汽車行駛跑偏測(cè)試中無線通信系統(tǒng)的研究

劉淵博，何耀華

（1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，武漢 430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

汽車行駛跑偏是指汽車在平直路面上行駛時(shí)，輕撫或完全松開方向盤，汽車不按直線方向行駛，而是自動(dòng)向左或向右偏駛的異?，F(xiàn)象，是汽車運(yùn)行中常見的故障之一。汽車跑偏的危害很大，輕則造成啃胎、輪胎報(bào)廢，重則導(dǎo)致爆胎、車輛失控等危險(xiǎn)狀況，甚至引發(fā)嚴(yán)重的交通事故[1-3]。在車輛生產(chǎn)制造和裝配調(diào)整過程中，不可避免地存在一定誤差，因此從生產(chǎn)線下來的汽車總會(huì)或多或少地存在行駛跑偏問題[4]，為避免存在嚴(yán)重跑偏問題的車輛進(jìn)入市場(chǎng)，急需開發(fā)出一套性能可靠的汽車跑偏在線測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)下線車輛進(jìn)行跑偏檢測(cè)。

目前汽車行駛跑偏量的測(cè)試方法有很多。在此，綜合考慮測(cè)試精度、成本、可靠性等因素，選用基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏測(cè)試方法。無論哪種測(cè)試方法，無線通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性都是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。本文根據(jù)跑偏測(cè)試系統(tǒng)需求，建立了一個(gè)無線通信系統(tǒng)，使汽車進(jìn)行跑偏測(cè)試時(shí)，利用手持終端收發(fā)測(cè)試指令，傳輸被測(cè)車輛信息，獲取測(cè)試結(jié)果，存儲(chǔ)及查詢測(cè)試信息，提高測(cè)試效率。

1 汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)

1.1 工作原理

基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。車輛跑偏測(cè)試區(qū)為長70 m，寬6.2 m的車道，其中直線引導(dǎo)區(qū)跑道長20 m，測(cè)試區(qū)跑道長50 m。系統(tǒng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，在測(cè)試區(qū)起點(diǎn)A，B，終點(diǎn)C處道路兩側(cè)分別安裝一對(duì)測(cè)試用激光測(cè)距儀（F1-F2，F(xiàn)3-F4，F(xiàn)5-F6），每側(cè)的激光測(cè)距儀位于同一直線上，在每對(duì)激光測(cè)距儀的前方50 cm 處安裝對(duì)射式光電開關(guān)（T1-R1，T2-R2，T3-R3）。

圖1 汽車跑偏測(cè)試系統(tǒng)總體構(gòu)成Fig.1 Overall composition of vehicle driving wandering test system

圖2 汽車跑偏測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)示意Fig.2 Scene sketch of vehicle driving wandering test system

首先，測(cè)試人員用手持終端掃描車輛VIN碼，并將其發(fā)送給測(cè)試主機(jī)，然后駕駛被測(cè)車輛至測(cè)試激活點(diǎn)處（AP1處，亦即直線引導(dǎo)區(qū)起點(diǎn)處）時(shí)，按下手持終端的“start”鍵，激活測(cè)試。在直線引導(dǎo)區(qū)內(nèi)將方向盤擺正，以50～90 km/h的車速勻速行駛，行至A，B，C測(cè)點(diǎn)處時(shí)，車輛依次觸發(fā)相應(yīng)的對(duì)射式光電開關(guān)，阻斷信號(hào)控制器將其轉(zhuǎn)換成激光測(cè)距儀的激活信號(hào)，激光射向車身，開始測(cè)距。測(cè)距結(jié)果傳至計(jì)算機(jī)主程序處理，從而計(jì)算出測(cè)試車輛的跑偏參數(shù)。

測(cè)試結(jié)束后，手持終端可以通過建立的無線通信系統(tǒng)收到測(cè)試主機(jī)傳來的測(cè)試結(jié)果，引車員可根據(jù)測(cè)試結(jié)果做下一步測(cè)試的安排。

