doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020080114
潘梦鹞1， 陈少伟1， 林土胜2， 郇锐铁1， 王 锋1， 刘育清3
(1. 广东工贸职业技术学院汽车工程学院，广东 广州 510510; 2. 华南理工大学电子与信息学院，广东 广州 510640;
3. 广州市机动车检测行业学会，广东 广州 510410)
摘 要: 汽车四轮定位参数是保证汽车直线行驶操纵稳定性的重要指标，针对传统四轮定位参数测量方法的主销内倾角、主销后倾角计算模型采用几何关系进行间接、近似计算等存在问题，提出四轮定位参数姿态测量新方法，通过在车轮安置一个智能三维加速度传感单元，对车轮定位角度进行姿态测量，建立全新的主销内倾角、主销后倾角姿态计算模型获得四轮定位参数。验证结果表明，实验条件下车轮定位参数(γw ，αw ，γk ，θk )的示值误差为(–0.01º，0º，–0.65º，–0.31º)，示值方差为(0.45º，0.63 º，1.00º，0.49º)。该新方法能够直接、准确、快速测量汽车四轮定位参数，性能指标达到较好测量精度，可实现便携式远程测量。关键词: 四轮定位参数; 主销内倾角; 主销后倾角; 姿态测量中图分类号: TP201.6;TB9文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2021)05–0129–07
Research on attitude measurement method of vehicle four
wheel alignment parameters
PAN Mengyao 1, CHEN Shaowei 1, LIN Tusheng 2, HUAN Ruitie 1, WANG Feng 1, LIU Yuqing 3
(1. School of Automotive Engineering, Guangdong Polytechnic of Industry and Commerce, Guangzh
ou 510510, China;2. School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640,
China; 3. Guangzhou Vehicle Inspection Trade Association, Guangzhou 510410, China)
Abstract : Four wheel alignment parameters are important indexes in providing handling stability when automobiles drive in straight line. Addressing the problems of traditional four wheel alignment measurement kingpin inclination angle and kingpin caster angle are calculated indirectly and approximately through using approximate geometrical relationships. This paper proposes a new attitude measurement method to obtain the four-wheel alignment parameters by means of installing an intelligent triple-axis acceleration sensor unit on a wheel, The attitude measurement of wheel alignment angle is carried out, and through this process, a new attitude calculation model of kingpin inclination angle and kingpin caster angle is established, and four-wheel alignment parameters are obtained. The experiment results indicate that under controlled conditions, the indication error of wheel alignment parameter (γw , αw , γk , θk ) is (–0.01°, 0°, –0.65°, –0.31°), and the indication variance is (0.45°, 0.63°, 1.00°, 0.49°). This new method can be adopted to directly, accurately and quickly measure four-wheel alignment parameters, with more robust performance index measurements, realizing more
