一种新型激光四轮定位的智能检测系统

时间：2024-05-04

程旭，程景胜，姜晓军

（广东省特种设备检测研究院，广东广州，510630）

0 引言

目前汽车保有量不断增多，人们对汽车安全行驶性能也有了更高的要求，随着汽车行驶里程不断增加后，由于各种原因使各零件有所磨损变形，以致于改变了原厂的设计位置，从而降低了汽车的行驶性能。所以现在人们越来越重视四轮定位，是由于它可以让车辆的技术指标调节到原厂规定范围，使汽车行驶的安全性得到了保证[1]。但是目前车辆维修保养行业管理水平有限，车辆维保从业人员的技术水平参差不齐，往往不能准确的进行四轮定位检测调整并维护。定位参数的调整不当会导致车辆操纵性能下降、轮胎磨损加剧等问题。这些情况都会导致汽车驾驶性能的降低，同时还会有增加汽车油耗、加剧轮胎损耗、加快车况老化等问题[2]。影响定位检测结果不确定度的因素有：人为、环境、仪器、样本四个主要因素。（1）人为因素对定位检测结果不确定度的影响最大，操作人员的操作规范性直接影响检测不确定度。（2）环境温度的变化对四轮定位仪的检测不确定度几乎没有影响，CCD式四轮定位仪在不同外界温度情况下的性能稳定。（3）使用不同类型仪器的检测结果差别较大，CCD式四轮定位仪检测结果的不确定度要大于三维图像式四轮定位仪。（4）不同检测样本车辆对检测不确定度几乎没有影响[3]。场（厂）内机动车分布在各个不同地方，这就要求检测设备必须方便携带[4-6]。

本文提出一种激光四轮定位智能检测方法，能很好的降低人为因素的影响而提高四轮定位的准确性，为后面的车辆维修保养提高保障。

1 测量方法

四轮定位工具在发展之初由简单的机械装置组成，其中包括：前束角度检测杆、以及倾角标定装置。随着汽车精密程度的提升，其测量能力远远达不到现代汽车定位检测的要求。电子技术的快速更新也带来了定位检测调整技术的突破，车辆定位调整技术已经改进为利用先进的光电技术对底盘悬架参数进行检测，检测结果即全面又准确的而且检测过程不繁琐[3]。目前我国使用的四轮定位仪的品种主要有两种:CCD 式和三维图像式四轮定位仪。

四轮定位仪是一个复杂的系统，其性能的决定因素有很多，主要集中在传感器和处理系统两个方面。CCD 式传感器性能有限，其对四轮定位设备控制信号的传输处理反应能力、传感器运行的可靠性、检测值稳定性等方面提高的制约瓶颈也正在逐步显现。

本文设计的测量方法采用激光传感器与CCD组合方式：3个线阵传感器A、B和C，其中A和B组成上、下一组，A和C组成前、后一组。该传感器组合安装到前轮。后轮采用一个配备单线镜头的激光发射头，射出一条激光竖直线，经分光器后，照射到前轮的3个传感器上。传感器A、B采集到的像素位置差，可以计算前轮当前的外倾角度；传感器A、C上的位置差，可以计算出前轮当前的转向角度。假如此时方向处于完全回正的状态，则这两个角度可视为前轮外倾角和前轮前束角（方向未回正的情况需要最后进行推算）。同时，可根据这两个角度推算出当前前轮的平面。

如图1所示，蓝色为传感器A、B和C，内部的黑色线是传感器的感光位置。红色线为经分光器后打到传感器上的光束，在传感器上的照射点分别为SA、SB和SC。以传感器的照射点SA为基准，可知在传感器B和C上的等距位置应为SB'和SC'。通过SB和SB'的距离，可以计算出车轮竖直偏转角度，通过SC与SC'的距离可计算出车轮水平偏转角度，进而得出车轮所处的面。将前轮偏转一定方向后，用同样的原理再次测量前轮的平面，则可通过两次测量平面的交线计算出主销后倾角和内倾角。由于传感器的像素间距很小，所以三个传感器不需很大的安装间距，即可获得比较高的角度测量计算精度。为去除生产装配间隙带来的误差，该方案使用中可定时进行校准。为兼容不同的前后轮距宽度，后轮的激光照射设备可考虑安装滑轨及电机，控制激光照射点沿轮轴内、外滑动。

图1 测量方法

图2 测量系统

2 测量系统

基于该测量方法的测量系统框图如图2所示。

该测量系统主要由激光源、分光器、CCD传感器、单片机主板和手持显示终端五个部分组成。其具体工作流程为后轮安装的激光头发射出激光束照射到测量装置的分光器上，激光束经分光器后产生一个面的激光束，照射到3条CCD传感器上，CCD传感器产生相应的电压信号，由单片机ADC采用DMA方式进行采集，经单片机运算处理后获得角度信息，单片机再将运算过后的角度信息通过无线通讯模块传输到手持显示终端上。

该测量系统的CCD传感器选择的是东芝公司生产的TCD1209DG，TCD1209DG是一种高速，低暗电流的CCD图像传感器。该传感器共拥有2048个像元，其单个像元大小为14um×14um。假设两条CCD安装间距为10cm，由夹角分辨率可以高于0.01度，其分辨率完全可以满足对车轮倾角的检测。

该测量系统的单片机选用的是STM32F407VET6，该芯片为LQFP100封装，具备强大的性能，拥有192KB容量RAM和1MB容量Flash，168MHz的主频。丰富的内部资源，ADC，DMA，IIC，SPI,CAN等，能够满足该测量系统的数据采集和运算的需求。由于该测量系统需要同时采集3个CCD传感器的电压数据信号，因此对采集的实时性和速度需求较高，如果采用单通道扫描的方式一个通道一个通道地进行采集的话，容易发生角度微小偏移后采集到偏移后的数据。因此，使用DMA的方式进行ADC多通道循环采样，极大地提升了采样速度，提升了采样数据的一致性，增加了测量的精度。

单片机主板与手持显示终端之间通过无线通信模块进行数据传输。该无线通信模块选择E28-2G4T12S模块。该模块是基于SEMTECH公司的SX1280射频芯片的无线串口模块，与单片机之间采用串口(UART)进行通讯，使用透明传输方式，其硬件原理图如图3所示。

该测量系统中通过单片机发送指令将其通信方式配置为定点发射方式，其最大通讯距离可达3公里，当发送端设定的目标地址与接收端设定的地址信道一致时，才能成功通信，保证了通信的正确率与私密性，其工作模式如图4所示。

图3 LORA硬件原理图

图4 通信方式

该测量系统的手持显示终端选用的是迪文科技的9英寸串口触摸屏，该串口屏拥有专用的UI设计软件，可以方便快速地设计人机交互界面。单片机通过LORA模块与其进行无线通讯，其底层还是通过串口进行数据交互。