新型汽车后视镜曲率半径检测系统的研究

2014-07-24李莉莉吉孔武

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2014年2期

李莉莉，吉孔武，孔军，方赟，别超

(1.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070;2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉430070)

后视镜是汽车上重要的主动安全部件，是驾驶员获得良好间接视野最重要的保证之一，在进行后视镜合理布置设计时必须考虑视野是否符合法规要求［1］，是否能够满足使用要求。曲率半径作为后视镜的一个重要基本参数，直接关系到后视镜的视野大小和影像质量。在国家标准GB15084－2006中，曲率半径由曲率半径测量仪测得［2］，并规定了曲率半径测量仪的结构、原理及测量方法，给出了从曲率半径测量仪读数到曲率半径的换算表，但是在实际操作时过程繁琐，耗时费力，且测量精度不高，因而也影响了曲率半径测量仪的普及和使用。因此，迫切需求开发一种更为方便简单的检测系统。笔者针对后视镜曲率半径检测的实际问题，设计了一种新型检测系统，该系统操作简便、通用性强、检验时间短、精度高，大大提高了汽车后视镜曲率半径的检测效率，对提高汽车的安全性和汽车产品质量都有重要的意义和实用价值。

1 后视镜曲率半径检测系统组成

图1为汽车后视镜曲率半径检测系统组成图，该系统由用户界面、控制模块、数据采集模块，以及存储输出模块构成。用户界面运用软件LabVIEW编程生成，控制模块包括运动控制卡和伺服电机，数据采集模块包括激光传感器，储存输出模块包括工控机和打印机。

图1 汽车后视镜曲率半径检测系统组成图

后视镜先被固定在三轴坐标X－Y平台上，为了满足不同型号规格后视镜的定位要求，采用在后视镜固定板上打孔，螺钉锁紧的办法固定后视镜。激光传感器固定在三维坐标平台Z轴导轨上，距离后视镜的高度在测量范围内。运动控制卡从工控机接收控制命令，产生脉冲和方向信号，控制伺服电机的转向和转速，X、Y、Z三轴导轨都由伺服电机驱动，带动激光传感器按照预先设定的轨迹移动，进而传感器采集后视镜表面的数据点。工控机为一台工作站，用于提供图形化用户界面，完成对系统软硬件的配置和设置，同时，传感器的运动状态以及检测到的数据点会基于软件LabVIEW在工控机显示界面上显示，系统测试结果可以存储并由打印机打印输出。

2 系统结构总体设计

2.1 运动控制模块设计

检测系统的运动控制模块硬件组成框图如图2所示。

图2 运动控制模块硬件组成框图

2.1.1 运动控制卡

运动控制卡负责系统的实时控制，只需要从工控机接收控制命令［3］，调用运动函数控制多轴伺服电机的转速和转向，该系统的控制对象为三轴交流伺服电机，主要功能是使执行元件激光传感器连续、准确地运动到指定位置。

深圳某公司DMC运动控制卡兼容PCIV2.3标准的32Bit PCI标准半长卡规范。其可提供四轴的脉冲和方向控制信号，同时提供多种运动控制功能，如伺服驱动器信号、编码器信号、机械位置控制信号、手轮脉冲信号接口，以及同时起停信号和通用输入输出信号的控制功能。该型号的卡提供多种版本Windows下的驱动程序以及在VB、VC和LabVIEW等多种环境下开发所需的函数库。

2.1.2 伺服电机

由于伺服电机在诸多性能方面都优于步进电机，且伺服驱动装置是机电系统的核心。在检测过程中，能否较好地实现三轴的运动，直接关系到传感器的采集效率和质量。

3个伺服电机通过联轴器实现与滚珠丝杠直联，滚珠丝杠通过轴承与工作台前后支撑座装配固定。各种型号电机的规格项内均有额定转矩、最大转矩及电机惯量等参数，各参数与负载转矩及负载惯量间要有相关联系存在，选用电机的输出转矩应符合负载机构的运动条件要求，如加速度的快慢、机构的质量、机构的运动方式(水平、垂直、旋转)等;运动条件与电机输出功率无直接关系，但是一般电机输出功率越高，相对输出转矩也会越高。因此，惯量越大，需要的加速及减速转矩越大，加速及减速时间越短，需要的电机输出转矩越大［4］。

综合考虑，在该系统中，采用3个高精度的日本某公司MINAS系列的三相异步伺服电机MHMD以及适配驱动器MBDHT2510E作为传动部分的驱动装置。伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。MHMD伺服电机带有17位编码器，驱动器每接收217=131 072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360°/131 072=9.89 s，控制精度非常高［5］。此外电机规格为高惯量、小容量，交流电压为200 V、额定输出功率为400W，额定转速为3 000 r/min，额定转矩为1.3 N·m，具有快速、智能、轻便等优点。

