李奎 何耀華

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

1 前言

維持直線行駛是汽車行駛穩(wěn)定性的重要評價指標(biāo)之一，也是汽車安全性的一項基本要求[1]。為避免因跑偏而引發(fā)危險的交通事故[2]，國際上絕大多數(shù)汽車制造公司對總裝下線的汽車均要進行行駛跑偏項目的檢測。方便、快捷，且能滿足汽車生產(chǎn)節(jié)拍要求的跑偏檢測設(shè)備與技術(shù)近幾年才開始研究[3-6]，因此，汽車行駛跑偏檢測在國際國內(nèi)至今仍大多采用人工主觀判斷的方法，只有少數(shù)幾家企業(yè)采用了基于CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏自動測試系統(tǒng)。人工主觀評價的突出缺點是測試結(jié)果受人為因素的影響大，評價的準(zhǔn)確性較差；CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)檢測中的應(yīng)用，徹底改寫了汽車行駛跑偏檢測的歷史，實現(xiàn)了汽車行駛跑偏的儀器檢測、客觀評價。

基于CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏自動測試系統(tǒng)具有測試精度高、效率高、自動化程度高、使用方便等突出優(yōu)點，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)標(biāo)定繁瑣[7-8]、維修略顯不便等缺點。為此，本文在CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)了基于激光測距的第二代汽車行駛跑偏自動測試系統(tǒng)。

2 激光測距跑偏測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

跑偏測試作為汽車生產(chǎn)檢測的一個環(huán)節(jié)，必須滿足如下要求：流水作業(yè)，實現(xiàn)被試車輛的連續(xù)測試；測試效率高，與汽車生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)一致；實時反饋測試結(jié)果，便于被試車輛分流。

基于上述要求，基于激光測距的汽車行駛跑偏自動測試系統(tǒng)的硬件主要由測試信息獲取、控制與數(shù)據(jù)處理和無線通訊3個子系統(tǒng)組成，如圖1所示。測試信息獲取子系統(tǒng)中，對射式光電開關(guān)檢測被試車輛位置，控制激光測距傳感器適時開啟測試。控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)控制跑偏測試系統(tǒng)按設(shè)定的流程自動運行、處理測試信息、計算測試結(jié)果、進行OK/NG判定。試車員可通過手持無線終端與系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互，如發(fā)送車輛VIN、請求測試、接收測試結(jié)果等。

圖1 跑偏測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

汽車行駛跑偏的測試流程如圖2所示。試車員上車前，利用手持無線終端掃入并存儲被試車輛VIN，待被試車輛進入設(shè)定的信號發(fā)送區(qū)時，發(fā)送VIN，以便測試系統(tǒng)識別該車輛，同時發(fā)出測試請求。試車員根據(jù)地面引導(dǎo)線將被試車輛調(diào)整到直行方向和規(guī)定的車速，并保持這一車速通過測試區(qū)。通過測試區(qū)期間，不得對轉(zhuǎn)向盤施加任何力或力矩。設(shè)置在測試區(qū)起點和終點的激光測距傳感器在測控主機的控制下，由對射式光電開關(guān)觸發(fā)自動完成相關(guān)測試，計算各跑偏參數(shù)，并將測試結(jié)果通過手持無線終端及時反饋給試車員，實現(xiàn)被試車輛分流。

圖2 單次跑偏測試流程

3 跑偏測試數(shù)據(jù)的分析處理

將跑偏測試路段劃分為測試準(zhǔn)備區(qū)和測試區(qū)。測試準(zhǔn)備區(qū)用于修正被試車輛行駛方向，并將車速調(diào)整到規(guī)定數(shù)值。在測試區(qū)的起點、終點分別安裝激光測距傳感器。

建立如圖3所示的直角坐標(biāo)系OXY，其中Y軸與道路中心線平行，車輛行進方向為正。在時刻t1，被試車輛經(jīng)過位置點P1，由激光測距傳感器1獲得其坐標(biāo)（X1，Y1），行駛方向與Y軸正方向的夾角即駛?cè)虢莙0（順時針為正，反之為負(fù)）；在時刻t2，被試車輛經(jīng)過位置點P3，由激光測距傳感器3獲得其坐標(biāo)（X3，Y3）。連接點P1、P3，直線P1P3與Y軸正方向的夾角為q1。被試車輛的跑偏量s（右偏為正，左偏為負(fù)）、通過測試區(qū)的平均車速vˉ、跑偏角q（右偏為正，左偏為負(fù)）等參數(shù)可利用式（1）～式（3）計算得到。

