基于激光测距的车辆行驶跑偏二维参数的测量方法

　　摘要：基于激光测距的车辆行驶跑偏二维参数的测量方法, 研究了其测试原理和总体结构方案, 分析了影响测试误差的可能因素, 探讨了减小测试误差的方法.基于汽车下线在线检测的实际需要进行了系统硬件和软件的设计, 开发了一套基于二维参数的汽车行驶跑偏在线自动测试系统.通过对测试方法的改进及对测试数据的分层处理来减小测试误差, 对测试点的逻辑控制来满足工业测试现场对跑偏测试系统的高精度、高强度、高效率和多任务测试的需求.结果表明:该系统实现了利用非接触式测量方式自动、精确、快速地测量汽车行驶跑偏量, 系统测试误差小于2 cm, 能满足汽车制造企业对下线车辆行驶跑偏检测的要求.

　　关键词：汽车; 跑偏; 激光测距; 二维参数; 在线检测;

　　Abstract：The two-dimensional measuring method of vehicle driving wandering was proposed based on the laser ranging, and the testing principle and the general structure scheme were investigated. The possible influencing factors on testing error were analyzed, and the method for reducing testing error was discussed. Based on the actual need of online testing of offline vehicles, the system hardware and software were designed, and the online automatic testing system was developed. The test error was reduced by the improved test method and the hierarchical processing of test data, and the logical control of test points to the system was used to meet the demand of industrial test site with high precision, high strength, high efficiency and multi-task test. The results show that the system with non-contact measurement method can realize automatic, accurate and rapid measurement of vehicle driving wandering. The test error of the system is less than 2 cm, which can meet the requirements of automobile manufacturer's wandering detection.

　　Keyword：automobile; driving wandering; laser ranging; two-dimensional parameter; online testing;

　　维持汽车直线行驶是现代汽车的基本要求, 也是行车安全的重要保证.然而, 车辆在生产制造和装配调整过程中不可避免地存在一定误差, 因此从生产线下来的汽车总会有少部分存在行驶跑偏问题[1-4].目前, 国内的部分汽车制造厂商已经使用基于数字图像的车辆行驶跑偏在线测量系统[3-4]来检验下线车辆的跑偏量, 其特点是设备结构比较复杂, 安装、调试、标定、维护比较困难, 成本也较高.因此, 笔者基于激光测距的车辆行驶跑偏二维参数的测量方法, 研究其测试原理和总体结构方案, 分析影响测试误差的可能因素, 探讨减小测试误差的方法.

　　1 、系统测试区硬件组成及布局

　　系统测试区的组成及布局如图1所示, 测试区硬件主要包括设置在跑道左右两侧3个测点上的6个测试单元、3套对射式光电开关、3个AP (无线信号接入点) 等组成.

图1 测试区硬件布局图

　　2、二维参数测试原理及算法

　　2.1、测试二维坐标系的建立

　　系统初始安装时, 要对每组测点进行激光测距仪位置校准, 使得每组测点的激光测距仪射出的激光在空间上能完全重合 (为了保证测试数据的一致性及准确性) .当激光测距仪位置固定后, 找出测试道路的中心线并以此为基准建立y坐标轴, 以测点1 (即第1组测点) 的2个激光测距仪发出的激光束向路面投影得到的线段为基准建立x坐标轴, 与道路中心线的交点为坐标原点建立二维测试坐标系[5].由于在实际工程应用及设备初始安装过程中很难保证各部件之间的相对位置完全正确, 所以初始安装完成后要对设备进行标定, 测量出每组测点准确的坐标.测试原理如图2所示, 记测点1.1 (第1组测点中靠近道路左侧的测点) 坐标为 (-L1, 0) , 测点1.2 (第1组测点中靠近道路右侧的测点) 坐标为 (L2, 0) ;测点2.1坐标为 (-L3, D1) , 测点2.2坐标为 (L4, D1) ;测点3.1坐标为 (-L5, D1+D2) ;测点3.2坐标为 (L6, D1+D2) .