2.2 数据采集模块设计

2.2.1 激光传感器

传感器是整个检测系统的关键部件和首要环节。传感器质量的好坏，会影响到测量的精度，一般需要通过若干个主要性能参数来表示。各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽然各不相同，但是对它们的主要性能要求是一致的。根据实际测量的要求，在保证其主要性能指标满足的情况下，适当放低对次要性能指标的要求，以获得较高的性能价格比［6］。由于后视镜表面光洁度高，不允许在被测表面留下划痕，因此接触式测量方法不适合，故采用非接触式测量方法，选用的传感器来自上海某公司的LOD2系列激光传感器(透明玻璃表面检测)，其优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，测试效果图如图3所示，测量范围为65～105 mm，测量精度达到10 μm，线性度为 ±0.1%F.S(F.S=40 mm)。通信协议为RS422，通信串口选串口0，波特率为9 600 b/s，8个数据位，无校验位。

图3 激光传感器测试效果图

激光传感器采用的是脉冲激光测距，即用激光脉冲器向目标发射一列很窄的光脉冲，光斑大小为0.75×1.25 mm，光到达目标表面后，反射到接收器上，通过测量光脉冲从发射到返回接收器的时间，可计算传感器与目标之间的距离d［7］。

2.2.2 RS422/232 接口转换器

因为激光传感器的输出接口为RS422，而大多数的工控机默认只带有RS232接口，要使传感器与计算机相连接，必须使用一个RS422/232接口转换器，才能将RS232串行口发送的TXD和接收的RXD信号转换成四线平衡全双工的RS422信号。

3 软件控制系统设计

3.1 软件功能

软件开发和程序设计是检测系统重要的工作。根据检测系统的设计需求，系统上位机的应用程序应实现以下功能:

(1)数据采集功能，即能与下位机建立通信，能将激光传感器采集的数据传送给上位机的应用程序以及位置信号;

(2)命令发送功能，能将命令传给下位机，即运动控制卡，采用RS232通信协议;

(3)实时数据曲线绘制功能，即能将采集的数据以点或曲线在上位机上显示出来;

(4)参数设置功能，即能在显示界面上进行参数设置;

(5)数据保存功能，即能将实验数据存储下来，以便日后分析调用;

(6)状态显示功能，即能显示当前工作是否正常，并能在不正常时报警［8］。

3.2 测试开发软件LabVIEW

工控机应用程序是数据实时采集系统的中心，可采用LabVIEW编程。它是一个高效的编译型图形化编程语言，其特点如下:

(1)能完成对固体表面距离的测量;

(2)主界面与多重窗口结合，可完成对数据连续的采集、存储、系统的参数设置、数据点的波形显示、被测参数的输出等综合功能;

(3)可以充分利用LabVIEW平台和Windows视窗所提供的良好操作环境，集曲线、图形、数据于一体，准确描述过程参数的变化［9］。

通过LabVIEW编辑界面程序，调用控制卡中的运动函数库，动态改变脉冲频率，控制电机的转向和转速，来控制伺服电机，使激光传感器按照预定的轨迹运动。运动参数设定包括轴号、起始速度、运行速度、加减速时间和运动距离等;运动控制程序包括运行、变速、变位和停止等;控制效果显示包括位置和速度等［10］。控制试验台激光传感器单轴运动参数设置界面如图4所示。从图4中可以看出，运行速度为1 000 mm/s时，加减速时间仅为0.5 s，效率非常高。

3.3 软件总体流程图

图4 参数设置界面图

运动控制操作主要是通过界面参数的输入，控制卡发出的脉冲与方向信号来驱动伺服电机。调用DMC运动卡函数库中的运动函数，改变脉冲频率，控制伺服电机的转速与转向，使运动轴按指定的方向和转速运动，实现移动部件准确运动［11］。

软件设计遵循了软件工程的设计原则，按各任务模块进行设计，整个软件总体流程如图5所示。硬件连接成功上电后，传感器进入等待命令测量状态，首先读取并设置各项参数，如传感器地址、序列号等，这些也是依据通信协议通过发送不同指令来完成。各项参数初始化完毕，即可发送测量指令，可单次发送，也可设置时间间隔进行连续发送测量，接着传感器返回数据，如果正确返回数据，即为所测距离值，如果不能返回数据，则重新发送测量指令，直到成功返回。对于同一位置，设置时间间隔为0.1 s，进行连续多次测量，记录数据并存储。