基于激光测距的车辆行驶跑偏测量系统
基于激光测距的车辆行驶跑偏测量系统
作者:荣锐兵;严运兵;方园;吴浩
汽车应具备在直路上不加方向修正而维持直线行驶的能力。汽车偏离直线行驶方向称为行驶跑偏,车辆行驶跑偏会使驾驶员容易出现疲劳,造成转向沉重,加速轮胎磨损甚至引发爆胎,而且容易造成制动跑偏和制动侧滑的问题。车辆行驶跑偏的原因大致可分为四轮定位不准、轮胎气压不等或磨损不一、悬架设计缺陷和转向系故障。侧滑测试可以完成对四轮定位的检测,是一种保证汽车直线行驶的间接评估方法,汽车生产企业大都配备有此设备。但是汽车行驶跑偏的因素是多方面的,有必要进行行驶跑偏的直接检测。汽车行驶跑偏量的大小是汽车行驶稳定性的一项重要评价指标,一直备受汽车生产厂商的重视。而当前汽车行驶跑偏的检测一直停留在人工目视主观判断的原始状态,国内对于车辆行驶跑偏直接检测系统的研究尚未成熟。武汉某合资汽车公司已率先试行车辆行驶跑偏检测线,但目前尚无相应的国家检测标准出台。以该公司行驶跑偏检测线为例,车辆通过长度为100 m 的测试路段,要求跑偏量的检测精度为1cm,重复性为2cm,车辆被测速度为30~90km/h,且能应对任何恶劣天气。近年来,随着激光技术的发展,激光测距仪的应用范围越来越广泛。基于激光测距的车辆行驶跑偏测量系统是一种新型的汽车测试系统,其结构简单,为 非接触式测量,测试精度高,造价低廉,抗干扰性强, 可靠性高。
1 车辆行驶跑偏测量方法简介
测试车辆行驶跑偏的方法有多种,按照原理的不同大致有以下几种:传统的洒水实测法;基于光纤传感器的位置坐标测量法;基于 GPS 定向测量单元的跟踪测试法;基于 CCD 的图像分析法;基于激光测距的直接测量法。为解决企业测试要求而制订的车辆行驶跑偏测量方案都只关注车辆在定长测试线上的跑偏量/跑偏角度,因此前三种方法和后两种方法是否为全程跟踪测量,就测试结果(车辆是否跑偏)来说没有本质的区别。
制订测试方案,首先要满足跑偏测试系统的技术要求;其次要考虑测试系统的可靠性,车辆行驶跑偏检测是流水式测试,可靠性至关重要;再者,系统故障能否快速修复也是对测试系统的一项基本要求;最后还要考虑系统开发成本及测试操作的便利性。总体来说,主要包括测试精度、可靠性、成本和操作便利性等四方面因素,理想的测量方案必须同时满足上述四方面的要求。
需指出的是,作为运用于工业生产线的户外检测系统,必须要有面对恶劣天气而能长时间正常工作的功能。在上述5 种测试方法中,能够不受恶劣天气影响的只有基于激光测距的直接测量法。
2 激光测距直接测量系统组成及原理
基于激光测距的车辆行驶跑偏测量系统的组成结构主要包括激光测距仪和标定基准(4组)、对射式光电开关(2组)、控制柜、工业计算机及辅助设备等。该系统采用免棱镜激光测距仪,水平测试路段的起始点和终点处各放置2 台。4 台激光测距仪均放置在路段一侧,并位于同一直线上(初始安装时用全站仪进行定位调整)。车辆行驶跑偏测试时要求无方向盘转角输入,车速基本保持稳定,故系统设有测试准备区,旨在车辆稳定速度和调整方向。
车辆通过测试区起点时,对射式光电开关被驶过的车辆触发,感应信号发出。起点的激光测距仪1和2 同时被触发,激光射向车身,开始测距,现场处理器存储2个测距仪的测试结果。车辆驶过测试区终点时,激光测距仪3和4以同样方式测量,从而存储车辆驶过终点时的2个测量结果。各个测距仪都配有标定基准,以便实时地进行系统标定。
3 跑偏角度/跑偏量的计算
