激光測(cè)距行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)駛?cè)虢菧y(cè)量方法研究

余 昊，何耀華

(1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢4300070;2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

汽車(chē)能夠維持直線行駛是安全行駛主要保證之一，汽車(chē)在行駛過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重跑偏情況將會(huì)直接威脅到駕駛員以及周邊車(chē)輛的安全。因此，在汽車(chē)出廠前對(duì)其進(jìn)行跑偏測(cè)試是必不可少的程序，并且對(duì)于跑偏檢測(cè)的技術(shù)方法務(wù)必要求做到準(zhǔn)確高效。近幾年來(lái)，相較于圖像傳感，GPS等技術(shù)手段[1-3]，激光測(cè)距以其高效準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠的工作特點(diǎn)越來(lái)越得到重視和使用[4]。

對(duì)于基于激光測(cè)距的汽車(chē)跑偏測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠提高其測(cè)試的可靠性以及精確度的改進(jìn)研究尤為重要的，值得進(jìn)一步探索。

1 激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)

1.1 硬件構(gòu)成

激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)主要由3個(gè)測(cè)點(diǎn)完成跑偏量測(cè)量的工作，在硬件部分上主要由數(shù)據(jù)測(cè)量與采集獲取，控制與數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等3個(gè)模塊構(gòu)成[5]，如圖1所示。

圖1 激光測(cè)距跑偏系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)測(cè)量與采集模塊主要包括光電開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)采集卡和激光測(cè)距儀。光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)車(chē)輛的位置并且適時(shí)控制激光測(cè)距儀開(kāi)啟，最后由數(shù)據(jù)采集卡采集測(cè)試數(shù)據(jù)。

(2)控制與數(shù)據(jù)處理模塊主要包括系統(tǒng)控制器以及測(cè)試主機(jī)兩部分，用以控制跑偏測(cè)試系統(tǒng)按設(shè)定的程序流程自動(dòng)運(yùn)行，處理測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行OK/NG的結(jié)果判斷。

(3)無(wú)線通信模塊包含了手持終端。無(wú)線AP、AP交換機(jī)和ETC設(shè)備等硬件，試車(chē)員利用手持無(wú)線終端以及ETC設(shè)備與測(cè)試主機(jī)進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)信息交互[6]。

1.2 激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試流程

跑偏測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)備在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該測(cè)試系統(tǒng)中，由試車(chē)員在信號(hào)發(fā)送階段使用手持終端掃描下線車(chē)輛的VN碼以及VSN碼，并通過(guò)無(wú)線信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)試主機(jī)，當(dāng)試車(chē)員駕駛下線車(chē)輛經(jīng)過(guò)ETC信號(hào)接收區(qū)域時(shí)，接收端讀取電子標(biāo)簽里存儲(chǔ)的信息進(jìn)行車(chē)輛身份認(rèn)證同時(shí)控制開(kāi)啟測(cè)點(diǎn)。當(dāng)下線車(chē)輛經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，從而控制激光測(cè)距儀工作，測(cè)得數(shù)據(jù)值傳送到測(cè)試主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算。在車(chē)輛經(jīng)過(guò)3個(gè)測(cè)點(diǎn)駛出測(cè)試跑道時(shí)，測(cè)試主機(jī)通過(guò)無(wú)線信號(hào)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)送至試車(chē)員手中的手持終端，從而判定下線車(chē)輛是否符合要求。

圖2 跑偏測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用ETC設(shè)備控制測(cè)點(diǎn)的開(kāi)啟減少了試車(chē)員的操作步驟，避免了人工開(kāi)啟測(cè)點(diǎn)可能造成的混亂所引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

1.3 激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理

跑偏測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試跑道上有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，又稱(chēng)為3測(cè)點(diǎn)跑偏測(cè)試系統(tǒng)[7]。系統(tǒng)的主要測(cè)試數(shù)據(jù)有駛?cè)虢恰⑴芷?、跑偏方向以及行駛速度等，其測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 測(cè)量原理圖

