基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統研究＊

李奎 何耀華

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

1 前言

維持直線行駛是汽車行駛穩定性的重要評價指標之一，也是汽車安全性的一項基本要求[1]。為避免因跑偏而引發危險的交通事故[2]，國際上絕大多數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，且能滿足汽車生產節拍要求的跑偏檢測設備與技術近幾年才開始研究[3-6]，因此，汽車行駛跑偏檢測在國際國內至今仍大多采用人工主觀判斷的方法，只有少數幾家企業采用了基于CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏自動測試系統。人工主觀評價的突出缺點是測試結果受人為因素的影響大，評價的準確性較差；CCD圖像傳感的汽車行駛跑偏測試系統在汽車生產檢測中的應用，徹底改寫了汽車行駛跑偏檢測的歷史，實現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具有測試精度高、效率高、自動化程度高、使用方便等突出優點，但也存在結構復雜、系統標定繁瑣[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基礎上研發了基于激光測距的第二代汽車行駛跑偏自動測試系統。

2 激光測距跑偏測試系統的結構

跑偏測試作為汽車生產檢測的一個環節，必須滿足如下要求：流水作業，實現被試車輛的連續測試；測試效率高，與汽車生產節拍協調一致；實時反饋測試結果，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的硬件主要由測試信息獲取、控制與數據處理和無線通訊3個子系統組成，如圖1所示。測試信息獲取子系統中，對射式光電開關檢測被試車輛位置，控制激光測距傳感器適時開啟測試。控制與數據處理子系統控制跑偏測試系統按設定的流程自動運行、處理測試信息、計算測試結果、進行OK/NG判定。試車員可通過手持無線終端與系統實現信息交互，如發送車輛VIN、請求測試、接收測試結果等。

圖1 跑偏測試系統硬件構成

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，待被試車輛進入設定的信號發送區時，發送VIN，以便測試系統識別該車輛，同時發出測試請求。試車員根據地面引導線將被試車輛調整到直行方向和規定的車速，并保持這一車速通過測試區。通過測試區期間，不得對轉向盤施加任何力或力矩。設置在測試區起點和終點的激光測距傳感器在測控主機的控制下，由對射式光電開關觸發自動完成相關測試，計算各跑偏參數，并將測試結果通過手持無線終端及時反饋給試車員，實現被試車輛分流。

圖2 單次跑偏測試流程

3 跑偏測試數據的分析處理

將跑偏測試路段劃分為測試準備區和測試區。測試準備區用于修正被試車輛行駛方向，并將車速調整到規定數值。在測試區的起點、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，被試車輛經過位置點P1，由激光測距傳感器1獲得其坐標（X1，Y1），行駛方向與Y軸正方向的夾角即駛入角q0（順時針為正，反之為負）；在時刻t2，被試車輛經過位置點P3，由激光測距傳感器3獲得其坐標（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）、通過測試區的平均車速vˉ、跑偏角q（右偏為正，左偏為負）等參數可利用式（1）～式（3）計算得到。

圖3 汽車行駛跑偏測試參數計算

因測試區的長度為定值L，即Y3-Y1=L已知，故只需測量被試車輛駛入、駛出測試區時沿X軸的相對坐標（X3-X1）和駛入角q0，即可對各跑偏參數進行計算。

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及試車測試數據的深入分析發現，影響測試精度的因素主要是駛入角和車身上的測定點狀態。

4.1 駛入角

要想獲得準確的汽車行駛跑偏測試結果，首先必須要有準確的測試基準，被試車輛通過測試區起點處時必須處于直行狀態，即駛入角為零（被試車輛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，駛入角通常不可能為零[9]，如此便帶入了基準誤差。消除此基準誤差最有效的方法是，準確測量駛入角，從測試結果中剔除駛入角所帶來的誤差。

駛入角的測量如圖4所示。在測試區內與測點1相距L1處增加測點2，被試車輛通過測點1和測點2時，設置在測點1和測點2道路兩側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X1和X2，利用式（4）可計算出駛入角q0。在保證能夠提取到有效車身表面數據的前提下，L1的值越大，駛入角q0的計算越精確。

圖4 駛入角的測量

4.2 測試數據提取

激光測距傳感器測得的數據中有時會存在異常數據，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生，需對傳感器測得的數據進行篩選。