车辆理论行驶线为测试区道路中心线,激光测距仪1和2、3和4的距离均设为 m。一次完整测量中,可得到2组(共4个)距离值, 分别为d1、d2 和d3、d4。在以激光测距仪1光速线为横坐标、道路中心线平行线为纵坐标的直角坐标系1 中,一次完整测量起点处两束激光于车身上的落点坐标分别为(0,0)、(d2 -d1,m);在以激光测距仪3 光速线为横坐标、道路中心线平行线为纵坐标的直角坐标系2 中,一次完整测量终点处两束激光于车身上的落点坐标分别为(0,0)、(d4-d3,m)。经过测试准备区车辆方向调整,车辆将要进入测试区时,可以认定车辆行进方向与道路中心线基本吻合。从理论分析出发,车辆通过测试起点时其行进方向与道路中心线存在夹角θ1,通过测试终点时其行进方向与道路中心线存在夹角θ2。
先进行跑偏方向的判定:若d1 >d2 或d3 >d4,则被测车辆跑偏方向向左;若d1 <d2 或d3 <d4,则被测车辆跑偏方向向右;对于被测结果相等的特殊 情况,可以认定车辆行驶不跑偏。在实际工业测量中,认定被测车辆是否跑偏取决于其跑偏角度/跑偏量是否超过厂家设定的上限值。
4 测量精度影响因素分析
激光测距行驶跑偏测量方案在原理上简单易行,避免了复杂测试过程所带来的诸多可能误差。但该方案中还应考虑以下测量精度影响因素:
(1)算法精度的影响。该文指出的跑偏角度和跑偏量的算法是根据激光测距测量方案特点提出的,简单可行。跑偏量算法是以无明显测量偏差为前提的,这就在一定程度上关联了跑偏量算法精度和测量精度,即跑偏量计算结果精度受实际测量精度的直接影响。可以类推出横向距离(性质等同于系统所测试的距离)与跑偏角度之间为非线性关系。在正切函数关系中,小角度范围内的非线性关系可以认定为线性关系,所以跑偏角度对算法精度有一定影响,但一般跑偏如果控制在小角度,误差还是比较小的。文献中的实验结果也表明,激光测距仪测量效果可以保证测试距离的精度在毫米级以下。因此,该文提出的算法完全可以满足工业生产中测试系统的精度要求。
(2)激光落点的影响。在测试区起点和终点的 2 次激光测距中,同型号的2 组对射式光电开关在相同车速的激励下触发激光测距仪开始测距,此过程中各环节的响应时间理论上是对等的,不影响激光在车身上的落点。但车辆在行驶过程中的振动(特别是垂直方向的振动)和车身本身的制造误差都会对激光在车身上落点的精准度造成影响。通过配置较为平坦的测试路面,降低车辆行驶过程中的振动幅度,激光落点位置对测量精度的影响是可以避免的,毕竟车身制造误差在小范围车身区域表现得并不明显。
(3)系统标定的影响。对于工业生产中的测试系统,必须要求有可以及时进行系统标定的基准。该激光测距测量方案的4组激光测距仪基座和标定基准采用一次性定位设置,只有激光测距仪可以实现全方向调整。在系统使用过程中,由于测试环境的影响,总会出现各个激光测距仪相对位置的微量变化,造成测量误差。因此,实时地实施系统标定即对系统中各设备相对位置的微量变化进行初始化处理,可以减小系统标定对测量精度的影响。
5 结 论
该文介绍的基于激光测距的车辆行驶跑偏测系统是一种全新的在线自动检测系统。该系统原理简单,避免了复杂繁琐的测试过程,运用工业计算机和光纤传输设备等高科技产品,通过开发的软件自动生成测试结果。该系统采用的激光测距是自动非接触测量,测量快速,精度极高,系统简单,适应性强,可靠性好,通过实验测试,其测量精度和测试效率有保证。将激光测距技术应用于车辆行驶跑偏测量检测生产线可大大提高汽车生产质量,对于目前整车生产企业具有实用意义,在其他领域也具有一定的适用性。
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