劉淵博，何耀華

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

激光測距技術具有抗干擾能力強、測量精度高、作用距離長等優(yōu)點，是一種非接觸測量方法，具有廣闊的應用空間，可應用于下線車輛跑偏量的檢測[1-3]。鑒于虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有測量精度高、可重復性、測量速度快、由用戶自定義儀器功能等特點[4]，在此提出一套基于虛擬儀器技術的激光測距系統(tǒng)，應用于下線車輛跑偏量檢測，可以實現(xiàn)對目標車輛距離的高精度測量，并具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結果顯示、報表生成及打印等功能。

1 激光測距原理

激光測距的基本原理為半導體激光器對被測目標發(fā)射一個激光信號，并接收該信號的反射波，測定該激光信號的往返時間，從而計算出被測目標的距離L[5]：

式中：L為被測目標的距離，m；c為光波在空氣中的傳播速度，m/s；Δt為激光信號的往返時間，s。

激光測距儀是基于激光測距原理的非接觸測量儀器，根據(jù)測量往返時間Δt的方法不同，主要有2種類型：

（1）脈沖式激光測距儀。其直接測定儀器所發(fā)射的脈沖信號在被測距離上的往返時間Δt，進而根據(jù)式（1）計算出被測距離。

（2）相位式激光測距儀?，F(xiàn)代高精度測距大多采用相位法激光測距，其原理[6]是對發(fā)射的激光進行光強調(diào)制，通過測定激光在被測距離上往返傳播時調(diào)制信號的相位變化量，間接地測定激光的往返時間Δt，然后計算出被測距離L

式中：f為調(diào)制信號頻率，Hz；φ為調(diào)制光波的相位變化量，rad。

2 激光測距系統(tǒng)的總體設計

激光測距系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。當有不透明物體（如目標車輛）阻斷對射式光電開關的信號傳遞時，激光測距儀被觸發(fā)進入測距工作狀態(tài)，激光測距儀將被測信號（即待測距離L）轉(zhuǎn)換為電流型模擬信號輸出。數(shù)據(jù)采集卡中通過多路模擬開關、A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)緩存等部件，將電流型模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機能識別的數(shù)字信號，并通過光纖傳遞方式傳至主控室計算機。計算機通過LabVIEW編寫的應用程序調(diào)用設備驅(qū)動程序NI-DAQmx對數(shù)據(jù)采集卡進行控制、讀取并處理所采集到的電流數(shù)據(jù)，通過虛擬儀器前面板顯示測量結果。

圖1 激光測距系統(tǒng)的總體設計Fig.1 Overall design of laser ranging system

3 系統(tǒng)硬件組成

該激光測距系統(tǒng)的硬件主要由激光測距儀、數(shù)據(jù)采集卡、采集卡機箱、光纖收發(fā)器、光電開關、開關電源模塊、溫控器及半導體制冷器等組成，將它們集成在一個數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)，可用于室外工作。數(shù)據(jù)采集箱將采集到的電流數(shù)據(jù)通過光纖傳遞方式傳至主控室計算機，進行數(shù)據(jù)處理和分析。組裝后的數(shù)據(jù)采集箱如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集箱Fig.2 Data acquisition box

3.1 激光測距儀

本系統(tǒng)選用德國SICK公司的DT50系列激光測距儀，設定激光測距儀的模擬量輸出類型為電流型輸出，且與距離值正相關。

3.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡在整個系統(tǒng)中起著PC與外部通信的橋梁作用[7]。由于USB總線技術具有高傳輸速率和即插即用的特性，本系統(tǒng)選用美國NI公司的基于USB總線技術的C系列NI 9203數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡具有16位8通道的模擬輸入，每通道最大采樣速率可達200 kS/s，與NI cDAQ-9184機箱配合使用。

4 系統(tǒng)軟件設計

本套系統(tǒng)的設計主要基于LabVIEW軟件虛擬儀器開發(fā)平臺。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一款產(chǎn)品，使用G語言編程，帶有一個可完成任何編程任務的龐大的函數(shù)庫，具有數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能[8]。將LabVIEW與數(shù)據(jù)采集設備進行配合使用，可設計出能由用戶自定義儀器功能的虛擬儀器，擺脫了傳統(tǒng)儀器的功能限制，為系統(tǒng)的開發(fā)提供極大便捷[9]。

本套系統(tǒng)軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、測量模型標定模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3部分。所設計的虛擬儀器前面板如圖3所示。

