一種新型車輛起動(dòng)制動(dòng)性能測(cè)試技術(shù)研究

趙杰　朱旭升

摘要：機(jī)動(dòng)車輛的起動(dòng)制動(dòng)性能是評(píng)價(jià)車輛優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)機(jī)動(dòng)車輛起動(dòng)和制動(dòng)的各個(gè)參數(shù)的精確測(cè)量問(wèn)題，本文提出了一種新型的激光對(duì)射式的機(jī)動(dòng)車輛起動(dòng)制動(dòng)性能的測(cè)試方法和裝置，使用激光發(fā)射/接收管、單片機(jī)控制器、無(wú)線通訊模塊和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛起動(dòng)與制動(dòng)階段各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量和計(jì)算，具有車速測(cè)量和制動(dòng)性能測(cè)試可以一次性完成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，測(cè)試精度高，使用方便，系統(tǒng)功耗低，成本低，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：激光；光電開(kāi)關(guān)；測(cè)試技術(shù)；機(jī)動(dòng)車輛；起動(dòng)制動(dòng)性能

引言

機(jī)動(dòng)車輛是現(xiàn)代人們出行的重要交通工具之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛的使用性能已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。是否能夠迅速起動(dòng)機(jī)動(dòng)車輛，機(jī)動(dòng)車輛行駛在高速狀態(tài)下，能否將車輛安全制動(dòng)停止下來(lái)，是評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車輛性能的兩個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)[1]。同時(shí)，越來(lái)越多的機(jī)動(dòng)車輛制造商和銷售商，將0-100m加速性能和100-0km/h制動(dòng)距離列入到產(chǎn)品說(shuō)明中，作為對(duì)比車輛性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。但是同時(shí)，用來(lái)測(cè)試機(jī)動(dòng)車輛起動(dòng)與制動(dòng)性能的方法普遍不夠方便和精確，拿機(jī)動(dòng)車輛制動(dòng)測(cè)試方法舉例，目前采用的方法是在剎車瞬間，利用剎車帶動(dòng)火藥槍在地下打下痕跡，作為剎車起始點(diǎn)，等待車輛停車后用卷尺測(cè)量剎車距離。該方法對(duì)路面有一定的破壞性，使用時(shí)有一定的危險(xiǎn)性，雖然能夠測(cè)量剎車距離，但要精確測(cè)量剎車時(shí)間則必須與其它測(cè)量?jī)x器配合使用。機(jī)動(dòng)車輛剎車距離還跟剎車時(shí)候的初速度有關(guān)，因此分析自行車剎車性能時(shí)候必須考慮剎車時(shí)速度的影響，目前車輛測(cè)速系統(tǒng)有多普勒雷達(dá)測(cè)速、GPS測(cè)速、視頻測(cè)速、感應(yīng)線圈測(cè)速等。多普勒雷達(dá)及GPS測(cè)速在汽車測(cè)速方面應(yīng)用極為廣泛，但是測(cè)試誤差較大。視頻測(cè)速抓拍系統(tǒng)，其主要用于偵查，且其分析過(guò)程較為復(fù)雜。感應(yīng)線圈測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)速需要在路面下埋線圈，施工安裝復(fù)雜，不容易推廣。本文提出一種基于激光測(cè)試技術(shù)的新型機(jī)動(dòng)車輛起動(dòng)制動(dòng)性能測(cè)試方法，使用激光發(fā)射/接收管、單片機(jī)控制器、無(wú)線通訊模塊和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛起動(dòng)與制動(dòng)階段各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量和計(jì)算，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，安裝方便，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

激光測(cè)試是一種非接觸式測(cè)試[2]，不影響被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，具有精度高、測(cè)量范圍大、測(cè)量時(shí)間短，極高的空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)。新型機(jī)動(dòng)車輛起動(dòng)制動(dòng)性能測(cè)試裝置包括激光發(fā)射單元和激光接收單元，激光發(fā)射單元包括發(fā)射控制器和激光發(fā)射管，激光接收單元包括接收控制器、通訊模塊和激光接收管。激光發(fā)射管和接收管為對(duì)射式光電發(fā)射管及接收管。

發(fā)射單元安裝在發(fā)射支架上，接收單元安裝在接收支架上。發(fā)射支架上等間隔布置激光發(fā)射管，接收支架上等間隔布置激光接收管。發(fā)射支架和接收支架分別位于行車直線路徑的兩側(cè)，發(fā)射支架和接收支架均呈一條直線，激光發(fā)射管和激光接收管的數(shù)量相等且一一配對(duì)，相互配對(duì)的激光發(fā)射管的光點(diǎn)落在相應(yīng)的激光接受管的接收區(qū)域內(nèi)1.1.光源的選擇

