基于逐次二角法與ARM芯片的路面測量系統(tǒng)

何偉銘， 錢 程，甘 屹

(1.上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 20093；2.中央大學(xué)，東京 112-8551)

基于逐次二角法與ARM芯片的路面測量系統(tǒng)

何偉銘1,2， 錢 程1，甘 屹1

(1.上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 20093；2.中央大學(xué)，東京 112-8551)

為更加精準(zhǔn)和快速地檢測路面的高程數(shù)據(jù)，設(shè)計了一種基于逐次二角法理論與ARM芯片的路面不平度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器采集行駛距離和角度變化，以自研發(fā)ARM采集系統(tǒng)采集分析數(shù)據(jù)，采用Modbus通訊協(xié)議進行上位機信息交互，通過實際測量，定點距離測量準(zhǔn)確率達(dá)99.92%，定點角度測量準(zhǔn)確率達(dá)99.67%。在路面單線測量中與水準(zhǔn)儀所測數(shù)據(jù)相比準(zhǔn)確率可達(dá)92.7%，最大偏差<5.4 mm。

路面高程；逐次二角法；ARM芯片；可編程數(shù)字濾波；Modbus通訊協(xié)議

隨著我國汽車保有量連年增加，到2015年底我國機動車保有量已經(jīng)超過2.79億，年增速更是破2 000萬輛[1]。陡增的車輛也加劇了路面狀況的惡化，而過于不平整的道路會導(dǎo)致：(1)影響行車安全；(2)降低行車的舒適性；(3)增加車輛的養(yǎng)護費用，如油耗的增加，機件的損壞[2]。另一方面，人們對于汽車乘坐的舒適性要求又與日俱增。車輛是通過輪胎和路面的相互作用產(chǎn)生驅(qū)動力來保證正常行駛的，因此研究路面與輪胎的耦合作用原理對提高車輛的乘坐舒適性和車輛通過性有重要的意義，而真實、精確的三維路面譜在研究車輛耦合仿真、車輛振動性能測試上尤為重要[3-5]。如何準(zhǔn)確的采集路面數(shù)據(jù)然后重構(gòu)出精確的路面譜成為了工程界研究的熱點。

路面形狀的測量方法和儀器有很多種，按照測量基準(zhǔn)分大致有5類：(1)固定基準(zhǔn)，如水平儀-標(biāo)桿測量方法，直梁基準(zhǔn)測量方法，3m直尺測量方法等；(2)隨動基準(zhǔn)，如多輪測平車等；(3)遞推基準(zhǔn)，如TRL高速路面計等；(4)慣性基準(zhǔn)，如GME路面計，APL路面縱剖面儀等；(5)角度基準(zhǔn)，如AASHO道路縱剖面測量儀，真實路形計(三角度求和方案)[6-7]。

為實現(xiàn)路面高程數(shù)據(jù)的精確測量，本文提出設(shè)計了一種基于逐次二角法與ARM芯片的路面測量系統(tǒng)，并進行了理論和實驗驗證，證明了此方法具有測量效率高、測量準(zhǔn)確性高、易實現(xiàn)、操作簡單等特點。

1 測量系統(tǒng)的理論及方案

1.1 測量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

逐次二角法(Sequential Two Angles Method，STAM)是日本的福原敏彥、佐藤壽芳等人在提出逐次二點法(Sequential Two Points Method，STPM)的基礎(chǔ)上，提出了將連續(xù)的變化的角度數(shù)值轉(zhuǎn)換為高度上的位移變化數(shù)據(jù)的測量理論。因此便可以將逐次二角法用于測量路面表面的凹凸形狀測量[8-9]。

圖1 模型簡化圖

圖1所示為逐次二角法測量的原理，假設(shè)初始位置裝置的前后連桿夾角為θ0，當(dāng)測量裝置沿測量方向前進桿長距離L時，前后連桿間的夾角相應(yīng)的變化值為θ1，則夾角為θ0+θ1，對應(yīng)的坐標(biāo)為(x1,y1)。當(dāng)裝置再次前進相同的距離L時，前后連桿間的夾角會產(chǎn)生大小為θ2的變化，此時連桿間夾角為θ1+θ2，對應(yīng)的坐標(biāo)為(x2,y2)，依次類推，可得在前進距離達(dá)到n個L時，兩連桿間夾角及相應(yīng)的坐標(biāo)(xn,yn)。

由幾何關(guān)系可得第一點坐標(biāo)，第二點坐標(biāo)如下

x1=Lcosθ0,y1=sinθ0

(1)

(x1,y1)=(Lcosθ0,Lsinθ0)

