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摘要：机动车辆的起动制动性能是评价车辆优劣的重要标准。针对机动车辆起动和制动的各个参数的精确测量问题，本文提出了一种新型的激光对射式的机动车辆起动制动性能的测试方法和装置，使用激光发射/接收管、单片机控制器、无线通讯模块和计算机实现对车辆起动与制动阶段各个参数的实时精确测量和计算，具有车速测量和制动性能测试可以一次性完成，结构简便，测试精度高，使用方便，系统功耗低，成本低，便于维护等优点。
关键词：激光；光电开关；测试技术；机动车辆；起动制动性能
引言
机动车辆是现代人们出行的重要交通工具之一。随着国民经济和科学技术的发展，机动车辆的使用性能已经成为人们关注的焦点。是否能够迅速起动机动车辆，机动车辆行驶在高速状态下，能否将车辆安全制动停止下来，是评价机动车辆性能的两个非常重要的标准[1]。同时，越来越多的机动车辆制造商和销售商，将0-100m加速性能和100-0km/h制动距离列入到产品说明中，作为对比车辆性能优劣的重要参数。但是同时，用来测试机动车辆起动与制动性能的方法普遍不够方便和精确，拿机动车辆制动测试方法举例，目前采用的方法是在刹车瞬间，利用刹车带动火药枪在地下打下痕迹，作为刹车起始点，等待车辆停车后用卷尺测量刹车距离。该方法对路面有一定的破坏性，使用时有一定的危险性，虽然能够测量刹车距离，但要精确测量刹车时间则必须与其它测量仪器配合使用。机动车辆刹车距离还跟刹车时候的初速度有关，因此分析自行车刹车性能时候必须考虑刹车时速度的影响，目前车辆测速系统有多普勒雷达测速、GPS测速、视频测速、感应线圈测速等。多普勒雷达及GPS测速在汽车测速方面应用极为广泛，但是测试误差较大。视频测速抓拍系统，其主要用于侦查，且其分析过程较为复杂。感应线圈测试系统，测速需要在路面下埋线圈，施工安装复杂，不容易推广。本文提出一种基于激光测试技术的新型机动车辆起动制动性能测试方法，使用激光发射/接收管、单片机控制器、无线通讯模块和计算机实现对车辆起动与制动阶段各个参数的实时精确测量和计算，具有结构简化，安装方便，测量精度高等优点。
1.测试装置设计
激光测试是一种非接触式测试[2]，不影响被测物体的运动，具有精度高、测量范围大、测量时间短，极高的空间分辨率等优点。新型机动车辆起动制动性能测试装置包括激光发射单元和激光接收单元，激光发射单元包括发射控制器和激光发射管，激光接收单元包括接收控制器、通讯模块和激光接收管。激光发射管和接收管为对射式光电发射管及接收管。
发射单元安装在发射支架上，接收单元安装在接收支架上。发射支架上等间隔布置激光发射管，接收支架上等间隔布置激光接收管。发射支架和接收支架分别位于行车直线路径的两侧，发射支架和接收支架均呈一条直线，激光发射管和激光接收管的数量相等且一一配对，相互配对的激光发射管的光点落在相应的激光接受管的接收区域内1.1.光源的选择
一般来说，光电开关主要有对射式和反射式两种[3]，反射式光电管发射与接收一体，安装使用方便，但反射式光电管发射及接收角度较大，因此测量精度相对对射式光电开关而言较低，因此本文采用了对射式光电发射及接收管实现高精度测速及起动制动时间及距离测量。
1.2.方式的选择
每个激光发射管与相应的激光接收管正对，并保证在中间无阻挡情况下，激光发射管发射的光能够被激光接收管接收。因为测试单元和接收单元分别位于机动车辆行车路线的两侧，如果采用发射点光源的激光发射管，则必须保证激光接收管与发射管的位置相对，在安装过程中如果存在偏差，激光发射管发出的光源就不易落在激光接收管的区域内，且整个测试装置有多个独立的测试单元，调节难度极大，因此本文采用发射线光源的激光发射管，激光发射管发出的线光源可形成一个垂直激光接收管的平面，且线光源有一定的张角，接收单元有了更多的安装余度，方便安装，调节难度降低2.测试系统研究
测试系统有数据采集、数据通讯和数据处理单元组成。
2.1.数据采集