一般來(lái)說(shuō)，光電開(kāi)關(guān)主要有對(duì)射式和反射式兩種[3]，反射式光電管發(fā)射與接收一體，安裝使用方便，但反射式光電管發(fā)射及接收角度較大，因此測(cè)量精度相對(duì)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)而言較低，因此本文采用了對(duì)射式光電發(fā)射及接收管實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)速及起動(dòng)制動(dòng)時(shí)間及距離測(cè)量。

1.2.方式的選擇

每個(gè)激光發(fā)射管與相應(yīng)的激光接收管正對(duì)，并保證在中間無(wú)阻擋情況下，激光發(fā)射管發(fā)射的光能夠被激光接收管接收。因?yàn)闇y(cè)試單元和接收單元分別位于機(jī)動(dòng)車輛行車路線的兩側(cè)，如果采用發(fā)射點(diǎn)光源的激光發(fā)射管，則必須保證激光接收管與發(fā)射管的位置相對(duì)，在安裝過(guò)程中如果存在偏差，激光發(fā)射管發(fā)出的光源就不易落在激光接收管的區(qū)域內(nèi)，且整個(gè)測(cè)試裝置有多個(gè)獨(dú)立的測(cè)試單元，調(diào)節(jié)難度極大，因此本文采用發(fā)射線光源的激光發(fā)射管，激光發(fā)射管發(fā)出的線光源可形成一個(gè)垂直激光接收管的平面，且線光源有一定的張角，接收單元有了更多的安裝余度，方便安裝，調(diào)節(jié)難度降低2.測(cè)試系統(tǒng)研究

測(cè)試系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)處理單元組成。

2.1.數(shù)據(jù)采集

測(cè)量裝置由多個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的測(cè)試單元組成，所述一個(gè)測(cè)試單元由一個(gè)發(fā)射單元和一個(gè)接收單元構(gòu)成，如圖3所示，發(fā)射單元為 ～ ，接收單元為 ～ ，發(fā)射單元離開(kāi)地面一定高度順序排列在行車直線路徑的一側(cè)，接收單元排列在另一側(cè)，發(fā)射單元和接收單元保持在一條直線上，發(fā)射單元與接收單元平行正對(duì)且垂直距離為S。

裝置中的發(fā)射控制器、接收控制器均采用ARM單片機(jī)。

我們以單個(gè)測(cè)試單元為例，發(fā)射單元 由單片機(jī)控制器、激光發(fā)射管組成，接收單元 由單片機(jī)控制器、通訊模塊和激光接收管組成。發(fā)射單元 和接收單元 分別安裝在細(xì)長(zhǎng)鋁型材內(nèi)，發(fā)射單元 每隔一定的距離布置一個(gè)激光發(fā)射管，即為10～19，所述接收單元 每隔相應(yīng)的距離布置一個(gè)激光接收管，即為20～29，所有的激光發(fā)射管之間距離相等，激光發(fā)射管的光點(diǎn)落在每個(gè)相對(duì)應(yīng)的接收管接收區(qū)域內(nèi)。

2.2.數(shù)據(jù)通訊

由于測(cè)試距離較長(zhǎng)，所有測(cè)試單元都要通過(guò)導(dǎo)線連接到控制器，即使控制器布置在所有測(cè)試單元中間位置，也還是存在連接線太長(zhǎng)，并且數(shù)量太多從而造成布線復(fù)雜[4]，因此整個(gè)測(cè)試裝置由若干個(gè)測(cè)試單元構(gòu)成，采用無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸[5]。所有發(fā)射單元不安裝通訊模塊，所有接收模塊安裝通訊模塊，由接收單元單片機(jī)控制，采用單工通訊方式，即只能由測(cè)試單元往主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，測(cè)試單元不接收主機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的命令或數(shù)據(jù)。主機(jī)實(shí)現(xiàn)與所有測(cè)試單元數(shù)據(jù)通訊，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB或RS-232等通訊接口傳送到電腦，由電腦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析及測(cè)試曲線和結(jié)果的顯示。

