基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)*

陳少偉 潘夢鷂 趙娟 劉育清

基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)*

陳少偉1潘夢鷂1趙娟1劉育清2

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510510 2.廣州市機動車檢測行業(yè)學會，廣東 廣州 510410）

定期對汽車進行四輪定位參數(shù)檢測可避免爆胎、行駛不穩(wěn)定等問題。該文提出一種基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)，結(jié)合三軸加速度傳感器、ZigBee通信、MATLAB軟件等技術(shù)，實現(xiàn)車輪三維加速度數(shù)據(jù)的實時讀取及快速解算，獲得四輪定位參數(shù)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)測量準確和人機交互友好等特點，具有一定的市場推廣前景。

MATLAB；四輪定位；三維加速度；ZigBee通信

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車已成為人們必不可少的交通工具。汽車的車輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和車軸之間存在相對的安裝位置，即汽車四輪定位參數(shù)。汽車四輪定位參數(shù)對汽車直線行駛的穩(wěn)定性、方向盤轉(zhuǎn)向回正以及車輪地面摩擦等方面都有重要的影響[1]。每款車型的汽車四輪定位參數(shù)的標準范圍均由廠家規(guī)定。而汽車維修、交通事故等都可能導致汽車四輪定位參數(shù)發(fā)生變化。定期進行汽車四輪定位參數(shù)檢測，可避免爆胎、行駛不穩(wěn)定等問題的發(fā)生[2-3]，對汽車安全駕駛有著十分重要的意義。

本文提出一種基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過三軸加速度傳感器采集汽車車輪三維加速度數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)組ATLAB軟件進行數(shù)據(jù)處理，最終得到汽車四輪定位參數(shù)。

1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)由人機交互操作端、ZigBee無線通信、車輪參數(shù)檢測模塊等組成，如圖1所示。

圖1 基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)組成框圖

人機交互操作端主要實現(xiàn)汽車四輪定位參數(shù)的計算和通信參數(shù)的設(shè)置。

車輪參數(shù)檢測模塊安裝在輪轂蓋上，它以自帶ZigBee無線模塊的微處理器為控制核心，配置了三維加速度傳感器和微電子電源，可實時采集車輪的三維加速度數(shù)據(jù)。

ZigBee無線通信實現(xiàn)人機交互操作端和車輪參數(shù)檢測模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)的工作過程為：首先，在人機交互操作端設(shè)置通信參數(shù)并啟動數(shù)據(jù)接收；然后，車輪參數(shù)檢測模塊實時采集車輪的三維加速度數(shù)據(jù)，并通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)將該數(shù)據(jù)上傳到人機交互操作端；最后，人機交互操作端對車輪的三維加速度數(shù)據(jù)進行處理，得到汽車四輪定位參數(shù)。

2 硬件設(shè)計

車輪參數(shù)檢測模塊通過三維加速度傳感器采集車輪在、、3個軸方向上的重力加速度數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺藱C交互操作端。考慮到該模塊有體積小、供電簡單、數(shù)據(jù)傳輸方便等需求，選用了自帶ZigBee無線模塊的微處理器CC2530和三維加速度傳感器MMA8451Q。

微處理器CC2530是一款具有8051內(nèi)核的智能控制單元，封裝了Z-STACK協(xié)議，自帶1個ZigBee無線模塊，可方便地構(gòu)建ZigBee數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[4-5]。

MMA8451Q是一款低功耗三軸數(shù)字加速度計，量程為±2 g，具有14位數(shù)據(jù)精度，采用I2C數(shù)據(jù)輸出，最高輸出速率達800 Hz，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的要求[6]。

微處理器CC2530和三維加速度傳感器MMA-8451Q的供電電壓均為2 ～3.6 V，因此采用LIR2032 3.6 V紐扣電池作為微電子電源進行供電。

3 軟件設(shè)計

基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)主要基于MATLAB軟件進行程序設(shè)計，主要由數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)預處理、四輪定位參數(shù)計算、人機交互界面等4個部分組成。

3.1 數(shù)據(jù)讀取

車輪參數(shù)檢測模塊采集的車輪三維加速度數(shù)據(jù)，由ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到人機交互操作端的計算機USB端口，MATLAB軟件自帶的串口通信模塊通過計算機USB端口讀取該數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取程序流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)讀取程序流程

