一款全自動(dòng)機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀的動(dòng)態(tài)特性研究與實(shí)現(xiàn)

0 引言

機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈的安全檢測(cè)是保障機(jī)動(dòng)車(chē)行車(chē)安全的一個(gè)重要因素。世界各國(guó)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈有嚴(yán)格的安全檢測(cè)要求，在我國(guó)隨著科技和新能源汽車(chē)的加速發(fā)展，汽車(chē)保有量呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，交通運(yùn)輸安全變得越來(lái)越重要。前照燈主要是用于機(jī)動(dòng)車(chē)夜間行駛照明，它的安裝角度及發(fā)光強(qiáng)度和照射方向等參數(shù)對(duì)于行車(chē)安全是至關(guān)重要的。所有前照燈夜間同時(shí)照明時(shí)，應(yīng)具有能使駕駛員看清前方150 m 距離以?xún)?nèi)交通障礙物的性能^[1]，照明光束應(yīng)對(duì)準(zhǔn)車(chē)的前進(jìn)方向，主光軸的方向應(yīng)該偏下。前照燈的發(fā)光強(qiáng)度不足或者照射方向不合適，路前方的狀況就不能清晰易見(jiàn)，或者給迎面駛來(lái)的汽車(chē)?yán)锏鸟{駛員造成眩目，妨礙視野，這些都是導(dǎo)致事故的重要因素。

為了降低行車(chē)事故，確保行車(chē)安全，機(jī)動(dòng)車(chē)在出廠前，其前照燈性能參數(shù)必須調(diào)整正確；機(jī)動(dòng)車(chē)使用過(guò)程中，前照燈的安全檢驗(yàn)必須經(jīng)?；椭贫然?。國(guó)家決定實(shí)施GB7258—2012《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》和GB18565-2016《道路運(yùn)輸車(chē)輛綜合性能要求和檢驗(yàn)方法》^[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了前照燈的發(fā)光強(qiáng)度、照射位置及檢驗(yàn)方法，使我國(guó)的車(chē)輛檢驗(yàn)制度更加嚴(yán)謹(jǐn)、更加規(guī)范。因此，有必要對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈進(jìn)行深入研究和檢測(cè)，而研制出相應(yīng)的精確測(cè)量?jī)x器設(shè)備可以為機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈的研究提供有利依據(jù)，必將對(duì)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1   機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀檢測(cè)原理和方法

機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀需要測(cè)量前照燈遠(yuǎn)光發(fā)光強(qiáng)度、遠(yuǎn)光光束偏移量、近光明暗截止線(xiàn)交叉點(diǎn)偏移量以及前照燈基準(zhǔn)中心高度等各項(xiàng)參數(shù)^[3]。

本課題研究的機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)采用兩種基本方法：追光法和分光法。通過(guò)伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行精確定位，控制檢測(cè)儀水平行走和光接收箱垂直升降。通過(guò)CCD 來(lái)追光和測(cè)量。

CCD 追光和測(cè)量設(shè)計(jì)有兩種：一種是單CCD 設(shè)計(jì)，另外一種是雙CCD 設(shè)計(jì)。單CCD 設(shè)計(jì)采用1 個(gè)攝像機(jī)，通過(guò)開(kāi)關(guān)透鏡來(lái)計(jì)算偏移角度，整體設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但是檢測(cè)速度偏慢。雙CCD 設(shè)計(jì)是在單CCD 的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制算法優(yōu)化，其中一個(gè)是追光CCD，一個(gè)是光斑CCD。

單CCD 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易用，但是在線(xiàn)調(diào)燈時(shí)，單CCD不能在追光的同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算角度，使得調(diào)燈時(shí)不能通過(guò)測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)反映新的角度，只能通過(guò)圖像相對(duì)于屏幕中心的坐標(biāo)和儀器當(dāng)前的脈沖坐標(biāo)來(lái)計(jì)算新的角度，從而使得調(diào)燈時(shí)左右方向的偏角誤差較大，而雙CCD 設(shè)計(jì)則通過(guò)實(shí)時(shí)采集透過(guò)透鏡后的圖像來(lái)計(jì)算角度解決這個(gè)問(wèn)題。

