（车辆工程专业论文）半挂车承载轴偏斜角检测系统的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展和汽车保有量的急剧增加，带来的安全、环境、能源等 问题也越来越突出，为此，各国制定的与汽车相关的技术法规越来越严格，从而 对汽车检测技术也提出了更高的要求。同时由于传感器技术、计算机及网络技术、 数据处理技术、图像处理技术等的快速发展，使得汽车主要性能检测越来越全面、 精确，也更趋于安全。 而半挂车承载轴偏斜角的存在，影响半挂汽车的直线行驶性、操纵稳定性、 轮胎的磨损、制动性等等，直接影响到行车安全历来为汽车检测厂家与部门所 重视。 传统的检测轴偏角的方法有人工拉尺测量法和机械检测法。机械检测法是指 原苏联在8 0 年代初用开发的机械式轴偏斜角检测仪进行检测。其检测原理是让汽 车前、后轮都停在两条专用导槽内，导槽内有两个台架，而台架可以前后窜动， 两个台架最初的位置是在同一直线上，当汽车后轴产生偏斜时，台架便依据汽车 前后轴偏斜方向而产生窜动，根据窜动量的大小，测出轴偏斜量；这种检测方法 虽然相对于传统的人工拉尺测量法有所改进，但检测费时，设备成本高，占地空 问大，只能测量单一车型，直到目前为止仍未推广使用。 目前在汽车综合性能检测线中轴偏角的检测常用的有激光法检测和光敏检 测。激光检测法一般用在小轿车上，通过制动滚筒首先对汽车的后轴进行定位。 使后轴得到摆正，并将后轴的偏斜角转化为相应的距离关系，并通过激光测距仪 测出距离，将后轴偏斜角算出。光敏检测法则是在左右车轮相对应的位置上分别 放上光敏三级管( 有发射和接收功能) ，如果车轴不存在偏斜，则在两车轮上的光 敏传感器发射( 或接收) 的光束应重合，如果车轴存在偏斜，则右轮( 左轮) 上 接收的左轮( 右轮) 传感器发射的光束相对于原来的零点位置会有一个偏差值， 此偏差值即为汽车的轴偏角大小。 激光检测法主要用在小型轿车上，因为后轴的摆正能够得到实现，而后轴的 摆正是测量轴偏斜角的基础；激光测试方法的优点在于车辆与检测系统之间为非 接触关系，设备可靠性高。受外界干扰小。缺点是激光发射器造价高，且空间位 置布局困难。光敏检测的优点是制造成本低，光敏管的灵敏度高，但其缺点是轮 青岛理工大学工学硕士学位论文 胎与光敏管的直接接触，光明管易受污物覆盖，影响光敏管的感光灵敏度。 机器视觉是图像技术、模式识别技术以及计算机技术发展的新产物，是实现 智能化、自动化、信息化的先进技术。其特点是测量精确、稳定、快速，可大幅 度提高生产的柔性及自动化程度以提高生产效率。因此本文将机器视觉应用在承 载轴偏斜角检测系统中进行研究。 本文的主要内容有： ( i ) 从理论上分析了半挂车承载轴偏斜角对半挂车安全行驶的影响，建立了 承载轴偏斜角检测的数学模型； ( 2 ) 采用机器视觉系统获取车轮印迹及半挂汽车的全景图像，用m a t l a b 语 言进行图像处理，获得车轮印迹中心及半挂汽车的行驶方向与检测中心的夹角大 小。通过车轮印迹中心坐标与行驶方向角的大小，通过一定的几何关系算出承载 轴偏斜角的大小。重点是对各种经典的边缘检测算子进行了分析、对比，选择适 合承载轴偏斜角检测的c a n n y 算子作为本系统的边缘检测算子： ( 3 ) 在建立数学模型的基础上，针对检测系统的使用要求，对检测系统的检 测台部分进行设计，对图像采集系统及相关硬件进行设计和选取； ( 4 ) 采用模块化的思想，使用v c + + 6 0 对系统软件进行设计。 将机器视觉运用于半挂汽车承载轴偏斜角的检测中，可获得较高的测试精度。 同时，由于检测系统的高度模块化设计，能大大提高检测结果可靠性与维修性。 可以预见，随着图像技术局部边缘识别和摄像机技术的进一步发展，这项技术的 优越性将得到更充分的体现，并将取得更广泛的应用。 关键词半挂汽车；承载轴偏斜角；机器视觉；边缘检测；c a n n y 算子 n 耋璺罂三銮主王耋雪圭主堡兰三 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yi nt h ec a ra n dt h es u d d e ni n c r e a s eo f t h e r e t a i n e dc a r b r i n gm o r eo b v i o u sq u e s t i o n s ，s u c h 鹋s a f e t y 、e n v i r o n m e n t 、e n e r g ya n d 0 1 1 t h ep e r t i n e n tt e c h n i q u ea n dc o d eo ft h ec a l w h i c hw e r ec o n s t i t u t e db yd i f f e r e n t c o u n t r i e sa r em o r ea n dm o r es t r i c t s oi tb r i n g sh i g h 盯r e q u i r e m e n tf o rt h et e c h n i q u eo f c a rd e t e c t i n g b e c a u s et