如果對(duì)于下線車(chē)輛在3個(gè)測(cè)點(diǎn)依次與中軸線的距離值為Y1,Y2,Y3，則：

Y1=[(D2-S2)-(D1-S1)]/2

(1)

Y2=[(D2-S4)-(D1-S3)]/2

(2)

Y3=[(D2-S6)-(D1-S5)]/2

(3)

由于L1=5 m,車(chē)輛在以實(shí)驗(yàn)規(guī)定速度50～90 km/h行駛，所持續(xù)的時(shí)間很短，可將測(cè)試車(chē)輛由測(cè)點(diǎn)1行駛至測(cè)點(diǎn)2所造成的偏離視作駛?cè)虢铅仍斐傻?，從而得到?4):

tanθ=(Y2-Y1)/L1

(4)

則測(cè)試車(chē)輛開(kāi)始測(cè)試時(shí)的駛?cè)虢铅热缡?5)所示。

(5)

在排除駛?cè)虢菍?duì)車(chē)輛跑偏測(cè)試的影響后可知，跑偏量C如式(6)所示。

C=(Y3-Y1)-(L1+L2)tanθ

(6)

式(6)中(Y3-Y1)由激光測(cè)距儀測(cè)量計(jì)算得出，(L1+L2)為定值，駛?cè)虢菍?dǎo)致的偏移量為(L1+L2)tanθ，可見(jiàn)在跑偏量的計(jì)算中駛?cè)虢菧y(cè)量計(jì)算誤差會(huì)被放大(L1+L2)倍，這使得駛?cè)虢菧y(cè)量的準(zhǔn)確性在跑偏測(cè)試中十分關(guān)鍵[8]。對(duì)駛?cè)虢菧y(cè)量計(jì)算方法的改進(jìn)也是跑偏測(cè)試系統(tǒng)的研究重點(diǎn)之一。

2 單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量法

2.1 單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量法的提出

目前使用的激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)使用兩個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)完成駛?cè)虢堑臏y(cè)量與計(jì)算，測(cè)量結(jié)果的計(jì)算基于前兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的激光測(cè)距儀對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛的距離測(cè)量值，但在實(shí)際工作中激光測(cè)距儀面對(duì)的對(duì)象試驗(yàn)車(chē)輛具有一定行駛速度，并且試驗(yàn)車(chē)輛表面凹凸不平存在縫隙。測(cè)量時(shí)由于這些因素的影響會(huì)使激光測(cè)距儀的電流值發(fā)生異常波動(dòng)，影響對(duì)距離值的讀取，增大駛?cè)虢堑臏y(cè)量誤差。此外三個(gè)測(cè)點(diǎn)的架設(shè)對(duì)于施工精度要求高，設(shè)備建造以及后期維護(hù)的成本較大。因此，針對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)存在的問(wèn)題提出了使用單一測(cè)點(diǎn)來(lái)完成對(duì)駛?cè)虢堑臏y(cè)量。在測(cè)量中，不再使用激光測(cè)距儀測(cè)得的距離值參與駛?cè)虢怯?jì)算，而是通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)車(chē)輛行駛方向上的速度以及沿跑道的中心線的分速度計(jì)算出試驗(yàn)車(chē)輛的駛?cè)虢荹9-10]。其測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量原理

單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量方法可以分為兩個(gè)部分，第一部分是對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛行駛方向上的車(chē)速測(cè)量計(jì)算；第二部分是對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛在沿跑道中心線上的分速度計(jì)算。

