汽車行駛跑偏測試中無線通信系統的研究

劉淵博，何耀華

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

汽車行駛跑偏是指汽車在平直路面上行駛時，輕撫或完全松開方向盤，汽車不按直線方向行駛，而是自動向左或向右偏駛的異常現象，是汽車運行中常見的故障之一。汽車跑偏的危害很大，輕則造成啃胎、輪胎報廢，重則導致爆胎、車輛失控等危險狀況，甚至引發嚴重的交通事故[1-3]。在車輛生產制造和裝配調整過程中，不可避免地存在一定誤差，因此從生產線下來的汽車總會或多或少地存在行駛跑偏問題[4]，為避免存在嚴重跑偏問題的車輛進入市場，急需開發出一套性能可靠的汽車跑偏在線測試系統，對下線車輛進行跑偏檢測。

目前汽車行駛跑偏量的測試方法有很多。在此，綜合考慮測試精度、成本、可靠性等因素，選用基于激光測距的汽車行駛跑偏測試方法。無論哪種測試方法，無線通信系統的實時性和可靠性都是整個測試系統正常運行的前提。本文根據跑偏測試系統需求，建立了一個無線通信系統，使汽車進行跑偏測試時，利用手持終端收發測試指令，傳輸被測車輛信息，獲取測試結果，存儲及查詢測試信息，提高測試效率。

1 汽車行駛跑偏測試系統

1.1 工作原理

基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統的總體構成如圖1所示。車輛跑偏測試區為長70 m，寬6.2 m的車道，其中直線引導區跑道長20 m，測試區跑道長50 m。系統的測試現場如圖2所示，在測試區起點A，B，終點C處道路兩側分別安裝一對測試用激光測距儀（F1-F2，F3-F4，F5-F6），每側的激光測距儀位于同一直線上，在每對激光測距儀的前方50 cm 處安裝對射式光電開關（T1-R1，T2-R2，T3-R3）。

圖1 汽車跑偏測試系統總體構成Fig.1 Overall composition of vehicle driving wandering test system

圖2 汽車跑偏測試系統現場示意Fig.2 Scene sketch of vehicle driving wandering test system

首先，測試人員用手持終端掃描車輛VIN碼，并將其發送給測試主機，然后駕駛被測車輛至測試激活點處（AP1處，亦即直線引導區起點處）時，按下手持終端的“start”鍵，激活測試。在直線引導區內將方向盤擺正，以50～90 km/h的車速勻速行駛，行至A，B，C測點處時，車輛依次觸發相應的對射式光電開關，阻斷信號控制器將其轉換成激光測距儀的激活信號，激光射向車身，開始測距。測距結果傳至計算機主程序處理，從而計算出測試車輛的跑偏參數。

測試結束后，手持終端可以通過建立的無線通信系統收到測試主機傳來的測試結果，引車員可根據測試結果做下一步測試的安排。

1.2 跑偏參數計算

跑偏參數計算如圖3所示，L1為考慮車輛駛入角和跑偏時車輛的實際行駛軌跡；L2為僅考慮駛入角而未考慮跑偏時車輛的理想行駛軌跡[5]。設m為A，B處激光測距儀之間的距離，m；L為A，C處激光測距儀之間的距離，m；d1，d2，d3，d4，d5，d6分別為激光測距儀的測試結果，mm；θ為被測車輛駛入角。

圖3 跑偏參數計算原理Fig.3 Schematic of driving wandering parameters calculating

跑偏參數計算如下：

1）被測車輛的駛入角θ

由于實際設置的A，B兩測點的距離m很短，約為5m，而被測車輛在測試區的車速為50～90 km/h，被測車輛駛過A，B兩測點的時間僅為0.2～0.36 s。因此，被測車輛在A，B測點之間的行駛軌跡對車輛跑偏的影響可以忽略不計，僅需考慮駛入角θ造成的車輛偏移。由圖3可得，被測車輛進入測試區時的駛入角θ為

