一種新型激光四輪定位的智能檢測系統

程旭，程景勝，姜曉軍

（廣東省特種設備檢測研究院，廣東廣州，510630）

0 引言

目前汽車保有量不斷增多，人們對汽車安全行駛性能也有了更高的要求，隨著汽車行駛里程不斷增加后，由于各種原因使各零件有所磨損變形，以致于改變了原廠的設計位置，從而降低了汽車的行駛性能。所以現在人們越來越重視四輪定位，是由于它可以讓車輛的技術指標調節到原廠規定范圍，使汽車行駛的安全性得到了保證[1]。但是目前車輛維修保養行業管理水平有限，車輛維保從業人員的技術水平參差不齊，往往不能準確的進行四輪定位檢測調整并維護。定位參數的調整不當會導致車輛操縱性能下降、輪胎磨損加劇等問題。這些情況都會導致汽車駕駛性能的降低，同時還會有增加汽車油耗、加劇輪胎損耗、加快車況老化等問題[2]。影響定位檢測結果不確定度的因素有：人為、環境、儀器、樣本四個主要因素。（1）人為因素對定位檢測結果不確定度的影響最大，操作人員的操作規范性直接影響檢測不確定度。（2）環境溫度的變化對四輪定位儀的檢測不確定度幾乎沒有影響，CCD式四輪定位儀在不同外界溫度情況下的性能穩定。（3）使用不同類型儀器的檢測結果差別較大，CCD式四輪定位儀檢測結果的不確定度要大于三維圖像式四輪定位儀。（4）不同檢測樣本車輛對檢測不確定度幾乎沒有影響[3]。場（廠）內機動車分布在各個不同地方，這就要求檢測設備必須方便攜帶[4-6]。

本文提出一種激光四輪定位智能檢測方法，能很好的降低人為因素的影響而提高四輪定位的準確性，為后面的車輛維修保養提高保障。

1 測量方法

四輪定位工具在發展之初由簡單的機械裝置組成，其中包括：前束角度檢測桿、以及傾角標定裝置。隨著汽車精密程度的提升，其測量能力遠遠達不到現代汽車定位檢測的要求。電子技術的快速更新也帶來了定位檢測調整技術的突破，車輛定位調整技術已經改進為利用先進的光電技術對底盤懸架參數進行檢測，檢測結果即全面又準確的而且檢測過程不繁瑣[3]。目前我國使用的四輪定位儀的品種主要有兩種:CCD 式和三維圖像式四輪定位儀。

四輪定位儀是一個復雜的系統，其性能的決定因素有很多，主要集中在傳感器和處理系統兩個方面。CCD 式傳感器性能有限，其對四輪定位設備控制信號的傳輸處理反應能力、傳感器運行的可靠性、檢測值穩定性等方面提高的制約瓶頸也正在逐步顯現。

本文設計的測量方法采用激光傳感器與CCD組合方式：3個線陣傳感器A、B和C，其中A和B組成上、下一組，A和C組成前、后一組。該傳感器組合安裝到前輪。后輪采用一個配備單線鏡頭的激光發射頭，射出一條激光豎直線，經分光器后，照射到前輪的3個傳感器上。傳感器A、B采集到的像素位置差，可以計算前輪當前的外傾角度；傳感器A、C上的位置差，可以計算出前輪當前的轉向角度。假如此時方向處于完全回正的狀態，則這兩個角度可視為前輪外傾角和前輪前束角（方向未回正的情況需要最后進行推算）。同時，可根據這兩個角度推算出當前前輪的平面。

如圖1所示，藍色為傳感器A、B和C，內部的黑色線是傳感器的感光位置。紅色線為經分光器后打到傳感器上的光束，在傳感器上的照射點分別為SA、SB和SC。以傳感器的照射點SA為基準，可知在傳感器B和C上的等距位置應為SB'和SC'。通過SB和SB'的距離，可以計算出車輪豎直偏轉角度，通過SC與SC'的距離可計算出車輪水平偏轉角度，進而得出車輪所處的面。將前輪偏轉一定方向后，用同樣的原理再次測量前輪的平面，則可通過兩次測量平面的交線計算出主銷后傾角和內傾角。由于傳感器的像素間距很小，所以三個傳感器不需很大的安裝間距，即可獲得比較高的角度測量計算精度。為去除生產裝配間隙帶來的誤差，該方案使用中可定時進行校準。為兼容不同的前后輪距寬度，后輪的激光照射設備可考慮安裝滑軌及電機，控制激光照射點沿輪軸內、外滑動。

圖1 測量方法

圖2 測量系統

2 測量系統

基于該測量方法的測量系統框圖如圖2所示。

該測量系統主要由激光源、分光器、CCD傳感器、單片機主板和手持顯示終端五個部分組成。其具體工作流程為后輪安裝的激光頭發射出激光束照射到測量裝置的分光器上，激光束經分光器后產生一個面的激光束，照射到3條CCD傳感器上，CCD傳感器產生相應的電壓信號，由單片機ADC采用DMA方式進行采集，經單片機運算處理后獲得角度信息，單片機再將運算過后的角度信息通過無線通訊模塊傳輸到手持顯示終端上。

該測量系統的CCD傳感器選擇的是東芝公司生產的TCD1209DG，TCD1209DG是一種高速，低暗電流的CCD圖像傳感器。該傳感器共擁有2048個像元，其單個像元大小為14um×14um。假設兩條CCD安裝間距為10cm，由夾角分辨率可以高于0.01度，其分辨率完全可以滿足對車輪傾角的檢測。

該測量系統的單片機選用的是STM32F407VET6，該芯片為LQFP100封裝，具備強大的性能，擁有192KB容量RAM和1MB容量Flash，168MHz的主頻。豐富的內部資源，ADC，DMA，IIC，SPI,CAN等，能夠滿足該測量系統的數據采集和運算的需求。由于該測量系統需要同時采集3個CCD傳感器的電壓數據信號，因此對采集的實時性和速度需求較高，如果采用單通道掃描的方式一個通道一個通道地進行采集的話，容易發生角度微小偏移后采集到偏移后的數據。因此，使用DMA的方式進行ADC多通道循環采樣，極大地提升了采樣速度，提升了采樣數據的一致性，增加了測量的精度。

單片機主板與手持顯示終端之間通過無線通信模塊進行數據傳輸。該無線通信模塊選擇E28-2G4T12S模塊。該模塊是基于SEMTECH公司的SX1280射頻芯片的無線串口模塊，與單片機之間采用串口(UART)進行通訊，使用透明傳輸方式，其硬件原理圖如圖3所示。

該測量系統中通過單片機發送指令將其通信方式配置為定點發射方式，其最大通訊距離可達3公里，當發送端設定的目標地址與接收端設定的地址信道一致時，才能成功通信，保證了通信的正確率與私密性，其工作模式如圖4所示。

圖3 LORA硬件原理圖

圖4 通信方式

該測量系統的手持顯示終端選用的是迪文科技的9英寸串口觸摸屏，該串口屏擁有專用的UI設計軟件，可以方便快速地設計人機交互界面。單片機通過LORA模塊與其進行無線通訊，其底層還是通過串口進行數據交互。

3 結論

該新型激光四輪定位的檢測系統的實現，使檢測流程簡單化，讓其不確定度受人為因素的影響大幅度降低。經實際試驗，該測量系統精度能夠達到0.01度，能夠完全滿足設計需求，并且大大加快了四輪定位的檢測速度，具有很好的實際使用效果，解決了工程中的實際問題。