一種車(chē)載轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量系統(tǒng)研究

摘 要：車(chē)輛對(duì)道路有著一定的要求，大型車(chē)輛對(duì)道路條件要求更高，特別是道路轉(zhuǎn)彎半徑要求。本文利用車(chē)輛在車(chē)輪轉(zhuǎn)彎一定角度時(shí)兩前輪運(yùn)動(dòng)軌跡的幾何關(guān)系，綜合運(yùn)用轉(zhuǎn)速傳感技術(shù)、角度傳感技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)以及多路信號(hào)融合技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了對(duì)道路轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)算的方法思路。只要車(chē)載該系統(tǒng)走一趟，即可得到沿途道路轉(zhuǎn)彎半徑，該實(shí)時(shí)性強(qiáng)，使用方便，自動(dòng)化程度高，省時(shí)省力，適合于長(zhǎng)途道路的測(cè)量，對(duì)于無(wú)人駕駛技術(shù)也具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)彎半徑;測(cè)量系統(tǒng);總體方案

車(chē)輛對(duì)道路有著一定的要求，大型特種車(chē)輛，對(duì)道路條件要求更高，特別是道路的彎度情況。這里涉及到車(chē)輛與道路的重要參數(shù)轉(zhuǎn)彎半徑問(wèn)題，道路的轉(zhuǎn)彎半徑必須要大于車(chē)輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑，車(chē)輛某一型號(hào)的最小轉(zhuǎn)彎半徑是一個(gè)固定值，而道路在不同路段的轉(zhuǎn)彎半徑是不同的，如何快速測(cè)量出道路的轉(zhuǎn)彎半徑呢？目前道路轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)量往往采用人工尺規(guī)測(cè)量計(jì)算方法，耗時(shí)耗力，如果數(shù)十公里乃至上百公里的路，工作量是非常可觀的。因此研究一種車(chē)載轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量車(chē)輛行駛時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑。

一、轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量系統(tǒng)總體方案

車(chē)輛兩前輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)行走軌跡是兩個(gè)不同長(zhǎng)度的弧線L1、L2，由于輪距H不變，當(dāng)輪轉(zhuǎn)角?一定時(shí)兩段弧近似同心，如果測(cè)得兩段弧長(zhǎng)，即可計(jì)算出外輪各的轉(zhuǎn)彎半徑r=Hcos?/（1-L2/L1），前外輪轉(zhuǎn)彎半徑再加上到道路外沿的距離h，即估算出該轉(zhuǎn)彎路段的轉(zhuǎn)彎半徑R=Hcos?/（1-L2/L1）+ h。轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速傳感技術(shù)測(cè)量車(chē)輛兩前輪里程，采用角度傳感器測(cè)量前輪轉(zhuǎn)角，激光測(cè)距技術(shù)測(cè)量道路外沿的距離，綜合運(yùn)用多路信號(hào)融合技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)算功能。

二、車(chē)載轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量系統(tǒng)基本組成

車(chē)載轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量系統(tǒng)包括硬件部分與系統(tǒng)軟件部分。硬件部分包括傳感模塊、采集轉(zhuǎn)換模塊以及主控模塊組成。系統(tǒng)軟件包括里程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、速度里程計(jì)算模塊、邊距數(shù)據(jù)測(cè)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、實(shí)時(shí)中斷服務(wù)模塊以及判斷處理模塊等。

（一）硬件部分

傳感模塊采用2個(gè)霍爾型非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器、1個(gè)軸角編碼器，2個(gè)激光測(cè)距儀，其中2個(gè)霍爾型非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器安裝在兩前車(chē)輪軸上，用于測(cè)量?jī)汕败?chē)輪行駛里程;1個(gè)軸角編碼器安裝在兩前車(chē)輪轉(zhuǎn)向臂上，測(cè)量前輪轉(zhuǎn)角;2個(gè)激光測(cè)距儀安裝在兩前車(chē)輪附近車(chē)體兩側(cè)，用于測(cè)量?jī)汕败?chē)輪與道路邊沿距離。采集轉(zhuǎn)換模塊包括里程變送器和多路數(shù)據(jù)采集卡，用于測(cè)量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與采集。主控模塊包括1臺(tái)工控機(jī)、2個(gè)嵌入式ARM版和顯示模塊。2個(gè)嵌入式ARM板分別接收2個(gè)式轉(zhuǎn)速傳感器、1個(gè)軸角編碼器和2個(gè)激光測(cè)距儀的信息，采集轉(zhuǎn)換處理、送至多路信號(hào)采集卡，由工控機(jī)讀取模塊的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、判斷及數(shù)據(jù)顯示監(jiān)控并貯存。