圖4 第一測(cè)點(diǎn)處測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

(1)分速度v1的測(cè)量。如圖5所示，當(dāng)試驗(yàn)車(chē)輛駛?cè)氲谝粶y(cè)點(diǎn)處，首先觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，引發(fā)光電開(kāi)關(guān)的電壓變化，同時(shí)在設(shè)備中使用電壓數(shù)據(jù)采集卡采集光電開(kāi)關(guān)電壓變化時(shí)刻t1，隨后試驗(yàn)車(chē)輛繼續(xù)行駛經(jīng)過(guò)了激光測(cè)距儀，引起激光測(cè)距儀的電流突變，同時(shí)設(shè)備中的電流數(shù)據(jù)采集卡讀取電流變化的時(shí)刻t2。兩個(gè)記錄時(shí)刻間隔為：

Δt1=t2-t1

(7)

圖5 X軸分速度的計(jì)算原理

△t1為試驗(yàn)車(chē)輛經(jīng)過(guò)光電開(kāi)關(guān)與激光測(cè)距儀的時(shí)間間隔，光電開(kāi)關(guān)與激光測(cè)距儀的距離長(zhǎng)度為L(zhǎng)，從而得出試驗(yàn)車(chē)輛在經(jīng)過(guò)第一測(cè)點(diǎn)時(shí)的X軸上的分速度v1如式(8)所示。

v1=L/Δt1

(8)

(2)行駛速度v2的測(cè)量。測(cè)量v2時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)車(chē)輛的車(chē)頭觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)引起電壓跳動(dòng)時(shí)，電壓采集卡提取時(shí)間數(shù)據(jù)t1，當(dāng)試驗(yàn)車(chē)輛車(chē)尾離開(kāi)光電開(kāi)關(guān)的測(cè)試區(qū)時(shí)使得光電開(kāi)關(guān)的電壓回落到工作范圍，此刻電壓采集卡提取到時(shí)間數(shù)據(jù)t3。從而根據(jù)這段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)行駛的距離為整個(gè)車(chē)身的長(zhǎng)度進(jìn)而可以計(jì)算出試驗(yàn)車(chē)在行駛方向上的速度。計(jì)算原理如圖6所示。時(shí)間間隔為：

Δt2=t3-t1

(9)

圖6 行駛速度的計(jì)算原理

如車(chē)身長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,則試驗(yàn)車(chē)行駛方向上的速度為：

v2=L1/Δt2

(10)

綜合上述兩部分的測(cè)量計(jì)算分別得出行駛速度v2以及X軸的分速度v1，如圖7所示。

圖7 駛?cè)虢堑挠?jì)算方法

(3)駛?cè)虢堑挠?jì)算。駛?cè)虢堑挠?jì)算如圖7所示，從圖7中可看出駛?cè)虢铅葹椋?/p>

(11)

由式(8)、式(10)和式(11)可知：

(12)

因?yàn)長(zhǎng)和L1為定值，所以測(cè)量中t3，t2以及t1這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量精度對(duì)駛?cè)虢菧y(cè)量影響較大。

2.3 駛?cè)虢菧y(cè)量方法誤差分析

單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量法的計(jì)算主要在于對(duì)車(chē)速的測(cè)量與計(jì)算。X軸方向上的分速度v1計(jì)算所需的兩次時(shí)間數(shù)據(jù)的提取分別由光電開(kāi)關(guān)的電壓采集卡以及激光測(cè)距儀的電流采集卡完成，實(shí)際中當(dāng)試驗(yàn)車(chē)觸發(fā)設(shè)備到采集卡提取到時(shí)間數(shù)據(jù)存在時(shí)間提取誤差，即當(dāng)觸發(fā)設(shè)備后系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲才可以提取到數(shù)據(jù)。若電壓采集卡的時(shí)間提取誤差為T(mén)1,，電流采集卡的時(shí)間提取誤差為T(mén)2。根據(jù)式(7)可知實(shí)際時(shí)間間隔提取量Δt為：

Δt=(t2+T2)-(t1+T1)=Δt1+(T2-T1)

(13)

