一種新型激光四輪定位的智能檢測系統(tǒng)

程旭，程景勝，姜曉軍

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東廣州，510630）

0 引言

目前汽車保有量不斷增多，人們對汽車安全行駛性能也有了更高的要求，隨著汽車行駛里程不斷增加后，由于各種原因使各零件有所磨損變形，以致于改變了原廠的設(shè)計(jì)位置，從而降低了汽車的行駛性能。所以現(xiàn)在人們越來越重視四輪定位，是由于它可以讓車輛的技術(shù)指標(biāo)調(diào)節(jié)到原廠規(guī)定范圍，使汽車行駛的安全性得到了保證[1]。但是目前車輛維修保養(yǎng)行業(yè)管理水平有限，車輛維保從業(yè)人員的技術(shù)水平參差不齊，往往不能準(zhǔn)確的進(jìn)行四輪定位檢測調(diào)整并維護(hù)。定位參數(shù)的調(diào)整不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致車輛操縱性能下降、輪胎磨損加劇等問題。這些情況都會(huì)導(dǎo)致汽車駕駛性能的降低，同時(shí)還會(huì)有增加汽車油耗、加劇輪胎損耗、加快車況老化等問題[2]。影響定位檢測結(jié)果不確定度的因素有：人為、環(huán)境、儀器、樣本四個(gè)主要因素。（1）人為因素對定位檢測結(jié)果不確定度的影響最大，操作人員的操作規(guī)范性直接影響檢測不確定度。（2）環(huán)境溫度的變化對四輪定位儀的檢測不確定度幾乎沒有影響，CCD式四輪定位儀在不同外界溫度情況下的性能穩(wěn)定。（3）使用不同類型儀器的檢測結(jié)果差別較大，CCD式四輪定位儀檢測結(jié)果的不確定度要大于三維圖像式四輪定位儀。（4）不同檢測樣本車輛對檢測不確定度幾乎沒有影響[3]。場（廠）內(nèi)機(jī)動(dòng)車分布在各個(gè)不同地方，這就要求檢測設(shè)備必須方便攜帶[4-6]。

本文提出一種激光四輪定位智能檢測方法，能很好的降低人為因素的影響而提高四輪定位的準(zhǔn)確性，為后面的車輛維修保養(yǎng)提高保障。

1 測量方法

四輪定位工具在發(fā)展之初由簡單的機(jī)械裝置組成，其中包括：前束角度檢測桿、以及傾角標(biāo)定裝置。隨著汽車精密程度的提升，其測量能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代汽車定位檢測的要求。電子技術(shù)的快速更新也帶來了定位檢測調(diào)整技術(shù)的突破，車輛定位調(diào)整技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)為利用先進(jìn)的光電技術(shù)對底盤懸架參數(shù)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果即全面又準(zhǔn)確的而且檢測過程不繁瑣[3]。目前我國使用的四輪定位儀的品種主要有兩種:CCD 式和三維圖像式四輪定位儀。

四輪定位儀是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其性能的決定因素有很多，主要集中在傳感器和處理系統(tǒng)兩個(gè)方面。CCD 式傳感器性能有限，其對四輪定位設(shè)備控制信號(hào)的傳輸處理反應(yīng)能力、傳感器運(yùn)行的可靠性、檢測值穩(wěn)定性等方面提高的制約瓶頸也正在逐步顯現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)的測量方法采用激光傳感器與CCD組合方式：3個(gè)線陣傳感器A、B和C，其中A和B組成上、下一組，A和C組成前、后一組。該傳感器組合安裝到前輪。后輪采用一個(gè)配備單線鏡頭的激光發(fā)射頭，射出一條激光豎直線，經(jīng)分光器后，照射到前輪的3個(gè)傳感器上。傳感器A、B采集到的像素位置差，可以計(jì)算前輪當(dāng)前的外傾角度；傳感器A、C上的位置差，可以計(jì)算出前輪當(dāng)前的轉(zhuǎn)向角度。假如此時(shí)方向處于完全回正的狀態(tài)，則這兩個(gè)角度可視為前輪外傾角和前輪前束角（方向未回正的情況需要最后進(jìn)行推算）。同時(shí)，可根據(jù)這兩個(gè)角度推算出當(dāng)前前輪的平面。

