基于电波原理的新型汽车测速系统

周宗昊，常红梅

（陕西理工大学机械工程院，陕西 汉中723000）

基于电波原理的新型汽车测速系统

周宗昊，常红梅

（陕西理工大学机械工程院，陕西 汉中723000）

绝大多数汽车所采用的车速表为磁电式车速表，该车速表的数据，来源于变速器输出轴或汽车车轴的转速，而不是理论上最直观的位移/时间，当出现车轮非正常纯滚动或车速表自身结构故障时，无法做到准确的测速。本文展现了一种全新测速系统，通过位移/时间的方法，直观准确地测出行驶车辆的速度。研究过程以电波测距为依据，利用安放在行驶车辆上不同位置电波的测距时间差对车速进行求解，并对系统的主体部分做了详细描述和分析。针对一些可能存在的问题对系统做了改良。分析了该新型测速系统的优缺点，并对本文的研究工作进行了总结。

测速系统；电波测距；时间差；电波测速系统

汽车在行驶过程中，车速作为一项重要指标，即影响着运输生产率，又影响着行驶安全，还影响着汽车行驶是否违章超速。驾驶员如何准确掌握行车车速，显得十分重要。通常，驾驶员会通过两种方法获知当前行车车速：一是依据主观判断，但是这种方法误差较大，容易造成安全隐患；二是直接从车速表上读取车速，这就要求汽车车速表具有一定的精度［1］。

传统磁电式车速表由变速箱第二轴带动车速表上的软轴旋转，从而带动软轴另一端的永久磁铁转动，产生旋转磁场，该磁场作用于托盘，托盘连同车速表一块偏转，最终实现测速原理。这类车速表简单实用，被广泛用于各种类型汽车上。但是此类车速表测得的车速有一定误差：（1）结构上的误差：低速时指针摆动剧烈、精度不高、对发动机后置车辆设置软轴过长，而这种长长的转动软轴设置从结构上来说肯定是一种不利因素；（2）轮胎半径的变化：轮胎的不同磨损程度以及在不同路面上行驶时所导致的轮胎滚动半径不一样，直接导致计算车速时结果失真；（3）当汽车轮胎处于非纯滚动时，误差也是非常大［2］。

本文介绍的方法即不通过各传动轴或车轮来检测车速，又不用通过卫星来检测车速，而是利用电波测距的原理，将电波发射器和感应器安装到汽车车身上（纵向安装即可［3］），首先汽车静止时测得发射器发出的电波到感应器接收到的电波的时间t1，然后当汽车运动时，再测得射器发出的电波到感应器接收到的电波的时间t2，通过两个时间差来推倒出汽车车速。因为此方法所测得的数据是通过位移/时间计算出的，所以车速更精确，更可靠。

1　测速电波的选用

1.1常见四类汽车测速电波的特性

目前，汽车测距电波，主要包括激光、超声波、微波红外线4种［4］，它们的特性见表1。

表1　常见电波的优缺点和在汽车上的主要用途

1.2选择原则

（1）精度选择

精度的选择是影响汽车测速的主要因素，在选用时对每种方法进行对比，可排除超声波，因其精度较低，无法满足所需精度。

（2）可靠性选择

在满足精度的情况下，可靠性的也是影响汽车测速的重要因素之一，所以可以增加保护设备，工作条件变好，受外界影响降低。

根据以上分析，确定使用激光进行行驶汽车测速。

2　电波测速工作原理

本文的目的在于提供一种新型汽车测速方法，既不通过各传动轴或车轮来检测车速，又不用通过卫星来检测车速，而是利用电波测距的原理，如图1所示，将电波发射器和感应器安装到汽车车身上（纵向安装即可），首先汽车静止时测得发射器发出的电波到感应器接收到的电波的时间t1，然后当汽车运动时，再测得射器发出的电波到感应器接收到的电波的时间t2，通过两个时间差来推倒出汽车车速。如图1所示，是一辆汽车的俯视图，在汽车纵向一条直线上的前后两点A和B分别安装了一个电波发射器和一个电波接收器（安装时只要有一定的纵向距离，即可安装），l为点A和B点之间的距离。当汽车车静止时，车速为0，安装在A点的发射器发出脉冲电波（电波以速度Ve），位于B点的接收器接收到此电波，历时t1秒。汽车以的车Va速前行，如图2所示，A点的发射器发出了电波，位于B点的接收器接收到此电波，汽车行驶了S米，A、B两点分别移动到A'和B'点，这期间用时为t2.

图1　汽车静止时电波的发射

图2　汽车运动时电波的发射示意图

在t2时间段内，汽车所行驶的距离S米

由（1）、（2）两式，计算车速Va

测速ECU再将此车速反映到仪表盘上

3　系统总体设计

（1）系统组成

汽车电测速这一整套系统由蓄电池、发电机、发射器、接收器、测速ECU和仪表盘共同构成。在系统用电上，蓄电池在发电机不工作时支持整个系统用电，当发电机工作时由发电机支持整个系统用电。系统组成如图3所示。

图3　测速系统结构框图

由上图3可以看出，当汽车行驶时，把电波经发射器到接收器所用的时间作为参数，传递到改为系统存储器中，速度控制器按照测速原理出车速。上文提到，电波传递速度很快，所以整个流程用时很多，周期很短，如果频率很高所得到的车速具有即时性，这也满足了测量车速的要求。