2）被測車輛跑偏量ΔS

根據L1和L2的含義，排除了駛入角對車輛跑偏量的影響后，實際跑偏量為

式中：ΔS為被測車輛的實際跑偏量，mm。

3）被測車輛跑偏方向的判斷

若 ΔS＞0，車輛向右跑偏；若 ΔS＜0，車輛向左跑偏。

2 無線通信系統建立

在進行汽車跑偏測試時，在測試車輛和測試系統之間需要一個相互聯系的紐帶，以保證測試信息得以高速實時地交換。經過多次試驗，最終使用了無線通信系統。

汽車行駛跑偏測試中無線通信系統需要具備以下功能：①能覆蓋測試區前后50 m距離且信號良好（數據掉包率不超過5%）；②手持終端能快速接入無線網；③手持終端在AP之間漫游時，AP之間切換時間短（一般不超過1 s）；④辨識測試車輛身份信息，并完成測試車輛登錄；⑤保證測試指令的傳輸順暢；⑥保證測試結果與被測車輛一一對應。

2.1 硬件組成

考慮到無線通信系統的覆蓋范圍及數據掉包率要求，采用星型結構進行布局[6]，如圖4所示。以測試主機為中央節點，3個瘦AP與無線交換機一起構建起整個無線通信系統。瘦AP通過有線網絡與測試主機以及無線交換機連接，手持終端通過無線通信系統與相連的瘦AP進行數據交互。作為中央節點的測試主機將無線通信系統與生產網絡連接起來，通信系統內任何數據的交互都通過主機完成。

圖4 星型結構無線通信系統Fig.4 Star-network wireless communication system

2.2 軟件結構

2.2.1 網絡體系結構的選擇

目前常用的網絡體系結構有OSI參考模型和TCP/IP協議2種。OSI參考模型又稱開放系統互連參考模型，其將通信過程分解為7層，每層執行相應的功能。OSI中的物理層和數據鏈路層被統一成接口層，OSI中的會話層、表示層和應用層被統一成應用層。

而TCP/IP協議采用4層結構。TCP/IP協議由于其實用性、流行程度，已成為事實上的國際標準，因此本系統采用TCP/IP協議來建立相應的通信網絡。

2.2.2 通信協議的選取

TCP/IP協議中的傳輸層有2種通信協議，即TCP協議和UDP協議，兩者之間的對比如表1所示。

表1 兩種協議的對比Tab.1 Comparison of the two agreements

本系統要求手持終端與測試主機之間能夠可靠地傳輸測試指令和測試結果，故選取TCP協議比較合適。

2.2.3 計算模式的選擇

目前常用的計算模式有Client/Server模式和Browser/Server模式2種，其對比如表2所示。

表2 兩種計算模式的對比Tab.2 Comparison of two computing models

由于本系統中的客戶端數目固定，程序更新時的工作量并不大，所以適應性不是主要考慮的因素。汽車跑偏測試無線通信系統要求手持終端和測試主機之間通信迅速安全，且運行在局域網里，故選擇C/S計算模式較為合適，即手持終端作為客戶端，測試主機作為服務器。

2.2.4 數據傳輸協議的制定

由于TCP協議是面向數據流的，這就意味著接收端所接收到的數據之間沒有邊界[7]。如果服務器連續發送數據，手持終端有可能一次接收動作中會接收到2個或多個數據包，也可能一個數據包分多次接收，這2種情況接收到的數據在緩沖區中都是沒有邊界的，就會導致數據傳輸混亂。對此，有以下3種解決方案：

建立固定長度緩沖區這種方案很容易實現，能夠避免數據傳輸混亂，但其靈活性不好，即使要發送很短的數據，也要占用設定的固定長度的緩沖區，造成了空間資源浪費。

發送帶結束標記的數據即傳輸數據時，在數據的末端加一個特殊字符作為數據傳輸完成的結束標記，但要將規定的特殊字符與要發送的數據區別開來，否則也會造成數據傳輸混亂。

建立自適應長度緩沖區設計一種新的數據結構，把數據長度信息封裝在數據內部。發送端每次發送數據之前必須先發送1 B的數據表示數據長度信息，再發送實際的數據內容；接收端先建立1 B大小的緩沖區用來接收數據長度信息，根據數據長度信息再建立相應長度的緩沖區來接收實際數據內容。

