基于車輪多維力傳感器的輪胎動特性研究

1、基于車輪多維力傳感器的輪胎動特性研究侯光鈺,張為公(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系,江蘇南京210096)摘要:介紹了車輪多維力傳感器的基本原理和以該傳感器為核心構(gòu)建的汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)進(jìn)行了汽車的制動試驗,以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輪胎縱向制動力和滑移率關(guān)系的研究。結(jié)果表明,基于車輪多維力傳感器的道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠為輪胎動特性的研究提供方便而有效的手段。關(guān)鍵詞:車輪多維力傳感器;BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);輪胎動特性中圖分類號:TP212112 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:100020682 (2005) 0120029203Research on tire dynami

2、c property using WFTHOU Guang2yu ,ZHANGWei2gong( Department of Instrument Science and Technology , Southeast University , Jiangsu Nanjing 210096 , China)Abstract :In this paper ,the fundamental of multi2dimension wheel force transducer (WFT) is introduced.Avehicle road test system which based on WFT

3、 is also presented.With the system ,a vehicle road test is made inthe braking situation.BP neural network is adopted to study tire braking force function of slip ratio using thedata acquired from the test . The result illustrates that WFT based vehicle road test system can provide a conve2nient and

4、effective means for research on tire dynamic property.Key words :WFT;BP neural network ;tire dynamic property0 前言在汽車制動穩(wěn)定性模擬計算、汽車碰撞事故分析以及汽車運動控制的模擬中都要用到輪胎的模型?？梢哉J(rèn)為,汽車動力學(xué)仿真的準(zhǔn)確與否在很大程度上取決于所用輪胎模型能否精確而有效地表達(dá)出輪胎的力特性。輪胎模型的建立一般分為兩種方法:一種是理論建模,即通過對輪胎結(jié)構(gòu)和形變機制進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,建立剪切力和回正力矩與相應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系。另一種是經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式建模,它是通過對大量的輪胎力特性實

5、驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,用一定的公式擬合出輪胎的特性。在進(jìn)行經(jīng)驗建模的過程中,需要大量的輪胎試驗數(shù)據(jù)。目前大部分研究部門采用臺架試驗的方法獲得所需數(shù)據(jù)。然而臺架試驗往往需要昂貴的進(jìn)口儀器,而且由于臺架試驗在室內(nèi)進(jìn)行,對汽車行駛工況的模型與實際的工況存在一定的差距。此外,汽車行駛中慣量的影響也無法準(zhǔn)確模擬,汽車行駛時由于路面隨機輸入的影響,每個車輪的運動情況各不相同,在一般的臺架試驗中無法獲得車輪的動態(tài)特性,難以反映出汽車的側(cè)傾、俯仰和橫擺運動,而從國外進(jìn)口的動態(tài)綜合試驗臺價格昂貴,一般的企業(yè)難以承受。為了克服臺架試驗的不足,開發(fā)汽車道路試驗系統(tǒng)便顯得非常重要。在汽車道路試驗系統(tǒng)中車輪多維力傳感器是

6、最關(guān)鍵的部件,東南大學(xué)儀科系在國內(nèi)率先研制了車輪多維力傳感器,并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文中簡要介紹了該系統(tǒng)的軟、硬件構(gòu)成,利用該系統(tǒng)進(jìn)行了汽車制動試驗。以采集到的數(shù)據(jù)為依據(jù),采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了輪胎的動特性模型。1 測試系統(tǒng)的硬、軟件構(gòu)成111 車輪多維力傳感器在汽車車輪多維力傳感器(Wheel Force Trans2ducer ,簡稱WFT) 技術(shù)中,傳感器彈性體的設(shè)計是關(guān)鍵技術(shù)之一。通常光電式、磁電式、相位式原理組成的傳感器均為單維力測量傳感器,且軸向尺寸較大, 不能安裝在車輪上,只有應(yīng)變式原理的傳感器能夠滿足車輪多維力測量的要求。利用應(yīng)變式原理組成的多維力測量傳

