（机械设计及理论专业论文）移动式汽车轴距差检测仪的设计研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 移动式汽车轴距差检测仪的设计研究 摘要 车辆轴距差是汽车安全性能的必检项目，是交通部的重点研究课题。本论文主要研 究、论述了移动式汽车轴距差检测仪的设计思路、设计原理及实施过程。提出了以移动 式检测来取代静态检测二维检测取代一维检测的轴距差检测原理；并使用工控机与单 片机的二级数据采集控制系统进行数据采集，在很大程度上提高了检测精度。本论文解 决了移动式轴距差检测的核心技术问题，具有一定的工程实际意义。 在汽车高速行驶中，如果汽车的轴距差超过了一定值，就会影响车辆的f 常行驶， 造成轮胎磨损严重、转向失准，跑偏，尤其是制动时会发生侧滑，严重影响汽车的安全 性能，给汽车的安全行驶带来极大隐患。传统的检测方法是采用米尺测量，靠肉眼检测， 这种方法不仅效率低而且精度差。 为了提高检测精度，本课题采用移动式检测的方法，使激光传感器在轨道上匀速直 线行进，避免了汽车因行进产生的振动所造成的偏差。在对测试方案的选取上，本课题 采用二维检测法，即在对车轮位置进行了第一次检测后，将轨道偏转一定角度，实施二 次检测：将两次检测数据带入所建的数学模型，得出四个轮心的精确位置，并准确计算 出两轴平行度，从而有效避免了一维测试时轴距状况混淆判定的弊端。 本论文制定了机械传动装置的设计方案，设计了通过步进电机驱动的信号检测装 置，采用齿轮一齿条传动原理，从而实现了激光传感器对轴距的精确测量。并利用转角 装置使轨道偏转一定角度，然后实施二次检测。 考虑到本课题仍处于研究开发阶段，同时考虑到设备制造成本问题，在本论文工作 中，具体实施了实验装青的设计与制作，以此来验证检测原理及检测系统的实用性。将 激光传感器固定于实验车上，确保实验车在行进过程中，激光发射器和接收器始终对f ， 同时实现了实验车在轨道上匀速直线运动的精确控制。 本论文在设计了轴距差检测原理和检测机械装最后，进行系统功能的具体实现。硬 件电路的设计主要包括步进电机驱动电路的设计、激光传感器信号采集电路的设计，以 及单片机与上位机串口通信电路的设计。在激光信号采集电路中，应用光电耦合电路进 行光电隔离，并加入滤波电容滤掉高频干扰信号等抗干扰措施，有效提高了硬件电路的 抗干扰能力。 软件系统采用汇编语言进行单片机软件的开发。经过对检测系统功能分析，编制上 h 东北大学硕士学位论文 位机软件分别实现串口通信、步进电机的驱动和数据采集的功能。采用v i s u a lc 抖6 0 进行上位机软件的开发，通过串口发送指令可以实现对单片机的控制，并对单片机发送 的数据进行处理，最终计算出轴距差。 论文的最后一部份对完成的研究工作进行了总结，对存在的问题做了分析和说明， 并对本产品的未来研究内容给出了相应建议。 关键词：单片机；串蜀通信：汽车轴距差；激光传感器 东北大学硕士学位论文 a b s t m c t a u t o m o t i v ew h e e l b a s e sd i f f e r e n c e o f a u t o m o b i l ei n s t r u m e n t d e s i g nr e s e a r c h a b s t r a c t t h ew h e e l b a s e sd i f f e r e n c ei st h ea u t os a f e t yp e r f o r m a n c em u s te x a m i n et h ep r o j e c t ，i s m i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n sk e yr e s e a r c ht o p i c t h ep r e s e n tp a p e rm a i nr e s e a r c h ，e l a b o r a t e d t h em o t i o nt y p ea u t o m o b i l ew h e e l b a s e sd i f f e r e n c ei n s t r u m e n td e s i g nm e n t a l i t y , t h ep r i n c i p l e o fd e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s p r o p o s e db ym o v e st h et y p et oe x a m i n es u b s t i t u t e s f o r t h es t a t i c e x a m i n a t i o n ，t w o d i m e n s i o n a le x a m i n a t i o ns u b s t i t u t i o no n e d i m e n s i o n a l e x a m i n a t i o nw h e e l b a s e sd i f f e r e n c ee x a m i n a t i o np r i n c i p l e ；a n du s el a b