李 奎, 何耀華

(1. 武漢理工大學 汽車工程學院, 湖北 武漢 430070; 2. 武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430070)

維持直線行駛是汽車行駛穩(wěn)定性的基本要求.汽車跑偏的危害很大,嚴重時可能導致交通事故.為防止存在跑偏缺陷的汽車流入市場,有效的方法是對總裝下線的汽車進行跑偏檢測.而跑偏檢測作為汽車檢測線的一個環(huán)節(jié),必須滿足汽車的生產(chǎn)要求.近年來,為提升跑偏檢測的精度和效率,圖像傳感、激光測距等先進傳感技術(shù)逐漸在跑偏檢測設(shè)備上得到應(yīng)用[1-4].其中,基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)由于具有測試效率高、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠和維護方便等優(yōu)點,得到越來越多汽車制造企業(yè)和科研工作者的青睞.

為進一步提升基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)的測試精度，筆者將分析駛?cè)虢堑臏y量方法、行駛跑偏量的算法和原始測量數(shù)據(jù)的處理方法對系統(tǒng)測試精度的影響，并有針對性地提出相應(yīng)的優(yōu)化方法，進而搭建出相應(yīng)的模擬測試系統(tǒng)，以模型小車代替實車進行準確性測試和重復(fù)性測試.

1 激光測距行駛跑偏測試系統(tǒng)簡介

基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)的現(xiàn)場布局如圖1所示,1,3,5為對射式光電開關(guān),2,4,6為激光測距傳感器對.

圖1 激光測距行駛跑偏測試系統(tǒng)現(xiàn)場布局

測試系統(tǒng)硬件主要包括3對激光測距傳感器及相應(yīng)的對射式光電開關(guān)、3個無線信號接入點和手持無線終端.激光測距傳感器在對應(yīng)的對射式光電開關(guān)的控制下適時開啟,對被試車輛的車身表面數(shù)據(jù)進行采集.無線信號接入點在其交換機的控制下,為整個行駛跑偏測試路段構(gòu)建出一個無線通訊環(huán)境,引車員可通過手持無線終端與測試系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互.行駛跑偏的測試流程:在上車測試之前,利用手持無線終端對被試車輛識別碼VIN(vehicle identification number)進行掃描、存儲;待被試車輛行駛到測試信號發(fā)送區(qū),按動無線手持終端按鍵,向測試系統(tǒng)發(fā)送車輛VIN以識別被試車輛,同時發(fā)出測試請求;待被試車輛進入測試準備區(qū),根據(jù)地面引導線將被試車輛修正到直行狀態(tài)(被試車輛的縱軸線與測試路段的中心線平行),并將車速調(diào)整到規(guī)定值;待被試車輛接近跑偏量自動測量區(qū),雙手輕撫或脫離轉(zhuǎn)向盤,不對轉(zhuǎn)向盤施加任何力或力矩,勻速通過跑偏量自動測量區(qū);待被試車輛駛離跑偏量自動測量區(qū),方可根據(jù)反饋到手持無線終端的測試結(jié)果對被試車輛進行分流,完成該次測試.

行駛跑偏量是在一定長度的行駛跑偏測試路段內(nèi)，被試車輛的實際行駛軌跡偏離其理想直線行駛軌跡的最大距離.行駛跑偏量是判定被試車輛是否存在跑偏缺陷的重要指標,其許用值通常不超過0.6 m/50 m[5-6].想要提升跑偏測試系統(tǒng)的測試精度和可靠性,必須提高行駛跑偏量的測量準確度.通過對基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)的分析可知,影響其測試精度的因素主要包括駛?cè)虢堑臏y量方法、行駛跑偏量的算法和測量數(shù)據(jù)的處理方法.