h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n i q u e 、c o m p u t e ra n d n e t w o r kt e c h n i q u e 、d a t ad i s p o s i n gt e c h n i q u e 、i m a g ed i s p o s i n gt e c h n i q u e ，b n n gt ot h e m a i np e r f o r m a n c ed e t e c t i n go ft h eo a rm o r ea n dn m i 豫c o m p r e h e n s i v e 、a c c u r a c ya n d s a f e t y t h ed e f l e x i o n - a n g l eo ft h ec a r r y i n g - a x l e t r e eo ft h es e m i t r a i l a r , a f f e c tt h es a f e t y t r a v e l l i n gd i r e c t l y , s u c ha st h eb e e l i n es t e e r i n gq u a l i t y 、m a n i p u l a t es t a b i l i t yq u a l i t y 、w e a r a n dt e a ro f t h et y r e 、b r a k i n gq u a l i t ya n ds oo n , i ti sa l w a y sl a ys t o r eb yt h ef a c t o r yo f c a r d e t e c t i n g a tp r e s e n t , t h ec , o l f m o nd e t e c t i n gm e t h o d so nt h ed e t e c t i n gl i n eo ft h ea g r s i n t e g r a t e dc a p a b i l i t y a r et h el a s e rd e t e c t i n gm e t h o da n dt h ep h o t o s e n s i t i v e l a s e r d e t e c t i n gm e t h o do r a l l 哪龉o nt h es m a l lc a g f i r s t i t 触e dt h e r e a la x i so f t h ec a ra tt h e p l a c ea c c o r d i n gt ot h er o l l e r , m a d et h en 坩a x i so ft h ec a rc o r r e c t i t u d e a n dt m nt h e r e l a t i o n s h i po f t h ed e f e x t i o n - a n g l ei n t oi n t o t h ed i s t a n c e a n du s e dt h el a s e rr a n g ef i n d e r t od e t e c tt h ed i s t a n c e , a tl a s t , w o r ko u tt h ed e f l e x i o n - a n g l e p h o t o s e n s i t i v ed e t e c t i n g m e t h o di st h a tl a yt h ep h o t o s e n s i t i v et h i r dc l a s st u b eo i lt h ec o r r e s p o n d i n gp l a c eo ft h e l e f ta n dr i g h tw h e e l i ft h er e a ra x i sd o e s n td e f l e x , t h es e n d i n go rr e c e i v i n gb e a mo f l i g h to l lt h el e f ta n df i g h tw h e e ls h o u l db eo f s u p e r p o s i t i o n i f t h e t e a ra x i sd e f l e x e s ，t h e c o r r e s p o n d i n gb e a mo fl i g h to nt h er i g h t ( 1 e r ) w h e e lw h i c hw a ss e n db yt h el e f t ( f i g h t ) w h e e lw o u l db ed e f l e x e dc o m p a r i n gt oz e r op l a c e a n dt h ed e f l e x i n gs i z ei st h e d e