基于車載平臺的人工輔助型照度檢測車設計

萬　泉，陳曉曼，胡蘇軍，劉桂雄2

（1.廣州質量監(jiān)督檢測研究院，廣東 廣州 511442；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

基于車載平臺的人工輔助型照度檢測車設計

萬泉1，陳曉曼1，胡蘇軍1，劉桂雄2

（1.廣州質量監(jiān)督檢測研究院，廣東 廣州 511442；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）路燈較傳統(tǒng)路燈降低功耗的同時照度隨之降低，若LED路燈質量不達標，則會進一步降低路面照度。為此研發(fā)基于車載平臺的人工輔助型照度檢測車設計，該系統(tǒng)檢測流程根據國標制定，能實時準確采集路面水平面照度、移動距離，結合高性能中央處理器，具備傳感數據采集、處理、存儲、遠程傳輸等功能。為實現直觀監(jiān)測，開發(fā)智能手機應用程序（application，APP）平臺，遠程無線監(jiān)測傳感數據。結果表明車載平臺相比于傳統(tǒng)人工檢測節(jié)省66.67%時間，同時用平均照度相對誤差低于1.81%，提高檢測效率。

道路照度；車載平臺；人工輔助；無線監(jiān)測

0　引　言

道路照明首要目的是夜間為各種車輛駕駛員、行人提供良好可見度，達到安全、舒適、迅速運行，以及美化環(huán)境的目的［1］。發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）照明技術以節(jié)能、低成本等諸多優(yōu)點［2-3］逐漸被道路照明所采用，但根據美、英、德等國研究表明［4］，由于LED較傳統(tǒng)路燈照度有所降低，使道路交通事故發(fā)生率最多增加36%，這違背道路照明目的，故需加強LED照明產品監(jiān)督與檢測技術。目前LED路燈質量檢測方法國內外研究動態(tài)主要表現在：1）提出新LED質量檢測指標觀點，給出測試方法［5-7］；對人工檢測布點法進行改進并給出實驗數據［8］，但都尚未得到認證；2）針對人工測量局限性，提出用檢測軟件進行實驗室模擬測量［9］，但模擬檢測準確度達不到要求；3）提出基于車載式（測量車用于機動車）道路照明測量不用設點逐點測量，也不用為排除其他車輛車燈引起干擾和保證測量人員安全而阻斷交通［10-11］，但整套裝置造價昂貴，影響其推廣應用；4）隨著數字成像技術發(fā)展，基于CCD道路照明測量技術是一種準確度較高且方便可行測試方法［12-14］，但該技術還有待深入研究，需要更高準確度相機、圖像處理軟件來估算光度參數才可達到實時準確測量結果。針對路面檢測技術檢測量大、檢測效率低下等問題，筆者開發(fā)一套基于車載平臺的人工輔助型照度檢測車。

1　人工輔助型照度檢測車模塊化設計

1.1輔助型檢測平臺工作機理

根據國家標準GB/T 5700——2008《照明測量方法》［15］的中心布點法確定該路段照度測試點，圖1 為GB/T 5700——2008規(guī)定的中央布點法及其計算方法，di為車道寬度，S為相鄰路燈間距。工作人員攜人工輔助檢測平臺用于檢測照度前，通過激光測距儀測量得到被測路段相鄰兩燈桿間距，自動按照中央布點法生成測試位置。

圖1　輔助檢測平臺測量工作原理示意圖

工作人員接下來將平臺放置于圖1測試位置，即平行于燈桿1的車道4中線起始位置點，開啟測試后人工輔助檢測平臺從燈桿1走到燈桿2，即完成1個車道檢測［16］，如此依次完成各個車道檢測。

1.2輔助型照度檢測機器人設計

GB/T 5700——2008中規(guī)定，照度傳感器測試時應緊貼地面，為保證測量的可靠性，人工輔助型照度檢測機器人的設計結構在檢測過程中不能擋住道路路燈的光線。圖2為人工輔助型照度檢測機器人尺寸分析。

