基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)研究＊

李奎 何耀華

（1.武漢理工大學(xué)，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）

1 前言

維持直線行駛是汽車行駛穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，也是汽車安全性的一項(xiàng)基本要求[1]。為避免因跑偏而引發(fā)危險(xiǎn)的交通事故[2]，國(guó)際上絕大多數(shù)汽車制造公司對(duì)總裝下線的汽車均要進(jìn)行行駛跑偏項(xiàng)目的檢測(cè)。方便、快捷，且能滿足汽車生產(chǎn)節(jié)拍要求的跑偏檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)近幾年才開(kāi)始研究[3-6]，因此，汽車行駛跑偏檢測(cè)在國(guó)際國(guó)內(nèi)至今仍大多采用人工主觀判斷的方法，只有少數(shù)幾家企業(yè)采用了基于CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。人工主觀評(píng)價(jià)的突出缺點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果受人為因素的影響大，評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性較差；CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)檢測(cè)中的應(yīng)用，徹底改寫了汽車行駛跑偏檢測(cè)的歷史，實(shí)現(xiàn)了汽車行駛跑偏的儀器檢測(cè)、客觀評(píng)價(jià)。

基于CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、效率高、自動(dòng)化程度高、使用方便等突出優(yōu)點(diǎn)，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)標(biāo)定繁瑣[7-8]、維修略顯不便等缺點(diǎn)。為此，本文在CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)了基于激光測(cè)距的第二代汽車行駛跑偏自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

2 激光測(cè)距跑偏測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

跑偏測(cè)試作為汽車生產(chǎn)檢測(cè)的一個(gè)環(huán)節(jié)，必須滿足如下要求：流水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)被試車輛的連續(xù)測(cè)試；測(cè)試效率高，與汽車生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)一致；實(shí)時(shí)反饋測(cè)試結(jié)果，便于被試車輛分流。

基于上述要求，基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要由測(cè)試信息獲取、控制與數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通訊3個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖1所示。測(cè)試信息獲取子系統(tǒng)中，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)被試車輛位置，控制激光測(cè)距傳感器適時(shí)開(kāi)啟測(cè)試?？刂婆c數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)控制跑偏測(cè)試系統(tǒng)按設(shè)定的流程自動(dòng)運(yùn)行、處理測(cè)試信息、計(jì)算測(cè)試結(jié)果、進(jìn)行OK/NG判定。試車員可通過(guò)手持無(wú)線終端與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互，如發(fā)送車輛VIN、請(qǐng)求測(cè)試、接收測(cè)試結(jié)果等。

圖1 跑偏測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

汽車行駛跑偏的測(cè)試流程如圖2所示。試車員上車前，利用手持無(wú)線終端掃入并存儲(chǔ)被試車輛VIN，待被試車輛進(jìn)入設(shè)定的信號(hào)發(fā)送區(qū)時(shí)，發(fā)送VIN，以便測(cè)試系統(tǒng)識(shí)別該車輛，同時(shí)發(fā)出測(cè)試請(qǐng)求。試車員根據(jù)地面引導(dǎo)線將被試車輛調(diào)整到直行方向和規(guī)定的車速，并保持這一車速通過(guò)測(cè)試區(qū)。通過(guò)測(cè)試區(qū)期間，不得對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加任何力或力矩。設(shè)置在測(cè)試區(qū)起點(diǎn)和終點(diǎn)的激光測(cè)距傳感器在測(cè)控主機(jī)的控制下，由對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)自動(dòng)完成相關(guān)測(cè)試，計(jì)算各跑偏參數(shù)，并將測(cè)試結(jié)果通過(guò)手持無(wú)線終端及時(shí)反饋給試車員，實(shí)現(xiàn)被試車輛分流。

圖2 單次跑偏測(cè)試流程

3 跑偏測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理

將跑偏測(cè)試路段劃分為測(cè)試準(zhǔn)備區(qū)和測(cè)試區(qū)。測(cè)試準(zhǔn)備區(qū)用于修正被試車輛行駛方向，并將車速調(diào)整到規(guī)定數(shù)值。在測(cè)試區(qū)的起點(diǎn)、終點(diǎn)分別安裝激光測(cè)距傳感器。