f l e x i o n - a n g l eo f t h es e m i - t r a i l o r l a s e rd e t e c t i n gs y s t e mi su s e dm a i n l y0 1 1t h es m a l lc 札b e c a u s et h ec 0 i t e c t i o uo f t h er e a r - a x i si st h eb a s i so fd e t e c t i n g a n dt h ea d v a n t a g eo ft h i sm e t h o di st h a tt h ec a f a n dt h ed e t e c t i n gs y s t e mm eo ft h er e l a t i o n s h i po fn o n - c o n t a c t i t sr e l i a b i l i t yi sh i g h , a n dt h ei n t e r f e r e n c eo f t h eo u t e ri sl e s s b u ti t sd i s a d v a n t a g ei st h a t l a s e re m i t t e r sp r i c e i sh i g h , a n di t ss p a c ep o s i t i o ni sh a r dt ol a y o u t n ea d v a n t a g eo ft h ep h o t o s e n s i t i v e d e t e c t i n gm e t h o di st h a ti t sc o a ti sl o w , a n dt h ed e l i c a c yo ft h ep h o t o s e n s i t i v et u b ei s h i g h , b u ti t sd i s a d v a n t a g ei s tt h er e l a t i o n s h i po fd i r e c t - c o n t a c tt l 诧t w c e r lt y r ea n dt h e m 苎璺罂三銮主三耋璺圭塞堡彗吝 p h o t o s e n s i t i v em b e a n dt h et u b ei sl i a b l et os u f f e rf r o mc o v e r i n go f t h e w k i c hw o u l d a f f e c tt h ed e l i c a c yo f p h o t o s e n s i t i v et h r e e - c l a s st u b e m a c h i n ev i s i o ni sm o d e mt e c h n o l o g yr 恻l u e to ft h ed e v e l o p m e n to f 曲a g c t e c h n o l o g y , p a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i st h ea d v a n c e d t e c h n o l o g yr e a l i z i n gi n t e l l i g e n c e ，a u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o n rc a n i n c r e a s ep r o d u c i n g e f f i c i e n c yb ye n h a n c i n gt h ep r o d u c i n gf l e x i b i l i t ya n da u t o m a t i o nw i t h t h et e s t i n g a d v a n t a g eo fa c c u r a c y , s t a b i l i t ya n dl e s st i m e s om a c h i n ev i s i o ni si n t r o d u c e di n d e t e c t i o no f t h ed e f l e x i o n a n g l eo f t h ec a r r y i n g - a x l e t r e e t h i sp a p e ri n v o l v e sm a i n l yt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h e o r e t i c a l l y , h a v ea n a l y s e dt h ea f f e c t i o nf o r t h ed e f l e x i o n - a n g l eo ft h e e a r r y i n g - a x l i t r e eo ft h e 鳓m i l x a i l e rt oi