图2 测试原理图

　　2.2、测试原理及算法

　　建立二维测试坐标系后, 当测试车辆依次通过各测点时, 可以得到3组 (共6个) 距离值 (该距离值是通过采集卡采集到激光测距仪的电流数据并在程序中计算处理得到的) , 分别为d1, d2, d3, d4, d5, d6.以测试车辆沿y轴方向 (车辆前进方向) 的车身中心线为准, 记其通过各测点时的坐标 (即二维参数坐标) 分别为V1 (La, 0) , V2 (Lb, D1) , V3 (Lc, D1+D2) .由图2可知, 利用各组左右测点的测试数据可得测试车辆驶过各测点时的坐标为

　　在实际测试中, 车辆进入测试区的测点时, 总会与y轴方向有个夹角即驶入角, 记作θ.由D1≈5 m, 跑偏测试区车速限定为50~90 km·h-1, 则测试车辆由测点1驶入测点2所需时间为0.20~0.36 s.由于该时间很小, 可作假设:测试车辆由测点1驶入测点2时, 其x轴上的位移是由该车辆进入测点1时的驶入角所引起的, 而不考虑在这段短时间内车辆跑偏引起其x轴坐标的变化.由图2可得

　　测试车辆进入测点1时的驶入角为

　　易知排除掉驶入角对测试车辆跑偏量的影响, 可得其跑偏量为

　　3、测试精度影响因素及相应补偿方法

　　系统测量精度主要与激光测距仪的测量精度以及数据采集与处理硬/软件的精度有关.需要采取一定的补偿方法来保证测试的精度.

　　3.1、激光测距仪的测量精度分析

　　影响激光测距仪测量精度主要是其内部因素和外部因素.由于内部测量精度是由其自身内部测试单元及其相应结构来保证的, 因此要尽量减少影响其测量精度的外部因素.外部因素主要与被测物表面倾斜角度、被测物表面光泽和粗糙度、被测物表面颜色有关[6].由于下线车辆车身的颜色及表面光泽和粗糙度是固定的, 其对测量精度影响较小, 可以通过试验标定进行误差补偿, 故对这2个影响因素不作具体阐述.

　　在实际测量中被测物表面倾斜程度对测量精度的影响较大.被测物表面倾斜是指在光点处表面的法线方向与入射光的方向不重合, 其夹角称为倾斜角.随着被测物表面倾斜角的不同, 入射光点所产生的散射光空间分布将发生变化, 从而导致接收透镜在单位立体角、单位时间内接收到的光能量发生变化, 这就导致测量值和实际值有一个偏差.这种误差具有如下特点:当位移一定时, 倾斜产生的误差将随倾斜角的增大而增大;当倾斜角一定时, 倾斜产生的误差将随位移的增大而增大[7].因此, 对于激光测距仪的测量精度而言, 主要在于对应测点处的车身测试面倾斜角的大小以及车身测试面位移的大小.

　　3.1.1、驶入角对测试精度的影响

　　在实际跑偏测试中, 测试车辆驶入测点时总会产生一定的驶入角 (受驾驶员操作及车辆自身因素的影响) , 尽管在上述跑偏测试算法中排除了驶入角对跑偏量的影响, 但是由于车辆驶入角越大, 将导致车身测试面的倾斜越厉害即倾斜角越大, 进而使得测量的误差越大[8];对于这一点, 首先可以通过试验标定进行误差补偿, 其次就是要通过减小测试车辆的驶入角来减小测试误差.

　　3.1.2、测试面位移对测试精度的影响

　　由于在实际跑偏测试中测试车辆驶过测点时会存在一定的倾斜角, 而倾斜角一定, 倾斜产生的误差将随位移的增大而增大.测试车辆驶入测点前会触发其前端相应的光电开关, 从而开启激光测距仪进行测量, 测试箱中的电流采集卡便采集此时激光测距仪的电流测试信号并将其传给主机, 经过主机程序计算处理后得到相应的距离值即坐标值.激光测距仪的测量速度即输出率高达3 k Hz, 现将采集卡的采样率设置为1 k Hz.由于车辆在x轴方向上的坐标值误差随着车身测试面位移的增大而增大, 所以理论上选择用作计算坐标值的测试面越小越好 (考虑极端情况就是车身上某一固定点) , 然而测试车辆在测试区的行驶速度为50~90 km·h-1, 若车身长度为4 m, 则汽车通过测点所需的时间 (由于光电开关和激光测距仪的距离很近, 计算时间时可以将其忽略不计) 为0.159~0.288 s, 在这段时间内, 理论上采集到的数据点数为159~288个即对应的距离值点数为159~288个.因此几乎无法读取到车身测试面上某固定点处对应的数据值, 而只能选取测试面某一区域对应的测试数据作为车辆x轴坐标值的计算参考值.现将车身测试面分为3部分 (等距划分) :车头、车身、车尾, 则每一部分对应的数据点数应为53~96个.由于车头和车尾部位流线型较大, 而且当激光射在车灯上时 (激光测距仪的测点与测试路面的垂直距离约为80 cm, 能照到测试车辆前照灯) , 此时激光测距仪无法测量出相应的距离值, 而车身部分比较平整, 区域内测距误差较小, 适合作为车辆的坐标测试区域.若选作坐标计算的数据点数过少, 则有可能会导致测量误差偏大.综上, 选取测试车辆通过测点时采集到的有效数据点中对应于车身区域的前50个点作为车辆坐标计算参考点.

