基于ARM的汽車四輪定位系統(tǒng)的研究.doc

碩士學位論i論文題目：基于ARM的汽車四輪定位系統(tǒng)的研究論文英文題目：ResearchonWheelAlignmentSystemBasedonARM學位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果：論文研究了一種基于ARM的汽車四輪定位測量系統(tǒng)；開發(fā)了基于LPC2132單片機的控制系統(tǒng)；采用雙軸加速度傳感器MXD2020和CCD進行測量；上位機使用ARM9+linuxQT嵌入式系統(tǒng)以取代龐大的PC機。摘要在中國四輪定位儀處于產(chǎn)品成長時期，大部分廠家是貼牌生產(chǎn)或是和國外廠家合作授權(quán)生產(chǎn)，有的甚至盜用國外技術(shù)生產(chǎn)，而真正擁有研發(fā)能力的國內(nèi)廠家不超過五家。國內(nèi)自行研發(fā)的四輪定位儀以PSD測量方式較多，極少數(shù)使用CCD測量方式，當然掌握此項技術(shù)的廠家就極少。對于上位部分，據(jù)可靠調(diào)查，目前在國內(nèi)外所有的產(chǎn)品都是使用PC作為上位機，這是導致四輪定位儀體積龐大的原因。本文針對我國汽車四輪定位儀的現(xiàn)狀，研究出一種基于ARM的汽車四輪定位系統(tǒng)，它主要使用了CCD測量技術(shù)，加速度傳感器測量技術(shù)，紅外通信技術(shù)。上位機部分，本系統(tǒng)采用了嵌入式ARM+Linux+QT平臺，實現(xiàn)了人機交互。本文研制的汽車四輪定位儀是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端檢測儀器。本文嵌入式技術(shù)的成功運用，將成為汽車四輪定位儀發(fā)展的必然方向，并將會對中國汽車安全做出重要貢獻。關(guān)鍵詞：四輪定位，ARM，CCD，嵌入式碩士學位論iiAbstractInChina,carwheelalignmentisinitsstageofdevelopingperiod.ManyfactoriesareOEMs(OriginalEquipmentManufacture)orcooperators,evenstealingtechnologyfromcompaniesaboard.Athome,Lessthanfivefactoriescandesigntheirownproduction.Thefour-wheelalignmentdevicebasedonPSDtakesupthemainmarketinChina.TheseusedCCDtechnologytakesuponlyasmallmarket,aswellasfewfactoriesthatownthistechnology.Accordingtosurvey,astohostmachine,allfactorieshomeandaboardadoptPCtobehostmachine,whichcausesthewheelalignmentsystemtakesuplargeplace.Accordingtothecurrentdevelopmentofwheelalignmentsystem,anewwheelalignmentsystembasedonARMisdesigned,includingtechnologyofCCD,MMA,infraredcommunicationandembeddedtechnologyinARMsupportedbyLinuxandQT.Thesystemisregisteredwithself-ownedintellectualpropertyrights.Withthesuccessfulapplicationofembeddedtechnologyinthissystem,itwilldirectthefuturedevelopmentofcarwheelalignmentsanditwillmakegreatcontributiontothesafetyofcarindustry.Keywords:for-wheelalignment,Bluetooth,CCD,MMA6260Q碩士學位論iii目錄1緒論11.1汽車四輪定位的必要性11.2四輪定位儀產(chǎn)品市場發(fā)展現(xiàn)狀11.3課題研究的意義31.4研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題42汽車車輪定位參數(shù)檢測理論42.1車輪主要定位參數(shù)及其作用42.1.1車輪外傾角42.1.2主銷后傾角52.1.3主銷內(nèi)傾角62.1.4車輪前束62.1.5推力角72.1.6包容角72.1.7退縮角72.2車輪定位參數(shù)的測量原理82.2.1車輪前束和推力角的測量原理82.2.2主銷傾角的測量原理92.2.3車輪定位參數(shù)的數(shù)學模型103系統(tǒng)總體方案153.1硬件系統(tǒng)153.2軟件系統(tǒng)154測量系統(tǒng)的下位機硬件系統(tǒng)174.1處理器介紹174.2系統(tǒng)電源和開關(guān)控制電路194.3無線紅外通信電路214.4CCD電路224.3.1光電傳感器的選型224.3.2TCD1501D結(jié)構(gòu)和工作原理244.3.3時序要求254.3.4驅(qū)動參數(shù)分析264.3.5CCD驅(qū)動模塊284.3.6紅外光源與光學系統(tǒng)294.5CCD視頻信號處理294.5.1模擬信號預處理314.5.2模擬信號二值化處理324.6傾角測量系統(tǒng)324.6.3傳感器的溫度補償365測量系統(tǒng)下位機軟件結(jié)構(gòu)385.1主程序結(jié)構(gòu)385.2紅外通信軟件結(jié)構(gòu)385.3CCD驅(qū)動程序40碩士學位論iv5.4傾角測量程序416上位機系統(tǒng)436.1上位機核心處理平臺436.1.1ARM微處理器的應用選型436.1.2微處理器的特點446.1.3微處理器的結(jié)構(gòu)446.2上位機平臺硬件466.2.1SDRAM接口466.2.2Flash存儲器接口466.2.3SD卡接口476.2.4USB接口476.2.5LCD顯示模塊486.3上位機軟件平臺496.3.1開發(fā)平臺的選擇496.3.2嵌入式Linux+QT系統(tǒng)介紹496.3.3軟件平臺的搭建506.4上位機應用軟件程序開發(fā)516.4.1串口通信526.4.2數(shù)據(jù)庫模塊546.4.3客戶管理556.4.5測量與調(diào)整軟件設計566.4.6x86-qtopia環(huán)境與arm-qtopia環(huán)境的建立576.4.7軟件的編譯和移植617傳感器標定及試驗驗證637.1加速度傳感器的標定637.2傳感器的零點標定647.3輪輞補償657.4試驗驗證677.5調(diào)整68結(jié)論71致謝72參考文獻73攻讀學位期間已發(fā)表的學術(shù)論文及科研成果75遼寧工程技術(shù)大學碩士學位論11緒論隨著汽車工業(yè)及高速道路的快速發(fā)展，人們對汽車的舒適性、安全性要求越來越高，對汽車的維修檢測技術(shù)也提出了新的要求，尤其是四輪定位儀是近來發(fā)展普及最快的高端檢測儀器術(shù)，越來越被修車行業(yè)所重視，且成為汽配廠的必備設備。1.1汽車四輪定位的必要性在現(xiàn)代汽車中，為了使汽車直線行駛、轉(zhuǎn)向輕便、受控力好，并減少輪胎及相關(guān)部件的磨損，在輪胎安裝和前、后輪的懸掛系統(tǒng)均設置車輪定位角度：前后輪前束、前后輪外傾、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角（各汽車生產(chǎn)廠家根據(jù)不同車型設置不同數(shù)據(jù)）1-3。