圖3 汽車行駛跑偏測試參數(shù)計算

因測試區(qū)的長度為定值L，即Y3-Y1=L已知，故只需測量被試車輛駛?cè)?、駛出測試區(qū)時沿X軸的相對坐標(biāo)（X3-X1）和駛?cè)虢莙0，即可對各跑偏參數(shù)進行計算。

4 測試精度影響因素分析

通過對基于激光測距的汽車行駛跑偏自動測試系統(tǒng)及試車測試數(shù)據(jù)的深入分析發(fā)現(xiàn)，影響測試精度的因素主要是駛?cè)虢呛蛙嚿砩系臏y定點狀態(tài)。

4.1 駛?cè)虢?/h3>

要想獲得準(zhǔn)確的汽車行駛跑偏測試結(jié)果，首先必須要有準(zhǔn)確的測試基準(zhǔn)，被試車輛通過測試區(qū)起點處時必須處于直行狀態(tài)，即駛?cè)虢菫榱悖ū辉囓囕v的縱軸線與測試路段的中心線平行）。然而，人工操作不可避免地存在誤差，駛?cè)虢峭ǔ２豢赡転榱鉡9]，如此便帶入了基準(zhǔn)誤差。消除此基準(zhǔn)誤差最有效的方法是，準(zhǔn)確測量駛?cè)虢?，從測試結(jié)果中剔除駛?cè)虢撬鶐淼恼`差。

駛?cè)虢堑臏y量如圖4所示。在測試區(qū)內(nèi)與測點1相距L1處增加測點2，被試車輛通過測點1和測點2時，設(shè)置在測點1和測點2道路兩側(cè)的激光測距傳感器分別測出被試車輛在測點1和測點2處的X坐標(biāo)X1和X2，利用式（4）可計算出駛?cè)虢莙0。在保證能夠提取到有效車身表面數(shù)據(jù)的前提下，L1的值越大，駛?cè)虢莙0的計算越精確。

圖4 駛?cè)虢堑臏y量

4.2 測試數(shù)據(jù)提取

激光測距傳感器測得的數(shù)據(jù)中有時會存在異常數(shù)據(jù)，如測定點落在車輛門縫中、透明燈罩上等，如此便會帶來巨大的測試誤差。為避免這類情況的發(fā)生，需對傳感器測得的數(shù)據(jù)進行篩選。

在選定的工作模式下，激光測距傳感器的電流輸出特性如圖5所示。當(dāng)所測距離在其量程之外，輸出電流為相應(yīng)的定值；當(dāng)所測距離在其量程內(nèi)，其輸出電流與距離成正比。盡管不同汽車制造公司有關(guān)汽車行駛跑偏的許用值各不相同，但其許用值大多不超過0.6m/50m[10]。為確保所研發(fā)的汽車行駛跑偏自動測試系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確測試跑偏合格的汽車產(chǎn)品，也能測試跑偏嚴(yán)重超標(biāo)的汽車產(chǎn)品，將跑偏量的測試上限定為2.0m。為防止激光測距傳感器自身的電流波動對測試結(jié)果造成影響，以0.2m作為安全裕量。由式（5）、式（6）可計算出激光測距傳感器的量程（可根據(jù)需要進行設(shè)置）。若測試數(shù)據(jù)不在此量程范圍內(nèi)，顯然是誤差特別巨大的異常數(shù)據(jù)，在此稱為第一類異常數(shù)據(jù)，予以剔除。

式中，Dmax、Dmin分別為激光測距傳感器量程的上、下限；Br為測試區(qū)寬度；Bmax為被試車輛寬度的最大值；d為激光測距傳感器到測試區(qū)邊界的距離。