即存在時(shí)間誤差t0，值為(T2-T1)。針對(duì)此誤差可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量t0值并在后續(xù)的計(jì)算中彌補(bǔ)。對(duì)于v2的測(cè)量中，因?yàn)閮纱螖?shù)據(jù)點(diǎn)的提取是由同一組光電開(kāi)關(guān)以及電壓采集卡在相同的工作環(huán)境下進(jìn)行，所以可以將兩次時(shí)間提取誤差值視作相等的量。若同上分別設(shè)定兩次時(shí)間提取誤差為T(mén)1，T3，且(T1=T3)，則根據(jù)式(13)可知，時(shí)間誤差t0為0，理論上不存在時(shí)間提取上的誤差。

兩次計(jì)算分別使用了光電開(kāi)關(guān)與激光測(cè)距儀的距離L以及車(chē)身的長(zhǎng)度L1，其中長(zhǎng)度L在架設(shè)設(shè)備時(shí)由人為設(shè)定，車(chē)身長(zhǎng)度L1則需針對(duì)試驗(yàn)車(chē)在測(cè)點(diǎn)的高度進(jìn)行車(chē)身表面長(zhǎng)度的測(cè)量，而不是直接采用被測(cè)車(chē)型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于車(chē)輛形狀具有一定的弧度，因此存在測(cè)量上的誤差L0,實(shí)際測(cè)試中應(yīng)確保車(chē)身長(zhǎng)度L1的測(cè)量精確，以降低誤差L0的影響。

此外，在v2的計(jì)算中光電開(kāi)關(guān)的兩次時(shí)間數(shù)據(jù)提取中，理論上光電開(kāi)關(guān)的電壓在此時(shí)間段中一直處于超出未觸發(fā)時(shí)電壓工作范圍外的狀態(tài)，但是由于外界因素以及電子設(shè)備自身存在的不穩(wěn)定性，可能存在個(gè)別電壓數(shù)據(jù)在試驗(yàn)車(chē)未駛出測(cè)試區(qū)域出現(xiàn)回落到范圍內(nèi)的情況。程序如果不能避免這種情況，對(duì)測(cè)量的干擾會(huì)造成t3數(shù)據(jù)的提前產(chǎn)生，由式(9)與式(10)可知，t3減小使得Δt2減小，v2增大，從而導(dǎo)致駛?cè)虢窃龃蟆Ｒ虼嗽谠O(shè)計(jì)程序時(shí)，提取到第一個(gè)電壓回落點(diǎn)可對(duì)其后10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行判斷是否回落到范圍內(nèi)以確保數(shù)據(jù)提取點(diǎn)的準(zhǔn)確性，降低測(cè)量誤差。

3 時(shí)間誤差以及駛?cè)虢堑脑囼?yàn)測(cè)量

3.1 時(shí)間誤差的試驗(yàn)測(cè)量

由前文可知理論上時(shí)間誤差t0出現(xiàn)在對(duì)v1的測(cè)量中，在外界影響因素不變的情況下，T1、T2的變化較小可以忽略不計(jì)，因此通過(guò)試驗(yàn)對(duì)t0的存在進(jìn)行驗(yàn)證以及測(cè)量。搭建測(cè)試模型如圖8所示，所用設(shè)備如表1所示。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

設(shè)備名稱(chēng)型號(hào)輸入接受范圍對(duì)應(yīng)量程激光測(cè)距儀Sick DT50-2pro4～20 mA200～500 mm光電開(kāi)關(guān)GRSE18-P1142-10～10V-

采用表1的設(shè)備，激光測(cè)距儀的采集率可達(dá)3 kHz，激光測(cè)距儀采集卡的采集頻率設(shè)定為2 kHz，以獲取較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，縮小提取的間隔時(shí)間，提高準(zhǔn)確度。將激光測(cè)距儀與光電開(kāi)關(guān)緊貼放置，接線上設(shè)置光電開(kāi)關(guān)與激光測(cè)距儀相互獨(dú)立，避免光電開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和激光測(cè)距儀的延遲時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響，啟動(dòng)設(shè)備確保正常工作。