(2)

(x2,y2)=(x1+Lcos(θ0+θ1),y+Lsin(θ0+θ1))

(3)

(Lcosθ0+Lcos(θ0+θ1),Lsinθ0+Lsin(θ0+θ1))

(4)

依此類推，可得第n點坐標(biāo)(xn,yn)如下

(5)

(6)

(7)

n=1,2,3,…,N-1

(8)

式中，L為連接桿的長度；θn為第n點時連接桿夾角的變換值；αn為第n點時連接桿與水平方向的夾角；xn和yn為第n點的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)值。

1.2 測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案

基于逐次二角法的路面測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要如圖2所示：包括測量裝置平臺，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析軟件，計算機平臺以及相應(yīng)的Matlab處理程序組成。其中測量裝置平臺包括了行駛部分、承載部分、傳感器與電路部分、輔助部分組成。數(shù)據(jù)采集部分主要使用兩個增量式旋轉(zhuǎn)編碼器完成，一個作系統(tǒng)的距離測量用，一個負(fù)責(zé)測量系統(tǒng)的角度測量，再將數(shù)字信號輸入基于32位RISC的ARM芯片的計數(shù)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中完成脈沖數(shù)據(jù)的識別和計數(shù)再通過RS-485接口與電腦進行通信，通過Delphi軟件進行通訊及數(shù)據(jù)記錄，導(dǎo)出Excel表格。再通過Matlab程序?qū)?shù)據(jù)代入逐次二角法模型，生成單線上的路面高程形狀曲線。

圖2 測量系統(tǒng)原理框圖

1.3 測量裝置平臺的主體外形

測量系統(tǒng)的主體裝配圖如圖3所示，2根前連接桿、2根后連接桿將3排滾輪以L=300 mm的軸距連接，滾輪周長為300 mm。測量裝置安裝有2個NEMICOM光電增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，刻度分別為360脈沖/轉(zhuǎn)和3 600脈沖/轉(zhuǎn)，采用12 V直流電源供電。

圖3 測量裝置裝配效果圖

圖4所示為測量平臺的距離編碼器布置設(shè)計；前部軸心貫穿滾輪，通過緊定螺釘固定，確保滾輪與軸同步旋轉(zhuǎn)，同時軸的一端與距離編碼器連接，利用編碼器上的緊定螺釘將兩者固定連接，即可將軸的旋轉(zhuǎn)傳遞至距離編碼器，滾輪行駛的距離可通過距離編碼器測得，滾輪與軸承之間套有套筒，用于軸向定位依據(jù)以上機構(gòu)設(shè)計對測量裝置的相應(yīng)部件進行設(shè)計。

圖4 距離編碼器的機構(gòu)設(shè)計

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與分析軟件

2.1 基于AMR芯片編碼器的解碼功能

數(shù)據(jù)采集模塊的原理框圖如圖5所示，模塊主要由電源、計數(shù)電路、隔離與非隔離雙輸入、RS-485隔離通訊接口等組成，模塊的微控制器采用32位RISC的ARM芯片，具有快速的數(shù)據(jù)處理能力，并采用了看門狗電路，可以在出現(xiàn)意外時將系統(tǒng)重新啟動，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，可以應(yīng)用在高性能和高速度的環(huán)境。但是因為在路試過程中路面的不平所產(chǎn)生的震動會傳導(dǎo)到測量系統(tǒng)上產(chǎn)生脈沖抖動，所以對輸入信號采用了可編程數(shù)字濾波，大幅降低了測試工程中震動干擾對模塊正常運行的影響。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊原理框圖

基于ARM芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計為具有編碼器解碼功能，可以對正交編碼器的輸出信號進行解碼，通過讀取端口資源寄存器，可以直接獲得運行方向，運行角度和脈沖計數(shù)[11]。

正交編碼器又稱為增量式編碼器，用于檢測旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速，一般有3個輸出信號：A相、B相和索引信號[12]。表1為正交編碼器與采集卡的連線方式。

表1 正交編碼器與采集卡連線方式

2.2 可編程數(shù)字濾波

由于路試時路面不平所引起的車架震動會導(dǎo)致測量系統(tǒng)的脈沖抖動和誤計數(shù)，所以同時為測量系統(tǒng)配備了可編程數(shù)字濾波功能，每個輸入通道可以獨立配置濾波參數(shù)。單位為1 μs，濾波的范圍為1～65 535 μs。[13]當(dāng)濾波參數(shù)設(shè)置為0時，表示禁止該通道的數(shù)字濾波功能；當(dāng)濾波參數(shù)設(shè)置為非0值時，表示使用數(shù)字濾波功能。當(dāng)輸入信號的高電平時間或者低電平時間小于濾波器參數(shù)時[14]，該信號將被濾除，信號濾除原理如圖6所示。