1.2 跑偏參數(shù)計(jì)算

跑偏參數(shù)計(jì)算如圖3所示，L1為考慮車輛駛?cè)虢呛团芷珪r(shí)車輛的實(shí)際行駛軌跡；L2為僅考慮駛?cè)虢嵌纯紤]跑偏時(shí)車輛的理想行駛軌跡[5]。設(shè)m為A，B處激光測(cè)距儀之間的距離，m；L為A，C處激光測(cè)距儀之間的距離，m；d1，d2，d3，d4，d5，d6分別為激光測(cè)距儀的測(cè)試結(jié)果，mm；θ為被測(cè)車輛駛?cè)虢恰?/p>

圖3 跑偏參數(shù)計(jì)算原理Fig.3 Schematic of driving wandering parameters calculating

跑偏參數(shù)計(jì)算如下：

1）被測(cè)車輛的駛?cè)虢铅?/p>

由于實(shí)際設(shè)置的A，B兩測(cè)點(diǎn)的距離m很短，約為5m，而被測(cè)車輛在測(cè)試區(qū)的車速為50～90 km/h，被測(cè)車輛駛過A，B兩測(cè)點(diǎn)的時(shí)間僅為0.2～0.36 s。因此，被測(cè)車輛在A，B測(cè)點(diǎn)之間的行駛軌跡對(duì)車輛跑偏的影響可以忽略不計(jì)，僅需考慮駛?cè)虢铅仍斐傻能囕v偏移。由圖3可得，被測(cè)車輛進(jìn)入測(cè)試區(qū)時(shí)的駛?cè)虢铅葹?/p>

2）被測(cè)車輛跑偏量ΔS

根據(jù)L1和L2的含義，排除了駛?cè)虢菍?duì)車輛跑偏量的影響后，實(shí)際跑偏量為

式中：ΔS為被測(cè)車輛的實(shí)際跑偏量，mm。

3）被測(cè)車輛跑偏方向的判斷

若 ΔS＞0，車輛向右跑偏；若 ΔS＜0，車輛向左跑偏。

2 無線通信系統(tǒng)建立

在進(jìn)行汽車跑偏測(cè)試時(shí)，在測(cè)試車輛和測(cè)試系統(tǒng)之間需要一個(gè)相互聯(lián)系的紐帶，以保證測(cè)試信息得以高速實(shí)時(shí)地交換。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終使用了無線通信系統(tǒng)。

汽車行駛跑偏測(cè)試中無線通信系統(tǒng)需要具備以下功能：①能覆蓋測(cè)試區(qū)前后50 m距離且信號(hào)良好（數(shù)據(jù)掉包率不超過5%）；②手持終端能快速接入無線網(wǎng)；③手持終端在AP之間漫游時(shí)，AP之間切換時(shí)間短（一般不超過1 s）；④辨識(shí)測(cè)試車輛身份信息，并完成測(cè)試車輛登錄；⑤保證測(cè)試指令的傳輸順暢；⑥保證測(cè)試結(jié)果與被測(cè)車輛一一對(duì)應(yīng)。

2.1 硬件組成

考慮到無線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍及數(shù)據(jù)掉包率要求，采用星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局[6]，如圖4所示。以測(cè)試主機(jī)為中央節(jié)點(diǎn)，3個(gè)瘦AP與無線交換機(jī)一起構(gòu)建起整個(gè)無線通信系統(tǒng)。瘦AP通過有線網(wǎng)絡(luò)與測(cè)試主機(jī)以及無線交換機(jī)連接，手持終端通過無線通信系統(tǒng)與相連的瘦AP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。作為中央節(jié)點(diǎn)的測(cè)試主機(jī)將無線通信系統(tǒng)與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)連接起來，通信系統(tǒng)內(nèi)任何數(shù)據(jù)的交互都通過主機(jī)完成。

圖4 星型結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)Fig.4 Star-network wireless communication system

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的選擇

目前常用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有OSI參考模型和TCP/IP協(xié)議2種。OSI參考模型又稱開放系統(tǒng)互連參考模型，其將通信過程分解為7層，每層執(zhí)行相應(yīng)的功能。OSI中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層被統(tǒng)一成接口層，OSI中的會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層被統(tǒng)一成應(yīng)用層。