o rc o n t r o l l i n gm a c h i n e a n dt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tt w op r o g r e s s i o n sc a r r yo nt h ed a t aa c q u i s i t i o na c c o r d i n g t ot h eg a t h e r i n gc o n t r o ls y s t e m ，i n c r e a s e dt h ee x a m i n a t i o np r e c i s i o ni nt h ev e r yg r e a td e g r e e t h ep r e s e n tp a p e rh a ss o l v e dt h em o t i o nt y p ew h e e l b a s e sd i f f e r e n c ee x a m i n a t i o nc o r e t e c h n i c a lq u e s t i o n ，h a st h ec e r t a i np r o j e c tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i na u t o m o b i l eh i 曲s p e e dt r a v e l ，i ft h ew h e e l b a s e sd i f f e r e n c eh a ss u r p a s s e dad e f i n i t e v a l u e ，i tc a na f f e c tt h ev e h i c l e st h en o r m a ls p e e d ，c r e a t e st h et i r et ow e a rs e r i o u s l y , c h a n g e s l o s e sa c c u r a c y r u n s ，a p p l i e st h eb r a k ei np a r t i c u l a rw h e nc a no c c u r s i d e s l i p s ，s e r i o u s l ya f f e c t s t h ea u t o m o b i l et h es e c u r i t y p e r f o r m a n c e ，b r i n g st h ee n o r m o u sh i d d e nd a n g e rf o rt h e a u t o m o b i l es a f et r a v e l t h et r a d i t i o n a le x a m i n a t i o nm e t h o du s e st h em e t e rr u l e s u r v e y , d e p e n d so nt h en a k e de y ee x a m i n a t i o n t h i sm e t h o dn o to n l yt h ee f f i c i e n c yl o wm o r e o v e rt h e p r e c i s i o ni sb a d i no r d e rt oi n c r e a s et h ee x a m i n a t i o np r e c i s i o n , t h i st o p i cu s e st h ed y n a m i ce x a m i n a t i o n t h em e t h o d ，e n a b l et h el a s e rs e n s o rt h eu n i f o r ms p e e ds t r a i g h tl i n et om a r c hf o r w a r do nt h e t r a c k ，a v o i d st h ea u t o m o b i l en o n u n i f o r ms p e e ds t r a i g h tl i n em a r c h i n gf o r w a r dw i t ht h e a u t o m o b i l em a r c h e sf o r w a r dt h ed e v i a t i o nw h i c hb e c a u s ev i b r a t e dc r e a t e s i nt h i st o p i ch a s u s e dt h et w o d i m e n s i o n a le x a m i n a t i o nt e s t p l a n ，n a m e l y i nh a sc a r r i e do nt h ef i r s t e x a m i n a t i o na f t e rt h ec a ra x l ep o s i t i o n ，t h et r a c kd e f l e c t i o nc e r t a i na n