季　鑫　毛沖沖　鐘紹華　童　欣　李莉莉

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)　武漢　430070)　(汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)　武漢　430070)

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基于LabVIEW的新型汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)設計*

季鑫1,2)毛沖沖1,2)鐘紹華1,2)童欣1,2)李莉莉1,2)

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢430070)(汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢430070)

針對傳統(tǒng)的曲率半徑測量儀在汽車后視鏡曲率半徑檢測中存在較大誤差等問題，設計了一種基于LabVIEW編程控制的新型汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng).提出了比汽車后視鏡國家標準GB15084規(guī)定的曲率半徑測量方法更為精確的9點測量法；為了保證數據采集的高精度和完整性，使用激光傳感器和位移傳感器配合測量.采用滑動平均濾波法對采集的數據進行濾波平滑處理.通過最小二乘法對濾波后的數據擬合圓曲線，得到待測曲線的曲率半徑，多次求平均值計算出后視鏡的曲率半徑.試驗結果表明，該設計方案測量誤差小，并且能自動的對后視鏡曲率半徑進行檢測，實現智能化，提高檢測效率.

汽車后視鏡曲率半徑；9點測量法；滑動平均濾波法；最小二乘法

0　引　　言

汽車后視鏡擴大了駕駛員的視野范圍[1]，防止出現碰撞的情況.在整個汽車結構構成中，后視鏡是極其重要的組成部分，對確保車輛行駛時的安全性和可靠性具有重要意義.

汽車的外后視鏡和下后視鏡一般都是凸面鏡[2]，凸面鏡的曲率半徑發(fā)生變化時，會直接影響駕駛員的駕駛視野，決定著駕駛員的后方、兩側和下方的視覺效果，關系到駕駛員和行人的安全[3].因此，汽車后視鏡研發(fā)生產過程中，必須要通過檢測，嚴格滿足國家《機動車輛后視鏡的性能和安裝要求》(GB15084)標準[4]對后視鏡曲率半徑的測量規(guī)定和值的限定，確保其擁有優(yōu)越的性能.

由國標可知，汽車后視鏡曲率半徑的測量主要依靠曲率半徑測量儀等工具進行檢測，這些工具依賴人工進行手動檢測，存在諸多誤差因素.而且，對于曲率半徑測量儀的測量讀數與曲率半徑的轉換，國標中也有相關的換算表，但是該換算表只能大概地估算，數據的有效性只能局限在估算表的精確度范圍內.針對傳統(tǒng)的測量方式存在操作過程繁瑣、勞動強度過大、計算精確度低、耗費時間和人力等諸多不便之處.設計了有效的、專業(yè)的新型汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)，將減少人工操作，對后視鏡曲率半徑的檢測精度高，誤差小.

1　后視鏡曲率半徑測量原理

根據國標GB15084，如圖1，后視鏡曲率半徑是由3個點處曲率半徑的平均值求得，每個點的曲率半徑是垂直方向上后視鏡表面曲線曲率半徑r和r′的平均值，其位置位于鏡面寬度B中心線上，距離約為全長L的1/3，1/2，2/3處.為了使測量結果更加精確，所設計的測量點不僅包括國標GB15084所述的3個點，還另外的在B和L方向多測了6個點，9個點為寬度B和全長L的1/3，1/2，2/3曲線處交點，位置見圖2，測量時分別測出這9個點處的曲率半徑然后求平均值.

圖1　國標規(guī)定的測量點

圖2　檢測9點位置圖

2　檢測系統(tǒng)硬件組成

所設計的汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)硬件主要部分見圖3，顯示器與工控機連接構成PC上位機，控制程序和數據接收處理程序在上位機上利用LabVIEW軟件編寫，工控機通過PCI總線實現與雷賽DMC2410運動控制卡之間的通信，運動控制卡發(fā)送指令給三軸伺服電機驅動器驅動對應的伺服電機轉動，繼而實現對三軸運動導軌組合運動的控制，Z軸運動導軌上裝有激光傳感器和位移傳感器，傳感器為了采集的汽車后視鏡表面曲線Z軸方向數據，激光傳感器通過RS232/422接口轉換器將測量所得數據傳輸到PC上位機，位移傳感器通過WJ21數據采集A/D轉換模塊傳輸數據，待測后視鏡由平口鉗固定，放在檢測平臺上，平口鉗平行Y軸運動導軌放置.

由于激光傳感器測距是非接觸式測量，采集數據精度很高，故首選激光傳感器作為后視鏡曲率半徑的檢測[5]，其原理為：用激光脈沖器向待測表面發(fā)射一列很窄的光脈沖，光到達表面后，反射到接收器上，由發(fā)射到接收的時間，且光速已知，可以計算出傳感器到反射表面的距離[6].