在测速整个过程中，其他数据都可以通过系统计算出来或者已经给定，而电波速度Ve却是个变量，因为汽车在不同的环境中行驶时，电波的传播速度也不同，故测速ECU还有个任务，就是当汽车静止时，及时读取Ve的大小，当汽车启动时，用最新的Ve计算车速。

（2）安装位置

在不影响汽车正常性能的前提下，纵向安装在汽车合适位置，最好安置在车身蒙皮的夹层里。如图4所示。

图4　测速装置安放位置

根据图4所示，将测速装置安置在车身蒙皮的夹层里。这样有两点好处：（1）纵向安装的要求；（2）方便检查和维修。

4　汽车电波测速系统存在问题及其改良方案

电磁波测距在实际测量工作中不可避免会产生误差，在众多误差源中，大气介质所产生的误差是一项最主要因素，这主要体现在折射率对电波的传播速度的影响。根据误差传播定理［5］，可得到下式

式中，mn为误差影响因子，mt、mp、me分别为大气温度、气压和湿度对折射率的影响因子。

由此可见，温度影响最大，气压影响最小。

为了能够减少误差，可以做如下设计，见图5.

图5　系统改方案效果图系统改方案效果图

上图所示，在发射器和接收器外套了一个密封套筒。套筒设计要求如下：

（1）有一定的保温性能，这样可以最大化减少因为温度变化对测量结果的影响。

（2）可以屏蔽电波（避免电波接触到筒壁后不断反射，对下一周期测量结果产生干扰），目前屏蔽电磁波材料包括金属良导体材料、表面敷层薄膜屏蔽材料、填充复合型屏蔽材料等［6］。

（3）可保持管内空气湿度和气压，最大化地减少空气湿度和气压对测量结果的影响。

5　结束语

目前，本系统仅处于理论研究阶段，至于进一步的数据分析、精度验证和测量效果问题，需要通过后期的测试实验阶段完成。本文展现了一种全新测速系统，并通过理论分析和公式推论寻求了这套测速系统的理论可能性，还针对这个系统做了优化和改良，此测速系统相比现有的相关技术，具有以下优点：

（1）由于电波是以辐射源为中心向四周发散的，而不是单线路或一个平面发散，所以在汽车上下坡以及转弯时此方法测速同样适用。

（2）结构简单：只需要电波发射器、电波接收器、计时器和控制单元构成，清晰明了。

（3）原理清晰：该系统原理清晰易懂，简单明了，利用电波对行驶中汽车进行一段长度的测距所用的时间，再对比静止时测量同样长度所用的时间，进行速度的推算，最终，依靠显示系统将车速数据显示在仪表盘上。故理论原理十分简单，方便系统的调整和检修。

（4）误差源少：误差主要来源于空气介质的不同，相应的也有改善方式，故只有结构精度高，整个系统精度才会很高。

（5）容易推广：该发明的结构简单，在常规设计完成之后，就可以轻易的制造出产品，利用其可靠的性能和低廉的价格，针对我国目前处于经济发展期的状态以及对科技创新的支持和鼓励，可以很快的推广并使用。

相应的本系统的自身结构和目前的工作进程，还具有以下缺点

（1）精度要求高：由于测速时间周期很短，故对系统结构的精度要求很高。

（2）具有一定的地域性和时域性：在不同空气密度的空间和同一空间下不同温度的环境中，波的传播速度都会不同，这就要求系统需要通过自身的调整后才能进行测速工作，这无疑增加了系统工作量。

（3）缺少实验数据：由于本系统的工作进程仅存在于理论阶段，故缺少实验数据对系统进行改良指导。

［1］冯文彩，付敬业，管叙山.汽车车速表检测与故障调整［J］. 2005，192（8）：58-59.

［2］张拥军.动磁式车速里程表的研制及其应用［J］.采矿技术，2004，4（1）：49-50.

［3］张娟娟.电磁波测距仪在建筑测量中的应用［J］.福建建设科技，2013，（05）：70-71.

［4］宋彩霞，王波涛.车辆测距方法［J］.电子测量与仪器学报，2009，增刊：176-180.

［5］张瑜，郝文辉.大气介质对电磁波测距精度的影响［J］.河南师范大小物理与信息工程学院，2006，21（4）：632-634 ［6］丁世敬，赵跃智，葛德彪.电磁屏蔽材料研究进展［J］.材料导报，2008，20（6）：4.

Based on the Principle of Waves is New Type of Car Speed Measuring System

ZHOU Zong-hao，CHANG Hong-mei
（School of Mechanical Engineering，Shaanxi Sci-Tech University，Hanzhong 723000，China）

Now most cars speed table for the magnetoelectric speed table，the data from the transmission output shaft of the speed table or car axle rotational speed，the most intuitionistic displacement/time rather than theory，when appear abnormal pure rolling wheels or speed table structure itself fails，it can't accurate speed.This paper shows a new velocity measuring system，by using the method of displacement/time，intuitive and accurately measure the speed of the vehicle.Based on radio range，the use of vehicle，mounted on different positions of the waves of ranging time to solve the speed，and has made the detailed description of the main part of the system and analyzed. There may be some problems for system improvement.Analyzes the advantages and disadvantages of the new speed measuring system，and the research work is summarized in this paper.

speed measuring system；radio range；time lag；wave velocity measuring system

U279

A

1672-545X（2016）07-0177-03

2016-04-28

陕西省教育厅重点实验室计划项目（09JS045）

周宗昊（1992-），男，甘肃天水人，在读硕士，车辆工程专业；常红梅（1970-），女，陕西耀州人，副教授，主要从事汽车结构及其电子控制技术方面的教学与研究。