新型汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)的研究

李莉莉，吉孔武，孔 軍，方 赟，別 超

(1.武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070;2.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北武漢430070)

后視鏡是汽車上重要的主動安全部件，是駕駛員獲得良好間接視野最重要的保證之一，在進行后視鏡合理布置設計時必須考慮視野是否符合法規(guī)要求［1］，是否能夠滿足使用要求。曲率半徑作為后視鏡的一個重要基本參數，直接關系到后視鏡的視野大小和影像質量。在國家標準GB15084－2006中，曲率半徑由曲率半徑測量儀測得［2］，并規(guī)定了曲率半徑測量儀的結構、原理及測量方法，給出了從曲率半徑測量儀讀數到曲率半徑的換算表，但是在實際操作時過程繁瑣，耗時費力，且測量精度不高，因而也影響了曲率半徑測量儀的普及和使用。因此，迫切需求開發(fā)一種更為方便簡單的檢測系統(tǒng)。筆者針對后視鏡曲率半徑檢測的實際問題，設計了一種新型檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡便、通用性強、檢驗時間短、精度高，大大提高了汽車后視鏡曲率半徑的檢測效率，對提高汽車的安全性和汽車產品質量都有重要的意義和實用價值。

1 后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)組成

圖1為汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)組成圖，該系統(tǒng)由用戶界面、控制模塊、數據采集模塊，以及存儲輸出模塊構成。用戶界面運用軟件LabVIEW編程生成，控制模塊包括運動控制卡和伺服電機，數據采集模塊包括激光傳感器，儲存輸出模塊包括工控機和打印機。

圖1 汽車后視鏡曲率半徑檢測系統(tǒng)組成圖

后視鏡先被固定在三軸坐標X－Y平臺上，為了滿足不同型號規(guī)格后視鏡的定位要求，采用在后視鏡固定板上打孔，螺釘鎖緊的辦法固定后視鏡。激光傳感器固定在三維坐標平臺Z軸導軌上，距離后視鏡的高度在測量范圍內。運動控制卡從工控機接收控制命令，產生脈沖和方向信號，控制伺服電機的轉向和轉速，X、Y、Z三軸導軌都由伺服電機驅動，帶動激光傳感器按照預先設定的軌跡移動，進而傳感器采集后視鏡表面的數據點。工控機為一臺工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)軟硬件的配置和設置，同時，傳感器的運動狀態(tài)以及檢測到的數據點會基于軟件LabVIEW在工控機顯示界面上顯示，系統(tǒng)測試結果可以存儲并由打印機打印輸出。

2 系統(tǒng)結構總體設計

2.1 運動控制模塊設計

檢測系統(tǒng)的運動控制模塊硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 運動控制模塊硬件組成框圖

2.1.1 運動控制卡

運動控制卡負責系統(tǒng)的實時控制，只需要從工控機接收控制命令［3］，調用運動函數控制多軸伺服電機的轉速和轉向，該系統(tǒng)的控制對象為三軸交流伺服電機，主要功能是使執(zhí)行元件激光傳感器連續(xù)、準確地運動到指定位置。

深圳某公司DMC運動控制卡兼容PCIV2.3標準的32Bit PCI標準半長卡規(guī)范。其可提供四軸的脈沖和方向控制信號，同時提供多種運動控制功能，如伺服驅動器信號、編碼器信號、機械位置控制信號、手輪脈沖信號接口，以及同時起停信號和通用輸入輸出信號的控制功能。該型號的卡提供多種版本Windows下的驅動程序以及在VB、VC和LabVIEW等多種環(huán)境下開發(fā)所需的函數庫。

2.1.2 伺服電機

由于伺服電機在諸多性能方面都優(yōu)于步進電機，且伺服驅動裝置是機電系統(tǒng)的核心。在檢測過程中，能否較好地實現三軸的運動，直接關系到傳感器的采集效率和質量。

3個伺服電機通過聯軸器實現與滾珠絲杠直聯，滾珠絲杠通過軸承與工作臺前后支撐座裝配固定。各種型號電機的規(guī)格項內均有額定轉矩、最大轉矩及電機慣量等參數，各參數與負載轉矩及負載慣量間要有相關聯系存在，選用電機的輸出轉矩應符合負載機構的運動條件要求，如加速度的快慢、機構的質量、機構的運動方式(水平、垂直、旋轉)等;運動條件與電機輸出功率無直接關系，但是一般電機輸出功率越高，相對輸出轉矩也會越高。因此，慣量越大，需要的加速及減速轉矩越大，加速及減速時間越短，需要的電機輸出轉矩越大［4］。

綜合考慮，在該系統(tǒng)中，采用3個高精度的日本某公司MINAS系列的三相異步伺服電機MHMD以及適配驅動器MBDHT2510E作為傳動部分的驅動裝置。伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。MHMD伺服電機帶有17位編碼器，驅動器每接收217=131 072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為 360°/131 072=9.89 s，控制精度非常高［5］。此外電機規(guī)格為高慣量、小容量，交流電壓為200 V、額定輸出功率為400W，額定轉速為3 000 r/min，額定轉矩為1.3 N·m，具有快速、智能、輕便等優(yōu)點。