测量装置由多个长度为L的测试单元组成，所述一个测试单元由一个发射单元和一个接收单元构成，如图3所示，发射单元为 ～ ，接收单元为 ～ ，发射单元离开地面一定高度顺序排列在行车直线路径的一侧，接收单元排列在另一侧，发射单元和接收单元保持在一条直线上，发射单元与接收单元平行正对且垂直距离为S。
装置中的发射控制器、接收控制器均采用ARM单片机。
我们以单个测试单元为例，发射单元 由单片机控制器、激光发射管组成，接收单元 由单片机控制器、通讯模块和激光接收管组成。发射单元 和接收单元 分别安装在细长铝型材内，发射单元 每隔一定的距离布置一个激光发射管，即为10～19，所述接收单元 每隔相应的距离布置一个激光接收管，即为20～29，所有的激光发射管之间距离相等，激光发射管的光点落在每个相对应的接收管接收区域内。
2.2.数据通讯
由于测试距离较长，所有测试单元都要通过导线连接到控制器，即使控制器布置在所有测试单元中间位置，也还是存在连接线太长，并且数量太多从而造成布线复杂[4]，因此整个测试装置由若干个测试单元构成，采用无线通讯模块实现低功耗数据传输[5]。所有发射单元不安装通讯模块，所有接收模块安装通讯模块，由接收单元单片机控制，采用单工通讯方式，即只能由测试单元往主机发送数据，测试单元不接收主机发过来的命令或数据。主机实现与所有测试单元数据通讯，并将接收到的数据通过USB或RS-232等通讯接口传送到电脑，由电脑实现数据处理、分析及测试曲线和结果的显示。
待测试机动车辆定义为从左往右行驶，每个发射单元内激光发射管左侧增加一个激光接收管并连接到发射单元单片机，每个接收单元内激光接收管左侧增加一个激光发射管并连接到发射单元单片机，如图2所示，增加的激光接收管2和激光发射管1不影响原有激光发射管10～19和激光接收管20～29之间的距离大小，测试开始前仅启动发射管1导通，启动发射管1的光束直接投射到启动接收管2，当待测车辆最前端到达启动发射管1光束所在位置时，投射到启动接收管2的激光束被阻挡，发射单元单片机未检测到启动接收管2信号，此时发射单元单片机立即导通激光发射管10～19，发射10条平行的激光束投射到接收单元上，并同时启动内部定时器，定时时间为车辆通过该测试单元的最长时间，定时时间到激光发射管10～19全部关闭。当车辆行驶到激光发射管10激光束所在位置时，激光束被阻挡，接收单元单片机接收到激光接收管20信号，此时单片机计时器清零并启动，同时关闭启动发射管1，当车辆依次行驶经过激光发射管11～19时，激光接收管信号发生跳变，接收单元单片机根据激光接收管21～29信号记录计时器时间值，通讯模块将数据传送给主控制器，同时启动内部定时器，定时时间为系统预先设置的两次测试的间隔时间，当定时时间到重新导通启动发射管1，为下一次测试做准备[6]。 接收单元通过通讯模块将测试数据传送到主控制器，主控制器将接收到的数据通过USB或RS-232接口连接到计算机，每个发射单元和接收单元采用电池独立供电。
通讯模块为Zigbee无线通讯模块，所述通讯模块采用单工通讯方式。当然，也可以选用其他的通讯方式。
每个测试单元有各自的地址，各个测试单元的前后顺序决定了位移值，顺序错误则造成所有测试数据的混乱，因此必须指定各个测试单元的顺序。为便于使用和维护，使得所有发射单元和接收单元顺序不需要预先固定，只要保证所有测试单元排列成两条平行直线，发射单元和接收单元可以任意组合使用，无需对地址的顺序做任何人工设定，由于车辆通过各个测试单元的时间有先后，因此主机直接根据接收到的各个测试单元发送的数据的时间前后确定测试单元的顺序。
2.3.测试过程
