一種基于RTK定位的車(chē)輛制動(dòng)距離測(cè)量系統(tǒng)

程景勝，程旭，姜曉軍

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州，510630）

0 引言

近年來(lái)我國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)和公路交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅猛，汽車(chē)保有量迅速增加，帶來(lái)交通安全和環(huán)境保護(hù)等社會(huì)問(wèn)題，使得人們對(duì)汽車(chē)檢測(cè)診斷技術(shù)和設(shè)備的需求與日俱增。汽車(chē)的制動(dòng)性能對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的安全性起著至關(guān)重要的作用，對(duì)汽車(chē)行駛的燃油經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)運(yùn)輸效率也有一-定的影響。目前汽車(chē)保有量不斷增多，人們對(duì)汽車(chē)安全行駛性能也有了更高的要求，隨著汽車(chē)行駛里程不斷增加后，會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)管路和接口松動(dòng)、泄漏、老化、破裂，制動(dòng)總泵、分泵泄漏，制動(dòng)踏板聯(lián)動(dòng)裝置卡阻，摩擦片嚴(yán)重磨損，輪胎老化等狀況，以致于制動(dòng)距離發(fā)生改變，從而降低了汽車(chē)的行駛性能。制動(dòng)距離是涉及車(chē)輛安全性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。如果制動(dòng)距離超出檢測(cè)允許范圍，則需要對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行維修，直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。但是目前車(chē)輛維修保養(yǎng)行業(yè)管理水平有限，車(chē)輛維保從業(yè)人員的技術(shù)水平參差不齊，往往不能準(zhǔn)確的進(jìn)行車(chē)輛制動(dòng)距離檢測(cè)并維護(hù)。因此，作為汽車(chē)安全以及經(jīng)濟(jì)效益檢測(cè)的重要指標(biāo)，汽車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)具有十分重要的意義[1]。

按照定義，制動(dòng)距離是指機(jī)動(dòng)車(chē)在規(guī)定的初速度下急踩制動(dòng)時(shí)，從腳接觸制動(dòng)踏板時(shí)起至車(chē)輛停住時(shí)車(chē)輛駛過(guò)的距離。本文提出一種基于RTK定位的車(chē)輛制動(dòng)距離智能檢測(cè)方法，能很好的降低人為因素的影響而提高制動(dòng)距離測(cè)量的準(zhǔn)確性，為車(chē)輛檢修保養(yǎng)提供方法支撐。

1 測(cè)量方法

在對(duì)車(chē)輛的剎車(chē)距離檢測(cè)中，現(xiàn)有技術(shù)主要采用以下三種方式:

一是撞線法，通過(guò)固定起點(diǎn)線，當(dāng)車(chē)輛移動(dòng)到起點(diǎn)線時(shí)，人工松開(kāi)控制桿或者遙控器實(shí)現(xiàn)剎車(chē)，以起點(diǎn)線到停車(chē)位置之間的距離作為剎車(chē)距離；二是攝像頭抓拍法，通過(guò)設(shè)定刻度線，開(kāi)啟高頻幀率攝像機(jī)，記錄松開(kāi)控制桿或遙控器時(shí)車(chē)輛所在的第一刻度線和停車(chē)時(shí)所在的第二刻度線，以所述第-刻度線和第二刻度線之間的距離作為剎車(chē)距離；三是通過(guò)激光測(cè)距儀以及制動(dòng)距離自動(dòng)計(jì)算模塊,對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在的物理現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算,得出制動(dòng)距離。

對(duì)于第一種方式，由于手眼反應(yīng)時(shí)間的偏差，手動(dòng)控制的一致性欠佳，控制超前會(huì)導(dǎo)致剎車(chē)距離比真實(shí)值小，控制滯后則會(huì)導(dǎo)致剎車(chē)距離比真實(shí)值大，檢測(cè)精度低。對(duì)于第二種方式，需要攝像機(jī)把刻度線清晰拍攝出來(lái)，對(duì)測(cè)試路面要求高，成本大，可移植性差。對(duì)于第三種方式，這種裝置在測(cè)量時(shí)需將車(chē)輛的勻速行駛狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)全過(guò)程記錄下來(lái)，再進(jìn)行計(jì)算，這樣無(wú)疑增加了測(cè)量難度；另外，激光測(cè)距儀需要放置的距離和角度不好把控，且車(chē)輛行駛過(guò)程中有時(shí)候并不會(huì)嚴(yán)格按照直線行駛，等等因素導(dǎo)致測(cè)量難度大，還有場(chǎng)地要求比較苛刻，成本較大。

因此,尋找一種方法解決現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)車(chē)輛的剎車(chē)距離時(shí)存在的精度低、成本高的問(wèn)題成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的測(cè)量方法采用北斗衛(wèi)星定位模塊與壓力傳感器組合方式，其中壓力傳感器安裝在腳剎上，用來(lái)測(cè)量車(chē)輛操作人員是否踩下剎車(chē)，即車(chē)輛是否開(kāi)始制動(dòng)。北斗衛(wèi)星定位模塊有兩塊，分別作為RTK（RealTime Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）載波相位差分技術(shù)中的基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不足一秒鐘。在整周未知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。動(dòng)態(tài)測(cè)速精度可以達(dá)到cm/s級(jí)，精確測(cè)量范圍可達(dá)10km，足以滿足機(jī)動(dòng)車(chē)輛制動(dòng)距離精確測(cè)量的要求[2]。