圖2　人工輔助型照度檢測機器人尺寸分析

對一段道路進行路面照度測量，路面寬度為l，人的肩膀寬度為K，黃色圓點代表照度檢測探頭，黃色線代表路燈光線直線，θ為照度檢測探頭與路燈L1、路燈L2的夾角，易知

當前按照中心布點法進行測量，則人工輔助型照度檢測機器人長度d應滿足：

按照實際情況，K=0.4m，S=30m，l=3m，取d=4m。

1.3便攜折疊式模塊化機械結構設計

人工輔助型照度檢測車按照便攜折疊推車式結構，設計成圖3、圖4所示，圖3為折疊狀態(tài)人工輔助型照度檢測車［17］，圖4為展開狀態(tài)人工輔助型照度檢測車。整個車體框架采用鋁型材3030型號，固定及連接全部采用螺母螺釘等標準件，為便于人工輔助推行的直線度較高，前輪安裝成定向輪，后輪安裝萬向輪，前后輪選擇同直徑大小的輪子，由于前后輪著地高低不同，需在后輪墊上補償高度鋁塊。車身上安裝兩節(jié)伸縮空心鋁桿，用自行車座管夾標準件來調節(jié)長度，連接件采用輕型鋁合金管夾（底板帶固定孔）。整個車身采用兩節(jié)設計，靠鎖緊把手來實現折疊。在把手上需安裝智能手機，其固定件為自行車手機支架。

人工輔助型照度檢測車需具有自動檢測照度、實時測距、WIFI無線傳輸等功能，因此在車體前安裝編碼輪、電路盒、照度探頭模塊。電路盒根據電路板大小用鋁合金加工而成。其中編碼輪承重有要求，不能作為承重輪，所以通過活動連接件靠其自身重力使其緊貼地面，活動連接件為任意角度，保證不打滑。照度探頭為了盡量貼近地面，且需安裝在車頭，又不能因其自身高度卡住地面，所以在其下面安裝萬向球。

1.4電路硬件模塊設計

LED路燈路面照度參數自動檢測人工輔助型平臺運行于復雜路況道路上，人工推動平臺前進，平臺到中心布點位置上自動獲取路面照度參數。為高效完成上述要求，人工輔助型檢測平臺需具備如下功能：1）實時準確采集路面水平面照度參數傳感信息；2）實時采集移動距離傳感信息，用于測量移動距離；3）應結合高性能中央處理器，具備傳感數據采集、處理、存儲、遠程傳輸等功能；4）為實現直觀監(jiān)測，開發(fā)智能手機應用程序（application，APP）平臺，獲取遠程傳輸來的照度信息，將數據以圖表形式描繪并記錄。

基于上述功能分析，圖5為LED路燈路面照度參數自動檢測人工輔助型平臺硬件框圖。

圖3　折疊狀態(tài)人工輔助型照度檢測車

圖4　展開狀態(tài)人工輔助型照度檢測車

圖5　人工輔助型照度檢測車硬件框圖

平臺集測量控制一體化，采用中央處理器模塊作為測量控制中心，系統(tǒng)由照度傳感器模塊、編碼器模塊、實時時鐘模塊、無線傳輸模塊等構成。照度傳感器模塊、編碼器模塊分別負責實時測量路面水平面照度、平臺移動方向路程量。中央處理器模塊用于采集上述數據，采集到的照度無線傳到智能手機端，采集到路程用于自動啟動照度采集程序。

1.5基于Android無線監(jiān)測APP開發(fā)

開發(fā)一款Android應用第1步需界面布局設計，界面是手機和用戶交互渠道，承載著這款APP的所有功能，對照度信息采集系統(tǒng)而言，界面布局尤其需注重操作性高、顯示度好、響應快等需求。安卓的用戶界面（user interface，UI）設計是在Activity中實現，一個界面對應一個Activity，用戶在手機界面上看到的各種組件是構成界面的基礎，安卓提供了大量形式多樣的組件便于開發(fā)，可直接通過拖拽便可構成一些功能性較基礎的界面。圖6為基于Android無線監(jiān)測APP主界面。打開主界面首先需要在①中輸入激光測距得到的燈桿距離，點擊②框中的“確認”按鈕后，APP根據輸入的距離按照中心布點法給出照度測量間距，并設定此時在原點，在③中顯示距離0m。③中另外一個參數是實時照度值，刷新間隔為500ms。在測量過程中，每到一個測量點都會有手機提示音提示，并且自動測量，在④中顯示新采集的照度值。等10個點采集完畢，APP自動計算平均照度值和照度均勻度。②中的另外一個按鈕“復位”用作初始化APP，清空③和④框中的數據，等待重新開始新檢測任務。

