一款全自動機動車前照燈檢測儀的動態特性研究與實現

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展，汽車保有量呈現井噴式增長，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，它的安裝角度及發光強度和照射方向等參數對于行車安全是至關重要的。所有前照燈夜間同時照明時，應具有能使駕駛員看清前方150 m 距離以內交通障礙物的性能^[1]，照明光束應對準車的前進方向，主光軸的方向應該偏下。前照燈的發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，其前照燈性能參數必須調整正確；機動車使用過程中，前照燈的安全檢驗必須經?；椭贫然?。國家決定實施GB7258—2012《機動車運行安全技術條件》和GB18565-2016《道路運輸車輛綜合性能要求和檢驗方法》^[2]國家標準，其中規定了前照燈的發光強度、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，而研制出相應的精確測量儀器設備可以為機動車前照燈的研究提供有利依據，必將對我國汽車工業的發展做出應有的貢獻。

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^[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。通過伺服電機及驅動控制技術來進行精確定位，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 個攝像機，通過開關透鏡來計算偏移角度，整體設計經濟實用，但是檢測速度偏慢。雙CCD 設計是在單CCD 的基礎上進行控制算法優化，其中一個是追光CCD，一個是光斑CCD。

單CCD 設計簡單易用，但是在線調燈時，單CCD不能在追光的同時實時計算角度，使得調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和儀器當前的脈沖坐標來計算新的角度，從而使得調燈時左右方向的偏角誤差較大，而雙CCD 設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 設計優化光接收箱的光路，使用分光法，讓機動車前照燈發射出來的光通過一個安放在光接收箱內與水平方向成45°具有發射和透射功能的磨砂玻璃，讓前照燈發出的光一分為二，一部分發射到磨砂玻璃，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 設計透鏡開關1 次需要費時18.5 s，雙CCD 設計比單CCD 去掉了透鏡的開關動作，從而達到節省時間，提高檢測速度的目的^[4]。

綜上所述，本課題最終采用雙CCD 設計，追光法和分光法兩者融合的技術，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。具體設計原理和方法如圖1所示。

圖1 雙CCD光路結構圖

2   機動車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的支撐導向柱，同時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，可以對照射進入的光束進行光強和照射角度的測量，內部安裝了兩個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、行程開關、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動控制系統，以驅動檢測儀水平方向與垂直方向的運動。

圖3 底箱結構圖

3   機動車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、伺服電機及驅動控制系統和光學檢測系統的設計。

圖4 系統硬件設計框圖

硬件設計了一種基于國產全志科技T3 處理器的多接口檢測平臺，可實現伺服電機驅動控制、輸入控制信號、輸出控制信號、圖像數據實時采集和傳輸、霍爾和光電傳感器控制、行程開關控制等，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、RS232 串口和USB 通訊方便用戶連接其他設備進行數據交換和傳輸實時測量數據。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、伺服電機及驅動控制接口、霍爾和光電傳感器接口、行程開關接口等。

4   機動車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實現對測量光信號和高度信號接收、解析、通訊和存儲，動態反映光信號和高度信號的特性，并且把測量結果通過Wi-Fi 通信實時傳送到相關監測部門。

檢測儀不僅采用純軟件的標定流程，只需點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 個部分。其中：

1）控制模塊負責控制主機的一切動作，響應主機控制面板上的按鍵，響應用戶通過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行各種模式的測量；

3）調燈模塊進行在線調燈；

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

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，瀏覽，刪除檢測數據；

8）打印模塊主要是打印實時檢測數據，從數據庫查詢系統中打印以往數據；

9）幫助模塊主要是提供幫助，包括一些即時的提示，和完整的幫助文檔。

5   實驗分析

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

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

2）佛山翰創MKD-801 型檢測儀，整體性能均達到預期設計目標，目前產品已經批量銷售兩千多臺，具有一定的社會經濟價值。

6   結束語

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、總體設計、軟硬件設計做了整體闡述，并簡要介紹了實驗分析，實現了機動車前照燈的動態檢測。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，在線調燈等功能，使其不僅適合于機動車安全技術檢測站用戶，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[J].菏澤學院學報,2009(3):75-79.

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

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

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年1月期）