g l e ，i m p l e m e n t st w o t i m e so fe x a m i n a t i o n s ；l e a d st h em a t h e m a t i c a lm o d e lt w oe x a m i n a t i o n sd a t aw h i c h c o n s t r u c t s ，m a yo b t a i nf o u rw h e e lc e n t e r st h ea c c u r a t ep o s i t i o n s ，a c c u r a t e l yc a l c u l a t e st w o l v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a x e sp a r a l l e l i s m s ，w h e ne f f e c t i v e l yh a sa v o i d e dt h eo n e d i m e n s i o n a lt e s t w h e e l b a s e s c o n d i t i o nc o n f u s i o nd e t e r m i n a t i o nm a l p r a c t i c e t h ep r e s e n tp a p e rh a sf o r m u l a t e dt h em e c h a n i c a ld r i v ed e s i g n p r o p o s a l ，d e s i g n e d t h r o u g hh a ss t e p b y - s t e p p e dt h em o t o r - d r i v e ns i g n a ld e t e c t o rs e t ，u s e dt h eg e a r , t h er a c kd r i v e p r i n c i p l e ，t h u st h er e a l i z a t i o n l a s e rs e n s o rc a r r i e do nt h ep r e c i s i o nm e a s u r i n gt ot h e w h e e l b a s e sd i f f e r e n c e u s i n gt h ec o m e ri n s t a l l m e n t 幻b ep o s s i b l et od e f l e c tt h ea n g l ec a u s e s t h et r a c kt oi m p l e m e n tt w ot i m e so fe x a m i n a t i o n s c o n s i d e r e ds t i l lw a sa tt h er e s e a r c hp h a s eo fe x p l o i t a t i o nt ot h i st o p i c ，a tt h es a m et i m e c o n s i d e r e dt ot h ee q u i p m e n tp r o d u c t i o nc o s tq u e s t i o n ，i nt h ep r e s e n tp a p e rw o r k ，h a s i m p l e m e n t e dt h et e s ti n s t a l l a t i o nd e s i g na n dt h em a n u f a c t u r es p e c i f i c a l l y , c o n f i r m e dt h e e x a m i n a t i o np r i n c i p l ea n dt h ee x a m i n a t i o ns y s t e mu s a b i l i t yb yt h i s f i x e st h el a s e rs e n s o ro n e x p e r i m e n tv e h i c l e , g u a r a n t e e se x p e r i m e n tv e h i c l ei nm a r c h i n gf o r w a r dt h es i g n a lg e n e r a t i n g d e v i c e ，t h er e c e i v e ra l i g n st h r o u g h o u t ，a tt h es a l t l et i m er e a l i z e se x p e r i m e n tv e h i c l eo nt h e t r a c kt h eu n i f o r mr e c t i l i n e a rt r a n s l a t i o na c c u r a c yc o n t r 0 1 a f t e rd e s i g nt h ew h e e l b a s e sd i f f e r e n c ee x a m i n a t i