（二）軟件部分

系統(tǒng)軟件主要完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、綜合計(jì)算、判斷處理及顯示等，由初始化模塊、數(shù)據(jù)/命令子模塊、周期測(cè)量模塊、速度里程計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)角計(jì)算模塊、測(cè)距計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)BCD碼模塊、顯示數(shù)據(jù)消多余零模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、實(shí)時(shí)中斷服務(wù)模塊以及判斷計(jì)算處理模塊等組成。將采集信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換傳送給ARM單片機(jī)計(jì)算處理進(jìn)而由工控機(jī)進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)判讀計(jì)算、判斷及數(shù)據(jù)顯示監(jiān)控并貯存。

三、車(chē)載轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量系統(tǒng)原理

（一）車(chē)輪行駛里程測(cè)量

車(chē)輪行駛里程測(cè)量?jī)蓚€(gè)前輪的行駛里程，采用2個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器和1個(gè)ARM單片機(jī)為核心。2個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器采用霍爾型非接觸式轉(zhuǎn)角傳感器，分別安裝在兩前車(chē)輪軸上，將霍爾型傳感器監(jiān)測(cè)的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大、整形、去噪，用以減小信號(hào)的衰減、干擾等影響。最后以脈沖的形式輸入到單片機(jī)，利用ARM1單片機(jī)外控中斷的控制功能根據(jù)外控中斷信號(hào)將某一預(yù)定時(shí)段輸入信號(hào)的脈沖數(shù)計(jì)數(shù)后，再利用單片機(jī)的算術(shù)運(yùn)算功能將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成角位移，再根據(jù)車(chē)輪輪胎直徑換算出行駛位移，從而實(shí)現(xiàn)讀取、計(jì)算，得出選定時(shí)段的行駛里程。最后將得出的里程值存儲(chǔ)RAM中，再將所得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并由串口液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示，并將兩個(gè)輪組的里程數(shù)據(jù)分別通過(guò)總線傳輸給工控計(jì)算機(jī)。

（二）車(chē)體轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)算

車(chē)體轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)算是在車(chē)輪行駛里程測(cè)量的基礎(chǔ)上，在兩前車(chē)輪轉(zhuǎn)向軸上安裝2個(gè)霍爾型非接觸式轉(zhuǎn)角傳感器，當(dāng)兩車(chē)輪轉(zhuǎn)向時(shí)，軸角編碼器測(cè)量前輪轉(zhuǎn)角，通過(guò)放大整形處理，由ARM2讀取，通過(guò)總線輸入到主控機(jī)。由兩個(gè)單片機(jī)ARM1、ARM2分別讀取兩前車(chē)輪行駛里程和前輪轉(zhuǎn)角。由主控機(jī)比較兩前車(chē)輪行駛里程值和前輪轉(zhuǎn)角，如果兩輪駛里程值差值不大，軸角編碼器數(shù)值接近為零，單片機(jī)判斷其為沒(méi)轉(zhuǎn)彎，不進(jìn)行車(chē)體轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量;如果兩輪駛里程值差值快速增大，軸角編碼器數(shù)值迅速增大，判斷其車(chē)輛開(kāi)始轉(zhuǎn)彎，直至轉(zhuǎn)彎角度穩(wěn)定在一定值時(shí)發(fā)出測(cè)量控制信號(hào)，單片機(jī)ARM1開(kāi)始記錄測(cè)量?jī)蓚€(gè)車(chē)輪行駛里程，當(dāng)轉(zhuǎn)彎角度開(kāi)始變小時(shí)發(fā)出停止測(cè)量信號(hào)，完成停止里程記錄，然后將數(shù)值通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸送給工控機(jī)，工控機(jī)讀取這段時(shí)間內(nèi)兩前輪的里程L1、L2和轉(zhuǎn)角?，代入函數(shù)公式r=Hcos?/（1-L2/L1）進(jìn)行車(chē)體轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量計(jì)算。

結(jié)束語(yǔ)：

轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)量系統(tǒng)利用車(chē)輛在車(chē)輪轉(zhuǎn)彎一定角度時(shí)兩前輪運(yùn)動(dòng)軌跡的幾何關(guān)系，綜合運(yùn)用轉(zhuǎn)速傳感技術(shù)、角度傳感技術(shù)，激光測(cè)距技術(shù)以及多路信號(hào)融合技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)算功能。只要車(chē)載該系統(tǒng)走一趟，即可得到沿途道路轉(zhuǎn)彎半徑，該實(shí)時(shí)性強(qiáng)，使用方便，自動(dòng)化程度高，省時(shí)省力，適合于長(zhǎng)途道路的測(cè)量，對(duì)于無(wú)人駕駛技術(shù)也具有很好的應(yīng)用前景。但該系統(tǒng)運(yùn)算工作量大，道路和開(kāi)車(chē)司機(jī)駕駛習(xí)慣的隨機(jī)性很大，測(cè)量出的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度會(huì)受影響，還需要進(jìn)一步綜合測(cè)算糾正偏差，增加可靠性和精度。

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作者簡(jiǎn)介：

沈亮遠(yuǎn)（1973—），漢族，男，山東濟(jì)南市人，主要從事機(jī)電一體化方面的地面設(shè)備教學(xué)與研究工作。