t ss a f e l yi u ls u c ha s , t h ec a p a b i l i t yo fb e e l i n e s t e e r 、t h ec a p a b i l i t yo f m a n i p u l a t i n gs t e a d y 、t h ew c f l i a n dt e a l o f t h et y r e 、t h ec a p a b i l i t y o fb r a k i n ge t c a n dh a v ee s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ed e t e c t i n g $ y g t e l l lf o r h ed e f l e x i o n a n g l eo f t h ec a r r y i n g - a x l i t r e eo f t h es e m i t r a i l e r 2 i nt h i sp a p e f ，w ea d o p tt h em a c h i n ev i s u a lm e t h o dt oc 叩m t h ep r i n to f t h et y r e a n dt h ep a n o r a m ap i c t u r eo f t h es e m i t r a i l e r u s i n gt h em a t l a bs o f t w a r et oc a r r yt h r o u g h t h ed i s p o s i n go ft h ei m a g e , g o tt h ep r i n t e dc e n t r eo ft h ec a r w h e e la n dt h ea n g l eb e t e e n s t e e r i n go r i e n t a t i o na n dd e t e c t i n gp l a t f o r m sc e n t r el i n eo f t h es e m i t r a i l e r a n du s ct h e d a t at ow o r ko u tt h er e s u l to ft h ed e f l e x i o n - a n g l eo ft h ec a r r y i n g - a x l i t r e eo ft h e s e m i t r a i l e r t h ee m p h a s i si st oa n a l y s ea n dc o m p a r ew i t ht h ed i f f e r e n tk i n d so f c l a s s i c a l o p e r a t o r sf o rc d fd e t l i n ga tl a s t , c h o o s et h ef i t t i n gc a n n yo p e r a t o ra st h eo p e r a t o ro f t h ed e t e c t i n gs y s t e m 3 o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gt h e m o d e l ，a i ma tt h er e q u i r e m e n to ft h ed e t e c t i n g s y s t e m , w eh a v ed e s i g n e dt h ec h c k i n gp l a t f o r ma n dt h ed e t e c t i n gb e a mf o rt h ed e t e c t i n g s y s t e m h a v ed e s i g n e da n dc h o s e nt h ei m a g eg a r b i n gs y s t e ma n ds o m er e l e v a n t h a r d w a r e 4 a d o p t i n gt h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o n , a n du s i n g t h ev c 6 0s o r w a r et od e s i g n f o rt h es y s t e ms o f t w a r e a p p l y i n gt h em a c h i n ev e v a o nt ot h ed c t e c t i n go ft h ed e f l e x i o n - a n g l eo ft h e c a r r y i n g - a 】【l e t r e ew o u l dr a t a i nh i g h e rt e s t i n gp r e c i s i o n , a tt h es a m et i m e , b & q l u s co f