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基于ARM的汽车四轮定位系统的研究.doc

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基于ARM的汽车四轮定位系统的研究.doc

硕士学位论I论文题目基于ARM的汽车四轮定位系统的研究论文英文题目RESEARCHONWHEELALIGNMENTSYSTEMBASEDONARM学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文研究了一种基于ARM的汽车四轮定位测量系统;开发了基于LPC2132单片机的控制系统;采用双轴加速度传感器MXD2020和CCD进行测量;上位机使用ARM9LINUXQT嵌入式系统以取代庞大的PC机。摘要在中国四轮定位仪处于产品成长时期,大部分厂家是贴牌生产或是和国外厂家合作授权生产,有的甚至盗用国外技术生产,而真正拥有研发能力的国内厂家不超过五家。国内自行研发的四轮定位仪以PSD测量方式较多,极少数使用CCD测量方式,当然掌握此项技术的厂家就极少。对于上位部分,据可靠调查,目前在国内外所有的产品都是使用PC作为上位机,这是导致四轮定位仪体积庞大的原因。本文针对我国汽车四轮定位仪的现状,研究出一种基于ARM的汽车四轮定位系统,它主要使用了CCD测量技术,加速度传感器测量技术,红外通信技术。上位机部分,本系统采用了嵌入式ARMLINUXQT平台,实现了人机交互。本文研制的汽车四轮定位仪是拥有自主知识产权的高端检测仪器。本文嵌入式技术的成功运用,将成为汽车四轮定位仪发展的必然方向,并将会对中国汽车安全做出重要贡献。关键词四轮定位,ARM,CCD,嵌入式硕士学位论IIABSTRACTINCHINA,CARWHEELALIGNMENTISINITSSTAGEOFDEVELOPINGPERIODMANYFACTORIESAREOEMSORIGINALEQUIPMENTMANUFACTUREORCOOPERATORS,EVENSTEALINGTECHNOLOGYFROMCOMPANIESABOARDATHOME,LESSTHANFIVEFACTORIESCANDESIGNTHEIROWNPRODUCTIONTHEFOURWHEELALIGNMENTDEVICEBASEDONPSDTAKESUPTHEMAINMARKETINCHINATHESEUSEDCCDTECHNOLOGYTAKESUPONLYASMALLMARKET,ASWELLASFEWFACTORIESTHATOWNTHISTECHNOLOGYACCORDINGTOSURVEY,ASTOHOSTMACHINE,ALLFACTORIESHOMEANDABOARDADOPTPCTOBEHOSTMACHINE,WHICHCAUSESTHEWHEELALIGNMENTSYSTEMTAKESUPLARGEPLACEACCORDINGTOTHECURRENTDEVELOPMENTOFWHEELALIGNMENTSYSTEM,ANEWWHEELALIGNMENTSYSTEMBASEDONARMISDESIGNED,INCLUDINGTECHNOLOGYOFCCD,MMA,INFRAREDCOMMUNICATIONANDEMBEDDEDTECHNOLOGYINARMSUPPORTEDBYLINUXANDQTTHESYSTEMISREGISTEREDWITHSELFOWNEDINTELLECTUALPROPERTYRIGHTSWITHTHESUCCESSFULAPPLICATIONOFEMBEDDEDTECHNOLOGYINTHISSYSTEM,ITWILLDIRECTTHEFUTUREDEVELOPMENTOFCARWHEELALIGNMENTSANDITWILLMAKEGREATCONTRIBUTIONTOTHESAFETYOFCARINDUSTRYKEYWORDSFORWHEELALIGNMENT,BLUETOOTH,CCD,MMA6260Q硕士学位论III目录1绪论111汽车四轮定位的必要性112四轮定位仪产品市场发展现状113课题研究的意义314研究目标、研究内容和拟解决的关键问题42汽车车轮定位参数检测理论421车轮主要定位参数及其作用4211车轮外倾角4212主销后倾角5213主销内倾角6214车轮前束6215推力角7216包容角7217退缩角722车轮定位参数的测量原理8221车轮前束和推力角的测量原理8222主销倾角的测量原理9223车轮定位参数的数学模型103系统总体方案1531硬件系统1532软件系统154测量系统的下位机硬件系统1741处理器介绍1742系统电源和开关控制电路1943无线红外通信电路2144CCD电路22431光电传感器的选型22432TCD1501D结构和工作原理24433时序要求25434驱动参数分析26435CCD驱动模块28436红外光源与光学系统2945CCD视频信号处理29451模拟信号预处理31452模拟信号二值化处理3246倾角测量系统32463传感器的温度补偿365测量系统下位机软件结构3851主程序结构3852红外通信软件结构3853CCD驱动程序40硕士学位论IV54倾角测量程序416上位机系统4361上位机核心处理平台43611ARM微处理器的应用选型43612微处理器的特点44613微处理器的结构4462上位机平台硬件46621SDRAM接口46622FLASH存储器接口46623SD卡接口47624USB接口47625LCD显示模块4863上位机软件平台49631开发平台的选择49632嵌入式LINUXQT系统介绍49633软件平台的搭建5064上位机应用软件程序开发51641串口通信52642数据库模块54643客户管理55645测量与调整软件设计56646X86QTOPIA环境与ARMQTOPIA环境的建立57647软件的编译和移植617传感器标定及试验验证6371加速度传感器的标定6372传感器的零点标定6473轮辋补偿6574试验验证6775调整68结论71致谢72参考文献73攻读学位期间已发表的学术论文及科研成果75辽宁工程技术大学硕士学位论11绪论随着汽车工业及高速道路的快速发展,人们对汽车的舒适性、安全性要求越来越高,对汽车的维修检测技术也提出了新的要求,尤其是四轮定位仪是近来发展普及最快的高端检测仪器术,越来越被修车行业所重视,且成为汽配厂的必备设备。11汽车四轮定位的必要性在现代汽车中,为了使汽车直线行驶、转向轻便、受控力好,并减少轮胎及相关部件的磨损,在轮胎安装和前、后轮的悬挂系统均设置车轮定位角度前后轮前束、前后轮外倾、主销后倾角、主销内倾角(各汽车生产厂家根据不同车型设置不同数据)13。由于更换轮胎或减震器、机械磨损、机件在剧烈颠簸中疲劳变形或车架和机件在碰撞和变形,都会导致车轮定位参数发生变化,特别是转向轮的定位失准,将直接产生轮胎的异常磨损、行驶跑偏、转向沉重等现象。以下情况需要做四轮定位451每行驶10000公里或六个月后2新驾驶3000公里后3直行时车子往左或往右拉4直行时需要紧握方向盘5感觉车身会漂浮或摇摆不定6前轮或后轮单轮磨损7安装新的轮胎后8碰撞事故维修后9换新的悬挂或转向有关配件后12四轮定位仪产品市场发展现状如今市面上的四轮定位仪,种类繁多,五花八门,进口、国产组装,贴牌,更是鱼龙混杂,使用户眼花潦乱,混水摸鱼者大为人在。到目前为止,因为行业标准还没有完全贯彻下去。再加上大多数用户对四轮定位的概念不清,致使很多不法经营者钻空子,打擦边球,蒙骗用户。那么我们就来熟悉一下四轮定位技术发展历程。首先出现的测量方式是最原始的拉尺测量,拉线式测量,四象限元件测量,光敏二极管阵列测量,进而逐步发展到现在的PSD测量,CCD测量,后四种测量方式按照测量光源性质辽宁工程技术大学硕士学位论2又可分为激光式和红外式。而近年来国外又发展出来新的3D影像式的动态测量方式。由于原始的测量方式缺点很多、精度很差,因此,这里重点介绍目前市场上常见的四轮定位仪的检测方式主要有激光、PSD、CCD及3D。其特点分别如下6一激光激光是一种新型光源,它是作为测量系统的光源应用于四轮定位仪,由于激光都是以垂直的直线输出的,因此决定了激光产品束度的测量范围较窄,无补偿且需人工计算推力线,其测量精度低,检测速度慢。因光点与刻度的关系,存在人为误差,而且激光很容易受外界干扰,因此用激光做光源应用于四轮定位仪并不理想。众所周知,激光对人眼视力有一定伤害,所以UL、CE等安全认证很难通过,欧美日本早已淘汰,只是在中国和部分东南亚国家还局部存在。二PSDPSD又称光电位置传感器,我们知道,几乎所有的外国四轮定位都不使用,只有韩国的机器在大量使用,它的工作原理是当PSD的受光面某一位置存在光照的情况下,其输出电流会有相应变化,从而可以得到光照位置,它是一种模拟(DC/AC转换,会有数据丢失)器件。虽然通过使用一些特殊的技术可以在一定程度上避免这些问题,但从原理上限制它只能测量单一光点却是改变不了的。PSD只能使用在工业环境里,就是说PSD的温度漂移严重并且受环境光线的影响。温度变化可以使其输出的零位变化几十毫伏,光线的影响使系统取值不稳定,这两项叠加在一起,便使PSD失去了测量精度和设备稳定性,这点是PSD的杀手(测不准,重复性差)。三CCDCCD是一种半导体数字元器件(又称光电藕合器件),它分为线阵CCD和面阵CCD两种。它是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件,它是在一块硅面上集成了数千个各自独立的光敏元,当光照射到光敏面上时,受光光敏元将聚集光电子,通过移位的方式,将光量输出,产生光位置和光强的信息,因此CCD具有测量精度高(005度以内)、无温度系数、使用寿命长等特点。