一种车载转弯半径的测量系统研究

摘 要：车辆对道路有着一定的要求，大型车辆对道路条件要求更高，特别是道路转弯半径要求。本文利用车辆在车轮转弯一定角度时两前轮运动轨迹的几何关系，综合运用转速传感技术、角度传感技术、激光测距技术以及多路信号融合技术和工业现场在线监测技术，提出了对道路转弯半径测算的方法思路。只要车载该系统走一趟，即可得到沿途道路转弯半径，该实时性强，使用方便，自动化程度高，省时省力，适合于长途道路的测量，对于无人驾驶技术也具有很好的应用前景。

关键词：转弯半径;测量系统;总体方案

车辆对道路有着一定的要求，大型特种车辆，对道路条件要求更高，特别是道路的弯度情况。这里涉及到车辆与道路的重要参数转弯半径问题，道路的转弯半径必须要大于车辆的最小转弯半径，车辆某一型号的最小转弯半径是一个固定值，而道路在不同路段的转弯半径是不同的，如何快速测量出道路的转弯半径呢？目前道路转弯半径测量往往采用人工尺规测量计算方法，耗时耗力，如果数十公里乃至上百公里的路，工作量是非常可观的。因此研究一种车载转弯半径的测量系统，实时自动测量车辆行驶时的转弯半径。

一、转弯半径的测量系统总体方案

车辆两前轮在转弯时行走轨迹是两个不同长度的弧线L1、L2，由于轮距H不变，当轮转角?一定时两段弧近似同心，如果测得两段弧长，即可计算出外轮各的转弯半径r=Hcos?/（1-L2/L1），前外轮转弯半径再加上到道路外沿的距离h，即估算出该转弯路段的转弯半径R=Hcos?/（1-L2/L1）+ h。转弯半径的测量系统采用转速传感技术测量车辆两前轮里程，采用角度传感器测量前轮转角，激光测距技术测量道路外沿的距离，综合运用多路信号融合技术和工业现场在线监测技术，实现对道路转弯半径的测算功能。

二、车载转弯半径的测量系统基本组成

车载转弯半径的测量系统包括硬件部分与系统软件部分。硬件部分包括传感模块、采集转换模块以及主控模块组成。系统软件包括里程数据转换模块、速度里程计算模块、边距数据测算、数据存储模块、数据计算模块、数据显示模块、实时中断服务模块以及判断处理模块等。

（一）硬件部分

传感模块采用2个霍尔型非接触式转速传感器、1个轴角编码器，2个激光测距仪，其中2个霍尔型非接触式转速传感器安装在两前车轮轴上，用于测量两前车轮行驶里程;1个轴角编码器安装在两前车轮转向臂上，测量前轮转角;2个激光测距仪安装在两前车轮附近车体两侧，用于测量两前车轮与道路边沿距离。采集转换模块包括里程变送器和多路数据采集卡，用于测量数据的转换与采集。主控模块包括1台工控机、2个嵌入式ARM版和显示模块。2个嵌入式ARM板分别接收2个式转速传感器、1个轴角编码器和2个激光测距仪的信息，采集转换处理、送至多路信号采集卡，由工控机读取模块的信息，进行数据计算、判断及数据显示监控并贮存。

（二）软件部分

系统软件主要完成数据的采集、转换、综合计算、判断处理及显示等，由初始化模块、数据/命令子模块、周期测量模块、速度里程计算模块、转角计算模块、测距计算模块、数据存储模块、数据转BCD码模块、显示数据消多余零模块、数据显示模块、实时中断服务模块以及判断计算处理模块等组成。将采集信号进行处理转换传送给ARM单片机计算处理进而由工控机进行综合数据判读计算、判断及数据显示监控并贮存。

三、车载转弯半径的测量系统原理

（一）车轮行驶里程测量

车轮行驶里程测量两个前轮的行驶里程，采用2个转角传感器和1个ARM单片机为核心。2个转角传感器采用霍尔型非接触式转角传感器，分别安装在两前车轮轴上，将霍尔型传感器监测的车轮转动信号进行放大、整形、去噪，用以减小信号的衰减、干扰等影响。最后以脉冲的形式输入到单片机，利用ARM1单片机外控中断的控制功能根据外控中断信号将某一预定时段输入信号的脉冲数计数后，再利用单片机的算术运算功能将脉冲数转换成角位移，再根据车轮轮胎直径换算出行驶位移，从而实现读取、计算，得出选定时段的行驶里程。最后将得出的里程值存储RAM中，再将所得的数据存储到串口数据存储器，并由串口液晶顯示模块实时显示，并将两个轮组的里程数据分别通过总线传输给工控计算机。

（二）车体转弯半径的测算

车体转弯半径的测算是在车轮行驶里程测量的基础上，在两前车轮转向轴上安装2个霍尔型非接触式转角传感器，当两车轮转向时，轴角编码器测量前轮转角，通过放大整形处理，由ARM2读取，通过总线输入到主控机。由两个单片机ARM1、ARM2分别读取两前车轮行驶里程和前轮转角。由主控机比较两前车轮行驶里程值和前轮转角，如果两轮驶里程值差值不大，轴角编码器数值接近为零，单片机判断其为没转弯，不进行车体转弯半径的测量;如果两轮驶里程值差值快速增大，轴角编码器数值迅速增大，判断其车辆开始转弯，直至转弯角度稳定在一定值时发出测量控制信号，单片机ARM1开始记录测量两个车轮行驶里程，当转弯角度开始变小时发出停止测量信号，完成停止里程记录，然后将数值通过数据采集卡输送给工控机，工控机读取这段时间内两前轮的里程L1、L2和转角?，代入函数公式r=Hcos?/（1-L2/L1）进行车体转弯半径的测量计算。

结束语：

转弯半径测量系统利用车辆在车轮转弯一定角度时两前轮运动轨迹的几何关系，综合运用转速传感技术、角度传感技术，激光测距技术以及多路信号融合技术和工业现场在线监测技术，实现对道路转弯半径的测算功能。只要车载该系统走一趟，即可得到沿途道路转弯半径，该实时性强，使用方便，自动化程度高，省时省力，适合于长途道路的测量，对于无人驾驶技术也具有很好的应用前景。但该系统运算工作量大，道路和开车司机驾驶习惯的随机性很大，测量出的数据精准度会受影响，还需要进一步综合测算纠正偏差，增加可靠性和精度。

参考文献：

[1] 张毅刚. 单片机原理及应用 [M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[2] 孔凡才.自动控制原理及系统[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

作者简介：

沈亮远（1973—），汉族，男，山东济南市人，主要从事机电一体化方面的地面设备教学与研究工作。