季　鑫　毛冲冲　钟绍华　童　欣　李莉莉

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)　武汉　430070)　(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)　武汉　430070)



基于LabVIEW的新型汽车后视镜曲率半径检测系统设计*

季鑫1,2)毛冲冲1,2)钟绍华1,2)童欣1,2)李莉莉1,2)

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉430070)

针对传统的曲率半径测量仪在汽车后视镜曲率半径检测中存在较大误差等问题，设计了一种基于LabVIEW编程控制的新型汽车后视镜曲率半径检测系统.提出了比汽车后视镜国家标准GB15084规定的曲率半径测量方法更为精确的9点测量法；为了保证数据采集的高精度和完整性，使用激光传感器和位移传感器配合测量.采用滑动平均滤波法对采集的数据进行滤波平滑处理.通过最小二乘法对滤波后的数据拟合圆曲线，得到待测曲线的曲率半径，多次求平均值计算出后视镜的曲率半径.试验结果表明，该设计方案测量误差小，并且能自动的对后视镜曲率半径进行检测，实现智能化，提高检测效率.

汽车后视镜曲率半径；9点测量法；滑动平均滤波法；最小二乘法

0　引　　言

汽车后视镜扩大了驾驶员的视野范围[1]，防止出现碰撞的情况.在整个汽车结构构成中，后视镜是极其重要的组成部分，对确保车辆行驶时的安全性和可靠性具有重要意义.

汽车的外后视镜和下后视镜一般都是凸面镜[2]，凸面镜的曲率半径发生变化时，会直接影响驾驶员的驾驶视野，决定着驾驶员的后方、两侧和下方的视觉效果，关系到驾驶员和行人的安全[3].因此，汽车后视镜研发生产过程中，必须要通过检测，严格满足国家《机动车辆后视镜的性能和安装要求》(GB15084)标准[4]对后视镜曲率半径的测量规定和值的限定，确保其拥有优越的性能.

由国标可知，汽车后视镜曲率半径的测量主要依靠曲率半径测量仪等工具进行检测，这些工具依赖人工进行手动检测，存在诸多误差因素.而且，对于曲率半径测量仪的测量读数与曲率半径的转换，国标中也有相关的换算表，但是该换算表只能大概地估算，数据的有效性只能局限在估算表的精确度范围内.针对传统的测量方式存在操作过程繁琐、劳动强度过大、计算精确度低、耗费时间和人力等诸多不便之处.设计了有效的、专业的新型汽车后视镜曲率半径检测系统，将减少人工操作，对后视镜曲率半径的检测精度高，误差小.

1　后视镜曲率半径测量原理

根据国标GB15084，如图1，后视镜曲率半径是由3个点处曲率半径的平均值求得，每个点的曲率半径是垂直方向上后视镜表面曲线曲率半径r和r′的平均值，其位置位于镜面宽度B中心线上，距离约为全长L的1/3，1/2，2/3处.为了使测量结果更加精确，所设计的测量点不仅包括国标GB15084所述的3个点，还另外的在B和L方向多测了6个点，9个点为宽度B和全长L的1/3，1/2，2/3曲线处交点，位置见图2，测量时分别测出这9个点处的曲率半径然后求平均值.

图1　国标规定的测量点

图2　检测9点位置图

2　检测系统硬件组成

所设计的汽车后视镜曲率半径检测系统硬件主要部分见图3，显示器与工控机连接构成PC上位机，控制程序和数据接收处理程序在上位机上利用LabVIEW软件编写，工控机通过PCI总线实现与雷赛DMC2410运动控制卡之间的通信，运动控制卡发送指令给三轴伺服电机驱动器驱动对应的伺服电机转动，继而实现对三轴运动导轨组合运动的控制，Z轴运动导轨上装有激光传感器和位移传感器，传感器为了采集的汽车后视镜表面曲线Z轴方向数据，激光传感器通过RS232/422接口转换器将测量所得数据传输到PC上位机，位移传感器通过WJ21数据采集A/D转换模块传输数据，待测后视镜由平口钳固定，放在检测平台上，平口钳平行Y轴运动导轨放置.

由于激光传感器测距是非接触式测量，采集数据精度很高，故首选激光传感器作为后视镜曲率半径的检测[5]，其原理为：用激光脉冲器向待测表面发射一列很窄的光脉冲，光到达表面后，反射到接收器上，由发射到接收的时间，且光速已知，可以计算出传感器到反射表面的距离[6].

