一款全自動機動車前照燈檢測儀的動態(tài)特性研究與實現(xiàn)

0 引言

機動車前照燈的安全檢測是保障機動車行車安全的一個重要因素。世界各國對機動車前照燈有嚴格的安全檢測要求，在我國隨著科技和新能源汽車的加速發(fā)展，汽車保有量呈現(xiàn)井噴式增長，交通運輸安全變得越來越重要。前照燈主要是用于機動車夜間行駛照明，它的安裝角度及發(fā)光強度和照射方向等參數(shù)對于行車安全是至關(guān)重要的。所有前照燈夜間同時照明時，應(yīng)具有能使駕駛員看清前方150 m 距離以內(nèi)交通障礙物的性能^[1]，照明光束應(yīng)對準車的前進方向，主光軸的方向應(yīng)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，或者給迎面駛來的汽車里的駕駛員造成眩目，妨礙視野，這些都是導(dǎo)致事故的重要因素。

為了降低行車事故，確保行車安全，機動車在出廠前，其前照燈性能參數(shù)必須調(diào)整正確；機動車使用過程中，前照燈的安全檢驗必須經(jīng)?；椭贫然覜Q定實施GB7258—2012《機動車運行安全技術(shù)條件》和GB18565-2016《道路運輸車輛綜合性能要求和檢驗方法》^[2]國家標(biāo)準，其中規(guī)定了前照燈的發(fā)光強度、照射位置及檢驗方法，使我國的車輛檢驗制度更加嚴謹、更加規(guī)范。因此，有必要對機動車前照燈進行深入研究和檢測，而研制出相應(yīng)的精確測量儀器設(shè)備可以為機動車前照燈的研究提供有利依據(jù)，必將對我國汽車工業(yè)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻。

1   機動車前照燈檢測儀檢測原理和方法

機動車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、近光明暗截止線交叉點偏移量以及前照燈基準中心高度等各項參數(shù)^[3]。

本課題研究的機動車前照燈檢測采用兩種基本方法：追光法和分光法。通過伺服電機及驅(qū)動控制技術(shù)來進行精確定位，控制檢測儀水平行走和光接收箱垂直升降。通過CCD 來追光和測量。

CCD 追光和測量設(shè)計有兩種：一種是單CCD 設(shè)計，另外一種是雙CCD 設(shè)計。單CCD 設(shè)計采用1 個攝像機，通過開關(guān)透鏡來計算偏移角度，整體設(shè)計經(jīng)濟實用，但是檢測速度偏慢。雙CCD 設(shè)計是在單CCD 的基礎(chǔ)上進行控制算法優(yōu)化，其中一個是追光CCD，一個是光斑CCD。

單CCD 設(shè)計簡單易用，但是在線調(diào)燈時，單CCD不能在追光的同時實時計算角度，使得調(diào)燈時不能通過測量來實時反映新的角度，只能通過圖像相對于屏幕中心的坐標(biāo)和儀器當(dāng)前的脈沖坐標(biāo)來計算新的角度，從而使得調(diào)燈時左右方向的偏角誤差較大，而雙CCD 設(shè)計則通過實時采集透過透鏡后的圖像來計算角度解決這個問題。

雙CCD 設(shè)計優(yōu)化光接收箱的光路，使用分光法，讓機動車前照燈發(fā)射出來的光通過一個安放在光接收箱內(nèi)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，一部分再通過菲涅爾透鏡進行會聚，使用兩個CCD 分別采集沒有通過菲涅爾透鏡的光斑圖像（主要用于追光）和通過透鏡后會聚了的光斑圖像（主要用于測量計算）。單CCD 設(shè)計透鏡開關(guān)1 次需要費時18.5 s，雙CCD 設(shè)計比單CCD 去掉了透鏡的開關(guān)動作，從而達到節(jié)省時間，提高檢測速度的目的^[4]。

綜上所述，本課題最終采用雙CCD 設(shè)計，追光法和分光法兩者融合的技術(shù)，具有全自動追光和全自動測量功能，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(shè)計原理和方法如圖1所示。

圖1 雙CCD光路結(jié)構(gòu)圖

2   機動車前照燈檢測儀總體設(shè)計

儀器的總體設(shè)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的支撐導(dǎo)向柱，同時也是檢測儀人機交互接口、主機和數(shù)據(jù)通訊接口，立柱上安裝了檢測儀移動按鍵、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(tǒng)組成，包括光路結(jié)構(gòu)、成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測量系統(tǒng)四大部分組成，可以對照射進入的光束進行光強和照射角度的測量，內(nèi)部安裝了兩個CCD。具體設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

底箱是前照燈檢測儀的支撐裝置，具體設(shè)計如圖3所示。主要裝有電源系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、霍爾傳感器、行程開關(guān)、剎車片、離合器等，其中水平與垂直方向的伺服電機及伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，以驅(qū)動檢測儀水平方向與垂直方向的運動。

