基于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下測(cè)速儀校準(zhǔn)方法研究

【摘要】 本文首先介紹了機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的用途與基本原理，并分析了機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀在交通道路安全中的重要作用，然后研究了機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀檢測(cè)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并且根據(jù)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了基于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下測(cè)速儀的校準(zhǔn)方法。該方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的檢測(cè)，方法科學(xué)可行，不受道路環(huán)境干擾，為機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的準(zhǔn)確溯源提供了技術(shù)保障。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀;校準(zhǔn)方法;實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景;同步帶

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2022.01.009

Study on Calibration Method of Speedometer Based on Laboratory Scene

WU Jing

（Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）

Abstract： This paper first introduces the use and basic principle of motor vehicle speedometer， and? analyzes the important role of motor vehicle speedometer in traffic safety. Then this paper studies the current situation and existing problems of motor vehicle speedometer detection，and according to the present situation，designed speedometer calibration method based on laboratory scenarios. This method implements the laboratory detection of motor vehicle speedometer，it is scientific and feasible，and the method is not affected by road environment interference，it provides the technical support for motor vehicle speedometer accurate traceability.

Key words： motor vehicle speedometer;calibration method;laboratory scene;synchronous belt

1 引言

機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀安裝在道路上，用于測(cè)量行駛車(chē)輛的速度。目前使用較多的為雷達(dá)測(cè)速儀。雷達(dá)測(cè)速儀主要通過(guò)接收的反射波頻移量來(lái)計(jì)算被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度，這類測(cè)速儀主要安裝在一些重點(diǎn)路段以及事故高發(fā)路段。測(cè)速儀計(jì)量性能的準(zhǔn)確程度將直接影響交警部門(mén)執(zhí)法的公正性。

目前，機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的現(xiàn)場(chǎng)檢定需要將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀安裝在試驗(yàn)車(chē)上，試驗(yàn)車(chē)以被檢速度值勻速行駛，將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀對(duì)試驗(yàn)車(chē)測(cè)得的速度與機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀對(duì)試驗(yàn)車(chē)測(cè)得的速度進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)溯源。該種方法雖簡(jiǎn)單可行，但受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境因素影響較大，比如安全因素、雨雪霧等天氣因素干擾，尤其在對(duì)高速公路安裝機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于車(chē)流量較大，限速值較高，并且一些車(chē)輛會(huì)在即將到達(dá)測(cè)速監(jiān)控點(diǎn)時(shí)減速，因此試驗(yàn)車(chē)輛車(chē)速很難到達(dá)限速值，給現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的準(zhǔn)確度帶來(lái)一定影響。針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下測(cè)速儀校準(zhǔn)方法，該方法準(zhǔn)確度高且不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾，可為機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀提供良好的溯源保障。

另外，對(duì)非接觸式測(cè)速儀校準(zhǔn)方法的研究，我院采用伺服電機(jī)控制輪轂旋轉(zhuǎn)，使輪轂直徑盡量大，從而模擬出一個(gè)速度值穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)路面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)速儀的校準(zhǔn)。該裝置如圖1所示，裝置速度按式（1）計(jì)算：

[V=60×10-6×π×D×n] （1）

式中，[V]——校準(zhǔn)裝置的速度示值，km/h;

[D]——齒輪加齒帶（或轉(zhuǎn)鼓）的直徑，mm;

n——齒輪（轉(zhuǎn)鼓）的轉(zhuǎn)速，r/min。

該方法雖可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)速儀的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，但由于模擬路面并非直線路面，而是由輪轂?zāi)M出來(lái)的，當(dāng)輪轂直徑較小時(shí)，需要反復(fù)調(diào)整非接觸式測(cè)速儀的安裝位置，使其照射點(diǎn)為輪轂水平運(yùn)動(dòng)的切點(diǎn)，否則將產(chǎn)生速度分量，影響檢測(cè)結(jié)果。若輪轂直徑較大，則會(huì)增加輪轂重量及慣性，電機(jī)功率及運(yùn)行噪聲也會(huì)相應(yīng)增加，為后期維護(hù)帶來(lái)負(fù)擔(dān)。因此本文提出了一種模擬實(shí)際道路路面的測(cè)速儀實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法。該方法不僅可以不受現(xiàn)場(chǎng)道路環(huán)境干擾，而且也彌補(bǔ)了輪轂?zāi)M實(shí)際道路裝置的不足。

2 溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文采用高精度伺服電機(jī)控制齒輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速誤差不大于0.01%。通過(guò)齒輪與同步帶的嚙合（同步帶的線速度與齒輪轉(zhuǎn)速存在一定比例關(guān)系）從而獲得標(biāo)準(zhǔn)速度源。該設(shè)計(jì)的目的是模擬出一個(gè)速度值穩(wěn)定且準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)路面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)速儀的校準(zhǔn)。另外，在傳送帶上固定一個(gè)汽車(chē)模型，使其與傳送帶具有相同的線速度。該裝置可以提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)速度源模擬機(jī)動(dòng)車(chē)的行駛情況，將機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀對(duì)準(zhǔn)汽車(chē)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的溯源工作。裝置圖如圖2所示。

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要需要考慮的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