待測(cè)試機(jī)動(dòng)車輛定義為從左往右行駛，每個(gè)發(fā)射單元內(nèi)激光發(fā)射管左側(cè)增加一個(gè)激光接收管并連接到發(fā)射單元單片機(jī)，每個(gè)接收單元內(nèi)激光接收管左側(cè)增加一個(gè)激光發(fā)射管并連接到發(fā)射單元單片機(jī)，如圖2所示，增加的激光接收管2和激光發(fā)射管1不影響原有激光發(fā)射管10～19和激光接收管20～29之間的距離大小，測(cè)試開(kāi)始前僅啟動(dòng)發(fā)射管1導(dǎo)通，啟動(dòng)發(fā)射管1的光束直接投射到啟動(dòng)接收管2，當(dāng)待測(cè)車輛最前端到達(dá)啟動(dòng)發(fā)射管1光束所在位置時(shí)，投射到啟動(dòng)接收管2的激光束被阻擋，發(fā)射單元單片機(jī)未檢測(cè)到啟動(dòng)接收管2信號(hào)，此時(shí)發(fā)射單元單片機(jī)立即導(dǎo)通激光發(fā)射管10～19，發(fā)射10條平行的激光束投射到接收單元上，并同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為車輛通過(guò)該測(cè)試單元的最長(zhǎng)時(shí)間，定時(shí)時(shí)間到激光發(fā)射管10～19全部關(guān)閉。當(dāng)車輛行駛到激光發(fā)射管10激光束所在位置時(shí)，激光束被阻擋，接收單元單片機(jī)接收到激光接收管20信號(hào)，此時(shí)單片機(jī)計(jì)時(shí)器清零并啟動(dòng)，同時(shí)關(guān)閉啟動(dòng)發(fā)射管1，當(dāng)車輛依次行駛經(jīng)過(guò)激光發(fā)射管11～19時(shí)，激光接收管信號(hào)發(fā)生跳變，接收單元單片機(jī)根據(jù)激光接收管21～29信號(hào)記錄計(jì)時(shí)器時(shí)間值，通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的兩次測(cè)試的間隔時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到重新導(dǎo)通啟動(dòng)發(fā)射管1，為下一次測(cè)試做準(zhǔn)備[6]。

接收單元通過(guò)通訊模塊將測(cè)試數(shù)據(jù)傳送到主控制器，主控制器將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB或RS-232接口連接到計(jì)算機(jī)，每個(gè)發(fā)射單元和接收單元采用電池獨(dú)立供電。

通訊模塊為Zigbee無(wú)線通訊模塊，所述通訊模塊采用單工通訊方式。當(dāng)然，也可以選用其他的通訊方式。

每個(gè)測(cè)試單元有各自的地址，各個(gè)測(cè)試單元的前后順序決定了位移值，順序錯(cuò)誤則造成所有測(cè)試數(shù)據(jù)的混亂，因此必須指定各個(gè)測(cè)試單元的順序。為便于使用和維護(hù)，使得所有發(fā)射單元和接收單元順序不需要預(yù)先固定，只要保證所有測(cè)試單元排列成兩條平行直線，發(fā)射單元和接收單元可以任意組合使用，無(wú)需對(duì)地址的順序做任何人工設(shè)定，由于車輛通過(guò)各個(gè)測(cè)試單元的時(shí)間有先后，因此主機(jī)直接根據(jù)接收到的各個(gè)測(cè)試單元發(fā)送的數(shù)據(jù)的時(shí)間前后確定測(cè)試單元的順序。

2.3.測(cè)試過(guò)程

當(dāng)待測(cè)車輛在行車路線上行駛時(shí)，待測(cè)車輛最前端首先擋住一對(duì)激光發(fā)射管，與該發(fā)射管對(duì)應(yīng)的激光接收管輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，可以認(rèn)為光電接收管輸出電平由高到低或由低到高發(fā)生跳變（由光電管的常開(kāi)或常閉決定），該跳變標(biāo)志被控制器作為時(shí)鐘啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，當(dāng)待測(cè)車輛其余部分通過(guò)該點(diǎn)時(shí)，有可能光被擋住也可能未被擋住，此時(shí)的跳變型號(hào)不做處理。同樣，當(dāng)待測(cè)車輛最前端到達(dá)第二對(duì)激光發(fā)射管和激光接收管時(shí)，第二對(duì)激光接收管信號(hào)發(fā)生跳變，此時(shí)由控制器記錄計(jì)時(shí)時(shí)鐘值，該值作為待測(cè)車輛進(jìn)入第二個(gè)光電管的時(shí)間。以此類推，當(dāng)待測(cè)車輛依次通過(guò)所有光電管所在位置，控制器都以每個(gè)光電管的信號(hào)第一次發(fā)生跳變作為計(jì)時(shí)信號(hào)記錄時(shí)鐘值。這樣，控制器就能夠得到待測(cè)車輛通過(guò)每個(gè)光電管的時(shí)間，由于每?jī)山M光電管的距離固定，因此控制器就能夠根據(jù)通過(guò)每?jī)山M光電管計(jì)算一個(gè)速度值，當(dāng)待測(cè)車輛通過(guò)所有光電管時(shí)，控制器能夠在同一個(gè)曲線框內(nèi)繪制兩條曲線，該曲線橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)1為位移，縱坐標(biāo)2為速度，兩條曲線記錄了通過(guò)每個(gè)光電管的時(shí)間及速度，控制器還可以根據(jù)速度變化值獲取加速度曲線。根據(jù)該曲線可以計(jì)算通過(guò)一定區(qū)域的平均車速、最高車速等各類有關(guān)速度的參數(shù)值[7]。