綜合對比，可以看出第3種方案既能避免數據傳輸混亂，又不會造成空間資源的浪費，故而選擇在接收端建立自適應長度緩沖區的數據傳輸協議。

3 無線通信策略研究

3.1 多端口通信方式

由于測試量大，測試速度高，測試準備區域較短，所以車輛在測試區前會出現排隊擁堵現象。若此時各個測試人員都向系統發出登錄信息，不僅會加重通信系統的處理負擔，更會造成測試信息的傳輸錯亂。為此，手持終端和主機之間采用多端口多線程通信方式[6]，每次通信都在指定的不同端口處理，分工明確，避免了數據傳輸混亂，減輕了服務器負擔，提高了通信效率。

測試主機通過10001端口監聽手持終端發來的服務器狀態請求，若已有客戶端與服務器連接，則客戶端收到“busy”信息，等待1 s后再次發送狀態請求；若服務器“空閑”，客戶端收到“test”信息，相對應的被測車輛即為即將進入測試區進行測試的車輛。接著，測試主機通過10002端口監聽手持終端發送來的車輛VIN碼，接收到后啟動測試。測試完成后，手持終端通過10003端口監聽測試主機發送的測試結果，測試人員根據測試結果進行下一步安排。服務器和客戶端之間的主要工作流程如圖5所示。

采取多個端口進行通信，測試人員可獲得較全的信息反饋，對于各種信息反饋作出相應的調節。而且由于測試主機通過10001端口所置的測試許可車輛只有1輛，保證了測試信息與車輛的一一對應關系。較之單個端口而言，各端口功能明確，通信系統擴展性、可維護性較好，便于構建更為復雜的通信系統。

圖5 服務器和客戶端工作流程Fig.5 Server and client work flow chart

3.2 間歇通信策略

該無線通信系統在試運行期間，有時會出現通信延時的現象，對跑偏測試主系統的測試效率造成嚴重影響。為此，提出了一種間歇通信策略，當某個手持終端和測試主機之間不應該數據傳輸的時候，主動斷開它們之間的TCP連接，這樣不僅使得無線通信資源得到了合理的分配，而且明顯降低了測試過程中可能出現的通信延時所帶來的不利影響，使得系統在強干擾環境下的通信實時性和抗干擾能力大幅度提高[8]。

根據測試的具體流程，可將汽車行駛跑偏測試分為3個基本階段：被測車輛的信息提取階段、啟動測試階段和反饋測試結果階段[9]。所采用的間歇通信策略的核心思想是，對于這3個基本階段，當每個階段開始時手持終端都要向測試主機發出連接請求，建立TCP連接，每個階段結束時自動斷開連接。

間歇通信策略具體如下：首先，測試人員利用手持終端掃描被測車輛VIN碼，并與測試主機之間建立TCP連接，接著向測試主機發送VIN碼。車輛VIN碼發送成功后，測試主機立即斷開與該手持終端的TCP連接，此即被測車輛的信息提取階段。該階段的外界干擾小，對實時性的要求稍微低些。當被測車輛行駛至規定的測試激活點時，手動按下“start”鍵，此時手持終端與測試主機之間只建立TCP邏輯連接而無數據傳輸，測試主機通過獲取該手持終端的IP地址，調出此前經此IP發送的車輛VIN碼，對被測車輛身份進行驗證，并啟動測試。之后，測試主機立即斷開與該手持終端的TCP連接，以便騰出通信資源，分配給其他被測車輛上手持終端，此即啟動測試階段，該階段的外界干擾大，而且對實時性的要求比較高。待跑偏測試完成后，測試主機重新建立起與該手持終端的TCP連接，將測試結果發送給手持終端并斷開連接。間歇通信策略具體流程如圖6所示。

圖6 間歇通信策略流程Fig.6 Flow chart of interval communication strategy

該間歇通信策略使得無線通信資源得到了合理的分配，大大降低了通信延時帶來的影響，在強干擾環境下，通信時間從0.39 s降至0.04 s，測試系統的無效率從9%降到了1.2%，大大提高了系統的通信實時性和抗干擾能力。

