汽车道路测试系统分析

汽车道路测试系统分析周学森1任成飞2保定071100摘要：分析了汽车道路试验的特点和测试系统结构，结合汽车动力学控制系统产业化开发需求，今后汽车道路试验测试技术发展方向是基于GPS的汽车位置姿态测量、GPS技术集成进行转向精确输入和路径跟随等规则化道路试验。关键词：汽车道路；测试；方法中图分类号：U41文献标识码：A1、汽车道路测试系统的意义汽车道路试验是在规则路面输入和典型驾驶输入下对汽车的动力性、制动性、主动安全性和操作稳定性等性能的不解体实车进行测试。目前，关于汽车道路试验的研究主要可分为两个方向：一是根据汽车道路试验的特点，在提高道路试验的可靠性、测试方法、测试精度等方面做文章，因此催生出了一大批相关的新型传感器和测试方法。二是道路模拟试验技术的发展，在实验室进行道路模拟试验，可以排除气候等因素的影响，大大地缩短试验周期和节约资金，并且试验的可控性好，试验结果的重复性强、精度高，便于对比，可以提高汽车测试效率，具有重要的工程应用价值。2、汽车道路试验特点及测试系统架构汽车道路试验测试系统为车载,而试验法规要求对汽车进行充分激励才能完成有效测试,故对测试系统的可靠性要求很高。传感器的安装不能要求改变原车的结构,对传感器的安装位置、体积、质量等提出了更高的要求。另外,汽车信号属于低频信号(通常在25Hz以下),且由于是短时测量,大多数变量对采样频率、测量精度等要求不高,但各信号采样需有较好的同步性。基于以上特点构建的汽车道路试验测试系统是汽车道路试验的基础,如下图所示是汽车道路试验系统的原理图,主要由传感、数据采集、数据记录和分析三部分组成。根据可靠性和具体的测试方法,这三部分或集成在一起,或部分集成。具有CAN节点的车载测试传感器,集成CAN节点和数据存储、LCD过程显示等功能的数据采集与处理装置是汽车道路试验测试系统的发展方向。3、车身运动姿态和质心轨迹的测量长期以来由于缺乏有效的测试技术手段，汽车做曲线运动的速度难以准确测取，汽车质心动态轨迹无法精密测定，以至涉及汽车安全的汽车制动方向稳定性能和高速操纵稳定性试验条件控制困难、测试结果不能全面反映汽车的动态特性。传统的测量方法是：⎪⎩⎪⎨⎧++=++=∫∫tccctcccdtvyydtvxx0000)sin()cos(ϕβϕβ其中，cx、cy——质心在地面固定坐标系中的坐标0cx、0cy——轨迹起始点坐标cv——车速,汽车质心处速度矢量在地平面上的投影传感器数据采集器过程监控/数据记录/分析t——有效试验时间由上式可以看出,轨迹测量最终归结为车速cv、质心侧偏角β和汽车方位角ψ的测量问题,而车速cv和质心侧偏角β的测量可具体为汽车纵向速度cxv和侧向速度cyv的测量。通常利用垂直陀螺或汽车操稳性测试仪直接测量得到的横摆角速度,经一次积分得到汽车方位角ϕ。汽车纵向速度cxv和侧向速度cyv通常采用双向非接触式光学速度传感器进行直接测量,但由于安装位置的影响,需要利用横摆角速度进行补偿。可以看出，上述测量方法存在以下不足：通过横摆角速度积分得到汽车方位角ϕ,积分存在累积误差，且误差发散；忽略了地球自转角速度的影响；对横摆角速度没有进行姿态补偿，测量存在原理性误差，在转向制动大的输入下测量误差较大。针对传统方法对汽车运动学参数测量的局限性，近年来有许多学者将惯性导航技术和卫星测量技术应用于汽车道路试验测试中,如路面附着系数识别，速度、侧偏角、位置和姿态的精确测量，以及测试系统同步机制实现。惯性测量系统和GPS组合测量汽车轨迹姿态方法有效解决了测量高精度和低成本间的矛盾。利用这种方法可以精确测量得到汽车的轨迹、姿态、质心侧偏角，以及运动坐标系和车体坐标系下的线(加)速度、角速度等重要的运动学参数，成为汽车运动学参数测量方法新的发展方向。差分定位方式(DGPS)就是利用两台GPS接收机来确定待定点在地心坐标中的绝对位置。利用差分技术可以将卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差完全消除，传播延迟误差也可大部分消除，因此该方法的定位精度高，目前最好GPS差分定位可达到厘米级的定位精度，因而能够较好的满足汽车性能试验的要求。差分测试系统结构如图1所示，由2台VBOXⅢ、1台VectorCrescent、1台便携式计算机和电源等组成。VBOXⅢ是单天线系统,其主要特点是数据更新速率高(100Hz)、集成有多路AD接口、提供外部CAN通信接口。VectorCrescent是双天线定向仪器，可以以20Hz的数据更新速率给出两天线基座连线(基线)与真北方向的夹角。4、车轮力的测量汽车运动主要由地面对车轮的作用力引起，车轮力直接测量技术为汽车底盘运动控制系统(包括轮胎模型和悬架控制)开发和性能评价动力总成匹配、道路载荷谱采集和道路性能研究与评价等提供了新的手段。基于测力车轮对车轮力直接测量是一种有效的方式，而测力车轮的核心部分为车轮力传感器（即WFT传感器）。WFT法测得的信号在一定范围内具有响应平稳、精确度高、信息量全等特点，而且能够更为准确地测量地面和汽车对车轮的作用力。目前我国已有对WFT进行产业化的研究。所研发的WFT是基于电阻应变式测量原理，采用八梁轮辐式传感体结构，在应变片布片组桥、非接触能量和信号传输、多分力信号结构解耦和标定、数据采集装置和数据分析等方面进行了深入研究。WFT按测量原理分为电阻应变片测量和压电效应测量，其研发的关键技术包括传感体设计、信号传输、标定与解耦等。5、结论基于现代产业化开发中对道路试验测试要求，本文对汽车位置、姿态和车轮力测量技术研究进行了综述。近年来多天线GPS测姿技术已较好的满足了汽车道路试验测试快速、可靠、精度适中的要求。