首先，MATLAB軟件通過調(diào)用serial（）函數(shù)創(chuàng)建串口對象；然后，設(shè)置波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位等串口通信參數(shù)；最后，調(diào)用fopen（）函數(shù)打開串口并啟動數(shù)據(jù)讀取流程。

MATLAB軟件的串口支持查詢和事件驅(qū)動2種方式來讀取計算機USB端口的串口數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用中斷事件驅(qū)動，即串口數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量達到預設(shè)的閾值就觸發(fā)中斷事件，在function instrcall-back(obj, event)中斷函數(shù)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。這種方式能夠根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)量進行實時響應，符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

3.2 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理是對MATLAB軟件讀取的串口數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重組和修正。

MATLAB軟件讀取車輪三維加速度數(shù)據(jù)后，按照上傳數(shù)據(jù)包格式對該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行重組和存儲，以便四輪定位參數(shù)計算程序進行處理。上傳數(shù)據(jù)包格式包括開始字符、數(shù)據(jù)長度、車輪參數(shù)檢測模塊ID號、采樣時間點、三維加速度數(shù)據(jù)和結(jié)束字符等6部分。數(shù)據(jù)包單次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為40個字節(jié)。4個車輪參數(shù)檢測模塊的、、軸方向的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)重組后，分別被存到4個數(shù)組變量中。

三維加速度傳感器的電路設(shè)計、模塊安裝等都可能導致采集的數(shù)據(jù)存在偏差，本文通過數(shù)據(jù)測試分析獲得：、、軸的加速度修正值分別為0.026 4、0.013 736 7、0，并在程序中進行數(shù)據(jù)修正。

3.3 四輪定位參數(shù)計算

基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)通過解算車輪的三維加速度數(shù)據(jù)求出四輪定位參數(shù)。四輪定位參數(shù)包括車輪外傾角wi、車輪前束角wi、主銷內(nèi)傾角ki、主銷后傾角ki4個參數(shù)[3]，如圖3所示。

車輪外傾角wi的解算公式為

式中：amy為轉(zhuǎn)向輪側(cè)向加速度。

車輪前束角wi的解算公式為

假設(shè)轉(zhuǎn)向輪繞主銷軸左右轉(zhuǎn)動相同的角度ki、-ki，則主銷內(nèi)傾角ki的解算公式為

式中：mx(ki)、mx(-ki)分別為轉(zhuǎn)向輪向左和向右轉(zhuǎn)動相同角度的切向加速度。

假設(shè)轉(zhuǎn)向輪繞主銷軸左右轉(zhuǎn)動相同的角度ki、 -ki，則主銷后傾角ki的解算公式為

基于上述計算公式[7]，設(shè)計MATLAB四輪定位參數(shù)計算程序，以左前輪為例，程序如下：

%計算左前輪的外傾角/前束角

for k=1:1:length(k1lpha_03_yhe)

gamma_wi1(k)=asind(k1lpha_03_yhe(k));

gamma_wi2(k)=acosd(k1lpha_03_yhe(k)/ (9.80665*sin(gamma_wi1(k))))-90;

end

%計算左前輪的主銷內(nèi)傾角/主銷后傾角

K1=exam05(k1lpha_03_xhe);

K2=exam05(k2lpha_03_xhe);

gamma_wi3=asind((abs(K1)-abs(K2))/ (2*sind(20)));

gamma_wi4=asind(-(abs(K1)+abs(K2))/ (2*cosd(20)*cosd(gamma_wi3)));

其中，k1lpha_03_yhe用于存儲參數(shù)檢測模塊檢測的經(jīng)重組和修正處理后的軸加速度數(shù)據(jù)；1和2分別為車輪左右轉(zhuǎn)動相同角度ki、-ki時，參數(shù)檢測模塊檢測的經(jīng)exam05()函數(shù)濾波求平均數(shù)處理后的軸加速度數(shù)據(jù)。

3.4 人機交互界面

通過MATLAB自帶的GUI模塊設(shè)計的人機交互界面[8-9]，如圖4所示。

圖4 基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)人機交互界面

人機交互界面包括串口通信參數(shù)設(shè)置區(qū)和四輪定位參數(shù)計算區(qū)。在串口通信參數(shù)設(shè)置區(qū)，點擊“開始采集”按鍵后，系統(tǒng)實時接收上傳的數(shù)據(jù)；點擊“保存數(shù)據(jù)”按鍵后，接收的數(shù)據(jù)以設(shè)定的數(shù)據(jù)格式保存到文本文檔。