o np r i n e i p l ea n dt h ee x a m i n a t i o n m e c h a n i s m t h ep r e s e n tp a p e rc a r r i e so r lt h es y s t e mf u n c t i o nt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o n t h e h a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i td e s i g nm a i n l yi n c l u d e ss t e p - b y - s t e p st h em o t o r - d r i v e ne l e c t r i cc i r c u i t d e s i g n ，t h eg a t h e r i n gl a s e rs e n s o rs i g n a le l e c t r i cc i r c u i ta sw e l la st h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e d c i r c u i ta n do nt h ep o s i t i o nm a c h i n es t r i n gm o u t hc o m m u n i c a t i o nc i r c u i td e s i g n i nt h el a s e r s i g n a lg a t h e r i n ge l e c t r i cc i r c u i tp a r t ，t h ea p p l i c a t i o np h o t oe l e c t r i c i t yc o u p l e dc i r c u i tc a r r i e so n t h ep h o t o e l e c t r i c i t yi s o l a t i o n ，j o i n st h ef i l t e re l e c t r i cc a p a c i t yt of i l t e ro u tm e a s u r ea n ds oo n h i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c es i g n a l ，e f f e c t i v e l ye n h a n c e dt h eh a r d w a r e e l e c t r i cc i r c u i t r e s i s t a n c et oi n t e r f e r e n c e u s e st h ea s s e m b l yl a n g u a g et ot h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ts o f t w a r ed e v e l o p m e n t ， p a s s e st h r o u g ht oe x a m i n e st h es y s t e mf u n c t i o na n a l y s i s ，c o m p i l e st h es o f t w a r et or e a l i z et h e s t r i n gm o u t hc o r r e s p o n d e n c es e p a r a t e l y , t os t e p - b y - s t e pt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r ya c t u a t i o na n d t h ed a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n u s e sv i s u a lc + + 6 0t oo f fp cs o f t w a r ed e v e l o p m e n t m a y r e a l i z et h r o u g ht h es t r i n gp o r tt r a n s m i s s i o ni n s t r u c t i o nt ot h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tt h e c o n t r o l ，t r a n s m i t st h ed a t at ot h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tt oc a r r yo np r o c e s s i n g ，t h e c o m p u t a t i o nw h e e l b a s e sd i f f e r e n c ei sb a d t h e p a p e rl a s tt h ep a r tt ot h er e s e a r c hw