一款全自動(dòng)機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀的動(dòng)態(tài)特性研究與實(shí)現

0 引言

機動(dòng)車(chē)前照燈的安全檢測是保障機動(dòng)車(chē)行車(chē)安全的一個(gè)重要因素。世界各國對機動(dòng)車(chē)前照燈有嚴格的安全檢測要求，在我國隨著(zhù)科技和新能源汽車(chē)的加速發(fā)展，汽車(chē)保有量呈現井噴式增長(cháng)，交通運輸安全變得越來(lái)越重要。前照燈主要是用于機動(dòng)車(chē)夜間行駛照明，它的安裝角度及發(fā)光強度和照射方向等參數對于行車(chē)安全是至關(guān)重要的。所有前照燈夜間同時(shí)照明時(shí)，應具有能使駕駛員看清前方150 m 距離以?xún)冉煌ㄕ系K物的性能^[1]，照明光束應對準車(chē)的前進(jìn)方向，主光軸的方向應該偏下。前照燈的發(fā)光強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)里的駕駛員造成眩目，妨礙視野，這些都是導致事故的重要因素。

為了降低行車(chē)事故，確保行車(chē)安全，機動(dòng)車(chē)在出廠(chǎng)前，其前照燈性能參數必須調整正確；機動(dòng)車(chē)使用過(guò)程中，前照燈的安全檢驗必須經(jīng)?；椭贫然?。國家決定實(shí)施GB7258—2012《機動(dòng)車(chē)運行安全技術(shù)條件》和GB18565-2016《道路運輸車(chē)輛綜合性能要求和檢驗方法》^[2]國家標準，其中規定了前照燈的發(fā)光強度、照射位置及檢驗方法，使我國的車(chē)輛檢驗制度更加嚴謹、更加規范。因此，有必要對機動(dòng)車(chē)前照燈進(jìn)行深入研究和檢測，而研制出相應的精確測量?jì)x器設備可以為機動(dòng)車(chē)前照燈的研究提供有利依據，必將對我國汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展做出應有的貢獻。

1   機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀檢測原理和方法

機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀需要測量前照燈遠光發(fā)光強度、遠光光束偏移量、近光明暗截止線(xiàn)交叉點(diǎn)偏移量以及前照燈基準中心高度等各項參數^[3]。

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

CCD 追光和測量設計有兩種：一種是單CCD 設計，另外一種是雙CCD 設計。單CCD 設計采用1 個(gè)攝像機，通過(guò)開(kāi)關(guān)透鏡來(lái)計算偏移角度，整體設計經(jīng)濟實(shí)用，但是檢測速度偏慢。雙CCD 設計是在單CCD 的基礎上進(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 設計簡(jiǎn)單易用，但是在線(xiàn)調燈時(shí)，單CCD不能在追光的同時(shí)實(shí)時(shí)計算角度，使得調燈時(shí)不能通過(guò)測量來(lái)實(shí)時(shí)反映新的角度，只能通過(guò)圖像相對于屏幕中心的坐標和儀器當前的脈沖坐標來(lái)計算新的角度，從而使得調燈時(shí)左右方向的偏角誤差較大，而雙CCD 設計則通過(guò)實(shí)時(shí)采集透過(guò)透鏡后的圖像來(lái)計算角度解決這個(gè)問(wèn)題。

雙CCD 設計優(yōu)化光接收箱的光路，使用分光法，讓機動(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（主要用于測量計算）。單CCD 設計透鏡開(kāi)關(guān)1 次需要費時(shí)18.5 s，雙CCD 設計比單CCD 去掉了透鏡的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而達到節省時(shí)間，提高檢測速度的目的^[4]。

綜上所述，本課題最終采用雙CCD 設計，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)測量功能，不僅大幅提升檢測速度，而且大大提高檢測準確率和成功率。具體設計原理和方法如圖1所示。

圖1 雙CCD光路結構圖

2   機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀總體設計

儀器的總體設計包括三大部分：立柱、光接收箱、底箱^[5]。立柱是檢測儀光接收箱垂直運動(dòng)的支撐導向柱，同時(shí)也是檢測儀人機交互接口、主機和數據通訊接口，立柱上安裝了檢測儀移動(dòng)按鍵、檢測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)測量系統組成，包括光路結構、成像系統、數據采集系統、測量系統四大部分組成，可以對照射進(jìn)入的光束進(jìn)行光強和照射角度的測量，內部安裝了兩個(gè)CCD。具體設計如圖2所示。

圖2 系統總體結構框圖

底箱是前照燈檢測儀的支撐裝置，具體設計如圖3所示。主要裝有電源系統、伺服系統、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及伺服驅動(dòng)控制系統，以驅動(dòng)檢測儀水平方向與垂直方向的運動(dòng)。