t h e l l i g hm o d u l a r i z ed e s i g no ft h ed c t e c t i n gs y s t e m ，c o u l di m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t ym a d m a i n t a i nq u a l i t yo f t h ed e t e c t i n gr e s u l tg r e a t l y s o w ec o u l df o r e s e et h a t , a l o n g 、析t l lt h e f l l r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ei m a g et e c h n i q u ea n dv i d i e o nt e c h n i q u e , t h es u p e r i o r i t yo f i v 要璺垄苫奎：三主堡圭：堡鎏兰 t h i st e c h n i q u ew i l lg a i nm o r ea b u n d a n te m b o d i m e n t , a n dw i l l g a i nm a r ob r o a d a p p l i a n c e k e yw o r ds e m i - t r a i l e r ；d e f l e x i o n - a n g l eo f t h ec a r r y i n g - a x l e t r e e ；m a c h i n ev i s i o n ：e d 铲 d e t e c t i o n ：c a n n yo p e r a t o r v 第1 章概述 随着国民经济的发展，汽车作为联结铁路、水运及公路运输的工具越来越显示出其 重要作用。与其它交通工具相比，它具有较大的机动灵活性，周转快，可直达各运输场 地等优点。因而汽车不断地向高速度、大吨位发展。但汽车的载重量又受到本身结构、 重量和道路、桥梁等条件的限制，因此在现有道路和桥粱的情况下，提高运输生产率的 一个最好措施，就是实现汽车列车化运输。尤其是近几年，我国高速公路发展很快，为 实现汽车列车化运输提供了良好的基础。 汽车列车化运输具有载重量大、劳动生产率高、运输成本低、制造工艺简单、造价 低和维修保养方便等优点，因此受到各国的普遍重视，被广泛应用于各个领域。世界上 许多国家实现了汽车列车化运输，例如在美国，汽车列车运输所完成的货运周转量已达 公路运输货运周转量总数的7 6 3 以上。同时，国外汽车列车运输近几年又有了很大的 发展，其共同特点就是趋向于大载重量、高速度、专用化、装卸机械化、集装箱运输及 广泛采用电子计算机和无线电通讯技术等等。我国汽车列车运输发展也很快，数量品种 也同益增加，但距国外先进水平仍还有一定的距离。我国目前汽车列车的保有量只占载 货汽车保有量总数的1 4 1 ，还远远达不到最佳经济运输的效果，因此实现汽车列车化 运输在我国还需要一个较长的发展过程。 1 1 汽车列车的定义与分类 1 1 1 汽车列车 国标中把汽车列车定义为：“一辆汽车( 载货汽车或牵引车) 与一辆或一辆以上挂车 的组合。州2 1 牵引汽车是汽车列车的动力来源，而挂车是被拖挂车辆，本身不带动力源。 汽车列车能适应多种用途的需要，专用汽车中的厢式、罐式、自卸、起重举升式、仓栅 式、特种结构汽车等均可以采用汽车列车的形式。 根据结构形式的不同，汽车列车又可分为以下五种： ( 1 ) 半挂汽车列车：由半挂牵引车同一辆半挂车的组合。 ( 2 ) 全挂汽车列车：由汽车( 一般为货车) 同一辆或一辆以上全挂车的组合。 ( 3 ) 双挂汽车列车：由半挂牵引车同一辆半挂车、一辆全挂车组合。 ( 4 ) 全挂式半挂汽车列车：由汽车( 货车) 通过牵引拖车连接一辆半挂车的组合。 ( 5 ) 特种汽车列车：由牵引车同特种挂车的组合。 1 重墅堡三奎耋三耋堡圭耋堡垒圣 根据汽车列车的最大装载质量，汽车列车又可分为轻型、中型和重型汽车列车。重 型汽车列车有的最大装载质量可达数百吨。 1 1 2 牵引车 牵引车是汽车列车组合中的动力源，用以牵引挂车来实现汽车列车的运输作业，根 据其结构与功能，牵引车可分为半挂牵引车、全挂牵引车、场内用牵引车三类。 1 1 2 1 半挂牵引车 半挂牵引车是用来牵引半挂车，其结构与普通载货汽车的区别是车架上无货箱，只 作牵引，本身不载货，而且在车架上装有鞍式牵引座，通过鞍式牵引座承受半挂车的前 部载荷，并且锁住牵引销，带动半挂车行驶。半挂牵引车多为在载货汽车底盘的基础上， 选取合适的后桥主传动比，缩短轴距，并在车架上配置鞍式牵引座改装而成的。 按用途分半挂牵引车又可分为大功率高速牵引车和低速牵引车二种。大功率高速牵 引车，主要适合于高速长距离行驶，一般配置大功率发动机，用来牵引厢式半挂车、平 板式半挂车和集装箱半挂车等；低速牵引车最高车速比大功率高速牵引车低，主要用来 牵引阶梯式半挂车、凹梁式半挂车等。 1 1 2 2 全挂牵引车 用于全挂列车和特种挂车列车的牵引，一般由通用的载货汽车改装而成。