o r kw h i c hc o m p l e t e dh a sc a r r i e do nt h es u m m a r y , h a sm a d et h ea n a l y s i sa n dt h ee x p l a n a t i o nt ot h ee x i s t e n c eq u e s t i o n ，a n dh a sp r o d u c e do w n v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u g g e s t i o nt ot h i sp r o d u c tf u t u r o l o g yc o n t e n t k e yw o r d s ：m c u ；s t r i n gp o r tc o m m u n i c a t i o n ；w h e e l b a s e sd i s t a n c eo f a u t o m o b i l e ；l a s e r d l o d em o d u l c v l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在我的导师李沈副教授的精心指导下 完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：揪7 引彳弘 、 、v 日期： 沪2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名； 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目背景 第一章绪论 “汽车轴距差检测”是国家交通部重点科技攻关课题，该项目于2 0 0 1 年立项。东 北大学设备诊断工程中心研发的第一代产品“静态汽车轴距差检测仪”，在2 0 0 2 年 1 2 月底通过交通部技术鉴定，并且已经投入汽车安全性能检测线和综合性能检测线运 行。 静态汽车轴距差检测仪投入运行后，解决了汽车轴距差检测非接触式、自动化、快 捷性等长期未能很好解决的难题。但是在检测的过程中，由于采用汽车行进、检测装置 静止的测试原理，在轴距差检测过程中很难确保汽车轮胎匀速直线运动：很难确保轮胎 行进轨迹与检测光线的绝对垂直；很难克服汽车行进所带来的基础振动。这些问题的存 在，造成测量误差偏大，所测的数据重复性较差。同时由于采用的一维测量模式的局限 性，使得该测试装黄很难分辨汽车斜置与车轴偏斜的差异。因而，本课题的研究内容及 所提出的解决方案，就是根据汽车轴距差检测的基本需求，和针对上述静态测量所存在 的各种问题而展开的。 近年来，随着我国汽车工业和交通运输的迅速发展，汽车拥有量迅速增加，2 0 0 2 年汽车总量总达1 5 8 0 万辆，其中营运车辆6 7 0 万辆，这些在用车辆技术性能的好坏， 直接影响到行车安全、环境污染、运输效益和燃料消耗。为保证车辆技术状况良好，国 家有关部门先后出台了强制性国家标准机动车运行安全技术条件( g b 7 2 5 8 1 9 9 7 ) 和 营运车辆综合性能要求和检验方法，标准严格地规定了在用车辆的使用技术条件， 达不到标准要求的车辆就不允许上路行驶。这些强制性国家标准的制定有力地保证了在 用车辆的技术状况，防止了重大事故的发生。 随着城市汽车容量的不断增大，汽车的安全性已提到显著的地位来加以考虑。汽车 的环保特性已经成为汽车生产制造厂家进行重点研究的课题，而在用车辆的安全性能的 检验是交通运输管理部门和公安系统重点考虑的问题之，因为这是直接关系到人民生 命财产的安全的头等大事。现在我国国内的各大中小城市均设立安全性能检测线和汽车 综合性能检测线，对营运车辆每年执行一到两次强制性检测，以确保运行车辆的安全性 能和综合性能符合中华人民共和国汽车运行标准，为汽车的安全运行提供了强有力的保 障。 营运车辆在运行过程中，由于道路的颠簸、运行中的偶发事故、汽车出厂装配误差 东北大学硕士学位论文第一章绪论 及运行时超载等众多原因发生汽车前后轴线不平行，前后轮内倾或外倾等现象是屡见不 鲜的，而产生这种不良现象可能导致车毁人亡的重大交通事故。轴距差检测仪正是结合 我国已有的汽车安全性能检测线和综合性能检测线的工作环境和检测原理的需要而研 究和设计的。它的研制开发不仅为我国的汽车安检提供了必要的手段，而且对减少汽车 道路运输的事故发生也将会起到积极的作用，无论从经济效益和社会效益的角度来分 析，本产品的意义都极为重大。 根据国家标准规定，在用车辆轴距和轴距差是汽车安全性能的必检项目，因为轴距 差过大就会造成车辆前后的不平行，它将影响车辆的正常行驶，造成轮胎磨损严重，转 向失准、跑偏，尤其是制动时会产生侧滑，严重影响汽车的安全性能。因此标准中明确 规定“汽车左右轴距差不得大于轴距的1 5 1 0 0 0 ”，这么严格的标准，就需要有科学的检 测手段。而由于检测手段的落后，国家标准根本无法执行，国内外在汽车轴距差检测方 面的研究远远落后于汽车安全检测的需要。( 2 1 本课题在总结国内外学者在该领域研究成果的基础上，应用机、电、仪一体化技术， 以计算机测控技术以及单片机控制原理为基础，实现了对汽车轴距差进行检测。