由于更換輪胎或減震器、機械磨損、機件在劇烈顛簸中疲勞變形或車架和機件在碰撞和變形，都會導致車輪定位參數(shù)發(fā)生變化，特別是轉(zhuǎn)向輪的定位失準，將直接產(chǎn)生輪胎的異常磨損、行駛跑偏、轉(zhuǎn)向沉重等現(xiàn)象。以下情況需要做四輪定位45：1)每行駛10000公里或六個月后2)新駕駛3000公里后3)直行時車子往左或往右拉4)直行時需要緊握方向盤5)感覺車身會漂浮或搖擺不定6)前輪或后輪單輪磨損7)安裝新的輪胎后8)碰撞事故維修后9)換新的懸掛或轉(zhuǎn)向有關(guān)配件后1.2四輪定位儀產(chǎn)品市場發(fā)展現(xiàn)狀如今市面上的四輪定位儀，種類繁多，五花八門，進口、國產(chǎn)組裝，貼牌，更是魚龍混雜，使用戶眼花潦亂，混水摸魚者大為人在。到目前為止，因為行業(yè)標準還沒有完全貫徹下去。再加上大多數(shù)用戶對四輪定位的概念不清，致使很多不法經(jīng)營者鉆空子，打擦邊球，蒙騙用戶。那么我們就來熟悉一下四輪定位技術(shù)發(fā)展歷程。首先出現(xiàn)的測量方式是最原始的拉尺測量，拉線式測量，四象限元件測量，光敏二極管陣列測量，進而逐步發(fā)展到現(xiàn)在的PSD測量，CCD測量，后四種測量方式按照測量光源性質(zhì)遼寧工程技術(shù)大學碩士學位論2又可分為激光式和紅外式。而近年來國外又發(fā)展出來新的3D影像式的動態(tài)測量方式。由于原始的測量方式缺點很多、精度很差，因此，這里重點介紹目前市場上常見的四輪定位儀的檢測方式主要有：激光、PSD、CCD及3D。其特點分別如下6：一)激光：激光是一種新型光源，它是作為測量系統(tǒng)的光源應用于四輪定位儀，由于激光都是以垂直的直線輸出的，因此決定了激光產(chǎn)品束度的測量范圍較窄，無補償且需人工計算推力線，其測量精度低，檢測速度慢。因光點與刻度的關(guān)系，存在人為誤差，而且激光很容易受外界干擾，因此用激光做光源應用于四輪定位儀并不理想。眾所周知，激光對人眼視力有一定傷害，所以UL、CE等安全認證很難通過，歐美日本早已淘汰，只是在中國和部分東南亞國家還局部存在。二)PSD：PSD又稱光電位置傳感器，我們知道，幾乎所有的外國四輪定位都不使用，只有韓國的機器在大量使用，它的工作原理是：當PSD的受光面某一位置存在光照的情況下，其輸出電流會有相應變化，從而可以得到光照位置，它是一種模擬（DC/AC轉(zhuǎn)換，會有數(shù)據(jù)丟失）器件。雖然通過使用一些特殊的技術(shù)可以在一定程度上避免這些問題，但從原理上限制它只能測量單一光點卻是改變不了的。PSD只能使用在工業(yè)環(huán)境里，就是說PSD的溫度漂移嚴重并且受環(huán)境光線的影響。溫度變化可以使其輸出的零位變化幾十毫伏，光線的影響使系統(tǒng)取值不穩(wěn)定，這兩項疊加在一起，便使PSD失去了測量精度和設備穩(wěn)定性，這點是PSD的殺手（測不準，重復性差）。三)CCD：CCD是一種半導體數(shù)字元器件（又稱光電藕合器件），它分為線陣CCD和面陣CCD兩種。它是20世紀70年代初發(fā)展起來的新型半導體集成光電器件，它是在一塊硅面上集成了數(shù)千個各自獨立的光敏元，當光照射到光敏面上時，受光光敏元將聚集光電子，通過移位的方式，將光量輸出，產(chǎn)生光位置和光強的信息，因此CCD具有測量精度高（0.05度以內(nèi)）、無溫度系數(shù)、使用壽命長等特點。遼寧工程技術(shù)大學碩士學位論3使用CCD有良好的環(huán)境適應能力。其他所有的技術(shù)都有各種各樣的使用上的限制，比如不能在光線復雜的地方使用、不能有強電磁場、溫度不能有太大的變化等等，而這些都是普通的修車車間的典型環(huán)境。那些不能開門，不能開窗，早晨涼快測量的數(shù)據(jù)和中午天熱測量就不同，不能有大的電機在附近的要求，對于四輪定位來說，實在是有點過分。