建立如圖3所示的直角坐標(biāo)系OXY，其中Y軸與道路中心線平行，車輛行進(jìn)方向?yàn)檎?。在時(shí)刻t1，被試車輛經(jīng)過(guò)位置點(diǎn)P1，由激光測(cè)距傳感器1獲得其坐標(biāo)（X1，Y1），行駛方向與Y軸正方向的夾角即駛?cè)虢莙0（順時(shí)針為正，反之為負(fù)）；在時(shí)刻t2，被試車輛經(jīng)過(guò)位置點(diǎn)P3，由激光測(cè)距傳感器3獲得其坐標(biāo)（X3，Y3）。連接點(diǎn)P1、P3，直線P1P3與Y軸正方向的夾角為q1。被試車輛的跑偏量s（右偏為正，左偏為負(fù)）、通過(guò)測(cè)試區(qū)的平均車速vˉ、跑偏角q（右偏為正，左偏為負(fù)）等參數(shù)可利用式（1）～式（3）計(jì)算得到。

圖3 汽車行駛跑偏測(cè)試參數(shù)計(jì)算

因測(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度為定值L，即Y3-Y1=L已知，故只需測(cè)量被試車輛駛?cè)搿Ⅰ偝鰷y(cè)試區(qū)時(shí)沿X軸的相對(duì)坐標(biāo)（X3-X1）和駛?cè)虢莙0，即可對(duì)各跑偏參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

4 測(cè)試精度影響因素分析

通過(guò)對(duì)基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及試車測(cè)試數(shù)據(jù)的深入分析發(fā)現(xiàn)，影響測(cè)試精度的因素主要是駛?cè)虢呛蛙嚿砩系臏y(cè)定點(diǎn)狀態(tài)。

4.1 駛?cè)虢?/h3>

要想獲得準(zhǔn)確的汽車行駛跑偏測(cè)試結(jié)果，首先必須要有準(zhǔn)確的測(cè)試基準(zhǔn)，被試車輛通過(guò)測(cè)試區(qū)起點(diǎn)處時(shí)必須處于直行狀態(tài)，即駛?cè)虢菫榱悖ū辉囓囕v的縱軸線與測(cè)試路段的中心線平行）。然而，人工操作不可避免地存在誤差，駛?cè)虢峭ǔ２豢赡転榱鉡9]，如此便帶入了基準(zhǔn)誤差。消除此基準(zhǔn)誤差最有效的方法是，準(zhǔn)確測(cè)量駛?cè)虢?，從測(cè)試結(jié)果中剔除駛?cè)虢撬鶐?lái)的誤差。

駛?cè)虢堑臏y(cè)量如圖4所示。在測(cè)試區(qū)內(nèi)與測(cè)點(diǎn)1相距L1處增加測(cè)點(diǎn)2，被試車輛通過(guò)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2時(shí)，設(shè)置在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2道路兩側(cè)的激光測(cè)距傳感器分別測(cè)出被試車輛在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處的X坐標(biāo)X1和X2，利用式（4）可計(jì)算出駛?cè)虢莙0。在保證能夠提取到有效車身表面數(shù)據(jù)的前提下，L1的值越大，駛?cè)虢莙0的計(jì)算越精確。

圖4 駛?cè)虢堑臏y(cè)量

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)提取

激光測(cè)距傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)中有時(shí)會(huì)存在異常數(shù)據(jù)，如測(cè)定點(diǎn)落在車輛門縫中、透明燈罩上等，如此便會(huì)帶來(lái)巨大的測(cè)試誤差。為避免這類情況的發(fā)生，需對(duì)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

在選定的工作模式下，激光測(cè)距傳感器的電流輸出特性如圖5所示。當(dāng)所測(cè)距離在其量程之外，輸出電流為相應(yīng)的定值；當(dāng)所測(cè)距離在其量程內(nèi)，其輸出電流與距離成正比。盡管不同汽車制造公司有關(guān)汽車行駛跑偏的許用值各不相同，但其許用值大多不超過(guò)0.6m/50m[10]。為確保所研發(fā)的汽車行駛跑偏自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確測(cè)試跑偏合格的汽車產(chǎn)品，也能測(cè)試跑偏嚴(yán)重超標(biāo)的汽車產(chǎn)品，將跑偏量的測(cè)試上限定為2.0m。為防止激光測(cè)距傳感器自身的電流波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，以0.2m作為安全裕量。由式（5）、式（6）可計(jì)算出激光測(cè)距傳感器的量程（可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置）。若測(cè)試數(shù)據(jù)不在此量程范圍內(nèi)，顯然是誤差特別巨大的異常數(shù)據(jù)，在此稱為第一類異常數(shù)據(jù)，予以剔除。

式中，Dmax、Dmin分別為激光測(cè)距傳感器量程的上、下限；Br為測(cè)試區(qū)寬度；Bmax為被試車輛寬度的最大值；d為激光測(cè)距傳感器到測(cè)試區(qū)邊界的距離。