全挂牵引 车车架上装有货箱可以载货，车架后端的支承架处安装有牵引钩，通过牵引钩和挂环使 牵引车与全挂车联结；特种挂车牵引车的车架上装有回转式枕座，采用可绅缩的牵引杆 同特种挂车联结，在运送超长尺寸的货物时也可通过货物本身将牵引车与特种挂车联结 起来。 1 1 2 3 场内用牵引车 用于飞机场、铁路站口、港口码头、大型企业和游览区内。牵引半挂车或全挂车， 完成货物、游客的运送和船舶的滚装运输作业的牵引车。场内用牵引车一般选用电动机 或内燃机作动力，机动性好，能适应不同货物高度和不同行驶速度的要求。全挂牵引车 大多前后都装有牵引钩，机动灵活，可迅速挂接或脱挂一辆或一辆以上的全挂车：半挂 牵引车则多装有低举升型牵引座，使挂接或脱挂半挂车方便可靠，行驶平稳，适于场内 使用。轻型和中型场内用牵引车多用载货汽车改制，重型场内用牵引车大多是装载机变 型产品。 1 1 3 挂车 2 塞墅矍三奎兰三耋堡圭耋堡鎏圣 挂车是汽车列车组合中的载货部分，在牵引车的带动下实现货物的运输和转移。挂 车车身可按运载货物的不同要求制成各种专用或特殊结构，如罐式挂车、厢式挂车、集 装箱挂车、自卸挂车、乘客挂车、运送专门货物( 小轿车、预制件、粉粒散装物等) 的挂 车等等。 根据牵引联接方式，挂车可分为半挂车、全挂车和特种挂车三类。 1 1 3 1 半挂车 半挂车是用于连接在半挂牵引车辆的拖挂车辆，其部分重量通过鞍式牵引座由半挂 牵引车承担。半挂车按车架结构形式不同可分为平板式半挂车、阶梯式半挂车、凹梁式 半挂车和专用半挂车四种。 1 平板式半挂车 平板式半挂车整个货台是平直的，且在车轮之上，具有大的货台和较高的离地间隙， 多用于公路运输钢材、木材及大型设备等。 2 阶梯式半挂车 阶梯式半挂车车架呈阶梯型，货台平面在鹅颈之后，具有较低的货台，便于货物的 装卸、主要适合运输各种大型设备、钢材等，多用于公路运输。 3 凹梁式半挂车 凹梁式半挂车货台平面呈凹型，具有很低的承载平面和较小的离地间隙，是多用于 场内专用车的一种结构形式，适于超高货物的运输。 4 专用半挂车 专用半挂车是以半挂车底盘为基础改制的各种半挂车，如厢式半挂车、轿车运输车、 管材运输车及半挂油罐车等。 1 1 3 2 全挂车 全挂车通过牵引钩和挂环与牵引车相联结，它的本身重量和装载重量不作用在牵引 车上。为减少轮胎的侧滑、磨损和汽车列车的转向阻力，一般将全挂车前轴设计成转向 轴，有单转盘转向全挂车和双转盘转向全挂车，液压全挂车则采用全轮转向。按最大装 载质量的不同，全挂车可分为轻型、中型和重型全挂车，其中重型全挂车又有重型平板 挂车、重型长货挂车和重型桥式挂车之分，重型全挂车已大多广泛采用液压技术，如液 压悬架、液压转向等，形成了液压全挂车。 1 1 3 3 特种挂车 有两种联结方式，一种为全挂联结的牵引钩挂环式，其牵引杆是可伸缩的以适 3 童星堡三奎耋三耋堡圭茎堡堡塞 应不同长度的货物的需要：另一种为非直接连接式，挂车车台通过货物本身与牵引车上 的回转式枕座联接实现牵引。 本文主要研究的是通过半挂牵引车连接的半挂车的承载轴的偏斜角的检测。通过图 卜1 和1 2 可以对半挂汽车列车和全挂汽车列车有一个更加具体的了解。 图卜1 半挂车的普遍形式 图1 屯 全挂车的普遍形式 1 2 半挂汽车列车在运输中的地位 在1 - l 节已经对半挂汽车有了详细的介绍，国标上对半挂汽车列车的定义是：由半 挂牵引车牵引并且挂车最大总质量的相当一部分由牵引车所承受的挂车。由此可以认 为，用于承载货物的货箱及其底架，前端靠牵引座支承于牵引车，后端通过悬架、半挂 轴及车轮支承于行驶路面，这种形式的挂车称为半挂车，它与牵引车组合为半挂汽车列 车”。 由于半挂汽车列车独特的结构特点，半挂汽车列车在运输上比单车运输具有很多的 4 重星堡三銮耋三茎堡圭茎堡鎏蚤 优越性。具体表现在以下几个方面。 ( 1 ) 在相同的轴荷的情况下，可以提高装载质量，充分利用发动机的功率； ( 2 ) 可以用甩挂( 脱卸) 的方法提高行程利用率，减少空车行程，不需要或少需要列 车停车装卸，运输效率较高； ( 3 ) 单位货物周转成本下降，其中运输货物吨百公里燃料消耗量下降2 0 4 0 ； ( 4 ) 半挂车制造简单、修理费用低，保养方便； ( 5 ) 货箱承载面高度可以做的很低，以利于提高货物装卸的方便性和车辆行驶稳定 性： ( 6 ) 易于完成不能解体的整机、重型机械的运输及特种运输和专业运输。 此外，半挂汽车列车运输较全挂汽车列车也有不少优越之处，其经济性好、外形尺 寸小、总长度短、机动性好。由于牵引车可以制成短轴距，所以有可能减少最小转弯半 径，停放场地和占地面积少，行驶性能好，安全性较高以及保养费用较低。 半挂汽车列车运输经济效益高，使用半挂汽车列车运输木材与单车比较，运输成本 可降低5 7 5 ，如表卜1 所示。 表卜1 c m 0 9 1 汽车列车与单车列车木材运输的比较 车辆平均年产量( 1 )平均超载量( m ，)平均日对次平均台班效率成本( 元皿h ) 单车 4 5 6 65 6 72 6 7 1 3 4 5o 1 3 芈挂汽下列下7 5 1 21 3 81 9 22 1 8 4o 0 7 5 列车l 七单乍扁 1 6 4 7 2 0 0 8 l 1 6 2 降低5 7 7 从德国g c w 3 8 t 的半挂汽车列车与全挂汽车列车的运输效益比较表中可以看出，半 挂汽车列车比全挂汽车列车的经济效益可提高3 0 肛4 0 ，如表1 - 2 所示。 