一種車載轉彎半徑的測量系統研究

摘 要：車輛對道路有著一定的要求，大型車輛對道路條件要求更高，特別是道路轉彎半徑要求。本文利用車輛在車輪轉彎一定角度時兩前輪運動軌跡的幾何關系，綜合運用轉速傳感技術、角度傳感技術、激光測距技術以及多路信號融合技術和工業現場在線監測技術，提出了對道路轉彎半徑測算的方法思路。只要車載該系統走一趟，即可得到沿途道路轉彎半徑，該實時性強，使用方便，自動化程度高，省時省力，適合于長途道路的測量，對于無人駕駛技術也具有很好的應用前景。

關鍵詞：轉彎半徑;測量系統;總體方案

車輛對道路有著一定的要求，大型特種車輛，對道路條件要求更高，特別是道路的彎度情況。這里涉及到車輛與道路的重要參數轉彎半徑問題，道路的轉彎半徑必須要大于車輛的最小轉彎半徑，車輛某一型號的最小轉彎半徑是一個固定值，而道路在不同路段的轉彎半徑是不同的，如何快速測量出道路的轉彎半徑呢？目前道路轉彎半徑測量往往采用人工尺規測量計算方法，耗時耗力，如果數十公里乃至上百公里的路，工作量是非常可觀的。因此研究一種車載轉彎半徑的測量系統，實時自動測量車輛行駛時的轉彎半徑。

一、轉彎半徑的測量系統總體方案

車輛兩前輪在轉彎時行走軌跡是兩個不同長度的弧線L1、L2，由于輪距H不變，當輪轉角?一定時兩段弧近似同心，如果測得兩段弧長，即可計算出外輪各的轉彎半徑r=Hcos?/（1-L2/L1），前外輪轉彎半徑再加上到道路外沿的距離h，即估算出該轉彎路段的轉彎半徑R=Hcos?/（1-L2/L1）+ h。轉彎半徑的測量系統采用轉速傳感技術測量車輛兩前輪里程，采用角度傳感器測量前輪轉角，激光測距技術測量道路外沿的距離，綜合運用多路信號融合技術和工業現場在線監測技術，實現對道路轉彎半徑的測算功能。

二、車載轉彎半徑的測量系統基本組成

車載轉彎半徑的測量系統包括硬件部分與系統軟件部分。硬件部分包括傳感模塊、采集轉換模塊以及主控模塊組成。系統軟件包括里程數據轉換模塊、速度里程計算模塊、邊距數據測算、數據存儲模塊、數據計算模塊、數據顯示模塊、實時中斷服務模塊以及判斷處理模塊等。

（一）硬件部分

傳感模塊采用2個霍爾型非接觸式轉速傳感器、1個軸角編碼器，2個激光測距儀，其中2個霍爾型非接觸式轉速傳感器安裝在兩前車輪軸上，用于測量兩前車輪行駛里程;1個軸角編碼器安裝在兩前車輪轉向臂上，測量前輪轉角;2個激光測距儀安裝在兩前車輪附近車體兩側，用于測量兩前車輪與道路邊沿距離。采集轉換模塊包括里程變送器和多路數據采集卡，用于測量數據的轉換與采集。主控模塊包括1臺工控機、2個嵌入式ARM版和顯示模塊。2個嵌入式ARM板分別接收2個式轉速傳感器、1個軸角編碼器和2個激光測距儀的信息，采集轉換處理、送至多路信號采集卡，由工控機讀取模塊的信息，進行數據計算、判斷及數據顯示監控并貯存。

（二）軟件部分

系統軟件主要完成數據的采集、轉換、綜合計算、判斷處理及顯示等，由初始化模塊、數據/命令子模塊、周期測量模塊、速度里程計算模塊、轉角計算模塊、測距計算模塊、數據存儲模塊、數據轉BCD碼模塊、顯示數據消多余零模塊、數據顯示模塊、實時中斷服務模塊以及判斷計算處理模塊等組成。將采集信號進行處理轉換傳送給ARM單片機計算處理進而由工控機進行綜合數據判讀計算、判斷及數據顯示監控并貯存。

三、車載轉彎半徑的測量系統原理

（一）車輪行駛里程測量

車輪行駛里程測量兩個前輪的行駛里程，采用2個轉角傳感器和1個ARM單片機為核心。2個轉角傳感器采用霍爾型非接觸式轉角傳感器，分別安裝在兩前車輪軸上，將霍爾型傳感器監測的車輪轉動信號進行放大、整形、去噪，用以減小信號的衰減、干擾等影響。最后以脈沖的形式輸入到單片機，利用ARM1單片機外控中斷的控制功能根據外控中斷信號將某一預定時段輸入信號的脈沖數計數后，再利用單片機的算術運算功能將脈沖數轉換成角位移，再根據車輪輪胎直徑換算出行駛位移，從而實現讀取、計算，得出選定時段的行駛里程。最后將得出的里程值存儲RAM中，再將所得的數據存儲到串口數據存儲器，并由串口液晶顯示模塊實時顯示，并將兩個輪組的里程數據分別通過總線傳輸給工控計算機。

（二）車體轉彎半徑的測算

車體轉彎半徑的測算是在車輪行駛里程測量的基礎上，在兩前車輪轉向軸上安裝2個霍爾型非接觸式轉角傳感器，當兩車輪轉向時，軸角編碼器測量前輪轉角，通過放大整形處理，由ARM2讀取，通過總線輸入到主控機。由兩個單片機ARM1、ARM2分別讀取兩前車輪行駛里程和前輪轉角。由主控機比較兩前車輪行駛里程值和前輪轉角，如果兩輪駛里程值差值不大，軸角編碼器數值接近為零，單片機判斷其為沒轉彎，不進行車體轉彎半徑的測量;如果兩輪駛里程值差值快速增大，軸角編碼器數值迅速增大，判斷其車輛開始轉彎，直至轉彎角度穩定在一定值時發出測量控制信號，單片機ARM1開始記錄測量兩個車輪行駛里程，當轉彎角度開始變小時發出停止測量信號，完成停止里程記錄，然后將數值通過數據采集卡輸送給工控機，工控機讀取這段時間內兩前輪的里程L1、L2和轉角?，代入函數公式r=Hcos?/（1-L2/L1）進行車體轉彎半徑的測量計算。

結束語：

轉彎半徑測量系統利用車輛在車輪轉彎一定角度時兩前輪運動軌跡的幾何關系，綜合運用轉速傳感技術、角度傳感技術，激光測距技術以及多路信號融合技術和工業現場在線監測技術，實現對道路轉彎半徑的測算功能。只要車載該系統走一趟，即可得到沿途道路轉彎半徑，該實時性強，使用方便，自動化程度高，省時省力，適合于長途道路的測量，對于無人駕駛技術也具有很好的應用前景。但該系統運算工作量大，道路和開車司機駕駛習慣的隨機性很大，測量出的數據精準度會受影響，還需要進一步綜合測算糾正偏差，增加可靠性和精度。

參考文獻：

[1] 張毅剛. 單片機原理及應用?[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[2] 孔凡才.自動控制原理及系統[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

作者簡介：

沈亮遠（1973—），漢族，男，山東濟南市人，主要從事機電一體化方面的地面設備教學與研究工作。