圖5 激光測(cè)距傳感器的電流輸出特性

除第一類異常數(shù)據(jù)外，還會(huì)出現(xiàn)誤差較第一類異常數(shù)據(jù)小的異常數(shù)據(jù)，如前面所述測(cè)定點(diǎn)落在車輛門縫或透明燈罩上所測(cè)得的數(shù)據(jù)，在此稱為第二類異常數(shù)據(jù)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[11]，即：計(jì)算激光測(cè)距傳感器依次測(cè)得被試車輛通過(guò)3個(gè)測(cè)點(diǎn)處車身不同部位的X坐標(biāo)（Xj1，Xj2，Xj3，…，Xjn;j=1，2，3），分別按照式（7）～式（9）計(jì)算其算術(shù)平均值`Xj、殘差DXji、標(biāo)準(zhǔn)差sXj。殘差大于3s者即為第二類異常數(shù)據(jù)，予以剔除，重新計(jì)算直至剩余測(cè)試數(shù)據(jù)的殘差均小于3s。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與壓力測(cè)試

5.1 試驗(yàn)測(cè)試

為考察基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，利用相關(guān)硬件搭建試驗(yàn)臺(tái)架，以外形規(guī)則的矩形塊替代被試車輛，設(shè)定已知的駛?cè)虢呛团芷?，依次遮擋相?yīng)的光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)測(cè)試。10次重復(fù)測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)重復(fù)測(cè)量結(jié)果 cm

由表1可知，系統(tǒng)的測(cè)試誤差均小于0.5cm，達(dá)到測(cè)試誤差需在2cm以內(nèi)的測(cè)試要求。且測(cè)試誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.26cm，表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

5.2 系統(tǒng)標(biāo)定

搭建如圖6所示的跑偏測(cè)試系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)運(yùn)算，本系統(tǒng)分別將第1對(duì)激光測(cè)距傳感器的連線在路面上的投影、路面中心線定義為測(cè)試測(cè)點(diǎn)處的X軸和Y軸。由于存在安裝誤差，各激光測(cè)距傳感器與路面中心線所在豎直平面（基準(zhǔn)平面）的距離并不相等，且其值直接關(guān)系到跑偏量的計(jì)算，因此可采用如圖7所示的標(biāo)定裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。其具體方法是，通過(guò)將多塊標(biāo)定板固定于同一平面上，由式（10）、式（11）計(jì)算出各激光測(cè)距傳感器至基準(zhǔn)平面中心的距離LjL、LjR（j=1，2，3，設(shè)置在測(cè)試區(qū)上3個(gè)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)）。標(biāo)定的結(jié)果見(jiàn)表2。

式中，LjL、LjR分別為設(shè)置在測(cè)試區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)處左、右側(cè)激光測(cè)距傳感器至基準(zhǔn)平面的距離分別為設(shè)置在測(cè)試區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)處左、右側(cè)激光測(cè)距傳感器的讀數(shù)；Bb為標(biāo)定板的厚度。

圖7 跑偏測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定裝置

表2 臺(tái)架試驗(yàn)重復(fù)測(cè)量結(jié)果 mm

5.3 實(shí)車試驗(yàn)

汽車行駛跑偏測(cè)試系統(tǒng)作為生產(chǎn)線檢測(cè)設(shè)備，需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，有必要對(duì)其進(jìn)行壓力測(cè)試。10輛不同款型的待測(cè)車輛，以檢測(cè)線正常的生產(chǎn)節(jié)拍（1min），按照檢測(cè)流程循環(huán)進(jìn)行跑偏測(cè)試2小時(shí)，其中10次的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)車測(cè)試結(jié)果

由表3可知，被試車輛按照特定指示車速勻速行駛進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)檢測(cè)到的測(cè)試車速較為準(zhǔn)確[12]。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定。待測(cè)車輛在指定地點(diǎn)發(fā)出測(cè)試請(qǐng)求，以規(guī)定車速通過(guò)測(cè)試區(qū)，駛離第3對(duì)激光測(cè)距傳感器2～3s即可順利接收到測(cè)試結(jié)果，無(wú)需進(jìn)行任何減速或者等待。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以汽車生產(chǎn)檢測(cè)線的檢測(cè)要求為前提，開(kāi)發(fā)了基于激光測(cè)距的汽車行駛跑偏自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的標(biāo)定裝置。為提升系統(tǒng)測(cè)試精度，探索出采用1組對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)同時(shí)控制2對(duì)激光測(cè)距傳感器的駛?cè)虢菧y(cè)量方式，并采用3σ準(zhǔn)則對(duì)異常測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。試驗(yàn)測(cè)試和實(shí)車壓力測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)量精度滿足檢測(cè)要求，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，操作簡(jiǎn)便，響應(yīng)快速，能與檢測(cè)線生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)一致。

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