通过对 静态轴距差检测仪的检测原理的分析，探讨了其存在的缺点和不足，来进行移动式轴距 差检测原理的设计。使移动式检测来取代静态检测，二维检测取代一维检测，满足了对 轴距差检测的标准的要求。并提出了用单片机对信号采集，比静态轴距检测精度提高一 个数量级，从而提高了检测系统的分辨率。该课题不仅可以满足汽车轴距差检测的实际 要求，为我国的汽车安检提供了必要的手段，而且对减少汽车道路运输的事故发生也将 会起到积极的作用，无论从经济效益和社会效益的角度来分析，本检测仪的开发研制都 具有重要意义。 1 2 国内外轴距差的研究概况 1 2 1 国外汽车检测技术状况 国际汽车检测维修设各目前处于电子化、集成化的发展阶段，并向一体化迈进。电 子显示、电子控制等技术在这些设备的工作过程中起到了重要的作用，不同功能的检测 设备仪器通过电子基础实现信息传递，走向集成化。如今国外部分汽车检测设备仪器已 是机电一体化、智能化的综合体，产品质量高、工艺性好、使用方便可靠。如f | 本、美 国、德国、意大利等国家汽车检测诊断设备的种类、检测项目与参数、制造工艺、产品 质量等水平均处于世界领先地位，其产品已形成系列化、标准化和规范化。同本的弥荣 公司把汽车制动台、车速台、排放分析仪、噪声仪等与四轮定位动态测定系统组合在一 2 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 起，不但可以测定汽车四轮定位参数，还可测定底盘输出功率、发动机动率、汽车行驶 状态模拟、振动和速度等，具有一机多能的测试功能。口3 根据信息的搜集，并走访了国外汽车保修和检测设备等相关企业，了解到国外汽车轴 距和轴距差检测设备有关信息： ( 1 ) 测量汽车轴距和轴距差通常采用是的四轮定位检测系统检测，而专用的轴距和 轴距差检测设备从我们收集到的信息来看尚未发现类似产品。 ( 2 ) 西方i 鞫家对汽车的轴距和轴距差的检测包括在对车轮的定位中，在汽车出厂时 对安装工位给出严格的限制，而对车辆的轴距和轴距差并不做单独的检测。 ( 3 ) 国外的车辆在维护时有严格的标准和检测手段，用此柬保证轴距在允许的范围 内。 我国汽车的保有量不算最多，但在用车型多，技术水平悬殊，车况特别复杂。与发 达国家相比，我国车辆状况、道路条件差别很大，专业驾驶员、检测员的文化素质相对 较低。经济发展的不平衡，国内区域之间的差别大又是中国的另一特色。由于道路状况 的复杂，这样对汽车的轴和轮胎会有一定的影响，很容易产生轴距差，由于国外都是在 对汽车车轮定位时候换算得出轴距和轴距差，没有专门的检测设备。而且汽车四轮定位 仪在国内应用的不是很广泛，如果通过四轮定位仪检测轴距差，与我国的国情不符。 1 2 2 国内汽车检测技术状况 目前国内大多数的汽车安全性能检测线和综合性能检测线，对汽车轴距和轴距差的 检测还处于人工检测的方式或初级仪器测量阶段。 ( 1 ) 人工测量 人1 测量采用的工具是米尺，其误差大、人为因素多和不能自动记录等众多弊病是 显而易见的。有的检测站为改进米尺测量方式，制造出种直杆式两端带有卡规的轴距 测量装置。从测量原理和精度上上来讲，它并不比米尺测量方式有多大的改进。 ( 2 ) 通过四轮定位仪换算 汽车四轮定位仪实际上并不是为测量汽车的轴距和轴距差而研制的设备，但它可以 间接的获得轴距的几何尺寸。该设备所检测的是车轮定位角和车前束值，而汽车的轴距 和轴距差只能通过换算的方法得到。该设备每检测一台汽车需要半个小时左右，检测时 间长，不适合装配于汽车检测线上，更不适合作为汽车轴距和轴距差检测的专用设备。 ( 3 ) 图像测量识别 该种测量方法是用图像测量技术来检测汽车轴距差，采集汽车直行中轮胎印迹图 该种测量方法是用图像测量技术来检测汽车轴距差，采集汽车直行中轮胎印迹图 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 像，对汽车轮胎的图象进行识别处理，然后采取相对偏差测量法分别测得前后轴的左右 轮心前后位置的差值，来计算轴距差。在此种测量方法中，轮胎的图象边缘的识别时有 误差的产生，数据测量的不够精确，误差在毫米级左右。【4 】 ( 4 ) 静态激光测量 东北大学设备诊断工程中心所开发的轴距差检测仪是用光敏检测法，将激光发射器 和激光接收器固定，当汽车行进过程中，由于轮胎的阻挡，接收器没有收到激光信号， 脉冲记数器记录数据，通过i s a 总线传至上位机进行计算。但由于汽车轮胎的颤动、行 进路线的非直线性，而且i s a 数据采集卡的速度只达到几百k 的速率，造成测量误差偏 大。1 5 】 此外，上述几种方法都几乎都无法识别这样一种混淆状态：即当判定通过检测的汽 车无左右轴距差时，是属于轴距标准的汽车斜置停放还是属于汽车的四轮心连线成平行 四边形的情形。 1 2 3 我国汽车综合雒检测技术发展方向 我国汽车综合性能检测经历了从无到有、从小到大；从引进技术、引进检测设备、 到自主研究开发推广应用；从单一性能检测到综合检测、取得了很大的进步。尤其是检 测设备的研制生产得到了快速发展，缩小了与先进国家的差距。我们虽然已经取得了很 大的迸步，但与世界先进水平相比，还有一定距离。我国汽车检测技术要赶超世界先进 水平，应该对汽车检测技术基础、汽车检测设备智能化和汽车检测管理网络化等方面进 行深入的研究。 