圖3　系統(tǒng)硬件主要部分

但是激光傳感器光脈沖接收面范圍有限，后視鏡表面為弧面，檢測過程中會有部分測量區(qū)域反射的光超出接收面范圍，導致得不到測量數據，此時就需要接觸式位移傳感器對此部分數據進行采集.設計選用WYDC-50D型接觸式位移傳感器，其測量行程大、精度高、結構簡單，基于變壓器原理，受到待測物接觸面平整度變化的激勵，鐵芯在鋼管里的位移發(fā)生變化，其變化量和輸出電信號變化量呈精準的線性關系[7]，可直接將后視鏡曲面Z軸方向位移變化量轉變?yōu)闃藴孰娦盘柟┙o工控機采集.測量過程中，2個傳感器一起工作，激光傳感器有檢測數據時，采用激光傳感器數據，反之，利用位移傳感器的采集數據.

3　檢測系統(tǒng)軟件設計

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖見圖4.在PC上位機上進行測試初始化等相關測控配置，串口通信用于接收傳感器數據，待三軸組合運動對后視鏡自動尋邊完成后(即：LabVIEW程序通過調用運動控制函數等控制三軸運動確定后視鏡的長與寬，找到后視鏡中心位置)，便可確定欲測9個點的位置，進行一鍵測試，此時激光傳感器開啟、位移傳感器與鏡面保持接觸，并且按照9個點位置移動測試，將實時測量值依串行通信的方式發(fā)送到上位機，將采集后的數據由軟件進行濾波擬合處理，對被測汽車后視鏡的曲率半徑進行計算，完成后生成測試報告并且存儲.

3.1自動尋找后視鏡邊界策略

回原點操作完成后，操作員需要觀察后視鏡放在測控平臺上的位置，并在軟件上輸入汽車后視鏡所在平臺區(qū)域編號，接下來置于Z軸方向的位移傳感器在三軸組合運動下移向設定的此區(qū)域中心位置，進行自動尋邊.自動尋邊是利用接觸式位移傳感器來確定后視鏡的長、寬及中心位置以便進一步確定后視鏡上9個測量點的位置.自動尋邊的過程，以尋找X軸方向長和中心點位置為例，流程見圖5(其中傳感器繼續(xù)下移量大于10 mm為了使傳感器和后視鏡完全接觸；上移20 mm為了防止移動時打到后視鏡邊緣；右移5 mm為了最大可能減小誤差，消除向左移動時超出左邊界的距離；下移20 mm為了消除上移20 mm的距離，使傳感器再次與被測后視鏡充分接觸).以后視鏡X軸中點為起點用同樣的策略開始Y軸的尋邊，Y軸尋邊完成后傳感器移動到后視鏡Y軸中點，這一點認定為后視鏡的中心位置，根據中心位置及X軸方向的長度、Y軸方向的寬度便可確定9個測量點的位置.

圖5　自動測量后視鏡X軸方向長度流程

3.2采集數據的濾波處理

激光傳感器雖然測量精度高，但經過線束及信號處理模塊后，數據會受到干擾，且位移傳感器與后視鏡接觸測量，其在后視鏡曲面上滑動時高頻率振蕩，采集數據點多，測量過程中數據曲線也會出現大量噪聲(如毛刺、尖峰等)，影響其平滑度，這就需要將采集的原始數據進行濾波平滑處理，設計采用滑動平均濾波法抑制數據的噪聲干擾.

滑動平均濾波法是一邊移動采集的數據一邊對數據進行加權平均[8].濾波思路如下：從傳感器采集的第一個數據開始，取連續(xù)的5個采集點為1組，求取5個數據的平均值，用平均值取代5個數據點中間那點的數值，以此類推，完成全部數據的滑動平均濾波，公式如式(1)，程序見圖6.

(1)

式中：第i個點為數據值被取代的點；V(i+j)為依第i個點為中心的連續(xù)5個測量點數值；U(i)為這連續(xù)5個點數據的平均值，用來取代V(i)的值；n為激光和位移傳感器采集數據點總數.

圖6　滑動平均濾波法程序

3.3濾波后數據的擬合處理

完成采集數據濾波后，利用最小二乘法[9]來擬合后視鏡上待測9個點處X和Y方向的圓曲線，得到每個測量點處X和Y方向曲線的曲率半徑，進而求得每個點處的曲率半徑(X和Y方向曲率半徑的平均值)，將擬合后計算所得的9個點曲率半徑再取平均值，即為所測汽車后視鏡的曲率半徑.原理見圖7.

圖7　最小二乘法擬合圓曲線原理圖

最小二乘法擬合圓曲線公式算法如下.

(2)

式中：后視鏡上其中一條曲線測量的數據點集為(mi，zi)，mi為X或Y方向坐標位置，zi為位移傳感器對應于mi的測量值;(A，B)為數據點集的擬合圓心坐標，數據點集到圓心的距離為di.

誤差采用后視鏡曲率半徑平方之差.

(3)

式中：r為此條待測量曲線的曲率半徑估計擬合值.

令a=-2A，b=-2B，c=A2+B2-r2

(4)

后視鏡曲面半徑平方的誤差平方和為

(5)

利用偏導求參數a、b、c使得Q(a,b,c)的值最小.