2.4.數(shù)據(jù)處理

由于每?jī)山M光電管的距離固定，計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以時(shí)間為橫坐標(biāo)，位移為縱坐標(biāo)，繪制出待測(cè)車輛的位移-時(shí)間曲線和速度-時(shí)間曲線，再通過(guò)量速度-時(shí)間和位移-時(shí)間曲線可計(jì)算出車輛制動(dòng)（起動(dòng)）的時(shí)間和剎車（起動(dòng)）距離值。

待測(cè)車輛進(jìn)入測(cè)試區(qū)域后緊急剎車，待測(cè)車輛往前運(yùn)行一段距離后停止運(yùn)動(dòng)，從剎車起始點(diǎn)到停車點(diǎn)之間的距離為剎車距離。利用速度-時(shí)間和位移-時(shí)間曲線能夠很容易地獲得剎車時(shí)間和剎車距離值。從速度變化來(lái)分析，緊急剎車時(shí)待測(cè)車輛會(huì)突然減速，從曲線中尋找速度開(kāi)始突然下降的點(diǎn)，在曲線上繪制一條通過(guò)該點(diǎn)并與X軸垂直的直線，該直線與位移曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移值就是制動(dòng)起始點(diǎn)的位移值；在速度曲線上尋找第一個(gè)速度為零的點(diǎn)，也繪制一條通過(guò)該點(diǎn)并與X軸垂直的直線，該直線與位移曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移值就是待測(cè)車輛制動(dòng)停止的點(diǎn)的位移，由該值減去制動(dòng)起始點(diǎn)的位移值，所得到的值就是待測(cè)車輛的制動(dòng)距離，而兩個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)的差值就是剎車時(shí)間。當(dāng)車輛開(kāi)始起動(dòng)到達(dá)到指定速度的時(shí)間為起動(dòng)時(shí)間，所行駛的距離為起動(dòng)距離，待測(cè)車輛開(kāi)始加速時(shí)速度由零開(kāi)始增加，記錄此時(shí)的位移和時(shí)間，當(dāng)達(dá)到指定速度值時(shí)記錄位移和時(shí)間，兩者的差值就是起動(dòng)時(shí)間和起動(dòng)距離。

2.5.電源

由于整個(gè)系統(tǒng)需要在野外使用，供電問(wèn)題是一個(gè)主要問(wèn)題，因此本文不采用普通交流市電供電方案，而是采用電池供電方案。每個(gè)發(fā)射單元和接收單元獨(dú)立供電，采用可拆卸的鋰電池或普通可充電電池供電，也可采用普通干電池供電。可拆卸的目的是便于充電及更換。多個(gè)激光發(fā)射管同時(shí)打開(kāi)的功耗較大，因此必須合理控制光電管和接收管的導(dǎo)通時(shí)間，因此發(fā)射單元不連接主機(jī)，因此無(wú)通訊功耗。接收單元與主機(jī)采用單向通訊方式，即只有接收單元將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，而不接受主機(jī)的控制命令，有效降低待機(jī)功耗，同時(shí)控制激光發(fā)射和接收管的導(dǎo)通時(shí)間，每個(gè)測(cè)試單元內(nèi)最左邊的一條激光束來(lái)控制右方激光束的導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)省電。

3.結(jié)論

本文提出的這套裝置，能夠利用測(cè)試曲線簡(jiǎn)潔直觀并精確地獲取車速及起動(dòng)制動(dòng)時(shí)間及距離，并且車速測(cè)量和制動(dòng)性能測(cè)試可以一次性完成，測(cè)試精度高，使用方便，系統(tǒng)功耗低，成本低，便于維護(hù)。本裝置克服了之前機(jī)動(dòng)車輛起動(dòng)制動(dòng)測(cè)試裝置測(cè)量精度不高，安裝使用繁雜等缺陷，給出了一種機(jī)動(dòng)車輛性能測(cè)試的優(yōu)化方案，裝置尤其適用于機(jī)動(dòng)車輛的速度及制動(dòng)性能測(cè)試。該方法也能應(yīng)用于玩具車、摩托車等其它車輛或移動(dòng)物體的測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[1]李瀟瀟.基于ARM的車輛制動(dòng)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).西南交通大學(xué)，2009

[2]郭隱彪. 激光檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展[J].激光與電光學(xué)進(jìn)展，2006，43（10）： 71-73

[3]吳金宏，張連中，劉麗娜.光電開(kāi)關(guān)及其應(yīng)用. 國(guó)外電子元器件，2001，（5）：14-18

[4]陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2008

[5]孫學(xué)康，劉 勇.無(wú)線傳輸與接入技術(shù).北京：人民郵電出版社，2010

[6]王忠飛，胥 芳.MCS-51單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007

[7]王昌明，孔德仁，何云峰.傳感與測(cè)試技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2005.