　　3.2、数据采集与处理部分的精度分析

　　系统数据采集与处理部分误差主要在于系统静态标定时的数据误差以及动态测量时的数据误差.

　　3.2.1、系统静态标定的误差分析

　　系统安装完成后, 为了保证测试精度, 首先要测量出在测试区的二维坐标下各测点准确的坐标值 (测点二维参数) , 这是保障测量精度的前提.标定方法如图3所示.

图3 系统标定示意图

　　将2个标定架[9]放置于跑道中心线上且分别位于测点1和测点3两端, 从两端标定架上引出2根钢丝绳 (形成一个大平面) , 将3块标定板通过细线挂在钢丝绳上且分别放置于3个测点处 (在开始标定先对每组测点左右两侧激光测距仪的位置进行校准, 使两侧激光在空间上重合) , 通过激光水平仪调整标定架和标定板的位置, 使标定板所在平面与路面垂直且投影在路面上的线段与道路中心线重合.由于标定板自身厚度为3.0 mm, 所以标定测量时各测点x方向的坐标均应加上1.5 mm.准备就绪后即开始标定各测点的二维参数值 (各测点的y坐标通过手工测量) , 在主机上运行标定程序, 如图4所示.按照标定程序的说明步骤操作程序, 即可得到各测点的标定数据, 同时各激光测距仪的显示屏上也会显示出相应的距离值.标定结果如图4所示, 可知系统静态标定的主机数据 (通过数据采集与处理得到的数据) 的误差在±1 mm以内.

图4 标定程序界面图

　　3.2.2、系统动态测量的误差分析

　　设定激光测距仪的输出为电流型模拟量输出, 且设置为与距离值正相关.激光测距仪的MF (multifunctional) 多功能输入端与光电开关接收端 (光电开关是成对使用的, 由发射端和接收端组成) 的信号输出端相连, 系统测试过程中当光电开关未被触发时激光测距仪处于待机状态, 不进行距离测试, 此时电流模拟量输出值为20.5 m A;当光电开关被触发时, 激光测距仪处于开启状态, 开始距离测试, 此时若测试距离小于激光测距仪设定的测量范围的最小值, 则电流模拟量输出值为3.5 m A;若测试距离大于设定的测量范围的最大值, 则电流模拟量输出值为20.5 m A;若测试距离在设定的测量距离范围内, 则电流模拟量输出值为4.0~20.0 m A, 且为有效电流值.测距仪的测量范围为200~30 000 mm可调, 则距离与电流的关系式为

　　式中:d为距离, mm;I为电流, m A.

　　由式 (7) 可知, 系统动态测量误差主要由各个有效电流 (4.0~20.0 m A范围内的电流值作为有效值) 自身误差ΔI (由电流采集卡及激光测距仪内部电路的误差引起) 以及有效电流数据整体波动较大导致的误差 (由激光测距仪动态测量时的误差引起) 产生.

　　对于单个有效电流数据I的误差ΔI而言, 要使其减小比较困难 (除非更换更高精度的硬件, 但同时成本也将大幅提高) , 所以能做的就是通过数据处理的方法尽量减少距离值d的误差Δd.由于激光测距仪的有效电流模拟量输出范围是4.0~20.0m A固定, 而其对应的测量范围200~30 000 mm可调, 又Δd=1 862.50ΔI, 则在满足系统测量要求的前提下, 尽量将激光测距仪测量范围设置小一些, 测量误差会减小.将激光测距仪的测量范围调整为500~6 000 mm (该测量范围是根据测点二维参数设定的) , 则距离与电流的关系式为

　　此时Δd'=343.75ΔI, 在ΔI一定的情况下, 式 (8) 计算出的Δd'明显比式 (7) 中计算出的Δd要小, 即测量误差更小.

　　选取测试车辆通过测点时采集到的有效电流数据点中对应于车身测试区域的前50个数据点作为车辆坐标计算参考点, 数据提取子程序框图如图5所示.

　　现以测点1.1的激光测距仪的测试数据为依据进行分析, 测试车辆经过该测点时由数据提取程序采集到的有效电流数据如图6所示.共采集到207个数据点, 按照程序中的算法, 提取到的有效数据点即是从第69个数据点到第118个数据点, 从图6可以看出中间段的数据相比两端的数据更稳定.