2.2 數據采集模塊設計

2.2.1 激光傳感器

傳感器是整個檢測系統(tǒng)的關鍵部件和首要環(huán)節(jié)。傳感器質量的好壞，會影響到測量的精度，一般需要通過若干個主要性能參數來表示。各種傳感器的變換原理、結構、使用目的、環(huán)境條件雖然各不相同，但是對它們的主要性能要求是一致的。根據實際測量的要求，在保證其主要性能指標滿足的情況下，適當放低對次要性能指標的要求，以獲得較高的性能價格比［6］。由于后視鏡表面光潔度高，不允許在被測表面留下劃痕，因此接觸式測量方法不適合，故采用非接觸式測量方法，選用的傳感器來自上海某公司的LOD2系列激光傳感器(透明玻璃表面檢測)，其優(yōu)點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，測試效果圖如圖3所示，測量范圍為65～105 mm，測量精度達到10 μm，線性度為 ±0.1%F.S(F.S=40 mm)。通信協議為RS422，通信串口選串口0，波特率為9 600 b/s，8個數據位，無校驗位。

圖3 激光傳感器測試效果圖

激光傳感器采用的是脈沖激光測距，即用激光脈沖器向目標發(fā)射一列很窄的光脈沖，光斑大小為0.75×1.25 mm，光到達目標表面后，反射到接收器上，通過測量光脈沖從發(fā)射到返回接收器的時間，可計算傳感器與目標之間的距離d［7］。

2.2.2 RS422/232 接口轉換器

因為激光傳感器的輸出接口為RS422，而大多數的工控機默認只帶有RS232接口，要使傳感器與計算機相連接，必須使用一個RS422/232接口轉換器，才能將RS232串行口發(fā)送的TXD和接收的RXD信號轉換成四線平衡全雙工的RS422信號。

3 軟件控制系統(tǒng)設計

3.1 軟件功能

軟件開發(fā)和程序設計是檢測系統(tǒng)重要的工作。根據檢測系統(tǒng)的設計需求，系統(tǒng)上位機的應用程序應實現以下功能:

(1)數據采集功能，即能與下位機建立通信，能將激光傳感器采集的數據傳送給上位機的應用程序以及位置信號;

(2)命令發(fā)送功能，能將命令傳給下位機，即運動控制卡，采用RS232通信協議;

(3)實時數據曲線繪制功能，即能將采集的數據以點或曲線在上位機上顯示出來;

(4)參數設置功能，即能在顯示界面上進行參數設置;

(5)數據保存功能，即能將實驗數據存儲下來，以便日后分析調用;

(6)狀態(tài)顯示功能，即能顯示當前工作是否正常，并能在不正常時報警［8］。

3.2 測試開發(fā)軟件LabVIEW

工控機應用程序是數據實時采集系統(tǒng)的中心，可采用LabVIEW編程。它是一個高效的編譯型圖形化編程語言，其特點如下:

(1)能完成對固體表面距離的測量;

(2)主界面與多重窗口結合，可完成對數據連續(xù)的采集、存儲、系統(tǒng)的參數設置、數據點的波形顯示、被測參數的輸出等綜合功能;

(3)可以充分利用LabVIEW平臺和Windows視窗所提供的良好操作環(huán)境，集曲線、圖形、數據于一體，準確描述過程參數的變化［9］。

通過LabVIEW編輯界面程序，調用控制卡中的運動函數庫，動態(tài)改變脈沖頻率，控制電機的轉向和轉速，來控制伺服電機，使激光傳感器按照預定的軌跡運動。運動參數設定包括軸號、起始速度、運行速度、加減速時間和運動距離等;運動控制程序包括運行、變速、變位和停止等;控制效果顯示包括位置和速度等［10］?？刂圃囼炁_激光傳感器單軸運動參數設置界面如圖4所示。從圖4中可以看出，運行速度為1 000 mm/s時，加減速時間僅為0.5 s，效率非常高。

3.3 軟件總體流程圖

圖4 參數設置界面圖

運動控制操作主要是通過界面參數的輸入，控制卡發(fā)出的脈沖與方向信號來驅動伺服電機。調用DMC運動卡函數庫中的運動函數，改變脈沖頻率，控制伺服電機的轉速與轉向，使運動軸按指定的方向和轉速運動，實現移動部件準確運動［11］。

軟件設計遵循了軟件工程的設計原則，按各任務模塊進行設計，整個軟件總體流程如圖5所示。硬件連接成功上電后，傳感器進入等待命令測量狀態(tài)，首先讀取并設置各項參數，如傳感器地址、序列號等，這些也是依據通信協議通過發(fā)送不同指令來完成。各項參數初始化完畢，即可發(fā)送測量指令，可單次發(fā)送，也可設置時間間隔進行連續(xù)發(fā)送測量，接著傳感器返回數據，如果正確返回數據，即為所測距離值，如果不能返回數據，則重新發(fā)送測量指令，直到成功返回。對于同一位置，設置時間間隔為0.1 s，進行連續(xù)多次測量，記錄數據并存儲。

圖5 軟件總體流程圖

4 結論

該系統(tǒng)的機械結構設計具有較強的針對性，信號響應迅速，軟件控制系統(tǒng)執(zhí)行效率高，完全能夠達到項目設計的預期要求。因此該系統(tǒng)對縮短后視鏡設計開發(fā)周期、提高車身總布置設計工作效率及降低開發(fā)成本具有一定的意義。

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