圖3 底箱結(jié)構(gòu)圖

3   機動車前照燈檢測儀硬件設(shè)計

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

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

硬件設(shè)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，可實現(xiàn)伺服電機驅(qū)動控制、輸入控制信號、輸出控制信號、圖像數(shù)據(jù)實時采集和傳輸、霍爾和光電傳感器控制、行程開關(guān)控制等，具體設(shè)計如圖4所示。

系統(tǒng)管理層即燈光檢測系統(tǒng)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 通訊方便用戶連接其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換和傳輸實時測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)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(qū)動控制接口、霍爾和光電傳感器接口、行程開關(guān)接口等。

4   機動車前照燈檢測儀軟件設(shè)計

本文軟件設(shè)計采用Android 嵌入式操作系統(tǒng)+ 應(yīng)用程序架構(gòu)。軟件主要在T3 處理器主板完成，利用ARM實現(xiàn)對測量光信號和高度信號接收、解析、通訊和存儲，動態(tài)反映光信號和高度信號的特性，并且把測量結(jié)果通過Wi-Fi 通信實時傳送到相關(guān)監(jiān)測部門。

檢測儀不僅采用純軟件的標(biāo)定流程，只需點擊不同的按鈕即可完成全部標(biāo)定；而且采用可視化操作界面，直觀明了，升級方便。檢測儀軟件主要設(shè)計為控制模塊、測量模塊、調(diào)燈模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、通信模塊、標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、打印模塊、幫助模塊共9 個部分。其中：

1）控制模塊負責(zé)控制主機的一切動作，響應(yīng)主機控制面板上的按鍵，響應(yīng)用戶通過控制軟件而控制按鈕的輸入命令，響應(yīng)上位機的控制命令；

2）測量模塊根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行各種模式的測量；

3）調(diào)燈模塊進行在線調(diào)燈；

4）參數(shù)設(shè)置模塊進行各種參數(shù)設(shè)置，如檢測模式，預(yù)置高度，復(fù)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 個參數(shù)的設(shè)置；

5）通信模塊主要負責(zé)主機與主機，主機與外部設(shè)備之間的通信；

6）標(biāo)定模塊主要負責(zé)對遠光和近光偏角，光強，高度的標(biāo)定工作；

7）數(shù)據(jù)庫管理模塊主要負責(zé)保存，查詢，瀏覽，刪除檢測數(shù)據(jù)；

8）打印模塊主要是打印實時檢測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)中打印以往數(shù)據(jù)；

9）幫助模塊主要是提供幫助，包括一些即時的提示，和完整的幫助文檔。

5   實驗分析

本文設(shè)計的機動車前照燈檢測儀為：佛山翰創(chuàng)檢測儀器有限公司MKD-801 型。實驗的結(jié)果見圖5。

1）本實驗的目的是檢驗佛山翰創(chuàng)MKD-801 型機動車前照燈檢測儀的設(shè)計性能，實驗結(jié)果表明：無論是前照燈的遠光或近光，都能采用類視覺的追光系統(tǒng)進行精準、快速的光軸定位，并且全自動完成對前照燈發(fā)光光強及光軸的偏移量的動態(tài)跟蹤測量，測量誤差優(yōu)于國家標(biāo)準要求。

2）佛山翰創(chuàng)MKD-801 型檢測儀，整體性能均達到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，目前產(chǎn)品已經(jīng)批量銷售兩千多臺，具有一定的社會經(jīng)濟價值。

6   結(jié)束語

本文詳細闡述了一款全自動、智能型的對機動車前照燈的遠、近光進行檢測的儀器。對儀器的檢測原理和方法、總體設(shè)計、軟硬件設(shè)計做了整體闡述，并簡要介紹了實驗分析，實現(xiàn)了機動車前照燈的動態(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(shù)據(jù)庫管理，對外通信，在線調(diào)燈等功能，使其不僅適合于機動車安全技術(shù)檢測站用戶，也適用于機動車制造廠、維修廠、燈具廠等眾多不同用戶對機動車前照燈進行調(diào)整、檢驗，是真正的新一代燈光檢測儀。

參考文獻：

[1] 夏先揚.新型汽車前照燈檢測時的特殊要求[J].汽車維護與修理,2004(10):30-32.

[2] GB18565-2016道路運輸車輛綜合性能要求和檢驗方法[S].

[1] 康鴻雁.自動跟蹤型汽車前照燈檢測儀研究與實現(xiàn)[J].菏澤學(xué)院學(xué)報,2009(3):75-79.

[3] 劉漢民,王躍明.全新的雙CCD測量技術(shù)在機動車前照燈遠近光檢測中的應(yīng)用[J].中國汽車維修市場,2002,7:44-47.

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

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）