当待测车辆在行车路线上行驶时，待测车辆最前端首先挡住一对激光发射管，与该发射管对应的激光接收管输出信号翻转，可以认为光电接收管输出电平由高到低或由低到高发生跳变（由光电管的常开或常闭决定），该跳变标志被控制器作为时钟启动信号，启动时钟计时，当待测车辆其余部分通过该点时，有可能光被挡住也可能未被挡住，此时的跳变型号不做处理。同样，当待测车辆最前端到达第二对激光发射管和激光接收管时，第二对激光接收管信号发生跳变，此时由控制器记录计时时钟值，该值作为待测车辆进入第二个光电管的时间。以此类推，当待测车辆依次通过所有光电管所在位置，控制器都以每个光电管的信号第一次发生跳变作为计时信号记录时钟值。这样，控制器就能够得到待测车辆通过每个光电管的时间，由于每两组光电管的距离固定，因此控制器就能够根据通过每两组光电管计算一个速度值，当待测车辆通过所有光电管时，控制器能够在同一个曲线框内绘制两条曲线，该曲线横坐标为时间，纵坐标1为位移，纵坐标2为速度，两条曲线记录了通过每个光电管的时间及速度，控制器还可以根据速度变化值获取加速度曲线。根据该曲线可以计算通过一定区域的平均车速、最高车速等各类有关速度的参数值[7]。
2.4.数据处理
由于每两组光电管的距离固定，计算机根据接收到的数据以时间为横坐标，位移为纵坐标，绘制出待测车辆的位移-时间曲线和速度-时间曲线，再通过量速度-时间和位移-时间曲线可计算出车辆制动（起动）的时间和刹车（起动）距离值。
待测车辆进入测试区域后紧急刹车，待测车辆往前运行一段距离后停止运动，从刹车起始点到停车点之间的距离为刹车距离。利用速度-时间和位移-时间曲线能够很容易地获得刹车时间和刹车距离值。从速度变化来分析，紧急刹车时待测车辆会突然减速，从曲线中寻找速度开始突然下降的点，在曲线上绘制一条通过该点并与X轴垂直的直线，该直线与位移曲线的交点所对应的位移值就是制动起始点的位移值；在速度曲线上寻找第一个速度为零的点，也绘制一条通过该点并与X轴垂直的直线，该直线与位移曲线的交点所对应的位移值就是待测车辆制动停止的点的位移，由该值减去制动起始点的位移值，所得到的值就是待测车辆的制动距离，而两个点所对应的横坐标的差值就是刹车时间。当车辆开始起动到达到指定速度的时间为起动时间，所行驶的距离为起动距离，待测车辆开始加速时速度由零开始增加，记录此时的位移和时间，当达到指定速度值时记录位移和时间，两者的差值就是起动时间和起动距离。
2.5.电源
由于整个系统需要在野外使用，供电问题是一个主要问题，因此本文不采用普通交流市电供电方案，而是采用电池供电方案。每个发射单元和接收单元独立供电，采用可拆卸的锂电池或普通可充电电池供电，也可采用普通干电池供电。可拆卸的目的是便于充电及更换。多个激光发射管同时打开的功耗较大，因此必须合理控制光电管和接收管的导通时间，因此发射单元不连接主机，因此无通讯功耗。接收单元与主机采用单向通讯方式，即只有接收单元将测试数据发送给主机，而不接受主机的控制命令，有效降低待机功耗，同时控制激光发射和接收管的导通时间，每个测试单元内最左边的一条激光束来控制右方激光束的导通来实现省电。
3.结论
本文提出的这套装置，能够利用测试曲线简洁直观并精确地获取车速及起动制动时间及距离，并且车速测量和制动性能测试可以一次性完成，测试精度高，使用方便，系统功耗低，成本低，便于维护。本装置克服了之前机动车辆起动制动测试装置测量精度不高，安装使用繁杂等缺陷，给出了一种机动车辆性能测试的优化方案，装置尤其适用于机动车辆的速度及制动性能测试。该方法也能应用于玩具车、摩托车等其它车辆或移动物体的测试。
参考文献：
[1]李潇潇.基于ARM的车辆制动自动监控系统设计.西南交通大学，2009
[2]郭隐彪. 激光检测技术的发展[J].激光与电光学进展，2006，43（10）： 71-73
[3]吴金宏，张连中，刘丽娜.光电开关及其应用. 国外电子元器件，2001，（5）：14-18
[4]阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，2008
[5]孙学康，刘 勇.无线传输与接入技术.北京：人民邮电出版社，2010
[6]王忠飞，胥 芳.MCS-51单片机原理及嵌入式系统的应用.西安：西安电子科技大学出版社，2007
[7]王昌明，孔德仁，何云峰.传感与测试技术.北京：北京航空航天大学出版社， 2005.