1）采用同步帶作為傳動(dòng)裝置。同步帶是嚙合傳動(dòng)，因此帶與帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，傳動(dòng)準(zhǔn)確度較高，能達(dá)到同步傳動(dòng);另外同步帶傳動(dòng)允許的線速度值很高，最高可達(dá)50 m/s，且傳送距離較遠(yuǎn)。

2）為保證傳送帶線速度精度，采用高精度伺服電機(jī)提供轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率小于0.01%。另外，伺服電機(jī)更加適合應(yīng)用在高精度的場(chǎng)合，與異步電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)具有精度高、響應(yīng)快、分辨率高的特點(diǎn)。另外由于本系統(tǒng)需要達(dá)到的轉(zhuǎn)速較高，因此需選擇高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的伺服電機(jī)。

3）汽車(chē)模型在傳送帶上的固定。由于傳送帶的運(yùn)行速度最高可達(dá)到50 m/s，因此保證傳送帶上的物體固定不飛出傳動(dòng)帶，并使其與傳送帶以相同的速度共同運(yùn)行是關(guān)鍵。目前有三種解決方案：第一種方案，在同步帶上打孔并用螺絲進(jìn)行固定，并且在齒輪上打一個(gè)槽，避免當(dāng)固定的螺絲運(yùn)行到齒輪處時(shí)對(duì)速度值產(chǎn)生影響;第二種方案，用強(qiáng)力膠將物體固定在傳送帶上;第三種方案，在同步帶上制作一個(gè)與其一體化的物體，這樣可以避免速度過(guò)快使被測(cè)物體飛出。但在設(shè)計(jì)時(shí)要注意凸起部分的尺寸，以便物體可以接收到雷達(dá)測(cè)速儀發(fā)送的信號(hào)。需對(duì)以上三種方案進(jìn)行試驗(yàn)，為保證安全，在試驗(yàn)過(guò)程中要對(duì)整個(gè)裝置加保護(hù)罩。

4）為保證傳送帶線速度值的精度，在安裝過(guò)程中要保證兩個(gè)不同齒輪轉(zhuǎn)軸之間的平行度，避免傳送帶跑偏。另外，盡量選擇彈性小的材質(zhì)制成傳送帶，以避免由于彈性變形影響速度值精度。還可以在同步帶上添加張緊機(jī)構(gòu)，在同步帶變形時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于同步帶的彈性形變與其負(fù)載大小有關(guān)，所以在選擇汽車(chē)模型材質(zhì)時(shí)，盡量選擇輕質(zhì)軟體材質(zhì)，以減少同步帶的彈性形變。

5）為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文主要需要解決的技術(shù)問(wèn)題如圖3所示。由于考慮到裝置的可靠性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及運(yùn)行維護(hù)的安全性，需要對(duì)帶輪的速度及尺寸進(jìn)行分析，既保證速度的高精度輸出，又要確保裝置長(zhǎng)期安全可靠的運(yùn)行。

3 校準(zhǔn)方法的研究

本文利用觸摸屏作為上位機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在觸摸屏上位機(jī)的人機(jī)界面中輸入電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速值，并將齒輪的直徑通過(guò)換算得到與該轉(zhuǎn)速值對(duì)應(yīng)的線速度值。觸摸屏上位機(jī)通過(guò)串口與PLC連接，PLC根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速值實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

通常，機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的測(cè)量范圍應(yīng)為20～180 km/h，因此在測(cè)量范圍內(nèi)可均勻選擇若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)上位機(jī)控制電機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的線速度值。將機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀對(duì)準(zhǔn)測(cè)量同步帶上固定的被測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀測(cè)量誤差的檢測(cè)。測(cè)速儀的速度測(cè)量誤差計(jì)算公式為：[δ1=V1-V]，單位為km/h，其中，[V1]為機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀測(cè)得并顯示的速度值，[V]為本文設(shè)計(jì)的溯源系統(tǒng)所提供的速度標(biāo)準(zhǔn)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的原理及用途，并設(shè)計(jì)了基于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下測(cè)速儀的校準(zhǔn)系統(tǒng)與方法。該方法將更有效地解決機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀溯源過(guò)程中由于道路情況、環(huán)境因素以及人為因素產(chǎn)生的不確定性，也將減少在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速過(guò)程中，由于限速值過(guò)高而產(chǎn)生的安全隱患。該方法準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，為機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀的溯源提供了一種實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法，為交警部門(mén)的執(zhí)法公正保駕護(hù)航。另外，該系統(tǒng)的完成不僅可為機(jī)動(dòng)車(chē)測(cè)速儀提供溯源保障，在低速測(cè)量領(lǐng)域也可為汽車(chē)關(guān)門(mén)速度測(cè)量以及非接觸式扶梯速度測(cè)量?jī)x、激光測(cè)速儀等多種測(cè)速設(shè)備溯源，從而完善我省測(cè)速領(lǐng)域的溯源體系，為我省乃至全國(guó)的速度測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確提供技術(shù)保障。

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【作者簡(jiǎn)介】

吳晶，女，1988年出生，工程師，碩士，研究方向?yàn)榕ぞ亍⑥D(zhuǎn)速、測(cè)速和檢車(chē)線檢測(cè)。