收稿日期: 2020-08-29；收到修改稿日期: 2020-09-21
基金项目: 教育部科技发展中心高校产学研创新基金(2018A01002)；广东省普通高校特创新项目(2019GKTSCX024)作者简介: 潘梦鹞（1970-），男，广东龙门县人，高级工程师，博士，主要从事机动车检测技术的研究及应用。
第 47 卷 第 5 期中国测试
Vol.47 No.52021 年 5 月
CHINA MEASUREMENT & TEST May, 2021
portable remote measurements.
Keywords: four wheel alignment parameters; kingpin inclination angle; kingpin caster angle; attitude measurement
0 引 言
汽车四轮定位包括前轮和后轮定位，即转向轮和非转向轮定位。转向轮定位是指转向轮、转向节(主销)
和车轴三者之间保持一定的安装位置，保证汽车直线行驶的操纵稳定性，包括车轮定位参数(外倾角γw与前束角αw)、主销定位参数(内倾角γk与后倾角θk)；非转向轮定位是指非转向轮和车轴两者之间保持一定的安装位置，包括车轮定位参数(外倾角γw与前束角αw)。车轮定位参数、主销定位参数分别沿车轮旋转轴线、主销转向轴线设计[1-2]。
车轮外倾角γw是指车轮旋转平面与纵向垂直平面之间的夹角，如图1(a)所示。γw用于防止车轮内倾，γw过大会造成轮胎磨损，同轴两车轮γw不等会造成车轮行驶跑偏。
图 1 车轮定位角示意图
车轮前束是指同轴两车轮旋转平面不平行，车轮前端向内收的现象。车轮前束角αw是指车轮旋转平面与车轮轮心前进方向的夹角，如图1(b)所示。αw用于消除车轮外倾角带来车轮侧向滑移的影响，αw过大会造成轮胎侧滑、磨损，甚至爆胎[3]。
主销内倾角γk是指安装在转向轮的主销向内倾斜一定的角度，如图1(c)所示。γk用于保证转向轮自动回正和转向操纵轻便，以及汽车直线行驶的操纵稳定性。γk越大，转向轮回正力矩越大，汽车直线行驶稳定性越好；γk过大会造成轮胎磨损增大，同轴两车轮γk不等会造成紧急制动跑偏。
主销后倾角θk是指安装在转向轮的主销向后倾斜一定的角度，如图1(d)所示。θk主要用于保证转向轮的自动回正，以及汽车直线行驶的操纵稳定性。θk越大，转向轮回正力矩越大，汽车直线行驶稳定性越好；θk过大会造成方向回正过快、过猛[4]。
传统汽车四轮定位参数测量方法包括静态测量方法和动态测量方法，车辆需要开到特定的维修厂、检测机构使用专用的、复杂的台架进行检测，结果仅对检测时点有效，无法了解四轮定位参数的变化趋势，不能真实反映四轮定位参数的实际变化情况。静态测量方法是指汽车在静止状态下，使用气泡水准式、光学式、拉线式、激光式、红外线式、CCD图像式、3D影像式等四轮定位仪测量四轮定位值，仪器结构复杂、占地面积大、价格高、测量速度慢、重复性差，可测量四轮定位参数(γw, αw, γk, θk)，
广泛应用于汽车维修厂。动态测量方法是指汽车在运动状态下，使用滚筒式或滑板式侧滑实验台测量车轮侧滑量。仪器结构复杂、占地面积大、价格高、测量速度快，只能测量侧滑参数，一般应用于汽车检测线。
在汽车行驶过程中，车轮作为与地面接触的唯一零部件，承担整车转向、制动、载荷、驱动等功能，四轮定位参数用于保证汽车直线行驶的操纵稳定性，对于汽车的安全行驶极其重要。车轮定位参数是运动、大小变化的参数，在汽车行驶过程中，一方面车轮受到车轮法向力、纵向力、侧向力和回正力矩、翻转力矩、滚动阻力矩等六分力影响，另一方面受到悬架减震器、轮毂轮辋等零件磨损、碰撞、变形、更换及轮胎压变化影响，使车轮定位参数发生变化，导致转向轮回正力矩小、转向摆振、行驶跑偏、轮胎磨损及爆胎等故障。国家立法对四轮定位参数进行严格限制，在汽车出厂时，制造厂设定四轮定位参数标准限值，在汽车使用过程中，维修厂或检测机
130中国测试2021 年 5 月
构按照标准限值对车轮定位参数的失准进行调整[5]。
车轮作为汽车行驶过程中与地面接触部件，随着集成传感技术和无线传感技术的发展，如果在车轮安装传感器应该可以得到最直接、真实、丰富的车轮定位参数信息。本文提出一种轮载式智能传感(wheel embedded intelligent sensors, WEIS)来全面地获取汽车实时四轮定位参数的监测技术[6-7]。
通过在4个车轮安置一个智能三维加速度传感单元，对车轮定位角度进行姿态测量，建立全新的主销内倾角、主销后倾角姿态计算模型获得四轮定位参数，实现对汽车四轮定位参数的直接、准确、快速检测[8]。
1 四轮定位参数测量方案及原理
在汽车行驶过程中，四轮定位参数(γw, αw, γk,θk)随车辆的使用和零部件的磨损而发生动态变化。
1.1 四轮定位参数测量方案
图2所示车轮传感模块安装示意图，通过在车轮轮毂安置的智能传感模块感知车轮的向心加速度、切向加速度和侧向加速度，进行四轮定位参数测量[9-10]。
图 2 车轮传感模块安装示意图
1.2 四轮定位参数测量的原理流程框图