雙CCD 設(shè)計(jì)優(yōu)化光接收箱的光路，使用分光法，讓機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈發(fā)射出來(lái)的光通過(guò)一個(gè)安放在光接收箱內(nèi)與水平方向成45°具有發(fā)射和透射功能的磨砂玻璃，讓前照燈發(fā)出的光一分為二，一部分發(fā)射到磨砂玻璃，一部分再通過(guò)菲涅爾透鏡進(jìn)行會(huì)聚，使用兩個(gè)CCD 分別采集沒(méi)有通過(guò)菲涅爾透鏡的光斑圖像（主要用于追光）和通過(guò)透鏡后會(huì)聚了的光斑圖像（主要用于測(cè)量計(jì)算）。單CCD 設(shè)計(jì)透鏡開(kāi)關(guān)1 次需要費(fèi)時(shí)18.5 s，雙CCD 設(shè)計(jì)比單CCD 去掉了透鏡的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而達(dá)到節(jié)省時(shí)間，提高檢測(cè)速度的目的^[4]。

綜上所述，本課題最終采用雙CCD 設(shè)計(jì)，追光法和分光法兩者融合的技術(shù)，具有全自動(dòng)追光和全自動(dòng)測(cè)量功能，不僅大幅提升檢測(cè)速度，而且大大提高檢測(cè)準(zhǔn)確率和成功率。具體設(shè)計(jì)原理和方法如圖1所示。

圖1 雙CCD光路結(jié)構(gòu)圖

2   機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀總體設(shè)計(jì)

儀器的總體設(shè)計(jì)包括三大部分：立柱、光接收箱、底箱^[5]。立柱是檢測(cè)儀光接收箱垂直運(yùn)動(dòng)的支撐導(dǎo)向柱，同時(shí)也是檢測(cè)儀人機(jī)交互接口、主機(jī)和數(shù)據(jù)通訊接口，立柱上安裝了檢測(cè)儀移動(dòng)按鍵、檢測(cè)儀的液晶顯示屏及觸摸屏、光電池。光接收箱是由一套光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)組成，包括光路結(jié)構(gòu)、成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)四大部分組成，可以對(duì)照射進(jìn)入的光束進(jìn)行光強(qiáng)和照射角度的測(cè)量，內(nèi)部安裝了兩個(gè)CCD。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

底箱是前照燈檢測(cè)儀的支撐裝置，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。主要裝有電源系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、霍爾傳感器、行程開(kāi)關(guān)、剎車(chē)片、離合器等，其中水平與垂直方向的伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)檢測(cè)儀水平方向與垂直方向的運(yùn)動(dòng)。

圖3 底箱結(jié)構(gòu)圖

3   機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

本文硬件采用雙核的ARM Cortex A7 搭載Android作為主控系統(tǒng)，包括系統(tǒng)管理層和系統(tǒng)接口層，主要論述人機(jī)交互、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

硬件設(shè)計(jì)了一種基于國(guó)產(chǎn)全志科技T3 處理器的多接口檢測(cè)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、輸入控制信號(hào)、輸出控制信號(hào)、圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸、霍爾和光電傳感器控制、行程開(kāi)關(guān)控制等，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

系統(tǒng)管理層即燈光檢測(cè)系統(tǒng)硬件包括：T3 處理器主板、人機(jī)界面、以太網(wǎng)通訊、RS232 串口通訊、USB通訊、Wi-Fi 通信。其中，人機(jī)界面完成人機(jī)交互，Wi-Fi 通信、以太網(wǎng)、RS232 串口和USB 通訊方便用戶(hù)連接其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳輸實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)接口硬件包括：圖像采集接口、輸入和輸出控制信號(hào)接口、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制接口、霍爾和光電傳感器接口、行程開(kāi)關(guān)接口等。