表1 2 德国g c _ 3 8 t 半挂汽车与全挂汽车运输效益比较 车型燃烧消耗( 马克l o o k m )保养费用( 马克1 0 0 k m ) 折旧费( 马克1 0 0 k m ) 拿挂汽车列车4 02 9 2 99 8 4 芈挂汽车列车3 5 42 4 8 89 4 4 半挂汽车列下降低 1 3 1 7 5 4 2 5 童堡堡三奎耋三堂堡圭量堡堡圣 随着公路交通的发展，在同本，公路货物运输在国民经济发展中起着越来越重要的 作用，其1 9 6 0 年的货运量中通过半挂汽车运输的货运量所占的比率为7 5 8 ，到了1 9 8 9 年，这个比率上升n 9 0 4 。在美国，其货物周转量的8 0 由汽车列车承担，其中7 0 又是由半挂汽车列车完成的。在1 9 7 9 年，其挂车产量已达到2 0 9 万辆，比1 9 7 2 年增长4 6 2 ，其中9 0 以上是半挂汽车列车。在8 0 年代初期，其牵引车与货车之比约为2 ：1 ，挂 车与货车之比为4 ：1 。在我国，根据交通部1 9 8 3 年“汽车拖挂运输技术政策的研究”报 告中指出的，半挂车与全挂车之比只有0 0 4 ：l ，1 9 9 0 年力争达到1 ：4 ，2 0 0 0 年争取达到 1 ：l ，由此可以看出，我国的半挂汽车在货物的运输中也将发挥越来越重要的作用“1 。 1 3 半挂汽车列车的发展 随着半挂汽车列车在公路运输中的作用越来越大，世界各国都在积极的研制并生产 半挂汽车列车，部分汽车厂家为了在半挂汽车列车市场中占有一席之地，积极运用新技 术，开发、生产性能更好的半挂汽车列车以适应用户的需要。这些年来，国外的半挂汽 车列车的发展已经表现出了拖挂质量大型化、高速化、整备质量的降低和行驶安全性的 特点。 1 拖挂质量大型化 在汽车运输的实践活动中，为了获得更多的经济利润，提高运输的经济效益，要求 汽车装载质量更大，使得单位货物周转量的成本下降。同时，高速公路网及运输系统的 发展，也为拖挂质量大型化奠定了良好的外部基础。8 0 年代之前，半挂汽车列车的拖挂 质量基本上在2 0 t 4 0 t 之间。 2 半挂汽车列车高速化 由于高速公路网的发展，用户要求半挂汽车列车也能像普通车一样上高速公路，以 提高经济效益。因此，当代的半挂汽车列车普遍装备了更加强劲的发动机，并通过一些 技术手段，降低了列车的风阻，使得半挂汽车列车高速化成为现实。 3 降低半挂汽车列车的整各质量 由于道路法规规定了车辆最大外廓尺寸和最大总质量，个别制造厂正在积极寻求各 种制造轻车身半挂汽车列车的方案，特别是广泛地使用轻合金制造半挂车车厢，以降低 整备质量。 4 提高半挂汽车列车的行驶安全性 由于高速公路网和运输系统的发展，半挂汽车列车趋向大型化和高速化，因此行驶 安全将成为重要问题。为解决行车安全问题，制动系统普遍采用双管路制动、减速制动、 6 重鱼堡三奎量士茎堡耋耋堡鎏圣 按轴荷调节制动与a b s 等装置。为了改善驾驶员工作条件，操纵机构多采用加力装置和 变速器同步器机构，超重型的牵引车往往采用液力变矩器和半自动或自动变速器。驾驶 室的设计注意视野，采用了大挡风玻璃，加大后窗等措施。在车辆的舒适性方面，如 座椅、通风、隔音、空调以及悬架等装置也都作了很大的改进。 目前我国汽车列车的生产厂家已达几十家，主要生产集装厢半挂车、平板式半挂车、 栏板式半挂车、阶梯式半挂车、油罐半挂车、轿车半挂运输车、液压全挂车等各种产品， 以满足各应用领域的使用要求。汽车列车已成为国民经济中不可缺少的交通运输装备， 并发挥着重要的作用。为了适应国民经济迅速发展的需要，汽车列车正在向着大型、重 载、高速、专用、提高操纵稳定性和行驶平顺性的方向发展，发展各种专用汽车列车， 如大型厢式半挂车、罐式半挂车、集装箱半挂车、管材运输车、矿山用液压全挂车及沙 漠专用汽车列车等产品方兴未艾。汽车列车应用领域同益广泛，特别是公路运输行业正 在大力推广汽车列车化运输。如果实现物资和车辆的集中管理和调度，合理地调整运输 车辆结构，增加汽车列车的使用，可以大幅度地提高运输能力，降低运输成本，节约能 源，增加整个车辆运输行业的经济效益。现在无论东部地区还是西部地区，道路条件都 日新改善，大量的物资装备更适用于汽车列车运输，广泛推广“甩挂运输”、“区段运 辖”和“滚装运输”的科学营运方式将更能体现汽车列车这种公路运输工具的独特优势 【j 】 1 4 传统的汽车轴偏斜角检测方法及本文研究的主要内容 由于对半挂车的使用逐渐增多，且半挂车在货物运输中发挥着越来越重要的作用， 因此需对半挂汽车的一些具有安全隐患但暂时没有专用检测设备进行检测的部位，如承 载轴的偏斜角等等，定期的进行检测，以使半挂汽车能更加安全的在公路上行驶，发挥 其重要的作用。 原苏联于8 0 年代初开发出机械式偏斜角检测仪。其检测原理是让汽车前、后轮都停 在两条专用导槽内，导槽内有两个台架，而台架可以前后窜动两个台架最初的位置是 在同一直线上，当汽车后轴产生偏斜时，台架便依据汽车前后轴偏斜方向而产生窜动， 根据窜动量的大小，测出轴偏斜量，这种监测方法虽然相对于传统的人工画投影法有所 改进，但检测费时，设备成本高，占地空间大，只能测量单一车型，直到目前为止仍未 推广使用。 