圖5 激光測距傳感器的電流輸出特性

除第一類異常數(shù)據(jù)外，還會出現(xiàn)誤差較第一類異常數(shù)據(jù)小的異常數(shù)據(jù)，如前面所述測定點落在車輛門縫或透明燈罩上所測得的數(shù)據(jù)，在此稱為第二類異常數(shù)據(jù)。利用數(shù)理統(tǒng)計原理對此類數(shù)據(jù)進行處理[11]，即：計算激光測距傳感器依次測得被試車輛通過3個測點處車身不同部位的X坐標(biāo)（Xj1，Xj2，Xj3，…，Xjn;j=1，2，3），分別按照式（7）～式（9）計算其算術(shù)平均值`Xj、殘差DXji、標(biāo)準(zhǔn)差sXj。殘差大于3s者即為第二類異常數(shù)據(jù)，予以剔除，重新計算直至剩余測試數(shù)據(jù)的殘差均小于3s。

5 試驗驗證與壓力測試

5.1 試驗測試

為考察基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，利用相關(guān)硬件搭建試驗臺架，以外形規(guī)則的矩形塊替代被試車輛，設(shè)定已知的駛?cè)虢呛团芷?，依次遮擋相?yīng)的光電開關(guān)觸發(fā)測試。10次重復(fù)測試的結(jié)果見表1。

表1 臺架試驗重復(fù)測量結(jié)果 cm

由表1可知，系統(tǒng)的測試誤差均小于0.5cm，達到測試誤差需在2cm以內(nèi)的測試要求。且測試誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.26cm，表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

5.2 系統(tǒng)標(biāo)定

搭建如圖6所示的跑偏測試系統(tǒng)，為簡化數(shù)據(jù)運算，本系統(tǒng)分別將第1對激光測距傳感器的連線在路面上的投影、路面中心線定義為測試測點處的X軸和Y軸。由于存在安裝誤差，各激光測距傳感器與路面中心線所在豎直平面（基準(zhǔn)平面）的距離并不相等，且其值直接關(guān)系到跑偏量的計算，因此可采用如圖7所示的標(biāo)定裝置對系統(tǒng)進行標(biāo)定。其具體方法是，通過將多塊標(biāo)定板固定于同一平面上，由式（10）、式（11）計算出各激光測距傳感器至基準(zhǔn)平面中心的距離LjL、LjR（j=1，2，3，設(shè)置在測試區(qū)上3個測點的編號）。標(biāo)定的結(jié)果見表2。

式中，LjL、LjR分別為設(shè)置在測試區(qū)3個測點處左、右側(cè)激光測距傳感器至基準(zhǔn)平面的距離分別為設(shè)置在測試區(qū)3個測點處左、右側(cè)激光測距傳感器的讀數(shù)；Bb為標(biāo)定板的厚度。

圖7 跑偏測試系統(tǒng)標(biāo)定裝置

表2 臺架試驗重復(fù)測量結(jié)果 mm

5.3 實車試驗

汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)作為生產(chǎn)線檢測設(shè)備，需長時間連續(xù)工作，有必要對其進行壓力測試。10輛不同款型的待測車輛，以檢測線正常的生產(chǎn)節(jié)拍（1min），按照檢測流程循環(huán)進行跑偏測試2小時，其中10次的測試結(jié)果見表3。

表3 實車測試結(jié)果

由表3可知，被試車輛按照特定指示車速勻速行駛進行測試，系統(tǒng)檢測到的測試車速較為準(zhǔn)確[12]。在整個測試過程中，系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定。待測車輛在指定地點發(fā)出測試請求，以規(guī)定車速通過測試區(qū)，駛離第3對激光測距傳感器2～3s即可順利接收到測試結(jié)果，無需進行任何減速或者等待。

6 結(jié)束語

本文以汽車生產(chǎn)檢測線的檢測要求為前提，開發(fā)了基于激光測距的汽車行駛跑偏自動測試系統(tǒng)，并設(shè)計出相應(yīng)的標(biāo)定裝置。為提升系統(tǒng)測試精度，探索出采用1組對射式光電開關(guān)同時控制2對激光測距傳感器的駛?cè)虢菧y量方式，并采用3σ準(zhǔn)則對異常測試數(shù)據(jù)進行剔除。試驗測試和實車壓力測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)測量精度滿足檢測要求，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，操作簡便，響應(yīng)快速，能與檢測線生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)一致。

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