l 、汽车检测技术基础规范化 我国在检测技术发展过程中，普遍重视硬件技术，忽略或是轻视了难度大、投入多、 社会效益明显的检测方法、限值标准等基础性技术的研究。随着检测手段的完善，与硬 件相配套的检测技术软件将进一步完善。 今后我国应重点开展下述汽车检测技术基础研究： ( 1 ) 制定和完善汽车检测项目的检测方法和限值标准，如驱动轮输出功率、底盘传 动系的功率损耗、滑行距离、加速时间和距离、发动机燃料消耗率、悬架性能、可靠性 等； ( 2 ) 制定营运汽车技术状况检测评定细则，统一规范全国各地的检测要求和操作技 术： ( 3 ) 制定用于综合性能检测站的大型检测设备的形式认证规则，以保证综合性能检 一4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 测站履行其职责。 2 、汽车检测设备智能化 国外的汽车检测设备已大量应用光、机、电一体化技术，并采用计算机测控，有些 检测设备具有专家系统和智能化功能，能对汽车技术状况进行检测，并能诊断出汽车故 障发生的部位和原因，引导维修人员迅速排除故障。我国目前的汽车检测设备在采用专 家系统和智能化诊断方面与国外相比还存在较大差距。如四轮定位检测系统，电喷发动 机综合检测仪等，还主要依靠进口。今后我们要在汽车检测设备智能化方面加快发展速 度。 3 、汽车检测管理网络化 目前我国的汽车综合性能检测站部分已实现了计算机管理系统检测，虽然计算机管 理系统采用了计算机测控，但各个站的计算机测控方式还千差万别。即使采用计算机网 络系统技术的，也仅仅是一个站内部实现了网络化。随着技术和管理的进步，今后汽车 检测将实现真正的网络化( 局域网) ，从而作到信息资源共享、硬件资源共享、软件资 源共享。在此基础上，利用信息高速公路将全国的汽车综合性能检测站联成一个广域网， 使上级交通管理部门可以郎时了解各地区车辆状况、汽车综合检测站的建设及工艺要 求。【6 】f 7 】 移动式轴距差检测仪的研制，正是应用光、机、电一体化技术，采用计算机测控技 术来对汽车轴距差进行检测，当轴距差超过定的值的时候，要对汽车提出进行轴距矫 正指标。这样可以减少因为汽车有轴距差而导致的事故发生，保证了汽车的正常行驶， 增加汽车的安全性能。它的研制开发不仅为我国的汽车安检提供了必要的手段，而且对 减少汽车道路运输的事故发生也将会起到积极的作用，无论从经济效益和社会效益的角 度来分析，本检测仪的开发研制都具有重要意义。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文主要研究、论述了移动式汽车轴距差检测仪的设计思路、设计原理及实施过 程。鉴于第一代产品“静态汽车轴距差检测仪”的诸多缺点，本文提出了移动式轴 距差检测原理。以传感器移动式检测来取代静态检测，二维检测取代一维检测。并使用 工控机与单片机的二级数据采集控制系统进行数据采集，比原静态轴距检测精度提高了 一个数量级。该课题不仅可以满足汽车轴距差检测的实际要求，为我国的汽车安检提供 了必要的手段，而且对减少汽车道路运输的事故发生也将会起到积极的作用，无论从经 济效益和社会效益的角度来分析，本检测仪的开发研制都具有重要意义。具体研究内容 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 包括以下几个方面： 1 、轴距差移动式检测原理设计 首先对其检测原理进行了改进，使汽车停靠在检测装置上，避免了汽车轮胎的振动 和行驶路线不稳定的缺点。激光传感器随检测车在轨道上运行，在进行了一次检测后， 使检测轨道偏转一定的角度，然后进行二次测量。通过计算得出四个轮一t l , 几何方位的二 维数据，可以精确地得到各个轮心的位置，从而可以通过计算得出轴距差。 2 、移动式轴距差仪的机械结构设计 根据所设计的检测原理，确定检测的机械传动方式，然后进行机械结构原理设计。 由于考虑到成本咀及我们处于开发实验阶段，本课题制作一个实验车代替实际机械结构 做实验，把激光传感器和接收器固定在实验车上，实验车的行进带动激光传感器对模拟 的车轮进行检测。 3 、检测系统的硬件设计 在本论文工作中，设计了检测系统的硬件电路，包括单片机控制驱动步进电机部分、 激光接收电路部分与单片机之间构成的数据采集电路和单片机系统与上位机之间的串 口通讯电路。 4 、检测系统的软件设计 本论文的软件设计工作包括两个方面：一是下位机方面，主要实现接收激光接收器 的信号进行数据采集、控制步进电机以及向上位机发送数据的功能。二是上位机方面， 上位机可以实现与下位机的串口通信的功能，还需进行显示界面的编制以及数据计算。 5 、关于误差分析及精度提高的研究 本课题从电路和程序的两个方面探讨所带来的误差的影响因素，以及提高精度的方 法和途径。 一6 东北大学硕士学位论文 第二章轴距差检测仪检测原理分析 第二章轴距差检测仪检测原理分析 被检车辆进入检测线后，在检测的中间轨道上静止停放。检测装置沿轨道匀速扫描， 激光光线依次被前后轮轮胎阻隔，激光接收器接收不到信号，硬件系统会有相应不同的 状态，获耿到阶梯波形。由检测装置匀速行进的速度和阶梯波形翻转时刻计算前后轮心 距，由左右轮心距来计算轴距差。 