辽宁工程技术大学硕士学位论3使用CCD有良好的环境适应能力。其他所有的技术都有各种各样的使用上的限制,比如不能在光线复杂的地方使用、不能有强电磁场、温度不能有太大的变化等等,而这些都是普通的修车车间的典型环境。那些不能开门,不能开窗,早晨凉快测量的数据和中午天热测量就不同,不能有大的电机在附近的要求,对于四轮定位来说,实在是有点过分。因此欧美国家生产的四轮定位仪均采用CCD技术,如战车、百事霸、战神等,这也足以说明CCD产品的优势。四3D3D测量方式是采用图像识别技术,用CCD数码相机采集装在车轮反光板上的图像信息,以测量出车轮的相对精度,人工推动车轮前后移动,由CCD摄像头采集信息,求出其坐标和角度。这是一种相当先进的测量方式,目前欧美常用。但他对举升机和转角盘等有严格的机械精度要求,目前国内举升机和转角盘无法与之匹配,影响检测效果,况且标定方式繁琐,价格昂贵,检测速度不快,售后维修较慢,并非国内主流。显然,四轮定位仪涉及了机械、光学、电子、计算机软件、数学模型等多个领域的知识,且互相联系、缺一不可。伴随着科学进步,四轮定位仪产品也将得到进一步完善和提高。13课题研究的意义如今,四轮定位仪的发展仍处于产品的成长期,国外四轮定位厂家只有不超过10家,国内生产四轮定位的有近50家,除去贴牌生产的后,真正能够自己生产的也就在20家左右。他们或是同国外厂家合作授权生产国外中低端产品,或是干脆盗用他人技术自行生产,而真正拥有研发能力,并用之于生产的不超过5家。另外还有一些厂家不注重修炼内功,为了自身的利益,不顾实际谎称自己的产品是CCD或是蓝牙传输的或是其他什么先进技术,这样也就造成了四轮定位市场的混乱,造成一段时间以来投诉率大幅上升。为此交通部检测中心曾对市场上的四轮定位产品进行了摸底调查,对16家送检的产品进行了测试,结果只有4至5家的产品通过了检测,突显市场的混乱7。国内自行研发的四轮定位仪主要采用较原始的PSD测量方式,并且上位机都是采用PC机,体积庞大,价格昂贵。而基于CCD和视觉的四轮定位仪都源于国外的技术,国内还很少。本项目主要工作是基于PSD四轮定位仪的原理,辽宁工程技术大学硕士学位论4研制开发出自己的基于CCD、加速度传感器和无线通信技术的四轮定位仪,掌握检测原理,拥有自主知识产权。14研究目标、研究内容和拟解决的关键问题根据四轮定位的基本测量原理,通过搭建CCD检测电路和数学模型、无线通讯系统、嵌入式操作系统及应用程序等,设计出拥有自主知识产权的四轮定位仪。研究内容研究四轮定位仪检测原理。实现线阵CCD对光束位置的数字检测。实现加速度传感器对倾角的数字检测,完成传感器检测板的电路及程序设计。实现基于ARM9核心的嵌入式系统,实现上位机与传感器间的无线通讯,实验校准。解决的关键问题1根据检测原理推倒出CCD检测的数学模型。2下位机电路板及程序的设计。3上位机及下位机的通讯及CRC检效,上位机嵌入式系统的软件设计。4系统的测试与校验。2汽车车轮定位参数检测理论21车轮主要定位参数及其作用车轮定位参数包括前轮前束、前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾、后轮前束、后轮外倾角、车辆轮距、车辆轴距、转向20度时的前张角、推力角和左右轴距差等。在检测项目中,车轮前束、车轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角统称为前轮定位,又称前轮定位四要素,各种前轮定位仪都能完成其检测任务。但随着现代汽车的发展,出现四轮转向,所以操纵稳定性不仅仅由前轮定位来保证,后轮定位也起着至关重要的作用,所以,最好使用四轮定位仪检测和调整。211车轮外倾角车轮外倾角是指车轮中心平面与汽车垂直平面的夹角,如图21所示。当车轮顶部向汽车外部倾斜时角度为正,反之为负。车轮外倾角主要作用是使车轮与地面的动态承载中心得到合理的分配,从而达到提高机械零件的使用寿命,减少轮胎的磨损等效果。若车轮外倾角不正确,轮胎会出现异常的磨损,汽车在行驶时也会发生偏驶的现象。当车轮具有负外倾时小车,可减少汽车辽宁工程技术大学硕士学位论5高速转向行驶时的转向盘操纵力,增加汽车直线行驶时车轮轴承的轴向靠紧力,提高行车安全性。负外倾正外倾图21外倾角示意图212主销后倾角注销后倾角是指悬架上球头或支柱顶端与下球头的连线(为主销,汽车在转向时车轮绕其旋转)与铅垂线,且从汽车的侧面观察的夹角如图22。上球头在铅垂线的后方为正,反之为负。主销后倾角的主要作用是当汽车行驶时转向轮形成可自动的回正力矩,使汽车保持直线行驶。因此主销后倾角会影响汽车转向稳定性和方向盘的自动回正作用。图22主销后倾角示意图

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