在相对测量法理论的基础上，已经形成了一系列行之有效的汽车轴偏斜角检测方 法。目前在汽车综合性能检测线中常用的检测方法有激光法检测和光敏法检测。 7 童璺堡三奎堂三耋堡主堂堡篁塞 激光检测法一般用在小轿车上，通过制动滚筒首先对汽车的后轴进行定位，使后轴 得到摆i f ，并将后轴的偏斜角转化为相应的距离关系，并通过激光测距仪测出距离，将 后轴偏斜角算出。光敏检测法则是在左右车轮相对应的位置上分别放上光敏三级管( 有 发射和接收功能) ，如果车轴不存在偏斜，则在两车轮上的光敏传感器发射( 或接收) 的光束应重合，如果车轴存在偏斜，则右轮( 左轮) 上接收的左轮( 右轮) 传感器发射 的光束相对于原来的零点位置会有一个偏差值，此偏差值即为汽车的轴偏角大小。 激光检测法主要用在小型轿车上，因为后轴的摆正能够得到实现，而后轴的摆正是 测量轴偏斜角的基础：激光测试方法的优点在于车辆与检测系统之间为非接触关系，设 备可靠性高，受外界干扰小。缺点是激光发射器造价高，且空间位置布局困难。光敏检 测的优点是制造成本低，光敏管的灵敏度高，但其缺点是轮胎与光敏管的直接接触，光 明管易受污物覆盖，影响光敏管的感光灵敏度。 然而，由于半挂汽车特殊的结构，庞大且半挂拖车相对于牵引车易摆动的特点，以 上的检测方法用在半挂汽车的检测上时都会造成结果的不准，因此对半挂车承载轴偏斜 角的检测一直没有动态快速的成形的检测仪器，更多的时候是靠人工拉卷尺测量的方 法，既费时费力又不准确，难以满足检测要求。 对于半挂车承载轴要求，国家标准g b l 8 5 6 5 2 0 0 l ( 营运车辆综合性能要求和检 测方法，吉林科学技术出版社2 0 0 2 年4 月第l 版) 对整车装备的基本要求是：“汽 车列车在平坦干燥的路面上直线行驶时，挂车后轴中心相对于牵引车前轴中心的最大摆 动幅度：全挂汽车列车应不大于2 0 0 m m ；半挂汽车列车应不大于l o o m 。” 基于以上原因，本课题研究的核心内容就是建立半挂车承载轴偏斜角的检测系统。 具体包括以下内容： 1 在理论方面，分析了半挂车承载轴偏斜角对半挂车安全行驶的影响，如直线行驶 性、操纵稳定性及轮胎磨损、制动性等，建立了承载轴偏斜角检测的数学模型。 2 采用机器视觉的方法获取车轮印迹及半挂汽车的全景图像，并使用i a t a l a b 语言 对所获取的图像进行图像处理，获得车轮印迹中心坐标值及半挂汽车的行驶方向与检测 中心线的夹角大小，并通过车轮印迹中心坐标值与行驶方向角的大小算出半挂汽车承载 轴偏斜角的大小。在利用m a t a l b 语言进行图像处理时，重点是对各种经典的边缘检测 算子进行了分析、对比，选择适合承载轴偏斜角检测的c a n n y 算子作为本系统的边缘检 测算子。 3 在建立数学模型的基础上，针对检测系统的设计要求，对检测系统的检测台及检 测横梁部分进行了设计，并对图像采集系统部分及相关硬件分别进行了设计。 8 ! 墅堡三奎主三茎堡圭耋堡堡圣 4 采用模块化的思想，使用v c + + 6 0 对系统软件部分进行了设计。 采用机器视觉检测半挂汽车承载轴偏斜角，具有较高的测试精度及较好的发展前 景。同时检测系统的高度模块化设计使得系统也具有较高的设备可靠性与维修性。随 着图像处理技术、摄像机技术、图像采集卡技术、c a n 总线及工控机技术的进一步发展， 以机器视觉检测为基础的半挂汽车承载轴偏斜角检测系统也将具有更大的优越性和更 好的前景。 9 耋墅矍苫奎耋苫耋堡圭耋堡堡苫 第2 章承载轴偏斜角检测的必要性和可行性 随着我国交通运输业的快速发展，公路运输量不断提高，但是，伴随着公路运输的 发展，汽车交通事故数量不断上升。据我国公安部统计，大货车肇事造成2 1 5 0 5 人死亡， 占总数的2 1 8 。在特大交通事故中，由于车况不良导致的占总数的五分之一，而在普 通事故中这一比例仅为八分之一。可见，改善货车技术状况对保证交通安全具有重要的 意义嗍。 对于半挂汽车，由于长期使用和维修等各种原因，造成半挂车承载轴位置发生变动 和偏移。半挂车承载轴位置发生变动和偏移后，造成了汽车在操纵稳定性、直线行驶性 和汽车抗侧滑等方面的性能下降，从而使半挂汽车行驶安全性降低，容易导致交通事故。 为了保证半挂汽车具有良好的技术状况使其安全、高效的运送货物，尽最大可能 的避免交通事故的发生，除提高驾驶员的自身素质外，最有效办法就是经常对半挂汽车 进行安全方面的检测，如半挂车的前照灯、制动系统及承载轴偏斜角等方面的检测。但 目前半挂车承载轴偏斜角的检测还没有专门的仪器和检测系统来对其进行检测，因此， 开展对半挂车偏转角的检测研究是非常必要和急需的。 在本论文中，主要是对半挂汽车的承载轴偏斜角检测系统进行了设计，此系统若能 应用于实际检测站中，不仅能消除我国目前半挂车承载轴偏斜角无检测设备及系统的空 白，也能使国家标准中的相关规定被相应的检测系统进行检测执行，从而使半挂汽车能 够更加安全的行驶和降低消耗。 2 1 半挂车承载轴偏斜角的定义 在1 4 里提过，国家标准g b l 8 5 6 5 - - 2 0 0 1 对挂车的整车装备的基本要求是：“汽车 列车在平坦