2 駛?cè)虢堑臏y量方法

2.1 駛?cè)虢菧y量方法分析

要對汽車的行駛跑偏量進行準確測量,就必須要有一個準確的測量基準.在行駛跑偏測試流程中,待被試車輛駛?cè)霚y試準備區(qū),需對被試車輛的行駛方向進行修正,使其處于直行狀態(tài).但是,在實際測試過程中,由于存在人工操作誤差,被試車輛到達跑偏量自動測量區(qū)起點時,其縱軸線與測試路段中心線通常存在較小的夾角[7](即駛?cè)虢?,并且每次測試中其值是不同的.若始終以靜態(tài)的測試路段中心線作為測量基準,勢必會引入基準誤差.因此,可在每次測試中對駛?cè)虢沁M行測量,并以此作為動態(tài)測量基準對行駛跑偏量進行計算.現(xiàn)有的駛?cè)虢堑臏y量方法如圖2所示,1,3為對射式光電開關(guān),2,4為激光測距傳感器對.

建立如圖2b所示的直角坐標系Oxy,其中y軸與道路中心線平行,車輛行進方向為正.在t1時刻,被試車輛經(jīng)過位置點P1,由激光測距傳感器對2獲得其坐標(x1,y1);在t2時刻,被試車輛經(jīng)過位置點P2,由激光測距傳感器對4獲得其坐標(x2,y2).連接點P1,P2,直線P1P2與y軸正方向的夾角(順時針為正,反之為負)為θ0′.則被試車輛的駛?cè)虢菫?/p>

(1)

式中L1為激光測距傳感器對2與激光測距傳感器對4在y軸方向的距離,其值略大于被試車輛車長,此處設(shè)置為5 m.

采用高精度動態(tài)GPS對一輛汽車的行駛跑偏量進行測量,部分原始測量數(shù)據(jù)[8]如表1所示.

表1 高精度動態(tài)GPS原始測量數(shù)據(jù)

利用三次多項式函數(shù)對原始測量數(shù)據(jù)進行擬合,得到其行駛跑偏量s與行駛距離d的關(guān)系為

s=-0.001 0d3+0.185 3d2+
0.272 5d-0.158 7.

(2)

當d=5 m時,根據(jù)式(2)計算出相應(yīng)的行駛跑偏量s=5.71 mm.由此可知:若采用圖2所示的方法對這輛汽車的駛?cè)虢沁M行測量,在實際駛?cè)虢菫?′時,系統(tǒng)測得的駛?cè)虢菫?.93′,在跑偏量自動測量區(qū)(以長度為50 m計算)終點處產(chǎn)生的基準誤差為57.10 mm,這將難以達到跑偏測試系統(tǒng)20 mm的測試精度要求.

2.2 駛?cè)虢菧y量方法優(yōu)化

采用如圖2所示的駛?cè)虢菧y量方法可能導致較大的基準誤差,且此基準誤差是由于近似計算造成的.因此,可采用如圖3所示的駛?cè)虢菧y量方法規(guī)避這種近似計算誤差.1為對射式光電開關(guān),2,4為激光測距傳感器對.

圖3 優(yōu)化后駛?cè)虢堑臏y量方法

激光測距傳感器對2和激光測距傳感器對4由同一對對射式光電開關(guān)1控制,被試車輛到達跑偏量自動測量區(qū)起點處時,兩激光測距傳感器對同時對被試車輛車身表面進行數(shù)據(jù)采集,獲得相應(yīng)的坐標分別為(x1′,y1′),(x2′,y2′).如此,被試車輛的駛?cè)虢菫?/p>

(3)

式中L1′為激光測距傳感器對2與激光測距傳感器對4在y軸方向的距離,其值小于被試車輛車長.

從而,θ0的計算將不受被試車輛自身行駛跑偏量的影響.并且,對射式光電開關(guān)處于激光測距傳感器對的右側(cè)(被試車輛行進方向一側(cè)),可保證激光測距傳感器開啟時,其光點就位于車身表面,從而減少對無用數(shù)據(jù)的采集,提高數(shù)據(jù)處理效率.

3 行駛跑偏量的算法

將汽車行駛跑偏量的測量過程簡化為如圖4所示的平面模型，|P1A|=|P1D|.

