拖拉機最小轉向圓半徑靜態測試系統設計與試驗

2022-08-19 14:03:20張浩男張友坤盧延輝

中國測試 2022年7期

張浩男，張友坤，盧延輝

(吉林大學汽車工程學院，吉林長春 130025)

0 引言

拖拉機最小轉向圓半徑是重要的轉向性能和通過性能參數，最小轉向圓半徑的測試可以評估轉向系統部件的設計及裝配質量。目前，拖拉機最小轉向圓半徑一般通過場地試驗進行測試，試驗過程中，駕駛員根據試驗標準，將轉向盤打到極限位置，同時將車速控制在最低穩定車速，然后用米尺測試車輪軌跡形成的轉向圓半徑[1]。這種試驗測試方法受限于場地，并且耗時費力。

在農業機械自動導航領域，轉向輪的轉角測量是關鍵技術之一，最直接的測量方法是在轉向輪上直接安裝傳感器，如張智剛等[2]采用絕對式編碼器測量轉向輪轉角；Xiang Y、胡煉等[3-4]通過電位計測量轉向輪角；黃培奎等[5]在方向盤中安裝編碼器，通過方向盤與轉向輪間的傳遞關系間接測量轉向輪轉角；何杰等[6]采用雙MEMS陀螺儀測試農機轉向輪轉角。這些測試方法需要在拖拉機特定位置安裝布置傳感器，不適合快速檢測。

激光位移傳感器的基本工作原理是相位法，即通過檢測發射激光和在被測物體表面反射激光之間的相位差計算距離[7]。因為尺寸小巧、測試速度快以及非接觸式測量等優點，激光位移傳感器被廣泛應用于不同場合的測試中，例如實際生產過程中的設備定位[8-9]，產品或設備的誤差檢測[10-14]，自動檢測[15-19]中對變形、圓度等參數的測量問題，醫學治療中的康復評價[20]以及高精度的幾何尺寸測量[21]問題。

當拖拉機以最低穩定車速行駛時，側向力小，輪胎的側偏現象可以忽略，這樣最小轉彎半徑是可以通過轉向輪的最大轉角計算求出的。據此，本文設計了一種拖拉機最小轉向圓半徑靜態測試系統，系統通過對轉向輪極限轉角的測試，計算出拖拉機最小轉向圓半徑。測試系統采用非接觸式的激光位移傳感器作為測試元件，可以高效省力地進行轉向輪轉角測試，提高拖拉機下線檢測過程中最小轉向圓半徑測試的試驗效率；利用最小方差估計算法識別出輪胎胎冠上的對稱區域，通過輪胎側面的斷面輪廓確定輪胎轉角，進而計算出拖拉機最小轉向圓半徑；開發自適應濾波算法，根據激光位移傳感器信號強度信息以及測試信號方差動態調節濾波強度，在保證一定測試精度的前提下提高測試速度。

1 測試系統原理

拖拉機的最小轉向圓半徑可以通過轉向輪最大轉角計算得到：

式中：Rmin——最小轉向圓半徑；

L——軸距；

b——輪距；

M——轉向節距；

αmax——外側轉向輪的最大轉角。

拖拉機最小轉向圓半徑測試系統由分別布置在拖拉機左右轉向輪外側的輪胎轉角測試裝置、工控機、攝像頭和顯示屏構成，如圖1所示。

圖1 拖拉機最小轉向圓半徑靜態測試系統原理圖

測試系統中的輪胎轉角測試裝置由測試軌架、移動掃描系統、激光測距組件、限位裝置組成，結構見圖2。測試軌架由水平滑軌和垂直滑軌構成，其中水平滑軌用于帶動滑臺上的激光位移傳感器水平移動，使測量點掃過整個車輪。垂直滑軌用于調節水平滑軌高度，以適應不同輪胎規格，通過調節激光水平掃描線處于輪胎中心高度來提高系統測試精度。

圖2 輪胎轉角測試裝置

測試系統選用的激光位移傳感器基本性能參數見表1。

表1 激光位移傳感器基本性能參數

工控機、步進電機、激光位移傳感器采用CANopen協議組網，工控機利用上位機軟件提供人機交互界面，控制步進電機運轉，并采集激光位移傳感器測試數據，通過數據分析算法獲得轉向輪極限偏轉角，再帶入拖拉機結構參數計算出最小轉向圓半徑。