关键词：激光；光电开关；测试技术；机动车辆；起动制动性能
引言
机动车辆是现代人们出行的重要交通工具之一。随着国民经济和科学技术的发展，机动车辆的使用性能已经成为人们关注的焦点。是否能够迅速起动机动车辆，机动车辆行驶在高速状态下，能否将车辆安全制动停止下来，是评价机动车辆性能的两个非常重要的标准[1]。同时，越来越多的机动车辆制造商和销售商，将0-100m加速性能和100-0km/h制动距离列入到产品说明中，作为对比车辆性能优劣的重要参数。但是同时，用来测试机动车辆起动与制动性能的方法普遍不够方便和精确，拿机动车辆制动测试方法举例，目前采用的方法是在刹车瞬间，利用刹车带动火药枪在地下打下痕迹，作为刹车起始点，等待车辆停车后用卷尺测量刹车距离。该方法对路面有一定的破坏性，使用时有一定的危险性，虽然能够测量刹车距离，但要精确测量刹车时间则必须与其它测量仪器配合使用。机动车辆刹车距离还跟刹车时候的初速度有关，因此分析自行车刹车性能时候必须考虑刹车时速度的影响，目前车辆测速系统有多普勒雷达测速、GPS测速、视频测速、感应线圈测速等。多普勒雷达及GPS测速在汽车测速方面应用极为广泛，但是测试误差较大。视频测速抓拍系统，其主要用于侦查，且其分析过程较为复杂。感应线圈测试系统，测速需要在路面下埋线圈，施工安装复杂，不容易推广。本文提出一种基于激光测试技术的新型机动车辆起动制动性能测试方法，使用激光发射/接收管、单片机控制器、无线通讯模块和计算机实现对车辆起动与制动阶段各个参数的实时精确测量和计算，具有结构简化，安装方便，测量精度高等优点。
1.测试装置设计
激光测试是一种非接触式测试[2]，不影响被测物体的运动，具有精度高、测量范围大、测量时间短，极高的空间分辨率等优点。新型机动车辆起动制动性能测试装置包括激光发射单元和激光接收单元，激光发射单元包括发射控制器和激光发射管，激光接收单元包括接收控制器、通讯模块和激光接收管。激光发射管和接收管为对射式光电发射管及接收管。
发射单元安装在发射支架上，接收单元安装在接收支架上。发射支架上等间隔布置激光发射管，接收支架上等间隔布置激光接收管。发射支架和接收支架分别位于行车直线路径的两侧，发射支架和接收支架均呈一条直线，激光发射管和激光接收管的数量相等且一一配对，相互配对的激光发射管的光点落在相应的激光接受管的接收区域内1.1.光源的选择
一般来说，光电开关主要有对射式和反射式两种[3]，反射式光电管发射与接收一体，安装使用方便，但反射式光电管发射及接收角度较大，因此测量精度相对对射式光电开关而言较低，因此本文采用了对射式光电发射及接收管实现高精度测速及起动制动时间及距离测量。
1.2.方式的选择
每个激光发射管与相应的激光接收管正对，并保证在中间无阻挡情况下，激光发射管发射的光能够被激光接收管接收。因为测试单元和接收单元分别位于机动车辆行车路线的两侧，如果采用发射点光源的激光发射管，则必须保证激光接收管与发射管的位置相对，在安装过程中如果存在偏差，激光发射管发出的光源就不易落在激光接收管的区域内，且整个测试装置有多个独立的测试单元，调节难度极大，因此本文采用发射线光源的激光发射管，激光发射管发出的线光源可形成一个垂直激光接收管的平面，且线光源有一定的张角，接收单元有了更多的安装余度，方便安装，调节难度降低2.测试系统研究
测试系统有数据采集、数据通讯和数据处理单元组成。
2.1.数据采集
测量装置由多个长度为L的测试单元组成，所述一个测试单元由一个发射单元和一个接收单元构成，如图3所示，发射单元为 ～ ，接收单元为 ～ ，发射单元离开地面一定高度顺序排列在行车直线路径的一侧，接收单元排列在另一侧，发射单元和接收单元保持在一条直线上，发射单元与接收单元平行正对且垂直距离为S。
装置中的发射控制器、接收控制器均采用ARM单片机。