圖4 汽車行駛跑偏量的計算

在圖2b建立的坐標系下,在t3時刻,被試車輛經(jīng)過位置點P3,由激光測距傳感器對6獲得其坐標(x3,y3).從而，被試車輛的行駛跑偏量s(右偏為正,左偏為負)較為普遍的算法[9]為

|s|≈|BP3|=|x3-x1-(y3-y1)tanθ0|.

(4)

汽車行駛跑偏量是在駛?cè)虢菫?′的理想狀況下定義的,并且行駛跑偏測試考察的是汽車在一定參考距離下的行駛跑偏量.從圖4可以看出,與理想狀況相比,在駛?cè)虢遣粸?′時,以|BP3|作為跑偏量自動測試區(qū)長度的行駛跑偏量存在2點不等價之處: ① 線段BP3與動態(tài)測量基準P1B不垂直; ②P1B的長度不是定值,會隨著駛?cè)虢堑拇笮∽兓兓?這2點不等價之處,均會使計算出的行駛跑偏量數(shù)值偏大.圖4中的各線段長度的關(guān)系為

|s|<|DE|<|BC|<|BP3|.

(5)

因此,為消除上述2點不等價之處,使行駛跑偏量的計算更為準確,提出行駛跑偏量s的算法(區(qū)分方向)為

(6)

4 測量數(shù)據(jù)的處理方法

激光測距傳感器的光點落在被試車輛車門門縫、透明燈罩等局部特征上,會導致原始測量數(shù)據(jù)中存在異常數(shù)據(jù).激光測距傳感器自身的不穩(wěn)定,也會引起原始測量數(shù)據(jù)的波動.正確的測量數(shù)據(jù)處理方法可以提高激光測距行駛跑偏測試系統(tǒng)的測試精度.

4.1 激光測距傳感器量程的確定

德國SICK品牌的中程激光測距傳感器在選定的工作模式下的電流輸出特性如圖5所示.

圖5 激光測距傳感器電流輸出特性

傳感器量程在200～30 000 mm可調(diào).所測距離在傳感器量程之外,輸出電流為相應(yīng)的定值;所測距離在傳感器量程之內(nèi),輸出電流與距離的關(guān)系為

(7)

式中:D為激光測距傳感器所測的距離,mm;I為激光測距傳感器輸出的電流,mA;Dmax,Dmin分別為激光測距傳感器量程的上、下限值,mm.

若激光測距傳感器由于自身不穩(wěn)定產(chǎn)生的電流波動為ΔI,則經(jīng)過式(7)換算,產(chǎn)生的距離波動為1/16(Dmax-Dmin)ΔI.在激光測距傳感器電流波動一定時,減小其量程上、下限的差值(Dmax-Dmin)有利于提高距離的測量精度.因此,根據(jù)式(8),(9)確定激光測距傳感器的量程.

(8)

(9)

式中:Br為測試區(qū)寬度,mm;Bmin,Bmax分別為被試車輛車寬的最小值和最大值,mm;Le為激光測距傳感器到測試區(qū)邊界的距離,mm;|s|max為測試系統(tǒng)所能測量的行駛跑偏量的最大值,mm;Ls為針對激光測距傳感器電流波動等情況設(shè)置的安全裕量,mm.

4.2 原始測量數(shù)據(jù)的處理

激光測距傳感器的采集頻率為3 kHz,電流數(shù)據(jù)采集卡的基頻為80 MHz,分頻系數(shù)為80 000,采集頻率可在1 kHz 到 80 MHz范圍內(nèi)進行離散性的設(shè)置.若汽車行駛跑偏測試的車速為50 km·h-1,電流數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率設(shè)置為1 ～ 3 kHz,則每個數(shù)據(jù)對應(yīng)的車身表面長度為4.63 ～ 13.89 mm.為兼顧數(shù)據(jù)準確性和車身狀態(tài)的反映,將采集卡的采集頻率設(shè)置為3 kHz,并提取20個數(shù)據(jù)(代表車身表面長度92.60 mm)進行后續(xù)處理.