如圖1所示，藍(lán)色為傳感器A、B和C，內(nèi)部的黑色線是傳感器的感光位置。紅色線為經(jīng)分光器后打到傳感器上的光束，在傳感器上的照射點(diǎn)分別為SA、SB和SC。以傳感器的照射點(diǎn)SA為基準(zhǔn)，可知在傳感器B和C上的等距位置應(yīng)為SB'和SC'。通過SB和SB'的距離，可以計(jì)算出車輪豎直偏轉(zhuǎn)角度，通過SC與SC'的距離可計(jì)算出車輪水平偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而得出車輪所處的面。將前輪偏轉(zhuǎn)一定方向后，用同樣的原理再次測量前輪的平面，則可通過兩次測量平面的交線計(jì)算出主銷后傾角和內(nèi)傾角。由于傳感器的像素間距很小，所以三個(gè)傳感器不需很大的安裝間距，即可獲得比較高的角度測量計(jì)算精度。為去除生產(chǎn)裝配間隙帶來的誤差，該方案使用中可定時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。為兼容不同的前后輪距寬度，后輪的激光照射設(shè)備可考慮安裝滑軌及電機(jī)，控制激光照射點(diǎn)沿輪軸內(nèi)、外滑動(dòng)。

圖1 測量方法

圖2 測量系統(tǒng)

2 測量系統(tǒng)

基于該測量方法的測量系統(tǒng)框圖如圖2所示。

該測量系統(tǒng)主要由激光源、分光器、CCD傳感器、單片機(jī)主板和手持顯示終端五個(gè)部分組成。其具體工作流程為后輪安裝的激光頭發(fā)射出激光束照射到測量裝置的分光器上，激光束經(jīng)分光器后產(chǎn)生一個(gè)面的激光束，照射到3條CCD傳感器上，CCD傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，由單片機(jī)ADC采用DMA方式進(jìn)行采集，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理后獲得角度信息，單片機(jī)再將運(yùn)算過后的角度信息通過無線通訊模塊傳輸?shù)绞殖诛@示終端上。

該測量系統(tǒng)的CCD傳感器選擇的是東芝公司生產(chǎn)的TCD1209DG，TCD1209DG是一種高速，低暗電流的CCD圖像傳感器。該傳感器共擁有2048個(gè)像元，其單個(gè)像元大小為14um×14um。假設(shè)兩條CCD安裝間距為10cm，由夾角分辨率可以高于0.01度，其分辨率完全可以滿足對車輪傾角的檢測。

該測量系統(tǒng)的單片機(jī)選用的是STM32F407VET6，該芯片為LQFP100封裝，具備強(qiáng)大的性能，擁有192KB容量RAM和1MB容量Flash，168MHz的主頻。豐富的內(nèi)部資源，ADC，DMA，IIC，SPI,CAN等，能夠滿足該測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算的需求。由于該測量系統(tǒng)需要同時(shí)采集3個(gè)CCD傳感器的電壓數(shù)據(jù)信號(hào)，因此對采集的實(shí)時(shí)性和速度需求較高，如果采用單通道掃描的方式一個(gè)通道一個(gè)通道地進(jìn)行采集的話，容易發(fā)生角度微小偏移后采集到偏移后的數(shù)據(jù)。因此，使用DMA的方式進(jìn)行ADC多通道循環(huán)采樣，極大地提升了采樣速度，提升了采樣數(shù)據(jù)的一致性，增加了測量的精度。

單片機(jī)主板與手持顯示終端之間通過無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該無線通信模塊選擇E28-2G4T12S模塊。該模塊是基于SEMTECH公司的SX1280射頻芯片的無線串口模塊，與單片機(jī)之間采用串口(UART)進(jìn)行通訊，使用透明傳輸方式，其硬件原理圖如圖3所示。

該測量系統(tǒng)中通過單片機(jī)發(fā)送指令將其通信方式配置為定點(diǎn)發(fā)射方式，其最大通訊距離可達(dá)3公里，當(dāng)發(fā)送端設(shè)定的目標(biāo)地址與接收端設(shè)定的地址信道一致時(shí)，才能成功通信，保證了通信的正確率與私密性，其工作模式如圖4所示。

圖3 LORA硬件原理圖

圖4 通信方式

該測量系統(tǒng)的手持顯示終端選用的是迪文科技的9英寸串口觸摸屏，該串口屏擁有專用的UI設(shè)計(jì)軟件，可以方便快速地設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。單片機(jī)通過LORA模塊與其進(jìn)行無線通訊，其底層還是通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3 結(jié)論

該新型激光四輪定位的檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使檢測流程簡單化，讓其不確定度受人為因素的影響大幅度降低。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，該測量系統(tǒng)精度能夠達(dá)到0.01度，能夠完全滿足設(shè)計(jì)需求，并且大大加快了四輪定位的檢測速度，具有很好的實(shí)際使用效果，解決了工程中的實(shí)際問題。