，其中所述加速度計包括熱加速度計并且所述補償器進一步配置為補償所述熱加速度計的靈敏度和零重力偏移。
14.權利要求11的測量頭，其中所述補償器實施反饋控制環以補償熱靈敏度和零重力偏移的至少一個。
15.權利要求11的測量頭，其中所述補償器利用至少兩個溫度點來實施近似以便于計算零重力偏移。
16.一種輪對準系統，包括測量頭，包括配置為相對于重力來計算輪角度的加速度計；以及計算裝置，可操作地耦合到所述測量頭并且配置為接收所述輪角度并基于所述輪角度來計算輪對準參數。
17.權利要求16的輪對準系統，其中所述輪對準參數包括輪胎緣距、外傾角和轉向軸傾斜角的至少一個。
18.權利要求16的輪對準系統，其中所述加速度計包括微機電系統(MEMS)裝置。
19.權利要求16的輪對準系統，其中所述加速度計包括固體檢驗質量。
20.權利要求16的輪對準系統，其中所述加速度計測量由加速度引起的熱傳遞的內部變化。
全文摘要
用于測量并計算輪對準角度的方法和裝置。在對準過程期間，測量頭中重量輕且機械魯棒的加速度計附著于車輛的輪。所述加速度計的輸出可通過存儲器查詢或基于溫度的反饋控制環來補償溫度或熱滯后效應。
文檔編號G01B7/315GK1768246SQ200480008486
公開日2006年5月3日 申請日期2004年4月2日 優先權日2003年4月4日
發明者埃里克·F·布賴恩 申請人:斯耐普昂公司