圖6 信號濾除原理

具體的濾波濾除機理如表2所示，設(shè)置濾波器參數(shù)Fdiv后，當(dāng)輸入信號的低電平或高電平保持時間小于濾波參數(shù)，該信號都將被濾除，而對于電平保持大于濾波參數(shù)的信號，存在一個過渡區(qū)，輸入信號可能被濾除，也可能通過。

表2 濾波濾除機理

2.3 MODBUS通訊協(xié)議

數(shù)據(jù)采集模塊通過RS-485連接到計算機，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議進行通訊，通訊解碼流程如圖7所示[14]。

圖7 通訊解碼流程

對于每個I/O資源地址，分配一個對應(yīng)的Modbus功能碼進行操作，具體操作如下：資源節(jié)點地址為0x0040-0x005f，采用04(讀輸入寄存器)功能碼進行讀取，每個寄存器存放1路AI采樣值，功能碼的請求及響應(yīng)幀格式[15]。

以讀取距離編碼器數(shù)值為例，發(fā)送指令：01 04 00 40 00 02 70 1F。其中，01為模塊地址；04為讀取輸入型寄存器的功能碼，編碼器的計數(shù)值定義為輸入型寄存器；00 40為編碼器0的計數(shù)值的寄存器起始地址；00 02為讀取的寄存器的數(shù)量，一個編碼器的計數(shù)值占用兩個寄存器地址，所以是02；70 1F為CRC檢驗碼。模塊返回：01 04 04 00 00 23 93 A2 D9。其中，01為模塊地址；04為功能碼；04為返回數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量，一個計數(shù)通 占用兩個寄存器地址，一個寄存器為一個字(2 Byte)，所以是4 Byte數(shù)據(jù)。

00 00 23 93編碼器當(dāng)前的計數(shù)值，數(shù)值高位在前，轉(zhuǎn)換為十進制的方法為：(1)把00 00 23 93轉(zhuǎn)換為十進制為：00 00 35 147；(2)計數(shù)值 = ((00×256+00)×256+35)×256+147 =9 107。A2 D9為CRC檢驗碼。

3 實驗驗證與結(jié)果分析

3.1 距離單定點實驗驗證

實驗1 測量裝置的滾輪周長為300 mm，距離編碼器的分辨率為360 p/r，即每旋轉(zhuǎn)1圈可以產(chǎn)生360個脈沖。設(shè)置4組實驗，測量系統(tǒng)分別行駛300 mm，600 mm，900 mm，1 200 mm 4種距離，每組實驗做3次取誤差最小組記錄，距離測量的單定點測量準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.92%;距離測量完全可以達(dá)到測量需求

表4 距離測量理論與實際脈沖數(shù)對比

圖8 1 200 mm程序測量時截圖

3.2 角度單定點實驗驗證

實驗2 測量裝置的角度編碼器分辨率為3 600 pN，即每轉(zhuǎn)過一圈會產(chǎn)生3 600個脈沖，沒轉(zhuǎn)過1°，理論上將產(chǎn)生10個脈沖。將測量裝置的前連接桿分別旋轉(zhuǎn)±5°，±15°，每組實驗做3次取誤差最小組記錄，角度測量的單定點的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.67%，角度測量完全可以達(dá)到測量需求。

表5 角度測量理論與實際脈沖數(shù)對比

圖9 15°程序測試時截圖

3.3 路面單線測量實驗及水準(zhǔn)測量法驗證

實驗選取長度為10 m的水泥路面進行測量，路況良好，路面無明顯損壞。測量裝置的前后連接桿的初始夾角為0，測量裝置所在的初始平面為基準(zhǔn)面，該平面上測量系統(tǒng)的前進方向所在直線為基準(zhǔn)線。實驗中，為方便與水準(zhǔn)測量法的測量結(jié)果進行比較，通過Matlab程序?qū)⑶€進行一次擬合，按照得出的一次曲線斜率進行旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

表6 二角法測量與水準(zhǔn)儀測量結(jié)果對比

如圖10所示，選取間隔為900 mm的B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J，K，L共11點，依次放置水準(zhǔn)尺進行高程測量，得到以上11點的高程值。將二角法測量得到的值與之進行對比如表6所示。