圖3 虛擬儀器前面板Fig.3 Front panel of virtual instrument

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在LabVIEW軟件中，用戶可以直接根據(jù)需要調(diào)用DAQmx數(shù)據(jù)采集函數(shù)進行編程，對數(shù)據(jù)采集卡進行控制、讀取并處理所采集到的電流數(shù)據(jù)，大大提高了編程效率。數(shù)據(jù)采集程序如圖4所示，可實時穩(wěn)定地采集到激光測距儀工作時對應的輸出電流。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序Fig.4 Data acquisition program

4.2 測量模型標定模塊

由于設定了激光測距儀的模擬量輸出類型為電流型輸出，且與距離值正相關，故可假設激光測距儀的測量模型為S=aI+b（a，b為待定參數(shù)）?？刹捎没谧钚《朔ǖ木€性擬合對激光測距儀的測量模型進行標定，即設：

式中：ε1，ε2，…，εN分別為其他隨機因素對測量結果的影響。一般假設它們是一組相互獨立且服從同一正態(tài)分布的隨機變量[10]。設a1，b1分別為參數(shù)a，b的最小二乘估計，則測量模型的一元線性擬合方程為

殘差μi為實測值Si與相應擬合值S?的差，即

根據(jù)上述算法，對激光測距儀的測量模型進行標定。通過改變激光測距儀與被測目標之間的距離，標定出數(shù)據(jù)采集卡采集到的電流信號與實際測量距離間的對應關系。在200～30000 mm有效測試范圍內(nèi)，每隔600 mm測量1個距離值對應的電流信號，每個位置測量5次，以這5次測量結果的平均值作為該位置的電流數(shù)據(jù)值。由圖4所示數(shù)據(jù)采集程序得到Ii，根據(jù)激光測距儀自帶LED顯示屏上的讀數(shù)獲到Si，共獲到50組（Ii，Si）值，進行最小二乘法線性擬合，得到的擬合曲線如圖5所示。

圖5 線性擬合曲線Fig.5 Curve of linear fitting

參數(shù)a，b的最小二乘估計的矩陣解M為

從而得到該激光測距儀測量距離的數(shù)學模型為

式中：S為被測距離，mm；I為激光測距儀的輸出電流，mA。

4.3 數(shù)據(jù)處理模塊

通過數(shù)據(jù)采集卡采集到激光測距儀輸出的電流型模擬信號后，將其送入主控室計算機應用程序進行電流數(shù)據(jù)的計算處理，從而得到被測距離。本系統(tǒng)設定采集卡的采樣率為1000 Hz，圖6為數(shù)據(jù)處理子程序，對采集到的電流數(shù)據(jù)處理計算。

圖6 數(shù)據(jù)處理子程序Fig.6 Sub-program of data processing

5 試驗結果與分析

系統(tǒng)構建完成以后，需驗證系統(tǒng)是否能夠正常工作以及性能的優(yōu)劣。

5.1 靜態(tài)測量試驗

將被測目標靜止于激光測距儀的激光發(fā)射方向上，使被測目標距激光測距儀4000 mm（可根據(jù)激光測距儀LED顯示屏上的讀數(shù)確定），運行數(shù)據(jù)采集和處理程序，得到的測量結果如圖7所示（為顯示清晰，圖中任意選取50個電流數(shù)據(jù)點）。

圖7 靜態(tài)測量結果Fig.7 Result of static measurement

改變被測目標與激光測距儀之間的距離，反復測量若干次，部分所得測量結果如表1所示。由表可知，系統(tǒng)靜態(tài)測量時，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理程序得到的被測距離值的誤差在-1～1 mm之內(nèi)。

表1 靜態(tài)測量結果Tab.1 Result of static measurement

5.2 動態(tài)測量試驗

5.2.1 被測目標沿激光方向遠離激光測距儀運動

以新下線車輛為被測目標，駕駛車輛沿著激光測距儀的激光發(fā)射方向遠離其運動，并盡量使車輛中心線和激光束重合，在距離激光測距儀10 m和25 m處分別做標記。車輛到達10 m標記點處附近時開始保持以50 km/h的速度勻速行駛，到達25 m標記點處附近時開始減速，最終得到采集的電流曲線，取其中間近似線性的部分——結果Ⅰ如圖8所示。