將激光測距傳感器的量程設(shè)置為200 ～ 600 mm,對緩慢行駛(約1.6 km·h-1)的模型小車(比例1 ∶20)的車身表面進行數(shù)據(jù)采集,采集到的原始電流數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖6 車身表面的原始電流數(shù)據(jù)

(10)

(11)

(12)

殘差大于3σIj者即為異常數(shù)據(jù),予以剔除,重新計算直至剩下電流數(shù)據(jù)的殘差均小于3σIj.若最終剩余的電流數(shù)據(jù)大于10個,則計算前5個電流數(shù)據(jù)(代表車身表面長度23.20 mm)的平均值用于后續(xù)計算;否則,重新提取數(shù)據(jù).提取圖6中第400 ～ 450 ms對應(yīng)的原始電流數(shù)據(jù),利用數(shù)理統(tǒng)計原理進行篩選,篩選前后的數(shù)據(jù)分別如圖7,8所示.

圖7 篩選前的電流數(shù)據(jù)

圖8 篩選后的電流數(shù)據(jù)

從圖7,8可以看出:經(jīng)過篩選,原本的異常數(shù)據(jù)被剔除,電流數(shù)據(jù)變得更為平穩(wěn).

5 模擬測試

根據(jù)駛?cè)虢菧y量方法、行駛跑偏量算法和數(shù)據(jù)處理方法編寫相應(yīng)的模擬測試程序,搭建如圖9所示的基于激光測距的行駛跑偏模擬測試系統(tǒng).

圖9 行駛跑偏模擬測試系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)劃圖紙對模擬測試系統(tǒng)進行標定,以模型小車替代實車進行模擬測試.模型小車的車輪外沿先后沿著規(guī)劃路徑1,2,3(每條規(guī)劃路徑對應(yīng)不同的行駛跑偏量設(shè)定值)依次通過3對激光測距傳感器進行數(shù)據(jù)采集.由于行駛速度較低,每次提取30個數(shù)據(jù)進行篩選.

沿規(guī)劃路徑3測試時，提取、篩選得到的電流數(shù)據(jù)如圖10所示.

圖10 模擬測試篩選后的電流數(shù)據(jù)

從圖10可以看出:篩選后的6組數(shù)據(jù)均較為平穩(wěn),圖10e對應(yīng)的電流數(shù)據(jù)只有29個.對比原始電流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),原本的30個數(shù)據(jù)中存在1個異常數(shù)據(jù),篩選時被剔除.表2為3次模擬測試的結(jié)果,對比行駛跑偏量的設(shè)定值可知,行駛跑偏量的測試誤差均不超過6.50 mm.

表2 模擬測試結(jié)果

將模型小車停在激光測距傳感器對1,2之間,在第3對激光測距傳感器之間放置一立方塊,啟動模擬測試程序重復(fù)測試10次,測試結(jié)果如表3所示.以行駛跑偏量測試值的算術(shù)平均值作為其真值,模擬測試系統(tǒng)的測試誤差均小于3.50 mm,測試誤差標準差為1.56 mm.重復(fù)測試結(jié)果表明,該模擬測試系統(tǒng)具有較高的重復(fù)測量精度和可靠性.

表3 模擬測試重復(fù)測試結(jié)果 mm

6 結(jié) 論

分析了駛?cè)虢堑臏y量方法、行駛跑偏量的算法和原始測量數(shù)據(jù)的處理方法對基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)測試精度的影響，提出了采用1組對射式光電開關(guān)同時控制2對激光測距傳感器測量駛?cè)虢?、運用萊以特準則剔除含有粗大誤差的測量數(shù)據(jù)等優(yōu)化方法．結(jié)果表明：動態(tài)測試中，模擬測試系統(tǒng)的測試誤差均小于6.50 mm；重復(fù)性測試中，以行駛跑偏量測試值的算術(shù)平均值作為其真值，模擬測試系統(tǒng)的測試誤差均小于3.50 mm，測試誤差標準差為1.56 mm，實現(xiàn)了跑偏測試系統(tǒng)測試精度的提升.

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