圖10 水泥路面斷面形狀測量曲線

觀察圖像和表中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，兩種測量方法得到的數(shù)據(jù)偏差值最大值為5.39 mm，偏差值有隨測量距離增加而增大的趨勢。但在10 m范圍內(nèi)保持在±5.4 mm以內(nèi)波動，表明該逐次二角法測量系統(tǒng)有較高的測量準(zhǔn)確度。

4 結(jié)束語

(1)依照逐次二角法建立了路面測量系統(tǒng)的理論并設(shè)計完成了符合測量要求的鑄鋁車架，并選用了合適的編碼器作為采集系統(tǒng)；

(2)完成了基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建構(gòu)，并通過Modbus通訊協(xié)議完成與計算機的交互，并為測量開發(fā)了基于Delphi的軟件程序；

(3)實驗結(jié)果表明定點測量離中準(zhǔn)確率達(dá)99.92%，定點角度測量準(zhǔn)確率達(dá)99.67%。在路面單線測量中與水準(zhǔn)儀所測數(shù)據(jù)相比準(zhǔn)確率可達(dá)92.7%，最大偏差<5.4 mm。

[1] 王建鋒,宋宏勛,馬榮貴.路面平整度評價指標(biāo) IRI 的影響因素[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012, 31(6)：32-34.

[2] 王勇.提高瀝青路面質(zhì)量措施研究[J]. 內(nèi)蒙古公路與運輸,2014(1)：27-29.

[3] 王鋒,張金喜.瀝青混凝土公路路面駕乘舒適性評價[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,40(3)：378-383.

[4] Johannesson P,Podgórski K,Rychlik I. Modelling roughness of road profiles on parallel tracks using roughness indicators[J].IEEE Transactions on Circuit,2014(1)：33-35.

[5] Wang G,Cai L,Shao B,et al. Comprehensive evaluation model of grey fixed weight clustering for airport pavement service performance[C].Beijing:International Conference on Transportation Engineering,2009.

[6] 趙康,丁磊,王金洋.雙激光位移傳感器測量路面平整度系統(tǒng)實現(xiàn)[J].汽車實用技術(shù),2012(5):61-64.

[7] 何偉銘,封左偉.逐次二角在路面斷面形狀測量領(lǐng)域的運用[J].中國機械工程,2016(5):1767-1771.

[8] 吳靜進,楊若波.ARM與DSP接口的通信設(shè)計[J].通信設(shè)計,2006(10):21-25.

[9] 余代俊.全站儀中間法代替二等水準(zhǔn)測量的精度分析與實驗[J].測繪與空間地理信息, 2006,29(5):117-120.

[10] Martins H F,Marques M B,Fraz?o O.Temperature-insensitive strain sensor based on four-wave mixing using Raman fiber Bragg grating laser sensor with cooperative Rayleigh scattering[J]. Applied Physics B,2011,104(4):957-960.

[11] 韋湘宜,丁紅昌.光電編碼器檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電子科技,2015,28(9):184-188.

[12] 鐘陽,王哲人.對國際平整度指數(shù)法的評論[J].中國公路學(xué)報,1994,7(1):28-32.

[13] 張桂,金國強.基于ARM平臺Modbus RTU協(xié)議的研發(fā)與實現(xiàn)[J].信息科技,2011(27):58-63.

[14] 武威,邢青敏.基于FPGA的增量式編碼器接口電路設(shè)計在ARM上的運用[J].工程與實驗,2012(3):48-54.

[15] 翁建年,張浩.基于嵌入式ARM的Modbus/TCP協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件,2009(10):53-59.

Pavement Surface Measurement System Based on Two Angles Method and ARM Chip

HE Weiming1,2，QIAN Cheng1，GAN Yi1

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Chou University,Tokyo 112-8551,Japan)

In order to detect the pavement elevation data in a more accurate and fast way, designing a new measurement system based on Two Angles method and ARM chip. The system collects traveling distance and angle change by rotary encoder, and through the ARM acquisition system acquisition and analysis data, through the Modbus communication protocol, the host computer information interaction, In actual measurement, the accuracy rate of the system is 99.92%, and the accuracy of the fixed point angle measurement is 99.67%. In the single line measurement of pavement and the level of the measured data compared to the accuracy rate of up to 92.7%, the maximum deviation is less than 5.4 mm

road roughness;successive two angle method;ARM chip;programmable digital filter; Modbus communication protocol

2016- 11- 22

國家自然科學(xué)基金(51375314)

何偉銘(1962-)，男，副教授。研究方向：高精密加工與測量。錢程(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：高精密加工與測量。甘屹(1974-), 男，副教授。研究方向：先進制造技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.011

TN713+.7;TB22

A

1007-7820(2017)09-037-05