圖8 動態(tài)測量結果ⅠFig.8 ResultⅠ of dynamic measurement

圖8所示近似線性的電流曲線對應的是車輛勻速行駛時的狀態(tài)，電流曲線上起點對應的電流約為10.34 mA，終點對應的電流約為16.24 mA，故此段電流曲線對應的車輛行駛范圍為距離激光測距儀12～23 m，該段時間共采集到約792個電流數(shù)據(jù)。將其中前10個電流數(shù)據(jù)點的顯示局部放大，如圖9所示，可見采集到的電流數(shù)據(jù)并非完全線性，這是由于車輛行駛過程中有輕微波動以及采集卡固有特性所致。

圖9 結果Ⅰ的局部放大曲線Fig.9 Local amplification curve of resultⅠ

動態(tài)測量結果Ⅰ共采集到792個電流數(shù)據(jù)，即經(jīng)過該試驗得到792組（Ii，Si）值。試驗所得數(shù)據(jù)與靜態(tài)標定所得激光測距儀測量模型之間的直線擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2為

可得R2=0.9946

說明系統(tǒng)動態(tài)測量時有較高的測試精度和可重復性。

5.2.2 被測目標沿與激光方向垂直的方向運動

以新下線車輛為被測目標，駕駛車輛沿著與激光測距儀的激光發(fā)射方向相垂直的方向以某一速度行駛，得到的電流曲線（提取中間較為穩(wěn)定的50個電流數(shù)據(jù)）如圖10所示。

圖10 動態(tài)測量結果ⅡFig.10 ResultⅡ of dynamic measurement

由圖可見，車輛沿著與激光發(fā)射方向相垂直的方向駛過時，車身的中間部分比較平整，采集到的電流數(shù)據(jù)波動也比較小，采集到的電流平均值為5.60023 mA，被測車輛駛過時距離激光測距儀3180.43 mm。

6 實際應用

該激光測距系統(tǒng)在室外工作的數(shù)據(jù)采集箱如圖11所示。在跑道兩側(cè)分別布置2對該數(shù)據(jù)采集箱，即可用于新下線車輛跑偏量自動檢測。

圖11 數(shù)據(jù)采集箱Fig.11 Data acquisition box

如圖12所示，2組數(shù)據(jù)采集箱間隔一定距離分置于跑道兩側(cè)，形成 2組測點，即 A（1）和 A（2），B（1）和B（2）。以道路中心線為x軸建立坐標系yOx，由于數(shù)據(jù)采集箱在實際安裝過程中，很難保證其相對位置準確無誤，所以需對2組測點分別進行靜態(tài)標定，測量出各測點距道路中心線（即x軸）的實際距離，其分別為L1，L2，L3，L4。當被測車輛依次通過2組測點時，系統(tǒng)會自動測量得到2組距離值，即S1，S2，S3，S4。

圖12 跑偏檢測原理Fig.12 Principle of wandering test

以被測車輛中心線，作為計算被測車輛在y軸上坐標的基準，則被測車輛通過2組測點時，其在y軸上的坐標分別為

利用上述算法，在某汽車廠搭建好基于激光測距儀的車輛跑偏自動檢測系統(tǒng)，記為“系統(tǒng)1”，對新下線車輛進行測試。同時，使用該汽車廠已投入使用多年并得到較高評價的，基于CCD相機的車輛跑偏檢測系統(tǒng)[11-12]，記為“系統(tǒng)2”，對同一被測車輛進行測試，測試結果的對比如表2所示（僅列舉10組數(shù)據(jù)）。

由表可知，將激光測距系統(tǒng)（系統(tǒng)1）應用于車輛跑偏檢測中，測量結果與已有的基于CCD相機的車輛跑偏檢測系統(tǒng)（系統(tǒng)2）相比，誤差＜1.5 cm，而且成本較低，穩(wěn)定性好，設備安裝、調(diào)試也更方便。

7 結語

借助于虛擬儀器的諸多優(yōu)點，完成了基于虛擬儀器技術激光測距系統(tǒng)的搭建，實現(xiàn)了對被測距離的高精度自動測量。利用基于最小二乘法的線性擬合對激光測距儀的測量模型進行了靜態(tài)標定，并通過計算動態(tài)測量所得數(shù)據(jù)與測量模型之間的擬合優(yōu)度判定系數(shù)，說明該系統(tǒng)具有較高的測量精度和可重復性。經(jīng)過實際應用，與基于CCD相機的車輛跑偏檢測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)誤差＜1.5 cm，且穩(wěn)定性更好，響應更快，開發(fā)和維護成本較低，設備安裝、調(diào)試也更方便。

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