7、感器在國外有一些產(chǎn)品,如用于飛機風(fēng)洞試驗的多分力天平;用于機器人腕力測量的傳感器;用于機床刀具研究的二分力傳感器等,這些傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是隨著應(yīng)用對象的變化而改變的。輪力傳感器測量的對象為汽車車輪在運行時受的力,由于被測對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空間尺寸較小,且聯(lián)接方式不能有較大的改變,因此彈性體的設(shè)計比較困難。國外只有少數(shù)公司擁有該項技術(shù),且未解密。軸承結(jié)構(gòu)由于軸向尺寸較大,無法滿足汽車車輪軸向結(jié)構(gòu)尺寸的要求,故采用盤式結(jié)構(gòu)。綜合考慮后設(shè)計的傳感器彈性體采用輪輻式結(jié)構(gòu),如圖1 所示。它通過內(nèi)環(huán)上的固定孔與輪鼓上的螺栓相聯(lián),利用螺母固定。彈性體的外環(huán)通過螺栓將其固定孔與輪輞上的固定孔相聯(lián),這樣傳感器彈性體

8、就相當(dāng)于一個聯(lián)接法蘭,將車輪與輪鼓連起來。車輪受的扭矩、側(cè)向力及側(cè)傾力矩、回正力矩通過固定螺栓和變形梁進(jìn)行傳遞。彈性體內(nèi)環(huán)面與輪鼓上的凸面配合,外環(huán)上的凸面與輪輞配合,車輪受的切向力和垂直載荷由這兩個配合面與變形梁進(jìn)行傳遞。在變形梁上合理地布片,通過組橋來測量變形梁受力的變形,進(jìn)而計算出車輪受的力和力矩。圖1 彈性體結(jié)構(gòu)示意圖該結(jié)構(gòu)具有如下特點:(1) 具有優(yōu)良的自然線性度,因為在載荷作用下彈性體的體積變化小;(2) 受力時的位移小,所以傳感器與承載機構(gòu)間的相互影響小;(3) 外形小,可以承受很大的側(cè)向力;(4) 結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,適合于測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對象;(5) 中間留有軸頭伸出的孔,使得

9、安裝時不影響輪距。112 測試系統(tǒng)的硬件組成以車輪多維力傳感器(WFT) 為核心構(gòu)建汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用下列傳感器:車輪多維力傳感器、油壓(3 路) 傳感器、踏板力傳感器、車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器等。系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示。根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速和車速信號,可以計算得到汽車在制動過程中的車輪滑移率。WFT 可以得到車輪所受的動態(tài)載荷,用于分析輪胎的動特性。車輪轉(zhuǎn)速測量采用光電碼盤,它把轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成頻率量向主機傳送。光電碼盤每一轉(zhuǎn)有60 個齒,這樣車輪轉(zhuǎn)1 圈可發(fā)出60 個脈沖信號,而且轉(zhuǎn)速與信號的頻率成正比。為了滿足測量精度的要求,采用測周法來測轉(zhuǎn)速。由于WFT 與汽車車輪固聯(lián)在一

10、起旋轉(zhuǎn),因此必須采用非接觸式信號傳輸技術(shù),先將12 V 直流電源經(jīng)電源逆變模塊中的振蕩電路產(chǎn)生400 Hz ,815 V 的交流電源,然后采用電感耦合的方式傳輸給應(yīng)變片電橋。對于電橋輸出的電壓經(jīng)預(yù)處理電路中的AD625 放大器放大,然后給AD652 進(jìn)行同步V/ F 變換,再經(jīng)過光電耦合取出信號傳入后處理部分。圖2 汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖113 測試系統(tǒng)的軟件構(gòu)成針對測試系統(tǒng)的特點,利用面向?qū)ο缶幊陶Z言Delphi 編制基于Windows 操作系統(tǒng)的測試軟件,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計且具有良好的人機接口界面。以下拉菜單激活各功能模塊,同時在程序執(zhí)行過程中提供操作提示信息。該軟件主要完成參數(shù)設(shè)置

