趙杰　朱旭升

摘要：機動車輛的起動制動性能是評價車輛優(yōu)劣的重要標準。針對機動車輛起動和制動的各個參數(shù)的精確測量問題，本文提出了一種新型的激光對射式的機動車輛起動制動性能的測試方法和裝置，使用激光發(fā)射/接收管、單片機控制器、無線通訊模塊和計算機實現(xiàn)對車輛起動與制動階段各個參數(shù)的實時精確測量和計算，具有車速測量和制動性能測試可以一次性完成，結構簡便，測試精度高，使用方便，系統(tǒng)功耗低，成本低，便于維護等優(yōu)點。

關鍵詞：激光；光電開關；測試技術；機動車輛；起動制動性能

引言

機動車輛是現(xiàn)代人們出行的重要交通工具之一。隨著國民經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，機動車輛的使用性能已經(jīng)成為人們關注的焦點。是否能夠迅速起動機動車輛，機動車輛行駛在高速狀態(tài)下，能否將車輛安全制動停止下來，是評價機動車輛性能的兩個非常重要的標準[1]。同時，越來越多的機動車輛制造商和銷售商，將0-100m加速性能和100-0km/h制動距離列入到產(chǎn)品說明中，作為對比車輛性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。但是同時，用來測試機動車輛起動與制動性能的方法普遍不夠方便和精確，拿機動車輛制動測試方法舉例，目前采用的方法是在剎車瞬間，利用剎車帶動火藥槍在地下打下痕跡，作為剎車起始點，等待車輛停車后用卷尺測量剎車距離。該方法對路面有一定的破壞性，使用時有一定的危險性，雖然能夠測量剎車距離，但要精確測量剎車時間則必須與其它測量儀器配合使用。機動車輛剎車距離還跟剎車時候的初速度有關，因此分析自行車剎車性能時候必須考慮剎車時速度的影響，目前車輛測速系統(tǒng)有多普勒雷達測速、GPS測速、視頻測速、感應線圈測速等。多普勒雷達及GPS測速在汽車測速方面應用極為廣泛，但是測試誤差較大。視頻測速抓拍系統(tǒng)，其主要用于偵查，且其分析過程較為復雜。感應線圈測試系統(tǒng)，測速需要在路面下埋線圈，施工安裝復雜，不容易推廣。本文提出一種基于激光測試技術的新型機動車輛起動制動性能測試方法，使用激光發(fā)射/接收管、單片機控制器、無線通訊模塊和計算機實現(xiàn)對車輛起動與制動階段各個參數(shù)的實時精確測量和計算，具有結構簡化，安裝方便，測量精度高等優(yōu)點。

1.測試裝置設計

激光測試是一種非接觸式測試[2]，不影響被測物體的運動，具有精度高、測量范圍大、測量時間短，極高的空間分辨率等優(yōu)點。新型機動車輛起動制動性能測試裝置包括激光發(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，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，相互配對的激光發(fā)射管的光點落在相應的激光接受管的接收區(qū)域內(nèi)1.1.光源的選擇

一般來說，光電開關主要有對射式和反射式兩種[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，因此測量精度相對對射式光電開關而言較低，因此本文采用了對射式光電發(fā)射及接收管實現(xiàn)高精度測速及起動制動時間及距離測量。

1.2.方式的選擇

每個激光發(fā)射管與相應的激光接收管正對，并保證在中間無阻擋情況下，激光發(fā)射管發(fā)射的光能夠被激光接收管接收。因為測試單元和接收單元分別位于機動車輛行車路線的兩側，如果采用發(fā)射點光源的激光發(fā)射管，則必須保證激光接收管與發(fā)射管的位置相對，在安裝過程中如果存在偏差，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)，且整個測試裝置有多個獨立的測試單元，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.測試系統(tǒng)研究

測試系統(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

測量裝置由多個長度為L的測試單元組成，所述一個測試單元由一個發(fā)射單元和一個接收單元構成，如圖3所示，發(fā)射單元為 ～ ，接收單元為 ～ ，發(fā)射單元離開地面一定高度順序排列在行車直線路徑的一側，接收單元排列在另一側，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。

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

2.2.數(shù)據(jù)通訊

由于測試距離較長，所有測試單元都要通過導線連接到控制器，即使控制器布置在所有測試單元中間位置，也還是存在連接線太長，并且數(shù)量太多從而造成布線復雜[4]，因此整個測試裝置由若干個測試單元構成，采用無線通訊模塊實現(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，由接收單元單片機控制，采用單工通訊方式，即只能由測試單元往主機發(fā)送數(shù)據(jù)，測試單元不接收主機發(fā)過來的命令或數(shù)據(jù)。主機實現(xiàn)與所有測試單元數(shù)據(jù)通訊，并將接收到的數(shù)據(jù)通過USB或RS-232等通訊接口傳送到電腦，由電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析及測試曲線和結果的顯示。