在應用激光位移傳感器進行轉角測試時，可獲得輪胎兩側距離為S的對稱兩點的距離D1和D2，相應的輪胎轉角的計算公式為：

2 測試系統影響因素分析

應用激光位移傳感器進行測試時需要一定的時間以獲取準確的相位信息，被測物體表面狀態（顏色、材料、傾斜角度等）以及測試速度會影響激光的反射率，從而影響測試精度。本文針對激光反射信號強度及測試速度對測試精度的影響進行研究。

2.1 反射信號強度對測試精度的影響

試驗測試采用不同顏色的反射表面，利用下式計算測試方差：測試結果如圖3所示。

圖3 測試方差與反射信號強度之間關系

式中：σ2——測試方差；

n——采樣點數；

ˉ ——采樣均值。

根據測試結果，當反射光強度低于100時，測試方差隨著反射光強度的減弱而迅速增加，即測試重復精度降低。

2.2 測試速度對測試精度的影響

均值濾波是工程測試時的常用方法，通過增加采樣點數求取平均值來降低隨機干擾帶來的誤差，然而增加采樣點數勢必要降低測試速度。由于測試信號精度受反射信號的強度影響很大，需要對不同信號強度下采樣平均點數與測試精度的關系進行試驗研究。利用不同反射材料產生不同的反射信號強度，計算不同均值數量時的測試方差，測試結果如圖4所示。

圖4 測試信號原始數據、均值、方差與采樣點數之間的關系

測試結果表明，隨著采樣點數的增加，測試方差降低，測試結果趨于穩定。由圖可以看出，反射信號強度為30時，測試信號方差大約在采樣點數達到80時，達到最小值；反射信號強度為50時，大約在采樣點數達到40時，測試信號方差達到最小值；反射信號強度為90時，測試信號方差在采樣點數達到10時達到最小值。可見，要提高測試精度所應用的均值濾波采樣點數可根據反射信號強度確定。

3 測試系統軟件設計

3.1 基于光信號強度的自適應濾波算法

由于激光位移傳感器是在移動過程中進行測試的，要提高均值濾波的采樣點數就要降低移動速度，并且輪胎表面黑色橡膠的反射面會降低反射光強度，導致試驗誤差增大，為此開發了自適應濾波算法，根據激光位移傳感器信號強度信息以及測試信號方差動態調節濾波強度，在保證一定測試精度的前提下提高測試速度，算法流程圖如圖5所示。

圖5 自適應濾波算法流程圖

測試開始時，根據采樣獲得的信號強度，確定基本的采樣樣本數，并根據所確定的采樣樣本數確定步進電機移動速度。然后確定采樣尋優區間，在這個區間，采樣均值和方差實時計算，每次計算結果與前一次進行比較以找到局部最小方差點，當獲得局部最優值時采樣結束，輸出最終濾波結果。

3.2 基于最小方差估計的輪胎對稱區域識別算法

系統在測試過程中記錄下步進電機運動的水平距離和激光位移傳感器測試的縱向距離，測試結果如圖6所示。

圖6 距離測試結果

由圖可以看出，測試的位移曲線不是平滑曲線，這是因為輪胎側面形狀不規整，且在輪胎輪輞部分有空隙可使測試激光透射，故要應用公式（2）進行轉角計算。首先需要在如圖6所示的測試曲線中識別出輪胎胎冠部分前后對稱的兩點D1、D2，而且只有準確識別出對稱區域，計算結果才準確。為此開發了基于最小方差估計的輪胎對稱區域識別算法，具體如下：

首先將掃描測試得到的步進電機位置—被測輪胎表面距離數據生成二維數組：

式中：xi——ti時刻步進電機位置S(t)的值；

yi——ti時刻激光位移傳感器測試距離D(t)的值，i=1,2,···,n。

則該二維數組標識了被測輪胎表面的輪廓信息。根據輪胎表面的對稱性，在該二維數組的前、后各選取m組數據作為對稱點識別區間，即：

3.3 測試軟件開發

為測試系統開發了定制的測試軟件，軟件運行界面見圖7，測試軟件流程如圖8所示。程序首先進行初始化：要求用戶輸入待測試車型參數，根據車型參數中的輪胎規格，調節滑軌高度到輪胎水平中心平面處。然后進入測試流程：啟動步進電機帶動激光位移傳感器沿滑軌方向移動，同時開啟激光位移傳感器的高速測試模式，通過CAN通信讀取測試數據。測試之后進行數據處理：首先對測試信號進行自適應濾波，再利用濾波后的數據進行輪胎對稱區域識別，利用對稱區域的測試值計算輪胎轉角，再帶入車輛結構參數，計算出車輛最小轉向半徑，輸出測試結果。