2 測(cè)量系統(tǒng)

基于該測(cè)量方法的測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)

該測(cè)量系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站、壓力傳感器和手持控制顯示終端四個(gè)部分組成。其中壓力傳感器與流動(dòng)站采用有線連接，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站以及流動(dòng)站到手持顯示終端之間通過(guò)Lora無(wú)線通信模塊E28-2G4T12S進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，壓力傳感器用來(lái)判斷車(chē)輛人員是否處于制動(dòng)狀態(tài)。操作手持控制顯示終端是操作核心，用來(lái)發(fā)送控制指令到流動(dòng)站。流動(dòng)站在收到命令后執(zhí)行相應(yīng)功能，并將測(cè)量到的參數(shù)返回給顯示終端?；鶞?zhǔn)站實(shí)時(shí)將自身獲取到的定位數(shù)據(jù)通過(guò)差分報(bào)文的形式傳遞到流動(dòng)站接收機(jī)，流動(dòng)站自動(dòng)解析出流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的距離。

無(wú)線通信模塊選用的是基于Lora協(xié)議的E28-2G4T12S模塊。該模塊是基于SEMTECH公司的SX1280射頻芯片的無(wú)線串口模塊，與單片機(jī)之間采用串口(UART)進(jìn)行通訊，使用透明傳輸方式。該測(cè)量系統(tǒng)中通過(guò)單片機(jī)發(fā)送指令將其通信方式配置為定點(diǎn)發(fā)射方式，其最大通訊距離可達(dá)3公里。微控制器選用的是ST(意法半導(dǎo)體)公司的STM32F407VET6,主頻168MHz,內(nèi)部集成硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元，利于處理數(shù)據(jù)。

用于RTK定位解算的接收機(jī)選用的是和芯星通公司生產(chǎn)的UM482模塊，它是一款基于NebulasII高性能高精度芯片開(kāi)發(fā)的全系統(tǒng)八頻高精度定位定向模塊，支持BDSB1/B2、GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5b等 衛(wèi)星信號(hào)。它充分利用NebulasII芯片內(nèi)的高性能數(shù)據(jù)共享能力和超簡(jiǎn)化的操作系統(tǒng)，對(duì)RTK矩陣運(yùn)算進(jìn)行充分優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)四系統(tǒng)所有可視衛(wèi)星參與RTK解算，縮短RTK初始化時(shí)間到5s，提高RTK測(cè)量精度和可靠性。同時(shí)，UM482通過(guò)與內(nèi)部抽象的RTCM協(xié)議模板進(jìn)行模式匹配識(shí)別和糾正算法技術(shù)，能快速判別輸入的COM口及差分?jǐn)?shù)據(jù)格式，無(wú)需指定差分?jǐn)?shù)據(jù)類型，大幅簡(jiǎn)化用戶操作。

制動(dòng)距離檢測(cè)在空曠環(huán)境進(jìn)行，采用組合慣導(dǎo)模塊作為主檢測(cè)傳感器，配合剎車(chē)踏板壓力傳感器完成制動(dòng)距離的檢測(cè)。檢測(cè)前將檢測(cè)設(shè)備水平安放到被測(cè)車(chē)內(nèi)，壓力傳感器安裝在剎車(chē)踏板上，并將GNSS天線放置于車(chē)頂利于接收衛(wèi)星信號(hào)。設(shè)備上電后，等待GNSS搜星定位完成，然后駕駛被測(cè)車(chē)輛繞行S形彎完成組合慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)收斂。單片機(jī)以至少1000次/s的速度采集壓力，同時(shí)接收每秒200次的慣導(dǎo)輸出信息。在手持終端上設(shè)置檢測(cè)初始速度，駕駛車(chē)輛高于該初始速度后，設(shè)備發(fā)出可開(kāi)始檢測(cè)的信號(hào)，駕駛員迅速踩下制動(dòng)踏板。單片機(jī)檢測(cè)到踏板力大于5N時(shí)視為踩下，記錄此時(shí)慣導(dǎo)輸出的速度、加速度及位置。當(dāng)加速度及速度變成0甚至反向的時(shí)候視為車(chē)輛完全停下，此時(shí)記錄當(dāng)前位置信息。由起、止的位置信息計(jì)算結(jié)果為制動(dòng)距離。程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3 結(jié)論

本文中基于Cortex-M4處理器STM32F407VET6與高精度的RTK GPS模塊設(shè)計(jì)的制動(dòng)距離測(cè)試系統(tǒng)，操作流程簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、測(cè)試精度高、不確定度受人為因素的影響大幅度降低。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該測(cè)量系統(tǒng)精度能夠達(dá)到5cm，加快了制動(dòng)距離的檢測(cè)速度，具有很好的實(shí)際使用效果，解決了工程中的實(shí)際問(wèn)題。