图3　系统硬件主要部分

但是激光传感器光脉冲接收面范围有限，后视镜表面为弧面，检测过程中会有部分测量区域反射的光超出接收面范围，导致得不到测量数据，此时就需要接触式位移传感器对此部分数据进行采集.设计选用WYDC-50D型接触式位移传感器，其测量行程大、精度高、结构简单，基于变压器原理，受到待测物接触面平整度变化的激励，铁芯在钢管里的位移发生变化，其变化量和输出电信号变化量呈精准的线性关系[7]，可直接将后视镜曲面Z轴方向位移变化量转变为标准电信号供给工控机采集.测量过程中，2个传感器一起工作，激光传感器有检测数据时，采用激光传感器数据，反之，利用位移传感器的采集数据.

3　检测系统软件设计

图4　系统软件流程图

系统软件流程图见图4.在PC上位机上进行测试初始化等相关测控配置，串口通信用于接收传感器数据，待三轴组合运动对后视镜自动寻边完成后(即：LabVIEW程序通过调用运动控制函数等控制三轴运动确定后视镜的长与宽，找到后视镜中心位置)，便可确定欲测9个点的位置，进行一键测试，此时激光传感器开启、位移传感器与镜面保持接触，并且按照9个点位置移动测试，将实时测量值依串行通信的方式发送到上位机，将采集后的数据由软件进行滤波拟合处理，对被测汽车后视镜的曲率半径进行计算，完成后生成测试报告并且存储.

3.1自动寻找后视镜边界策略

回原点操作完成后，操作员需要观察后视镜放在测控平台上的位置，并在软件上输入汽车后视镜所在平台区域编号，接下来置于Z轴方向的位移传感器在三轴组合运动下移向设定的此区域中心位置，进行自动寻边.自动寻边是利用接触式位移传感器来确定后视镜的长、宽及中心位置以便进一步确定后视镜上9个测量点的位置.自动寻边的过程，以寻找X轴方向长和中心点位置为例，流程见图5(其中传感器继续下移量大于10 mm为了使传感器和后视镜完全接触；上移20 mm为了防止移动时打到后视镜边缘；右移5 mm为了最大可能减小误差，消除向左移动时超出左边界的距离；下移20 mm为了消除上移20 mm的距离，使传感器再次与被测后视镜充分接触).以后视镜X轴中点为起点用同样的策略开始Y轴的寻边，Y轴寻边完成后传感器移动到后视镜Y轴中点，这一点认定为后视镜的中心位置，根据中心位置及X轴方向的长度、Y轴方向的宽度便可确定9个测量点的位置.

图5　自动测量后视镜X轴方向长度流程

3.2采集数据的滤波处理

激光传感器虽然测量精度高，但经过线束及信号处理模块后，数据会受到干扰，且位移传感器与后视镜接触测量，其在后视镜曲面上滑动时高频率振荡，采集数据点多，测量过程中数据曲线也会出现大量噪声(如毛刺、尖峰等)，影响其平滑度，这就需要将采集的原始数据进行滤波平滑处理，设计采用滑动平均滤波法抑制数据的噪声干扰.

滑动平均滤波法是一边移动采集的数据一边对数据进行加权平均[8].滤波思路如下：从传感器采集的第一个数据开始，取连续的5个采集点为1组，求取5个数据的平均值，用平均值取代5个数据点中间那点的数值，以此类推，完成全部数据的滑动平均滤波，公式如式(1)，程序见图6.

(1)

式中：第i个点为数据值被取代的点；V(i+j)为依第i个点为中心的连续5个测量点数值；U(i)为这连续5个点数据的平均值，用来取代V(i)的值；n为激光和位移传感器采集数据点总数.

图6　滑动平均滤波法程序

3.3滤波后数据的拟合处理

完成采集数据滤波后，利用最小二乘法[9]来拟合后视镜上待测9个点处X和Y方向的圆曲线，得到每个测量点处X和Y方向曲线的曲率半径，进而求得每个点处的曲率半径(X和Y方向曲率半径的平均值)，将拟合后计算所得的9个点曲率半径再取平均值，即为所测汽车后视镜的曲率半径.原理见图7.

图7　最小二乘法拟合圆曲线原理图

最小二乘法拟合圆曲线公式算法如下.

(2)

式中：后视镜上其中一条曲线测量的数据点集为(mi，zi)，mi为X或Y方向坐标位置，zi为位移传感器对应于mi的测量值;(A，B)为数据点集的拟合圆心坐标，数据点集到圆心的距离为di.

误差采用后视镜曲率半径平方之差.

(3)

式中：r为此条待测量曲线的曲率半径估计拟合值.

令a=-2A，b=-2B，c=A2+B2-r2

(4)

后视镜曲面半径平方的误差平方和为

(5)

利用偏导求参数a、b、c使得Q(a,b,c)的值最小.