安卓在界面上顯示或者刷新數據尤其要注意一點：在主線程開啟子線程（用Runnable）時候，如果要更新UI（包括控件）必須在主線程更新。所以子線程要更改就需要用到Handler的Message消息機制。中間還需要將傳遞數據封裝成Bundle對象。

圖6　Android無線監(jiān)測APP主界面

2　設計計算與校核

2.1照度探頭上下擺動核算

照度探頭上下擺動核算目的是保證工作人員作用在人工輔助型照度檢測車的推力不會讓照度探頭離開地面，圖7為人工輔助型照度檢測車簡化機構受力分析［18］，其長度d是圖中A點到H點的水平距離，d=LAH≤4m。

A點是照度檢測探頭安裝位置，BD是車身，DH是伸縮推桿，DH與水平線夾角為α，其中簡化BD重力作用在其中點C位置為G1，DH重力作用在其中點E位置為G2，F為人為作用在H點的推力，其方向與水平線夾角為θ，f為輪子與地面摩擦產生的摩擦力。由理論力學得出作用在D點的力矩分別有MBD、MF、MDH、Mf，大小分別由G1、F、G2、f作用力換算得出，各自方向如圖所示，其中MBD大小為G1與其力矩臂的乘積：

MF的力矩臂可由LDH與夾角為θ、α通過直角三角形求出，所以可求得MF為

MDH的大小為G2與其力矩臂（1/2）LDH·cosα的乘積：

Mf的大小由f與輪子的半徑r的乘積，其中滑動摩擦系數為μ，則：

只有保證作用在D的力矩MD方向是逆時針，則A點就不會上翹，因此：

將式（1）、式（2）、式（3）、式（5）代入式（6）可得到作用力F的大小表達式：

圖7　人工輔助型照度檢測車簡化機構受力分析

2.2照度探頭左右晃動核算

照度探頭左右晃動核算目的是確定人為推車對照度探頭定點定位精度的影響，圖8為照度探頭左右晃動機構分析簡化尺寸圖，圖中實線部分表示整車，虛線部分是水平面和垂直面，主要為標注尺寸設置。圖中a表示手把寬度，b表示伸縮桿長度，c表示車身長度，θ角是伸縮桿與水平面的夾角，r是一個非常重要的尺寸，為手把端點距離圖中中心點O點的半徑，根據勾股定理可表示為

這里假設人工推車手的抖動左右距離為m，因此造成的車前端照度探頭晃動距離為n，則根據尺寸分析得出：

將式（9）移位化簡得出：

圖8　照度探頭左右晃動機構分析簡化尺寸圖

3　樣機的實地道路測試

圖9為人工輔助型照度檢測車實物圖，標出各硬件模塊安裝位置，并在下面標注出展開狀態(tài)的各部分長度。已知照度探頭上下擺動核算作用力F需滿足式（7）其中輪子的半徑r=0.5 m，G1=9 kg，G2=2 kg，取路面表面滑動摩擦系數μ=0.33，得出：

1）當θ≤α，F無論取值多少都滿足照度探頭不會上翹。

2）當θ＞α，取θ=60°，α=30°，F≤97N照度探頭才不會離開地面。

圖9　人工輔助型照度檢測車實物圖

根據式（10）可知當伸縮桿與水平面的夾角θ越大，人手抖動相同距離引起的照度探頭晃動越厲害。其中手把寬度a=0.4 m，伸縮桿長度b=1.73 m，車身長度c=1.5 m，假設人工推車手的抖動左右距離為m=0.05 m，伸縮桿與水平面的夾角θ=30°，則n=0.0496m。