4   機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)采用Android 嵌入式操作系統(tǒng)+ 應(yīng)用程序架構(gòu)。軟件主要在T3 處理器主板完成，利用ARM實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量光信號(hào)和高度信號(hào)接收、解析、通訊和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)反映光信號(hào)和高度信號(hào)的特性，并且把測(cè)量結(jié)果通過(guò)Wi-Fi 通信實(shí)時(shí)傳送到相關(guān)監(jiān)測(cè)部門(mén)。

檢測(cè)儀不僅采用純軟件的標(biāo)定流程，只需點(diǎn)擊不同的按鈕即可完成全部標(biāo)定；而且采用可視化操作界面，直觀明了，升級(jí)方便。檢測(cè)儀軟件主要設(shè)計(jì)為控制模塊、測(cè)量模塊、調(diào)燈模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、通信模塊、標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、打印模塊、幫助模塊共9 個(gè)部分。其中：

1）控制模塊負(fù)責(zé)控制主機(jī)的一切動(dòng)作，響應(yīng)主機(jī)控制面板上的按鍵，響應(yīng)用戶(hù)通過(guò)控制軟件而控制按鈕的輸入命令，響應(yīng)上位機(jī)的控制命令；

2）測(cè)量模塊根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行各種模式的測(cè)量；

3）調(diào)燈模塊進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)燈；

4）參數(shù)設(shè)置模塊進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，如檢測(cè)模式，預(yù)置高度，復(fù)位方式，追光速度，通信協(xié)議，左主遠(yuǎn)燈合格范圍等十一大項(xiàng)，31 個(gè)參數(shù)的設(shè)置；

5）通信模塊主要負(fù)責(zé)主機(jī)與主機(jī)，主機(jī)與外部設(shè)備之間的通信；

6）標(biāo)定模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)遠(yuǎn)光和近光偏角，光強(qiáng)，高度的標(biāo)定工作；

7）數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊主要負(fù)責(zé)保存，查詢(xún)，瀏覽，刪除檢測(cè)數(shù)據(jù)；

8）打印模塊主要是打印實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)系統(tǒng)中打印以往數(shù)據(jù)；

9）幫助模塊主要是提供幫助，包括一些即時(shí)的提示，和完整的幫助文檔。

5   實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀為：佛山翰創(chuàng)檢測(cè)儀器有限公司MKD-801 型。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖5。

1）本實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)佛山翰創(chuàng)MKD-801 型機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)論是前照燈的遠(yuǎn)光或近光，都能采用類(lèi)視覺(jué)的追光系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)、快速的光軸定位，并且全自動(dòng)完成對(duì)前照燈發(fā)光光強(qiáng)及光軸的偏移量的動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量，測(cè)量誤差優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）佛山翰創(chuàng)MKD-801 型檢測(cè)儀，整體性能均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，目前產(chǎn)品已經(jīng)批量銷(xiāo)售兩千多臺(tái)，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

6   結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了一款全自動(dòng)、智能型的對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈的遠(yuǎn)、近光進(jìn)行檢測(cè)的儀器。對(duì)儀器的檢測(cè)原理和方法、總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)做了整體闡述，并簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。檢測(cè)儀不僅控制方式多樣化，人機(jī)界面友好；而且配備數(shù)據(jù)庫(kù)管理，對(duì)外通信，在線(xiàn)調(diào)燈等功能，使其不僅適合于機(jī)動(dòng)車(chē)安全技術(shù)檢測(cè)站用戶(hù)，也適用于機(jī)動(dòng)車(chē)制造廠、維修廠、燈具廠等眾多不同用戶(hù)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)前照燈進(jìn)行調(diào)整、檢驗(yàn)，是真正的新一代燈光檢測(cè)儀。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）