而TCP/IP協(xié)議采用4層結(jié)構(gòu)。TCP/IP協(xié)議由于其實(shí)用性、流行程度，已成為事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)，因此本系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議來建立相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 通信協(xié)議的選取

TCP/IP協(xié)議中的傳輸層有2種通信協(xié)議，即TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，兩者之間的對(duì)比如表1所示。

表1 兩種協(xié)議的對(duì)比Tab.1 Comparison of the two agreements

本系統(tǒng)要求手持終端與測(cè)試主機(jī)之間能夠可靠地傳輸測(cè)試指令和測(cè)試結(jié)果，故選取TCP協(xié)議比較合適。

2.2.3 計(jì)算模式的選擇

目前常用的計(jì)算模式有Client/Server模式和Browser/Server模式2種，其對(duì)比如表2所示。

表2 兩種計(jì)算模式的對(duì)比Tab.2 Comparison of two computing models

由于本系統(tǒng)中的客戶端數(shù)目固定，程序更新時(shí)的工作量并不大，所以適應(yīng)性不是主要考慮的因素。汽車跑偏測(cè)試無線通信系統(tǒng)要求手持終端和測(cè)試主機(jī)之間通信迅速安全，且運(yùn)行在局域網(wǎng)里，故選擇C/S計(jì)算模式較為合適，即手持終端作為客戶端，測(cè)試主機(jī)作為服務(wù)器。

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的制定

由于TCP協(xié)議是面向數(shù)據(jù)流的，這就意味著接收端所接收到的數(shù)據(jù)之間沒有邊界[7]。如果服務(wù)器連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，手持終端有可能一次接收動(dòng)作中會(huì)接收到2個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包，也可能一個(gè)數(shù)據(jù)包分多次接收，這2種情況接收到的數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中都是沒有邊界的，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸混亂。對(duì)此，有以下3種解決方案：

建立固定長度緩沖區(qū)這種方案很容易實(shí)現(xiàn)，能夠避免數(shù)據(jù)傳輸混亂，但其靈活性不好，即使要發(fā)送很短的數(shù)據(jù)，也要占用設(shè)定的固定長度的緩沖區(qū)，造成了空間資源浪費(fèi)。

發(fā)送帶結(jié)束標(biāo)記的數(shù)據(jù)即傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)的末端加一個(gè)特殊字符作為數(shù)據(jù)傳輸完成的結(jié)束標(biāo)記，但要將規(guī)定的特殊字符與要發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)別開來，否則也會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸混亂。

建立自適應(yīng)長度緩沖區(qū)設(shè)計(jì)一種新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把數(shù)據(jù)長度信息封裝在數(shù)據(jù)內(nèi)部。發(fā)送端每次發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須先發(fā)送1 B的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)長度信息，再發(fā)送實(shí)際的數(shù)據(jù)內(nèi)容；接收端先建立1 B大小的緩沖區(qū)用來接收數(shù)據(jù)長度信息，根據(jù)數(shù)據(jù)長度信息再建立相應(yīng)長度的緩沖區(qū)來接收實(shí)際數(shù)據(jù)內(nèi)容。

綜合對(duì)比，可以看出第3種方案既能避免數(shù)據(jù)傳輸混亂，又不會(huì)造成空間資源的浪費(fèi)，故而選擇在接收端建立自適應(yīng)長度緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3 無線通信策略研究

3.1 多端口通信方式

由于測(cè)試量大，測(cè)試速度高，測(cè)試準(zhǔn)備區(qū)域較短，所以車輛在測(cè)試區(qū)前會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)擁堵現(xiàn)象。若此時(shí)各個(gè)測(cè)試人員都向系統(tǒng)發(fā)出登錄信息，不僅會(huì)加重通信系統(tǒng)的處理負(fù)擔(dān)，更會(huì)造成測(cè)試信息的傳輸錯(cuò)亂。為此，手持終端和主機(jī)之間采用多端口多線程通信方式[6]，每次通信都在指定的不同端口處理，分工明確，避免了數(shù)據(jù)傳輸混亂，減輕了服務(wù)器負(fù)擔(dān)，提高了通信效率。