(6)

(7)

(8)

則由式(4)可得出：

(9)

以此方法可得9個測量點上的后視鏡曲率半徑：

(10)

則此汽車后視鏡曲率半徑為

(11)

4　實驗結果分析

由上述的設計方案，對汽車后視鏡曲率半徑進行檢測，圖8顯示了系統(tǒng)檢測完成時的LabVIEW上位機檢測界面，數據圖形顯示框(縱軸為汽車后視鏡表面曲線Z軸方向變化量，橫軸為汽車后視鏡X軸長度方向或Y軸寬度方向的變化量)實時顯示原始測量點的X軸方向后視鏡曲線(空心正方形表示數據采集點)和Y軸方向后視鏡曲線，圖8上為測試最后一點P9點的檢測曲線.右下角為檢測數據.點擊左上角的尋找邊界，會彈出輸入后視鏡所在測試平臺的區(qū)域.

圖8　LabVIEW上位機檢測界面

依起始P1點處X軸長度方向的表面曲線為例，由圖9可知，顯示了傳感器原始數據曲線1和利用滑動平均濾波法處理后的數據曲線2，由圖可見濾波后數據曲線平整光滑，基本消除毛刺干擾，并由最小二乘法得出了擬合后的曲線方程字符串，因此可以得到此條曲線的圓心坐標位置和曲率半徑.擬合后方程字符串為：(X-80)2+(Y-1 439)2=1 3442，擬合后圓心坐標為(80.373,1 439.07)，曲率半徑為1 343.77 m.

圖9　P1點X軸長度方向的濾波擬合處理

9個檢測點的X軸長度方向曲線曲率半徑r、Y軸寬度方向曲線曲率半徑r′、9個點處的曲率半徑和后視鏡曲率半徑數據見表1.

表1　曲率半徑檢測值/mm

后視鏡曲率半徑檢測結果為1 269.57 mm，滿足國標GB15084對后視鏡曲率半徑值的規(guī)定(不小于1 200 mm).此款后視鏡廠家提供的曲率半徑生產標準值為1 285 mm，檢測誤差Δ=(1 285-1 269.57)/1 285≈1.2%，由此可知，所設計的系統(tǒng)誤差小，可為汽車后視鏡生產研發(fā)時曲率半徑的檢測提供精確的參考.

5　結 束 語

該研究基于LabVIEW軟件、工控機、雷賽DMC2410運動控制卡、伺服電機等設計了一種新型的汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)，為了使檢測更加準確，提出了優(yōu)于國標GB15084里規(guī)定測量點的9點測量法；為了防止高精度激光傳感器接收面有限而導致采集不到數據的問題，用位移傳感器配合測量；設計了嚴密精細的檢測系統(tǒng)自動尋找后視鏡邊界策略；利用特點鮮明的滑動平均濾波法對數據進行濾波平滑處理；通過數學優(yōu)化技術的最小二乘法對后視鏡曲面線做擬合處理；多次求平均值得到精確的后視鏡曲率半徑.試驗結果證明，該系統(tǒng)檢測結果滿足國標要求，且與真實值誤差約為1.2%，具有很高的精確度，整個檢測過程為自動化的一鍵測量，大大的提高了檢測效率，節(jié)省了大量的人力物力，可為汽車零部件生產商或相關科研機構在后視鏡研發(fā)生產時曲率半徑檢測做精確的參考.

[1]黃珍.汽車防炫目后視鏡的主控方法研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學,2012.

[2]王衛(wèi)華.汽車大視野后視鏡的理論建模與應用技術研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[3]秦旭初.基于PIC的汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)的設計與實現[D].長春：吉林大學,2015.

[4]中國汽車工業(yè)協(xié)會.機動車輛后視鏡的性能和安裝要求：GB15084-2006[S].北京:標準出版社,2016.

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Design of the New Detection System for the Curvature Radius of Automobile Rearview Mirror Based on LabVIEW

JI Xin1,2)MAO Chongchong1,2)ZHONG Shaohua1,2)TONG Xin1,2)LI Lili1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

A new detection system based on LabVIEW programming control for measuring the curvature radius of automobile rearview mirror is designed to solve the problem that the traditional measuring apparatus would cause large errors. In addition, a new method, namely 9 points measuring method, is proposed to measure the curvature radius of automobile rearview mirror, which is more precise that the measuring method prescribed by GB15084. In order to ensure the high precision and integrity of data acquisition, the laser sensor and displacement sensor are used together by this method. In addition, this measuring method adopts moving average filtering method to perform filtering smoothing of the collected data. By using the least square method, the filtered data are fitted with a circle curve and the curvature radius of the curve can be obtained. Finally, the curvature radius of rearview mirror can be obtained by calculating the average radius value for many times. The experimental results show that this method has little measurement error and can be able to detect curvature radius of rearview mirror automatically, which is intelligent and improves the detection efficiency.

curvature radius of automobile rearview mirror; 9 points measuring method; moving average filtering method; least square method

2016-05-26

U463.85

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.032

季鑫(1993- )：男，碩士生，主要研究領域為汽車動力學、汽車制動系統(tǒng)及電子駐車制動

*湖北省校企科研合作基金項目資助(611307931)