因此歐美國家生產(chǎn)的四輪定位儀均采用CCD技術(shù)，如戰(zhàn)車、百事霸、戰(zhàn)神等，這也足以說明CCD產(chǎn)品的優(yōu)勢。四)3D：3D測量方式是采用圖像識別技術(shù)，用CCD數(shù)碼相機采集裝在車輪反光板上的圖像信息，以測量出車輪的相對精度，人工推動車輪前后移動，由CCD攝像頭采集信息，求出其坐標和角度。這是一種相當先進的測量方式，目前歐美常用。但他對舉升機和轉(zhuǎn)角盤等有嚴格的機械精度要求，目前國內(nèi)舉升機和轉(zhuǎn)角盤無法與之匹配，影響檢測效果，況且標定方式繁瑣，價格昂貴，檢測速度不快，售后維修較慢，并非國內(nèi)主流。顯然，四輪定位儀涉及了機械、光學、電子、計算機軟件、數(shù)學模型等多個領(lǐng)域的知識，且互相聯(lián)系、缺一不可。伴隨著科學進步，四輪定位儀產(chǎn)品也將得到進一步完善和提高。1.3課題研究的意義如今，四輪定位儀的發(fā)展仍處于產(chǎn)品的成長期，國外四輪定位廠家只有不超過10家，國內(nèi)生產(chǎn)四輪定位的有近50家，除去貼牌生產(chǎn)的后，真正能夠自己生產(chǎn)的也就在20家左右。他們或是同國外廠家合作授權(quán)生產(chǎn)國外中低端產(chǎn)品，或是干脆盜用他人技術(shù)自行生產(chǎn)，而真正擁有研發(fā)能力，并用之于生產(chǎn)的不超過5家。另外還有一些廠家不注重修煉內(nèi)功，為了自身的利益，不顧實際謊稱自己的產(chǎn)品是CCD或是藍牙傳輸?shù)幕蚴瞧渌裁聪冗M技術(shù)，這樣也就造成了四輪定位市場的混亂，造成一段時間以來投訴率大幅上升。為此交通部檢測中心曾對市場上的四輪定位產(chǎn)品進行了摸底調(diào)查，對16家送檢的產(chǎn)品進行了測試，結(jié)果只有4至5家的產(chǎn)品通過了檢測，突顯市場的混亂7。國內(nèi)自行研發(fā)的四輪定位儀主要采用較原始的PSD測量方式，并且上位機都是采用PC機，體積龐大，價格昂貴。而基于CCD和視覺的四輪定位儀都源于國外的技術(shù)，國內(nèi)還很少。本項目主要工作是基于PSD四輪定位儀的原理，遼寧工程技術(shù)大學碩士學位論4研制開發(fā)出自己的基于CCD、加速度傳感器和無線通信技術(shù)的四輪定位儀，掌握檢測原理，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。1.4研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題根據(jù)四輪定位的基本測量原理，通過搭建CCD檢測電路和數(shù)學模型、無線通訊系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)及應用程序等，設計出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的四輪定位儀。研究內(nèi)容：研究四輪定位儀檢測原理。實現(xiàn)線陣CCD對光束位置的數(shù)字檢測。實現(xiàn)加速度傳感器對傾角的數(shù)字檢測，完成傳感器檢測板的電路及程序設計。實現(xiàn)基于ARM9核心的嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)上位機與傳感器間的無線通訊，實驗校準。解決的關(guān)鍵問題：1)根據(jù)檢測原理推倒出CCD檢測的數(shù)學模型。2)下位機電路板及程序的設計。3)上位機及下位機的通訊及CRC檢效，上位機嵌入式系統(tǒng)的軟件設計。4)系統(tǒng)的測試與校驗。2汽車車輪定位參數(shù)檢測理論2.1車輪主要定位參數(shù)及其作用車輪定位參數(shù)包括：前輪前束、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾、后輪