我们以单个测试单元为例，发射单元 由单片机控制器、激光发射管组成，接收单元 由单片机控制器、通讯模块和激光接收管组成。发射单元 和接收单元 分别安装在细长铝型材内，发射单元 每隔一定的距离布置一个激光发射管，即为10～19，所述接收单元 每隔相应的距离布置一个激光接收管，即为20～29，所有的激光发射管之间距离相等，激光发射管的光点落在每个相对应的接收管接收区域内。
2.2.数据通讯
由于测试距离较长，所有测试单元都要通过导线连接到控制器，即使控制器布置在所有测试单元中间位置，也还是存在连接线太长，并且数量太多从而造成布线复杂[4]，因此整个测试装置由若干个测试单元构成，采用无线通讯模块实现低功耗数据传输[5]。所有发射单元不安装通讯模块，所有接收模块安装通讯模块，由接收单元单片机控制，采用单工通讯方式，即只能由测试单元往主机发送数据，测试单元不接收主机发过来的命令或数据。主机实现与所有测试单元数据通讯，并将接收到的数据通过USB或RS-232等通讯接口传送到电脑，由电脑实现数据处理、分析及测试曲线和结果的显示。
待测试机动车辆定义为从左往右行驶，每个发射单元内激光发射管左侧增加一个激光接收管并连接到发射单元单片机，每个接收单元内激光接收管左侧增加一个激光发射管并连接到发射单元单片机，如图2所示，增加的激光接收管2和激光发射管1不影响原有激光发射管10～19和激光接收管20～29之间的距离大小，测试开始前仅启动发射管1导通，启动发射管1的光束直接投射到启动接收管2，当待测车辆最前端到达启动发射管1光束所在位置时，投射到启动接收管2的激光束被阻挡，发射单元单片机未检测到启动接收管2信号，此时发射单元单片机立即导通激光发射管10～19，发射10条平行的激光束投射到接收单元上，并同时启动内部定时器，定时时间为车辆通过该测试单元的最长时间，定时时间到激光发射管10～19全部关闭。当车辆行驶到激光发射管10激光束所在位置时，激光束被阻挡，接收单元单片机接收到激光接收管20信号，此时单片机计时器清零并启动，同时关闭启动发射管1，当车辆依次行驶经过激光发射管11～19时，激光接收管信号发生跳变，接收单元单片机根据激光接收管21～29信号记录计时器时间值，通讯模块将数据传送给主控制器，同时启动内部定时器，定时时间为系统预先设置的两次测试的间隔时间，当定时时间到重新导通启动发射管1，为下一次测试做准备[6]。 接收单元通过通讯模块将测试数据传送到主控制器，主控制器将接收到的数据通过USB或RS-232接口连接到计算机，每个发射单元和接收单元采用电池独立供电。
通讯模块为Zigbee无线通讯模块，所述通讯模块采用单工通讯方式。当然，也可以选用其他的通讯方式。
每个测试单元有各自的地址，各个测试单元的前后顺序决定了位移值，顺序错误则造成所有测试数据的混乱，因此必须指定各个测试单元的顺序。为便于使用和维护，使得所有发射单元和接收单元顺序不需要预先固定，只要保证所有测试单元排列成两条平行直线，发射单元和接收单元可以任意组合使用，无需对地址的顺序做任何人工设定，由于车辆通过各个测试单元的时间有先后，因此主机直接根据接收到的各个测试单元发送的数据的时间前后确定测试单元的顺序。
2.3.测试过程
当待测车辆在行车路线上行驶时，待测车辆最前端首先挡住一对激光发射管，与该发射管对应的激光接收管输出信号翻转，可以认为光电接收管输出电平由高到低或由低到高发生跳变（由光电管的常开或常闭决定），该跳变标志被控制器作为时钟启动信号，启动时钟计时，当待测车辆其余部分通过该点时，有可能光被挡住也可能未被挡住，此时的跳变型号不做处理。同样，当待测车辆最前端到达第二对激光发射管和激光接收管时，第二对激光接收管信号发生跳变，此时由控制器记录计时时钟值，该值作为待测车辆进入第二个光电管的时间。