3.3 ETC自啟動通信策略

該套測試系統在實際應用過程中，存在著一個重要的問題：被測車輛到達測試激活點時，需測試人員手動按下手持終端的“start”鍵才能啟動測試，而不是自動激活測試，這使測試人員的操作不夠簡便。實際測試中，出于對測試人員的安全考慮，需要先適當減速，再手動按下“start”鍵，而有些測試人員為了按鍵時不減速，在到達規定的測試激活點之前就提前按下“start”鍵，結果未能成功激活測試進而導致此次測試失敗。另外，由于無線網絡的問題，手動發送時有時會出現不能成功激活測試的現象。為此，必需改進通信方案，使車輛到達測試激活點時能夠在不減速的情況下自動快速地激活測試。考慮到電子不停車收費系統ETC近年來發展迅速，可以把ETC技術運用到本套測試系統。

3.3.1 ETC的工作原理

當車輛進入到路測單元RSU信號覆蓋的有效范圍后，環路感應器就觸發RSU采用專用短程通信技術DSRC與車載單元電子標簽OBU進行通信，RSU從OBU中獲取的車輛信息包括車輛標識、用戶IC卡的賬戶信息等，將所得到的信息通過微波傳輸發送到車道控制系統，該系統再對收到的信息進行計算分析[10-12]。

3.3.2 ETC自啟動通信策略

將路側設備RSU安裝在測試激活點，當帶有OBU的車輛進入RSU的信號覆蓋范圍內后，OBU接收到RSU發來的詢問信號而被激活進入工作狀態，此時RSU接收到OBU發來的激活測試信號，立即與測試主機建立起邏輯連接，啟動測試主程序。在這個過程中，RSU并沒有向測試主機發送任何數據信息，僅僅是與其建立起連接，激活測試，測試完成后將測試結果發送到手持終端上。

可見，整個激活測試的過程是自動完成的，不需要測試人員減速并手動按下“start”鍵，這樣測試人員可以專注于將方向盤擺正并按照規定車速進入測試區，大大提高了測試效率及測試穩定性。

4 結語

基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統，精度高、成本低、結構簡單、安裝調試方便，能夠較好地滿足汽車廠商對下線車輛跑偏測試的需求。無線通信系統的實時性和可靠性是該測試系統有效運行的前提，所提出的3種通信策略使得無線通信系統的實時性和抗干擾能力均有所增強，從而提高了測試系統的測試效率和可靠性，同時該無線通信系統也可用于其他類型的汽車戶外測試項目中。

[1]周興林，李程，劉漢麗，等.基于雙目視覺的車輛行駛跑偏在線自動檢測系統[J].中國機械工程，2015，26（1）：130-134.

[2]He Y H，Yang C，Shang B.Vehicle driving wandering test system based on LabVIEW[C]//SAE Technical Paper 2010-01-0998，2010.

[3]榮銳兵，嚴運兵，方園，等.基于激光測距的車輛行駛跑偏測量系統[J].公路與汽運，2012，28（3）：5-7.

[4]何耀華，厲曉飛.基于近景攝影測量技術的汽車跑偏測試系統構建[J].中國工程機械學報，2011，9（4）：476-481.

[5]陳長軍，王剛，劉勇，等.基于數字圖像的車輛行駛跑偏在線測量方法[J].測繪科學，2014，39（9）：102-106.

[6]何耀華，王超敏.汽車道路動態測試系統通信技術研究[J].山東交通學院學報，2011，19（1）：18-20.

[7]陳棵明，何耀華.基于C#的汽車測試系統無線通訊模塊的設計[J].農業裝備與車輛工程，2010，48（6）：33-35.

[8]GhosalA，Bai F，Debouk R，et al.Reliability and safety/Integrity analysis for vehicle-to-vehicle wireless communication[C]//SAE Technical Paper 2011-01-1045，2011.

[9]Zhou Z T，He Y H，Wang D.Research on wireless communication strategy in online automatic test system for vehicle driving wandering[C]//SAE Technical Paper 2015-26-0236，2015.

[10]許菲，李新友.ETC系統中車載單元的研究與設計[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2011，35（5）：1049-1057.

[11]Yan C J，Guo J X，Li X Y.The design and realization of OBU in free-flow ETC system[J].Applied Mechanics and Materials，2014：2081-2084.

[12]崔洪軍，崔姍，李亞平，等.高速公路收費站ETC車道通行能力研究[J].中外公路，2014，34（6）：278-281.