測(cè)試主機(jī)通過10001端口監(jiān)聽手持終端發(fā)來的服務(wù)器狀態(tài)請(qǐng)求，若已有客戶端與服務(wù)器連接，則客戶端收到“busy”信息，等待1 s后再次發(fā)送狀態(tài)請(qǐng)求；若服務(wù)器“空閑”，客戶端收到“test”信息，相對(duì)應(yīng)的被測(cè)車輛即為即將進(jìn)入測(cè)試區(qū)進(jìn)行測(cè)試的車輛。接著，測(cè)試主機(jī)通過10002端口監(jiān)聽手持終端發(fā)送來的車輛VIN碼，接收到后啟動(dòng)測(cè)試。測(cè)試完成后，手持終端通過10003端口監(jiān)聽測(cè)試主機(jī)發(fā)送的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行下一步安排。服務(wù)器和客戶端之間的主要工作流程如圖5所示。

采取多個(gè)端口進(jìn)行通信，測(cè)試人員可獲得較全的信息反饋，對(duì)于各種信息反饋?zhàn)鞒鱿鄳?yīng)的調(diào)節(jié)。而且由于測(cè)試主機(jī)通過10001端口所置的測(cè)試許可車輛只有1輛，保證了測(cè)試信息與車輛的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。較之單個(gè)端口而言，各端口功能明確，通信系統(tǒng)擴(kuò)展性、可維護(hù)性較好，便于構(gòu)建更為復(fù)雜的通信系統(tǒng)。

圖5 服務(wù)器和客戶端工作流程Fig.5 Server and client work flow chart

3.2 間歇通信策略

該無線通信系統(tǒng)在試運(yùn)行期間，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)通信延時(shí)的現(xiàn)象，對(duì)跑偏測(cè)試主系統(tǒng)的測(cè)試效率造成嚴(yán)重影響。為此，提出了一種間歇通信策略，當(dāng)某個(gè)手持終端和測(cè)試主機(jī)之間不應(yīng)該數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，主動(dòng)斷開它們之間的TCP連接，這樣不僅使得無線通信資源得到了合理的分配，而且明顯降低了測(cè)試過程中可能出現(xiàn)的通信延時(shí)所帶來的不利影響，使得系統(tǒng)在強(qiáng)干擾環(huán)境下的通信實(shí)時(shí)性和抗干擾能力大幅度提高[8]。

根據(jù)測(cè)試的具體流程，可將汽車行駛跑偏測(cè)試分為3個(gè)基本階段：被測(cè)車輛的信息提取階段、啟動(dòng)測(cè)試階段和反饋測(cè)試結(jié)果階段[9]。所采用的間歇通信策略的核心思想是，對(duì)于這3個(gè)基本階段，當(dāng)每個(gè)階段開始時(shí)手持終端都要向測(cè)試主機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求，建立TCP連接，每個(gè)階段結(jié)束時(shí)自動(dòng)斷開連接。

間歇通信策略具體如下：首先，測(cè)試人員利用手持終端掃描被測(cè)車輛VIN碼，并與測(cè)試主機(jī)之間建立TCP連接，接著向測(cè)試主機(jī)發(fā)送VIN碼。車輛VIN碼發(fā)送成功后，測(cè)試主機(jī)立即斷開與該手持終端的TCP連接，此即被測(cè)車輛的信息提取階段。該階段的外界干擾小，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求稍微低些。當(dāng)被測(cè)車輛行駛至規(guī)定的測(cè)試激活點(diǎn)時(shí)，手動(dòng)按下“start”鍵，此時(shí)手持終端與測(cè)試主機(jī)之間只建立TCP邏輯連接而無數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試主機(jī)通過獲取該手持終端的IP地址，調(diào)出此前經(jīng)此IP發(fā)送的車輛VIN碼，對(duì)被測(cè)車輛身份進(jìn)行驗(yàn)證，并啟動(dòng)測(cè)試。之后，測(cè)試主機(jī)立即斷開與該手持終端的TCP連接，以便騰出通信資源，分配給其他被測(cè)車輛上手持終端，此即啟動(dòng)測(cè)試階段，該階段的外界干擾大，而且對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比較高。待跑偏測(cè)試完成后，測(cè)試主機(jī)重新建立起與該手持終端的TCP連接，將測(cè)試結(jié)果發(fā)送給手持終端并斷開連接。間歇通信策略具體流程如圖6所示。