試驗(yàn)時(shí)，用擋板同時(shí)遮住激光測(cè)距儀以及光電開(kāi)關(guān)使得二者同時(shí)觸發(fā)(Δt1=0)，通過(guò)式(13)可知，實(shí)際時(shí)間提取量Δt為：

Δt=t0=T2-T1

(14)

因此試驗(yàn)程序直接提取時(shí)間量為激光測(cè)距儀與光電開(kāi)關(guān)時(shí)間提取的誤差。

對(duì)該模型進(jìn)行40次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 時(shí)間誤差表

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果取平均值得：

(15)

其標(biāo)準(zhǔn)差σ為：

(16)

因此，試驗(yàn)結(jié)果的曲線如圖(9)所示。

圖9 時(shí)間誤差曲線圖

從圖9可知，光電開(kāi)關(guān)與激光測(cè)距儀的時(shí)間提取誤差值基本分布在0.023～0.031 s之間，波動(dòng)范圍大約在0.008 s，可見(jiàn)在穩(wěn)定的外界環(huán)境下，時(shí)間誤差的波動(dòng)較小。因此在實(shí)際測(cè)試中，可以通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行多次時(shí)間誤差的測(cè)量，將試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為時(shí)間誤差在后續(xù)的實(shí)際測(cè)量計(jì)算中進(jìn)行彌補(bǔ)，以降低數(shù)據(jù)誤差，提高時(shí)間數(shù)據(jù)提取的準(zhǔn)確性。

3.2 駛?cè)虢堑脑囼?yàn)測(cè)量

根據(jù)前文所述的駛?cè)虢菧y(cè)量方法以及時(shí)間數(shù)據(jù)提取的判斷方法編寫(xiě)相應(yīng)的模擬測(cè)試程序，按圖10搭建駛?cè)虢悄M測(cè)試模型，以模擬小車(chē)代替實(shí)車(chē)進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定激光測(cè)距儀距離光電開(kāi)關(guān)的距離為0.3 m,在模型小車(chē)兩側(cè)裝上擋片，以延長(zhǎng)模型小車(chē)的測(cè)試長(zhǎng)度至0.4 m，達(dá)到車(chē)身長(zhǎng)度大于光電開(kāi)關(guān)與激光測(cè)距儀的距離的實(shí)際情況。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)電機(jī)牽引模型小車(chē)勻速行駛，行駛方向沿規(guī)劃圖紙上所示方向，與中心線的夾角為8°，即駛?cè)虢堑幕局?。模型小?chē)依次通過(guò)光電開(kāi)關(guān)與激光測(cè)距儀，提取時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算出駛?cè)虢恰?/p>

圖10 駛?cè)虢悄M測(cè)試模型

對(duì)駛?cè)虢沁M(jìn)行十組試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

模擬測(cè)試重復(fù)測(cè)量表明，在以8°的駛?cè)虢菫榛鶞?zhǔn)的情況下得到的數(shù)值在(8±0.023)°的范圍內(nèi)，則根據(jù)實(shí)際中測(cè)試跑道長(zhǎng)度為50 m,有50×tan(0.023°)=0.0191 m=1.9 cm，因此，可見(jiàn)在使用單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量方法下的模擬測(cè)試系統(tǒng)具有較高的重復(fù)測(cè)量精度和可靠性。

表3 駛?cè)虢窃囼?yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)基于目前的3測(cè)點(diǎn)激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)，提出了以單測(cè)點(diǎn)完成駛?cè)虢堑臏y(cè)量，介紹了單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量法。并對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行了理論分析，確定了影響測(cè)量數(shù)據(jù)的主要變量。

(2)為提高測(cè)量方法的精度，深入研究了影響測(cè)量誤差的因素，針對(duì)理論上存在的誤差提出了處理方法。

(3)為驗(yàn)證單測(cè)點(diǎn)駛?cè)虢菧y(cè)量方法，建立了駛?cè)虢菧y(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有一定的精確度和可靠性，且架設(shè)方便，測(cè)試效率較高。