待測試機動車輛定義為從左往右行駛，每個發(fā)射單元內(nèi)激光發(fā)射管左側增加一個激光接收管并連接到發(fā)射單元單片機，每個接收單元內(nèi)激光接收管左側增加一個激光發(fā)射管并連接到發(fā)射單元單片機，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，測試開始前僅啟動發(fā)射管1導通，啟動發(fā)射管1的光束直接投射到啟動接收管2，當待測車輛最前端到達啟動發(fā)射管1光束所在位置時，投射到啟動接收管2的激光束被阻擋，發(fā)射單元單片機未檢測到啟動接收管2信號，此時發(fā)射單元單片機立即導通激光發(fā)射管10～19，發(fā)射10條平行的激光束投射到接收單元上，并同時啟動內(nèi)部定時器，定時時間為車輛通過該測試單元的最長時間，定時時間到激光發(fā)射管10～19全部關閉。當車輛行駛到激光發(fā)射管10激光束所在位置時，激光束被阻擋，接收單元單片機接收到激光接收管20信號，此時單片機計時器清零并啟動，同時關閉啟動發(fā)射管1，當車輛依次行駛經(jīng)過激光發(fā)射管11～19時，激光接收管信號發(fā)生跳變，接收單元單片機根據(jù)激光接收管21～29信號記錄計時器時間值，通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，同時啟動內(nèi)部定時器，定時時間為系統(tǒng)預先設置的兩次測試的間隔時間，當定時時間到重新導通啟動發(fā)射管1，為下一次測試做準備[6]。

接收單元通過通訊模塊將測試數(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USB或RS-232接口連接到計算機，每個發(fā)射單元和接收單元采用電池獨立供電。

通訊模塊為Zigbee無線通訊模塊，所述通訊模塊采用單工通訊方式。當然，也可以選用其他的通訊方式。

每個測試單元有各自的地址，各個測試單元的前后順序決定了位移值，順序錯誤則造成所有測試數(shù)據(jù)的混亂，因此必須指定各個測試單元的順序。為便于使用和維護，使得所有發(fā)射單元和接收單元順序不需要預先固定，只要保證所有測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，無需對地址的順序做任何人工設定，由于車輛通過各個測試單元的時間有先后，因此主機直接根據(jù)接收到的各個測試單元發(fā)送的數(shù)據(jù)的時間前后確定測試單元的順序。

2.3.測試過程

當待測車輛在行車路線上行駛時，待測車輛最前端首先擋住一對激光發(fā)射管，與該發(fā)射管對應的激光接收管輸出信號翻轉，可以認為光電接收管輸出電平由高到低或由低到高發(fā)生跳變（由光電管的常開或常閉決定），該跳變標志被控制器作為時鐘啟動信號，啟動時鐘計時，當待測車輛其余部分通過該點時，有可能光被擋住也可能未被擋住，此時的跳變型號不做處理。同樣，當待測車輛最前端到達第二對激光發(fā)射管和激光接收管時，第二對激光接收管信號發(fā)生跳變，此時由控制器記錄計時時鐘值，該值作為待測車輛進入第二個光電管的時間。以此類推，當待測車輛依次通過所有光電管所在位置，控制器都以每個光電管的信號第一次發(fā)生跳變作為計時信號記錄時鐘值。這樣，控制器就能夠得到待測車輛通過每個光電管的時間，由于每兩組光電管的距離固定，因此控制器就能夠根據(jù)通過每兩組光電管計算一個速度值，當待測車輛通過所有光電管時，控制器能夠在同一個曲線框內(nèi)繪制兩條曲線，該曲線橫坐標為時間，縱坐標1為位移，縱坐標2為速度，兩條曲線記錄了通過每個光電管的時間及速度，控制器還可以根據(jù)速度變化值獲取加速度曲線。根據(jù)該曲線可以計算通過一定區(qū)域的平均車速、最高車速等各類有關速度的參數(shù)值[7]。

2.4.數(shù)據(jù)處理

由于每兩組光電管的距離固定，計算機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以時間為橫坐標，位移為縱坐標，繪制出待測車輛的位移-時間曲線和速度-時間曲線，再通過量速度-時間和位移-時間曲線可計算出車輛制動（起動）的時間和剎車（起動）距離值。

待測車輛進入測試區(qū)域后緊急剎車，待測車輛往前運行一段距離后停止運動，從剎車起始點到停車點之間的距離為剎車距離。利用速度-時間和位移-時間曲線能夠很容易地獲得剎車時間和剎車距離值。從速度變化來分析，緊急剎車時待測車輛會突然減速，從曲線中尋找速度開始突然下降的點，在曲線上繪制一條通過該點并與X軸垂直的直線，該直線與位移曲線的交點所對應的位移值就是制動起始點的位移值；在速度曲線上尋找第一個速度為零的點，也繪制一條通過該點并與X軸垂直的直線，該直線與位移曲線的交點所對應的位移值就是待測車輛制動停止的點的位移，由該值減去制動起始點的位移值，所得到的值就是待測車輛的制動距離，而兩個點所對應的橫坐標的差值就是剎車時間。當車輛開始起動到達到指定速度的時間為起動時間，所行駛的距離為起動距離，待測車輛開始加速時速度由零開始增加，記錄此時的位移和時間，當達到指定速度值時記錄位移和時間，兩者的差值就是起動時間和起動距離。

2.5.電源

由于整個系統(tǒng)需要在野外使用，供電問題是一個主要問題，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。每個發(fā)射單元和接收單元獨立供電，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。多個激光發(fā)射管同時打開的功耗較大，因此必須合理控制光電管和接收管的導通時間，因此發(fā)射單元不連接主機，因此無通訊功耗。接收單元與主機采用單向通訊方式，即只有接收單元將測試數(shù)據(jù)發(fā)送給主機，而不接受主機的控制命令，有效降低待機功耗，同時控制激光發(fā)射和接收管的導通時間，每個測試單元內(nèi)最左邊的一條激光束來控制右方激光束的導通來實現(xiàn)省電。

3.結論

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

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