(6)

(7)

(8)

则由式(4)可得出：

(9)

以此方法可得9个测量点上的后视镜曲率半径：

(10)

则此汽车后视镜曲率半径为

(11)

4　实验结果分析

由上述的设计方案，对汽车后视镜曲率半径进行检测，图8显示了系统检测完成时的LabVIEW上位机检测界面，数据图形显示框(纵轴为汽车后视镜表面曲线Z轴方向变化量，横轴为汽车后视镜X轴长度方向或Y轴宽度方向的变化量)实时显示原始测量点的X轴方向后视镜曲线(空心正方形表示数据采集点)和Y轴方向后视镜曲线，图8上为测试最后一点P9点的检测曲线.右下角为检测数据.点击左上角的寻找边界，会弹出输入后视镜所在测试平台的区域.

图8　LabVIEW上位机检测界面

依起始P1点处X轴长度方向的表面曲线为例，由图9可知，显示了传感器原始数据曲线1和利用滑动平均滤波法处理后的数据曲线2，由图可见滤波后数据曲线平整光滑，基本消除毛刺干扰，并由最小二乘法得出了拟合后的曲线方程字符串，因此可以得到此条曲线的圆心坐标位置和曲率半径.拟合后方程字符串为：(X-80)2+(Y-1 439)2=1 3442，拟合后圆心坐标为(80.373,1 439.07)，曲率半径为1 343.77 m.

图9　P1点X轴长度方向的滤波拟合处理

9个检测点的X轴长度方向曲线曲率半径r、Y轴宽度方向曲线曲率半径r′、9个点处的曲率半径和后视镜曲率半径数据见表1.

表1　曲率半径检测值/mm

后视镜曲率半径检测结果为1 269.57 mm，满足国标GB15084对后视镜曲率半径值的规定(不小于1 200 mm).此款后视镜厂家提供的曲率半径生产标准值为1 285 mm，检测误差Δ=(1 285-1 269.57)/1 285≈1.2%，由此可知，所设计的系统误差小，可为汽车后视镜生产研发时曲率半径的检测提供精确的参考.

5　结 束 语

该研究基于LabVIEW软件、工控机、雷赛DMC2410运动控制卡、伺服电机等设计了一种新型的汽车后视镜曲率半径检测系统，为了使检测更加准确，提出了优于国标GB15084里规定测量点的9点测量法；为了防止高精度激光传感器接收面有限而导致采集不到数据的问题，用位移传感器配合测量；设计了严密精细的检测系统自动寻找后视镜边界策略；利用特点鲜明的滑动平均滤波法对数据进行滤波平滑处理；通过数学优化技术的最小二乘法对后视镜曲面线做拟合处理；多次求平均值得到精确的后视镜曲率半径.试验结果证明，该系统检测结果满足国标要求，且与真实值误差约为1.2%，具有很高的精确度，整个检测过程为自动化的一键测量，大大的提高了检测效率，节省了大量的人力物力，可为汽车零部件生产商或相关科研机构在后视镜研发生产时曲率半径检测做精确的参考.

[1]黄珍.汽车防炫目后视镜的主控方法研究[D].镇江：江苏大学,2012.

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[4]中国汽车工业协会.机动车辆后视镜的性能和安装要求：GB15084-2006[S].北京:标准出版社,2016.

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Design of the New Detection System for the Curvature Radius of Automobile Rearview Mirror Based on LabVIEW

JI Xin1,2)MAO Chongchong1,2)ZHONG Shaohua1,2)TONG Xin1,2)LI Lili1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

A new detection system based on LabVIEW programming control for measuring the curvature radius of automobile rearview mirror is designed to solve the problem that the traditional measuring apparatus would cause large errors. In addition, a new method, namely 9 points measuring method, is proposed to measure the curvature radius of automobile rearview mirror, which is more precise that the measuring method prescribed by GB15084. In order to ensure the high precision and integrity of data acquisition, the laser sensor and displacement sensor are used together by this method. In addition, this measuring method adopts moving average filtering method to perform filtering smoothing of the collected data. By using the least square method, the filtered data are fitted with a circle curve and the curvature radius of the curve can be obtained. Finally, the curvature radius of rearview mirror can be obtained by calculating the average radius value for many times. The experimental results show that this method has little measurement error and can be able to detect curvature radius of rearview mirror automatically, which is intelligent and improves the detection efficiency.

curvature radius of automobile rearview mirror; 9 points measuring method; moving average filtering method; least square method

2016-05-26

U463.85

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.032

季鑫(1993- )：男，硕士生，主要研究领域为汽车动力学、汽车制动系统及电子驻车制动

*湖北省校企科研合作基金项目资助(611307931)