一輛汽車的4個車輪都有獨立的四輪定位標準數(shù)據(jù)范圍。在四輪定位參數(shù)計算區(qū)，通過下拉菜單選擇相應的計算項目，包括左前輪外傾/前束、右前輪外傾/前束、左后輪外傾/前束、右后輪外傾/前束、左前輪主銷內(nèi)傾/后傾、右前輪主銷內(nèi)傾/后傾等6個計算項目。點擊“四輪定位參數(shù)計算”按鍵后，系統(tǒng)自動完成該車輪的四輪定位參數(shù)的實時計算和顯示。

4 實驗及結(jié)果分析

為驗證基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)的功能及可靠性，以某車型為例，搭建實物系統(tǒng)測量該車型左前輪的外傾、前束、內(nèi)傾和后傾等四輪定位參數(shù)。車輪參數(shù)檢測模塊安裝位置如圖5所示。

圖5 車輪參數(shù)檢測模塊安裝位置

車輪參數(shù)檢測模塊接通電源后進入正常的工作狀態(tài)。首先，打開人機交互界面，在串口通信參數(shù)設(shè)置區(qū)輸入串口參數(shù)：端口選擇COM4，波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，校驗位為無校驗，停止位為1位，并點擊“開始采集”按鍵，MATLAB開始接收數(shù)據(jù)；然后，在四輪定位參數(shù)計算區(qū)的下拉菜單中選擇相應的計算項目，并點擊“四輪定位參數(shù)計算”按鍵，MATLAB對車輪參數(shù)檢測模塊上傳的車輪三維加速度數(shù)據(jù)進行實時計算，并給出四輪定位參數(shù)曲線圖，如圖6所示。

圖6 左前輪四輪定位參數(shù)曲線圖

由圖6可知，該汽車左前輪的外傾、前束、內(nèi)傾和后傾角分別為0.9°、0.2°、8.5°、-0.8°，與其車型數(shù)據(jù)手冊描述相符。

5 結(jié)論

基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)工作可靠，滿足快速、準確測量四輪定位參數(shù)等技術(shù)設(shè)計要求，方便汽車4S店或汽車檢測站檢測人員快速地進行四輪定位參數(shù)檢測。

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Wheel Loaded Four Wheel Positioning Parameter Detection System Based on MATLAB

CHEN Shaowei1PAN Mengyao1ZHAO Juan1LIU Yuqing2

(1.Guangdong Polytechnic of Industry and Commerce, Guangzhou 510510, China 2.Guangzhou Motor Vehicle Inspection Industry Association, Guangzhou 510410, China)

Regular four wheel alignment parameter testing of cars can avoid issues such as tire bursts and unstable driving. This article proposes a wheel mounted four wheel positioning parameter detection system based on MATLAB, which combines technologies such as three axis acceleration sensor, ZigBee communication, and MATLAB software to achieve real time reading and rapid calculation of three dimensional wheel acceleration data, and obtain four wheel positioning parameters. This system has the characteristics of simple structure, accurate parameter measurement, and friendly human computer interaction, and has certain market promotion prospects.

MATLAB; four wheel positioning; three dimensional acceleration; ZigBeecommunication

TP31

A

1674-2605(2023)04-0008-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2023.04.008

基金項目：2021年廣東省普通高校創(chuàng)新團隊項目(2021KCXT076)

陳少偉，男，1987年生，碩士研究生，講師/工程師，主要研究方向：機電液智能測控。E-mail: 1251571695@qq.com

潘夢鷂，男，1970年生，博士研究生，教授級高級工程師，主要研究方向：機動車檢測技術(shù)。E-mail: 3345008640@qq.com

趙娟，女，1989年生，碩士研究生，講師，主要研究方向：機械設(shè)計及自動化。E-mail: 2031334248@qq.com

劉育清，男，1965年生，學士，高級技師，主要研究方向：機動車檢驗檢測。E-mail: 2567487305@qq.com

陳少偉,潘夢鷂,趙娟,等.基于MATLAB的輪載式四輪定位參數(shù)檢測系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2023,44(4):41-45.

CHEN Shaowei, PAN Mengyao, ZHAO Juan, et al. Wheel loaded four wheel positioning parameter detection system based on MATLAB[J]. Automation & Information Engineering,2023,44(4):41-45.