人工輔助型照度檢測車雖然車身采用材質較輕的鋁型材，但是整個質量達到11kg，折疊狀態(tài)主要方便工作人員運輸。

圖10　Android無線監(jiān)測APP運行流程圖

圖10為Android無線監(jiān)測APP運行流程，建立Socket連接后系統(tǒng)在主線程上等待按鈕事件觸發(fā)?！按_認”按鈕觸發(fā)后系統(tǒng)獲取輸入燈桿距離EditText值，將其發(fā)送至下位機。若值為空，則彈出提示提醒操作者輸入?！皬臀弧卑粹o主要清空顯示區(qū)域，并發(fā)送給下位機清空編碼器脈沖計數。同時開啟接收數據監(jiān)聽線程，實時接收來自下位機的數據，根據下位機傳來的數據類型，將照度值顯示在照度區(qū)，距離值顯示在距離區(qū)。主線程和子線程一直循環(huán)運行，直到APP被強制退出。

表1　對比試驗數據

檢測路段選取廣州市天河區(qū)岳洲路路段，雙車道、路段長度30m、寬度6.5m，該路段整體建設標準高，照明設施較為完善，選擇該路段作為檢測對象具有典型性。使用“基于車載平臺的人工輔助型照度檢測車”進行實地測試實驗，與人工檢測結果進行對比驗證，以測試其實際應用效果。為減少對交通的影響，避開道路高峰時間，選擇道路車流量較少的時間進行檢測。檢測前對檢測車道進行圍閉，用激光測距測得兩燈桿之間距離為30.44 m，確定布點間距，按照GB/T 5700——2008的中心布點法來確定被測量點，在道路中線處測量。先進行人工逐點檢測記錄，測量點之間距離由皮尺確定。再進行車載式自動檢測，將人工輔助型照度檢測車放在中線起始點，走完整個車道后，手機實時顯示其照度數據。

表1為實驗數據，通過對比實驗可以清楚看到人工輔助型照度檢測車相比于傳統(tǒng)人工檢測節(jié)省了2/3時間，大大提高檢測效率，同時用平均照度表示人工與自動的照度檢測結果，其相對誤差δ=1.81%，準確度滿足測量要求。

4　結束語

輔助型檢測平臺設計核心在于檢測復雜道路下增強人機協(xié)作目的前提下最大限度提高系統(tǒng)可靠穩(wěn)定性，達到以下目標：1）可靠性。用人工前進代替機器自動前進，可適應不同路況，同時大大增強系統(tǒng)運行可靠性；2）快速性。把原先繁瑣的道路封鎖、距離測量、數據記錄等全過程集合成測試人員手推輔助平臺走完車道后自動完成整個車道照度檢測，照度自動檢測及檢測程序簡化帶來快速檢測結果；3）便攜性。利用手機顯示測量結果及相應功能模塊減少使平臺更加輕便；4）高準確度。照度自動采集、傳輸、存儲、顯示，大大降低人工檢測對檢測結果準確性和一致性影響；5）低成本。依靠軟硬件高效結合，保證強大的功能性外也考慮到便于操作，只需1名測試人員便可完成整個測試工作。

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（編輯：劉楊）

Development of illumination detection car with artificial supplementary based on vehicular platform

WAN Quan1，CHEN Xiaoman1，HU Sujun1，LIU Guixiong2
（1.Guangzhou Quality Supervision and Testing Institute，Guangzhou 511442，China；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

LED street lamp reduces power consumption and at the same time decreases intensity of illumination than traditional street lamp.If the quality of LED street lamp is below standard，it will further reduce the illumination of road surface which would result in increase of road traffic accident rate.This paper studies artificial auxiliary illumination detection car design based on vehicle platform which will improve the supervision and detection technology of LED lighting products.The testing process is according to the national standard.The system can collect road horizontal illumination and mobile distance real-time accurately.It has many functions of sensor data acquisition，processing，storage，remote transmission and other functions in combination with high performance CPU.To achieve direct monitoring，it should be developed into smart phone APPs to monitor sensor data remotely by wireless technologies.Compared with manual testing experiment，the results show that the system has the advantages of high efficiency，low cost and high precision.

road lighting；vehicular platform；artificial supplementary；wireless monitoring

A

1674-5124（2016）07-0068-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.014

2016-03-18；

2016-04-25

廣東省質量技術監(jiān)督局科技項目（2014ZZ0）

萬泉（1969-），男，廣東湛江市人，高級工程師，主要從事機電產品檢測技術研究。

劉桂雄（1968-），男，廣東揭陽市人，教授，博導，主要從事智能傳感與檢測技術研究。