圖3 底箱結構圖

3   機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀硬件設計

本文硬件采用雙核的ARM Cortex A7 搭載Android作為主控系統，包括系統管理層和系統接口層，主要論述人機交互、伺服電機及驅動(dòng)控制系統和光學(xué)檢測系統的設計。

圖4 系統硬件設計框圖

硬件設計了一種基于國產(chǎn)全志科技T3 處理器的多接口檢測平臺，可實(shí)現伺服電機驅動(dòng)控制、輸入控制信號、輸出控制信號、圖像數據實(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，具體設計如圖4所示。

系統管理層即燈光檢測系統硬件包括：T3 處理器主板、人機界面、以太網(wǎng)通訊、RS232 串口通訊、USB通訊、Wi-Fi 通信。其中，人機界面完成人機交互，Wi-Fi 通信、以太網(wǎng)、RS232 串口和USB 通訊方便用戶(hù)連接其他設備進(jìn)行數據交換和傳輸實(shí)時(shí)測量數據。系統接口硬件包括：圖像采集接口、輸入和輸出控制信號接口、伺服電機及驅動(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   機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀軟件設計

本文軟件設計采用Android 嵌入式操作系統+ 應用程序架構。軟件主要在T3 處理器主板完成，利用ARM實(shí)現對測量光信號和高度信號接收、解析、通訊和存儲，動(dòng)態(tài)反映光信號和高度信號的特性，并且把測量結果通過(guò)Wi-Fi 通信實(shí)時(shí)傳送到相關(guān)監測部門(mén)。

檢測儀不僅采用純軟件的標定流程，只需點(diǎn)擊不同的按鈕即可完成全部標定；而且采用可視化操作界面，直觀(guān)明了，升級方便。檢測儀軟件主要設計為控制模塊、測量模塊、調燈模塊、參數設置模塊、通信模塊、標定模塊、數據庫管理模塊、打印模塊、幫助模塊共9 個(gè)部分。其中：

1）控制模塊負責控制主機的一切動(dòng)作，響應主機控制面板上的按鍵，響應用戶(hù)通過(guò)控制軟件而控制按鈕的輸入命令，響應上位機的控制命令；

2）測量模塊根據設定的參數進(jìn)行各種模式的測量；

3）調燈模塊進(jìn)行在線(xiàn)調燈；

4）參數設置模塊進(jìn)行各種參數設置，如檢測模式，預置高度，復位方式，追光速度，通信協(xié)議，左主遠燈合格范圍等十一大項，31 個(gè)參數的設置；

5）通信模塊主要負責主機與主機，主機與外部設備之間的通信；

6）標定模塊主要負責對遠光和近光偏角，光強，高度的標定工作；

7）數據庫管理模塊主要負責保存，查詢(xún)，瀏覽，刪除檢測數據；

8）打印模塊主要是打印實(shí)時(shí)檢測數據，從數據庫查詢(xún)系統中打印以往數據；

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)驗分析

本文設計的機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀為：佛山翰創(chuàng )檢測儀器有限公司MKD-801 型。實(shí)驗的結果見(jiàn)圖5。

1）本實(shí)驗的目的是檢驗佛山翰創(chuàng )MKD-801 型機動(dòng)車(chē)前照燈檢測儀的設計性能，實(shí)驗結果表明：無(wú)論是前照燈的遠光或近光，都能采用類(lèi)視覺(jué)的追光系統進(jìn)行精準、快速的光軸定位，并且全自動(dòng)完成對前照燈發(fā)光光強及光軸的偏移量的動(dòng)態(tài)跟蹤測量，測量誤差優(yōu)于國家標準要求。

2）佛山翰創(chuàng )MKD-801 型檢測儀，整體性能均達到預期設計目標，目前產(chǎn)品已經(jīng)批量銷(xiāo)售兩千多臺，具有一定的社會(huì )經(jīng)濟價(jià)值。

6   結束語(yǔ)

本文詳細闡述了一款全自動(dòng)、智能型的對機動(dòng)車(chē)前照燈的遠、近光進(jìn)行檢測的儀器。對儀器的檢測原理和方法、總體設計、軟硬件設計做了整體闡述，并簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗分析，實(shí)現了機動(dòng)車(chē)前照燈的動(dòng)態(tài)檢測。檢測儀不僅控制方式多樣化，人機界面友好；而且配備數據庫管理，對外通信，在線(xiàn)調燈等功能，使其不僅適合于機動(dòng)車(chē)安全技術(shù)檢測站用戶(hù)，也適用于機動(dòng)車(chē)制造廠(chǎng)、維修廠(chǎng)、燈具廠(chǎng)等眾多不同用戶(hù)對機動(dòng)車(chē)前照燈進(jìn)行調整、檢驗，是真正的新一代燈光檢測儀。

參考文獻：

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[4] 吳勇,胡政.淺談DSP技術(shù)在汽車(chē)前照燈遠近光檢測中的應用[J].汽車(chē)維護與修理,2006(1):31-32．

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）