　　提取到的电流数据如图7所示, 提取到的电流为 (13.65±0.05) m A, 由Δd'=343.75ΔI可知, 此时的距离误差为Δd'=±17.19 mm.此时误差过大不满足测试要求, 应对提取的有效电流进行数据处理.数据处理的子程序框图如图8所示.

图5 数据提取子程序框图

图6 有效电流数据图

图7 提取的电流数据图

图8 数据处理子程序框图

　　数据处理步骤: (1) 求出算术平均值珔d, 计算其残差Δi=di-珔d, i=1, 2, …, n; (2) 求其标准偏差的估计值e; (3) 判别粗大误差, 当|Δi|≥3e时, 则剔除掉对应的电流数据值; (4) 将剩下的有效电流数据取算术平均值作为该测点测量距离值的计算值.经数据处理程序处理后得到的电流数据如图9所示, 与图7相比, 得到的电流数据更加精确.

图9 处理后的电流数据图

　　4、系统测量控制方法

　　4.1、系统测量控制策略

　　系统的测试流程:测试员驾驶测试车辆进入跑偏测试跑道, 当驶入测试信号发射区时按下手持终端上相应的测试信号发送键, 手持终端则通过系统的无线局域网与主机建立连接并向主机发送测试信号[10], 当主机收到测试信号时即开启测点, 测试车辆依次通过3组测点, 主机计算出测试结果并将其发送给手持终端.

　　为了保证多台车辆进行测试时系统不会出现测试响应慢、测试数据混乱、手持终端接收不到测试结果等问题, 提出控制策略: (1) 利用程序里面的队列函数使手持终端发送的测试信号数据以及各测点相应测试数据按照先后顺序入队列和出队列 (先入先出, 后入后出) , 这样就能保证多台车辆测试时程序能快速响应且每台车辆都能正常测试而不会出现测试混乱; (2) 在无线通信程序中为每个手持终端 (各终端的IP地址不同) 按照其相应的IP地址分配不同的数据存储区, 用来存储相应的测试信号以及测试结果等数据.这样就能保证多台车辆正常测试时各手持终端接收到的测试结果不会出现混乱; (3) 当出现网络信号波动 (手持终端发送数据掉包) 时, 可能会出现发送失败的情况, 为了保证这种情况下系统能正常测试, 则通过C#程序来控制手持终端信号发送策略, 即测试员按发送键之后手持终端将以500 ms的间隔时间不断地向主机发送测试信号, 直到发送成功[11].这样就能保证发送失败时车辆在驶入信号发射区后部时也能成功发送测试信号并进行正常的测试.

　　综上所述, 通过相应的控制方法使得系统在各种状况下都能正常测试.

　　4.2、系统测试

　　在经过前期测试系统的搭建后, 接下来就要对该系统进行测试, 系统测试跑道如图10所示, 测试单元如图11所示.由于汽车在行驶过程中无法直接人工测量其跑偏量, 故采用轨迹法 (测量相应车轮的轨迹线) 人工测量其跑偏量.让多台测试车辆依次连续进行测试 (人工测量时以不同颜色的轨迹线对不同车辆加以区分) , 由测试结果 (取部分信息) 可知, 该测试系统能保证多台车辆依次连续进行测试且测量误差小于2 cm, 能满足实际测试要求.

图10 系统测试跑道

图11 系统测试单元

　　5、结论

　　1) 每个测点在测试道路的两侧各安装1只激光测距传感器, 将对车身侧表面到传感器安装点的距离转换为对车身纵向中心平面至传感器安装点距离的测量, 由此避免了因路面不平激起车辆的振动导致被测车辆到达3个测点时3只激光测距传感器对车身侧面测点的不同所产生的误差.

　　2) 对每个测点所测得的多组数据进行分类、挑选、异常数据剔除等处理, 大大减小了测试误差.

　　3) 利用第1, 2个测点所得被测车辆的驶入角校正测试结果, 有效避免驶入角所导致的测试误差.

　　4) 利用队列函数, 有效解决了汽车行驶跑偏在线自动测试中容易出现的多辆被测车辆跟随连续测试过程, 其测试结果与被测车辆的对应关系混乱的问题.通过理论分析以及试验, 验证了该系统具有精度高、响应快、适应性强等优点, 而且系统操作简单, 开发成本和维护成本低, 安装、调试和维护方便.该系统对于目前整车生产商具有实用意义, 在其他领域也具有一定的实用价值.

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