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。當所測距離在其量程之外，輸出電流為相應的定值；當所測距離在其量程內，其輸出電流與距離成正比。盡管不同汽車制造公司有關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]。為確保所研發的汽車行駛跑偏自動測試系統不僅能準確測試跑偏合格的汽車產品，也能測試跑偏嚴重超標的汽車產品，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（可根據需要進行設置）。若測試數據不在此量程范圍內，顯然是誤差特別巨大的異常數據，在此稱為第一類異常數據，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

除第一類異常數據外，還會出現誤差較第一類異常數據小的異常數據，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據，在此稱為第二類異常數據。利用數理統計原理對此類數據進行處理[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（Xj1，Xj2，Xj3，…，Xjn;j=1，2，3），分別按照式（7）～式（9）計算其算術平均值`Xj、殘差DXji、標準差sXj。殘差大于3s者即為第二類異常數據，予以剔除，重新計算直至剩余測試數據的殘差均小于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的準確性和可靠性，利用相關硬件搭建試驗臺架，以外形規則的矩形塊替代被試車輛，設定已知的駛入角和跑偏量，依次遮擋相應的光電開關觸發測試。10次重復測試的結果見表1。

表1 臺架試驗重復測量結果 cm

由表1可知，系統的測試誤差均小于0.5cm，達到測試誤差需在2cm以內的測試要求。且測試誤差的標準差為0.26cm，表明該系統具有較高的穩定性和可靠性。

5.2 系統標定

搭建如圖6所示的跑偏測試系統，為簡化數據運算，本系統分別將第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（基準平面）的距離并不相等，且其值直接關系到跑偏量的計算，因此可采用如圖7所示的標定裝置對系統進行標定。其具體方法是，通過將多塊標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平面中心的距離LjL、LjR（j=1，2，3，設置在測試區上3個測點的編號）。標定的結果見表2。

式中，LjL、LjR分別為設置在測試區3個測點處左、右側激光測距傳感器至基準平面的距離分別為設置在測試區3個測點處左、右側激光測距傳感器的讀數；Bb為標定板的厚度。

圖7 跑偏測試系統標定裝置

表2 臺架試驗重復測量結果 mm

5.3 實車試驗

汽車行駛跑偏測試系統作為生產線檢測設備，需長時間連續工作，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節拍（1min），按照檢測流程循環進行跑偏測試2小時，其中10次的測試結果見表3。

表3 實車測試結果

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，系統檢測到的測試車速較為準確[12]。在整個測試過程中，系統工作正常、穩定。待測車輛在指定地點發出測試請求，以規定車速通過測試區，駛離第3對激光測距傳感器2～3s即可順利接收到測試結果，無需進行任何減速或者等待。

6 結束語

本文以汽車生產檢測線的檢測要求為前提，開發了基于激光測距的汽車行駛跑偏自動測試系統，并設計出相應的標定裝置。為提升系統測試精度，探索出采用1組對射式光電開關同時控制2對激光測距傳感器的駛入角測量方式，并采用3σ準則對異常測試數據進行剔除。試驗測試和實車壓力測試結果表明：該系統測量精度滿足檢測要求，具有較高的穩定性和可靠性，操作簡便，響應快速，能與檢測線生產節拍協調一致。

[1]柯捷.基于布拉格光纖光柵傳感器的汽車行駛跑偏測試系統的研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[2]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.

[3]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.

[4]楊燦.基于LabVIEW的汽車行駛跑偏測試系統研究開發[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[5]安長江，李文勇.基于GPS技術的汽車跑偏量測試方法研究[J].汽車工程，2009，31（9）：804-806.

[6]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（3）：5-7.

[7]何耀華，熊婷.汽車行駛跑偏測試系統中相機標定架的設計[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2014，36（2）：185-189.

[8]熊婷.車輛行駛跑偏測試系統的相機標定技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[9]王海星.駛入角對跑偏測試結果影響的仿真研究[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2015，26（1）：130-134.

[10]廖聰.基于汽車跑偏檢測系統對車輛行駛跑偏的原因和解決對策的研究[D].武漢:武漢理工大學，2012.

[11]陳琳.基于激光測距的三坐標測量系統研究[J].光學儀器，2002，24（2）：7-12.

[12]國家發展和改革委員會.汽車用車速表：GB15028-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.