2 1 被检车辆各种轴距工况分析 经过实际调研及对汽车前后轴各种可能发生情况的分析，我们可以将被检车辆的各 种工况归纳、总结为以下几种情况： 1 、假定被检车辆停放时，其纵向中心轴线l 恰好与检测装置轨道( 图2 1 中三条 平行线代表轨道) 平行，则各种可能工况如图2 1 所示：f 8 1 l ll ab c 图2 1 汽车轴距的三种情况 f i g 2 1a u t o m o b i l ew h e e l b a s e st h r e ek i n d so f s i t u a t i o n a 汽车停放端e ，无轴距差存在的情形： b 汽车停放端正，有轴距差存在的情形； c 汽车停放端正，无轴距差存在，但四个轮中心连线呈平行四边形的情形，这种前 后轴同向偏斜的情况是更为危险的状态。 2 、在检测汽车轴距差的时候，很容易出现汽车放置偏斜的情况，即汽车的纵向中 心线与检测中心线( 或检测装鼍轨道) 出现一定的夹角占。在这种情况下，各种可能工 ， 中十 东北大学硕士学位论文 第二章轴距差检测仪检测原理分析 况如图2 2 所示 l ll efu 图2 2 检测中的偏斜的情况 f i g 2 2i ne x a m i n a t i o nc r a bs i t u a t i o n e 汽车停放偏斜，但无轴距差存在的情形； f 汽车停放偏斜，并且有轴距差存在的情形； g 汽车停放偏斜，无轴距差存在，但四个轮中心连线呈平行四边形的情形。 如果在上述各种工况下进行一维测量，不仅会带来一定的检测误差，甚至造成对轴 距差存在与否的误判。 2 2 静态检测原理 静态轴距差仪的检测原理为：激光发射器和激光发射器固定，每一组激光发射器对 应着一组激光接收器，汽车车轮分别横跨在接收和发射装置中间。汽车行进通过时，激 光发射器发射的光线被车轮挡住时，激光接收器收不到信号，可以接收到阶梯波形，用 脉冲记数器测得数据。根据测量的速度和加速度来计算轴距，即可得出左右轴距差。通 过对轴距差静态检测的分析，可以得出静态检测的缺点如下： l 、在检测的过程中，由于人为因素，汽车行进未必是直线、匀速的，用两个相邻 的激光传感器之间的平均速度作为汽车行进的初始速度，再由其他几个相邻的激光传感 器计算汽车行进的的加速度，认为汽车是匀加速行进状态。若两个激光传感器之间的距 离足够小的时候，用两点的平均速度作为汽车的即时速度还是可行的，但在实际应用激 光传感器之间的距离不可能无限小，所以初始速度就有一定的偏差。 同理，用三个激光传感器求得的加速度只是汽车行进时的平均加速度，而不是瞬时 一8 东北大学硕士学位论文第二章轴距差检测仪检测原理分析 的加速度。因此静态轴距差检测仪的数据模型在实际应用时很不实用。 汽车在行进过程中由于自身振动带动轮胎的振动等客观因素，也会使测量产生很大 的误差。 2 、由于轴距差静态检测的是一维检测，只是在汽车行进中通过激光传感器在垂直 于汽车行进的方向上对车轮扫描。当汽车行进方向与激光光线不垂直时候，测量得出的 轴距差就会有偏差。 3 、轴距差静态检测采用的是i s a 数据采集卡对激光信号进行采集，其速率较低， 同时信号在采集卡中需要转换，以及向上位机的传输，其问还将造成信号失真和一定的 延迟。i s a 数据采集卡1 0 0 k s p s 的采样速率，每1 0 s 采样一次数据，这样1 0 s 中的 误差也比较大。 综上所述，静态轴距检测的效果并不理想。因此，本文采用了移动式汽车轴距差检 测法。 2 3 移动式轴距差检测原理分析 基于移动式的汽车轴距差检测原理为：使汽车静止不动，而将激光发射器和接收器 安置于在直线轨道上匀速行进的检测车上。激光传感器可以在轨道上移动。每对激光传 感器在轨道上移动过程中，其发出的激光光线对车轮扫描，从而实现轴距差的检测。这 样可以避免人为因素以及轮胎振动造成的测量误差。移动式轴距差检测原理在如下三个 方面进行了改进： 1 、检测车的匀速运动由步进电机来保证，由于步进电机可以确保匀速转动，对速 度的控制可以达到相当精确的程度。因此拟采用单片机来控制步迸电机，驱动激光发射 器和接收器在轨道上实现匀速行走。只要把检测车行进的时间通过检测系统求得，轴距 和轴距差就可以求得。 2 、当汽车的纵向中心线与激光传感器的轨道不平行的时候，即中心线与轨道出现 偏角，即如图2 2 所提及的几种情形。 此时采用一维检测势必会有一定的偏差值，因此要得到其二维数据。若分别在汽车 行进方向和垂直于汽车行进方向对车轮进行检测，可以得出二维数据。但用相互垂直的 轨道进行检测，会增加成本，而且在轨道交叉点检测车因为轨道交叉而产生冲击振动， 造成误差的产生。 可以采用如下方法：在一维检测后，将检测轨道偏转一定的角度日( 在不与车轮相 接触的前提下偏转的角度尽量大) ，然后进行二次检测。根据偏转角目和两次测得的数 9 东北大学硕士学位论文第二章轴距差检测仪检测原理分析 据，可以得出汽车各轮心的的具体坐标，这样左右轴距和轴距差可以计算获取到。同时 经过二维检测，可阻很容易的辩识出图2 1 中的c 和图2 2 中的d 两种易混淆的状态， 这两种状态在一维检测中它们产生的波形相同，如图2 3 所示： 黼 厂 厂一 平行四边行 厂 厂一 il l _ _ _ _ _ _ _ _ 一- ，_ 一 图2 3 放偏和平行四边形的波形 f i g 2 3p u t sa n dt h ep a r a l l e l o g r a mp r o f i l e 这两种状