圖6 間歇通信策略流程Fig.6 Flow chart of interval communication strategy

該間歇通信策略使得無線通信資源得到了合理的分配，大大降低了通信延時(shí)帶來的影響，在強(qiáng)干擾環(huán)境下，通信時(shí)間從0.39 s降至0.04 s，測(cè)試系統(tǒng)的無效率從9%降到了1.2%，大大提高了系統(tǒng)的通信實(shí)時(shí)性和抗干擾能力。

3.3 ETC自啟動(dòng)通信策略

該套測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，存在著一個(gè)重要的問題：被測(cè)車輛到達(dá)測(cè)試激活點(diǎn)時(shí)，需測(cè)試人員手動(dòng)按下手持終端的“start”鍵才能啟動(dòng)測(cè)試，而不是自動(dòng)激活測(cè)試，這使測(cè)試人員的操作不夠簡(jiǎn)便。實(shí)際測(cè)試中，出于對(duì)測(cè)試人員的安全考慮，需要先適當(dāng)減速，再手動(dòng)按下“start”鍵，而有些測(cè)試人員為了按鍵時(shí)不減速，在到達(dá)規(guī)定的測(cè)試激活點(diǎn)之前就提前按下“start”鍵，結(jié)果未能成功激活測(cè)試進(jìn)而導(dǎo)致此次測(cè)試失敗。另外，由于無線網(wǎng)絡(luò)的問題，手動(dòng)發(fā)送時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不能成功激活測(cè)試的現(xiàn)象。為此，必需改進(jìn)通信方案，使車輛到達(dá)測(cè)試激活點(diǎn)時(shí)能夠在不減速的情況下自動(dòng)快速地激活測(cè)試?？紤]到電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)ETC近年來發(fā)展迅速，可以把ETC技術(shù)運(yùn)用到本套測(cè)試系統(tǒng)。

3.3.1 ETC的工作原理

當(dāng)車輛進(jìn)入到路測(cè)單元RSU信號(hào)覆蓋的有效范圍后，環(huán)路感應(yīng)器就觸發(fā)RSU采用專用短程通信技術(shù)DSRC與車載單元電子標(biāo)簽OBU進(jìn)行通信，RSU從OBU中獲取的車輛信息包括車輛標(biāo)識(shí)、用戶IC卡的賬戶信息等，將所得到的信息通過微波傳輸發(fā)送到車道控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)再對(duì)收到的信息進(jìn)行計(jì)算分析[10-12]。

3.3.2 ETC自啟動(dòng)通信策略

將路側(cè)設(shè)備RSU安裝在測(cè)試激活點(diǎn)，當(dāng)帶有OBU的車輛進(jìn)入RSU的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)后，OBU接收到RSU發(fā)來的詢問信號(hào)而被激活進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)RSU接收到OBU發(fā)來的激活測(cè)試信號(hào)，立即與測(cè)試主機(jī)建立起邏輯連接，啟動(dòng)測(cè)試主程序。在這個(gè)過程中，RSU并沒有向測(cè)試主機(jī)發(fā)送任何數(shù)據(jù)信息，僅僅是與其建立起連接，激活測(cè)試，測(cè)試完成后將測(cè)試結(jié)果發(fā)送到手持終端上。

可見，整個(gè)激活測(cè)試的過程是自動(dòng)完成的，不需要測(cè)試人員減速并手動(dòng)按下“start”鍵，這樣測(cè)試人員可以專注于將方向盤擺正并按照規(guī)定車速進(jìn)入測(cè)試區(qū)，大大提高了測(cè)試效率及測(cè)試穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)，精度高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便，能夠較好地滿足汽車廠商對(duì)下線車輛跑偏測(cè)試的需求。無線通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性是該測(cè)試系統(tǒng)有效運(yùn)行的前提，所提出的3種通信策略使得無線通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和抗干擾能力均有所增強(qiáng)，從而提高了測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試效率和可靠性，同時(shí)該無線通信系統(tǒng)也可用于其他類型的汽車戶外測(cè)試項(xiàng)目中。

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