以此类推，当待测车辆依次通过所有光电管所在位置，控制器都以每个光电管的信号第一次发生跳变作为计时信号记录时钟值。这样，控制器就能够得到待测车辆通过每个光电管的时间，由于每两组光电管的距离固定，因此控制器就能够根据通过每两组光电管计算一个速度值，当待测车辆通过所有光电管时，控制器能够在同一个曲线框内绘制两条曲线，该曲线横坐标为时间，纵坐标1为位移，纵坐标2为速度，两条曲线记录了通过每个光电管的时间及速度，控制器还可以根据速度变化值获取加速度曲线。根据该曲线可以计算通过一定区域的平均车速、最高车速等各类有关速度的参数值[7]。
2.4.数据处理
由于每两组光电管的距离固定，计算机根据接收到的数据以时间为横坐标，位移为纵坐标，绘制出待测车辆的位移-时间曲线和速度-时间曲线，再通过量速度-时间和位移-时间曲线可计算出车辆制动（起动）的时间和刹车（起动）距离值。
待测车辆进入测试区域后紧急刹车，待测车辆往前运行一段距离后停止运动，从刹车起始点到停车点之间的距离为刹车距离。利用速度-时间和位移-时间曲线能够很容易地获得刹车时间和刹车距离值。从速度变化来分析，紧急刹车时待测车辆会突然减速，从曲线中寻找速度开始突然下降的点，在曲线上绘制一条通过该点并与X轴垂直的直线，该直线与位移曲线的交点所对应的位移值就是制动起始点的位移值；在速度曲线上寻找第一个速度为零的点，也绘制一条通过该点并与X轴垂直的直线，该直线与位移曲线的交点所对应的位移值就是待测车辆制动停止的点的位移，由该值减去制动起始点的位移值，所得到的值就是待测车辆的制动距离，而两个点所对应的横坐标的差值就是刹车时间。当车辆开始起动到达到指定速度的时间为起动时间，所行驶的距离为起动距离，待测车辆开始加速时速度由零开始增加，记录此时的位移和时间，当达到指定速度值时记录位移和时间，两者的差值就是起动时间和起动距离。
2.5.电源
由于整个系统需要在野外使用，供电问题是一个主要问题，因此本文不采用普通交流市电供电方案，而是采用电池供电方案。每个发射单元和接收单元独立供电，采用可拆卸的锂电池或普通可充电电池供电，也可采用普通干电池供电。可拆卸的目的是便于充电及更换。多个激光发射管同时打开的功耗较大，因此必须合理控制光电管和接收管的导通时间，因此发射单元不连接主机，因此无通讯功耗。接收单元与主机采用单向通讯方式，即只有接收单元将测试数据发送给主机，而不接受主机的控制命令，有效降低待机功耗，同时控制激光发射和接收管的导通时间，每个测试单元内最左边的一条激光束来控制右方激光束的导通来实现省电。
3.结论
本文提出的这套装置，能够利用测试曲线简洁直观并精确地获取车速及起动制动时间及距离，并且车速测量和制动性能测试可以一次性完成，测试精度高，使用方便，系统功耗低，成本低，便于维护。本装置克服了之前机动车辆起动制动测试装置测量精度不高，安装使用繁杂等缺陷，给出了一种机动车辆性能测试的优化方案，装置尤其适用于机动车辆的速度及制动性能测试。该方法也能应用于玩具车、摩托车等其它车辆或移动物体的测试。
参考文献：
[1]李潇潇.基于ARM的车辆制动自动监控系统设计.西南交通大学，2009
[2]郭隐彪. 激光检测技术的发展[J].激光与电光学进展，2006，43（10）： 71-73
[3]吴金宏，张连中，刘丽娜.光电开关及其应用. 国外电子元器件，2001，（5）：14-18
[4]阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，2008
[5]孙学康，刘 勇.无线传输与接入技术.北京：人民邮电出版社，2010
[6]王忠飞，胥 芳.MCS-51单片机原理及嵌入式系统的应用.西安：西安电子科技大学出版社，2007
[7]王昌明，孔德仁，何云峰.传感与测试技术.北京：北京航空航天大学出版社， 2005.