图3为四轮定位参数测量原理流程框图，其基本思路是：在车轮i (i=1~4)轮毂安装1个智能加速度传感单元获取信息(a mx,a my,a mz)，由车身与车轮在轮心联接的运动姿态关系、姿态转换矩阵C bw，在车轮旋转角θw=0°状态，建立车轮外倾角、车轮前束角计算模型，计算出车轮外倾角γw、车轮前束角αw；由转向系与转向轮在主销联接的运动姿态关系、姿态转换矩阵C kw，在车轮旋转角θw=0°，转向轮向右、向左转动相同角度δk、–δk状态，建立主销内倾角、主销后倾角计算模型，计算出主销内倾角γk、主销后倾角θk。
图 3 四轮定位参数测量原理流程框图
1.3 四轮定位参数数学模型
1.3.1 基本坐标系
1）车身坐标系O b X b Y b Z b(body，即b系)。坐标原点O b为车辆质心，坐标系与车身固联；X b轴平行于地面指向车辆前进方向；Y b轴平行于地面指向驾驶员左侧方向；Z b轴垂直于X b和Y b轴，构成右手坐标系，如图4(a)车身坐标系所示。
2）轮心坐标系O w X w Y w Z w(wheel，即w系)。坐标原点O w为车轮轴心，坐标系与车轮固联，随车轮一起平移和旋转；Y w轴在车轮中心平面内，沿车轮旋转轴指向车轮左侧方向；Z w轴沿车轮半径指向轮毂传感模块原点方向；X w轴垂直于Y w和Z w轴，构成右手坐标系，如图4(b)轮心坐标系所示。
3）主销坐标系O k X k Y k Z k(kingpin，即k系)。坐标原点O k为车轮轴心，坐标系与主销固联，不随车轮旋转；Z k轴沿主销指向圆心反方向；X k轴方向为车轮中心平面与过原点O k垂直Z k轴平面的交线指向圆心反方向；Y k轴垂直于X k和Z k轴，构成右手坐标系，如图4(c)主销坐标系所示。
1.3.2 不同坐标系的坐标转换
1）车身坐标b系与轮心坐标w系之间的坐标转换
车身姿态角从车身坐标b系转换到轮心坐标
第 47 卷 第 5 期潘梦鹞，等：汽车四轮定位参数姿态测量方法研究131
w 系，车轮通过轮心旋转轴线，相对b 系旋转运动。w 系相对b 系的位置关系采用欧拉角(γw ,θw ,αw )表
示。图5(a)、(b)分别为车轮姿态角的空间表达和平面表达。
图 5 车轮姿态角
假设b 系保持各轴方向不变，从车辆质心平移到车轮轮心位置，通过R z (αw )使O b (O w )X b X w 垂直于地面、R y (θw )使X b O b 与O w X w 重合、R x (γw )使O b Y b 与O w Y w 重合3个旋转顺序，最后各轴方向与w 系一致的状态(见图6)。b 系到w
系转换矩阵为：
图 6 b 系到w 系的转换途径
2）轮心坐标w 系与主销坐标k 系之间的坐标转换
车轮姿态角从轮心坐标w 系转换到主销坐标k 系，车轮通过主销转向轴线，相对w 系转向运动。k 系相对w 系的位置关系采用欧拉角(γk , θk , δk )表示。物理意义为：①主销内倾角γk ∈[–1˚ 1˚)是绕X k 轴方向的转动角；②主销后倾角θk ∈[0 ∞)是绕Y k 轴方向的转动角；③转向轮转向角δk ∈
[–π π)是绕Z k 轴方向的转动角。图7为主销内倾角、后倾角
的空间表达。
假设w 系保持各轴方向不变，通过R z (δk )使O w (O k )X w X k 垂直于地面、R y (θk )使O w X w 与O k X k 重合、R x (γk )使O w Y w 与O k Y k 重合3个旋转顺序，最后各轴方向与k 系一致的状态(见图8)。
w 系到k 系转换矩阵为：
由式(3)计算得到：
Z b
k
X w
X b
汽车四轮定位Y b
O b (a) 车身坐标系
图 4 基本坐标系
132中国测试
2021 年 5 月
图 7 主销内倾角、后倾角的空间表达
图 8 w 系到k 系的转换途径
1.3.3 车轮外倾角γw 、车轮前束角αw 的计算
(a Bx
,a By ,a B z )
=根据车身与车轮在轮心联接关系，由b 系→w
系转换矩阵C bw ，设汽车(0,0,0)，那么
=0°，得到：
1.3.4 主销内倾角γk 、主销后倾角θk 的计算
根据转向系与转向轮在主销联接关系，由w 系→k 系的转换矩阵C kw ，那么转向轮轮心加速度有：
假设转向轮绕主销轴左右转动相同角度δk 、–δ
由式(10)得到：
2 四轮定位测量系统研发与实验
2.1 研发
四轮定位测量系统硬件主要由中央控制模块、车轮传感模块两个部分组成。
1）车轮传感模块设计
车轮传感模块共有4个传感节点，传感节点由带Zigbee 无线通信功能微处理器、三维加速度传感元件、信号调理电路、电源等部分组成，获取车轮三维加速度数据并通过无线方式传送给中央控制模块。图9为车轮传感节点实物，传感节点由X 、Y 、Z 三轴加速度传感器测量。
2）中央控制模块设计
中央控制模块主要由带ZigBee 无线通信功能的中央处理器、控制器局域网络通信模块、串口通信模块等组成，用无线射频方式与车轮传感单元建立通信，对车轮传感信息进行处理。图10为中央控制模块实物。2.2 实验
准备：图11、图12分别为车轮传感节点实验图、实验车图。
第 47 卷 第 5 期潘梦鹞，等：汽车四轮定位参数姿态测量方法研究133
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