11、、測量傳感器的標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集、信息處理及測試報告等功能。系統(tǒng)的采樣頻率大于100 Hz ,在參數(shù)設(shè)置中可以改變系統(tǒng)的采樣頻率及汽車各外形參數(shù)如前輪半徑、后輪半徑、質(zhì)心高度、汽車軸距等。對傳感器的靜態(tài)標(biāo)定可以減少動態(tài)采集時外界因素引起的誤差。軟件的主要功能模塊分述如下:(1) 顯示模塊。按車輪力或其它參數(shù)性質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及硬件調(diào)試(CTC 板和A/ D 采集板) 既有數(shù)字量的顯示,也有參數(shù)的動態(tài)變化曲線。(2) 設(shè)置模塊。進(jìn)行測試前系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,并將這些參數(shù)保存在文件系統(tǒng)。所需參數(shù)包括采時間、輪胎參數(shù)、車輛參數(shù)、傳感器標(biāo)定系數(shù)等等。(3) 監(jiān)控模塊。通過程序給計算機發(fā)出指令,控制試驗過程的數(shù)據(jù)

12、采集,進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的實時顯示和處理,并生成測試報表。2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于輪胎動特性研究利用研制的汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了純制動工況下車輪受力的測量。試驗過程中,逐步增加制動踏板力直到車輪抱死為止。通過測量車速和輪速得到車輪的滑移率,在滑移率由0 %到100 %增長的過程中,測量車輪受的垂直載荷和縱向制動力。不斷改變車輪的垂直載荷進(jìn)行同樣的試驗,以便測量垂直載荷對輪胎力的影響。通過對試驗數(shù)據(jù)的初步分析,可以發(fā)現(xiàn)輪胎的縱向制動力與車輪的滑移率之間呈非線性關(guān)系。對于輪胎特性的建模采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)顯示出極大的優(yōu)勢。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的突出之處在于其具有并行分布處理和自學(xué)習(xí)能力,同時具有很強的容錯性和魯棒性

13、,非常適合非線性系統(tǒng)建模。目前,基于誤差反向傳播遞推學(xué)習(xí)算法(BP 算法) 的前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,是研究最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。因此,決定采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立輪胎的力特性模型。網(wǎng)絡(luò)的輸入為二維,對于縱向力輸入為垂直載荷和車輪的滑移率。垂直載荷分為2、4、6、8 kN ,滑移率變化范圍為0 %100 %。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時,每一種載荷情況下的數(shù)據(jù)點取51 個,從而能夠保證訓(xùn)練結(jié)果滿足擬合精度的要求。選取迭代收斂目標(biāo)為0102 ,迭代過程中判據(jù)(偏差平方和) 小于此值時迭代過程終止,并輸出訓(xùn)練充足的信息;選取最大收斂步數(shù)為8 000 ,當(dāng)達(dá)到此步數(shù)仍不滿足收斂目標(biāo)時終止迭代,并輸出訓(xùn)

14、練不充足的信息。加入動量因子和可變學(xué)習(xí)率,以加快收斂速度,避免局部極值。網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果如圖3 所示。圖3 輪胎縱向力的訓(xùn)練結(jié)果圖中帶十字號的點即為訓(xùn)練時所取的樣本值相對應(yīng)的點。a 、b、c 、d 曲線分別對應(yīng)于垂直載荷為1、118、216、315 kN 下的輪胎受的縱向制動力。利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行垂直載荷為113、214 kN 情況下輪胎制動力的預(yù)測,結(jié)果如圖4 所示。圖4 輪胎縱向力的預(yù)測結(jié)果圖中e 、f 曲線分別對應(yīng)于垂直載荷為113、214 kN情況下的輪胎縱向制動力。虛線對應(yīng)實際測試值,實線對應(yīng)預(yù)測值,由圖可以看出預(yù)測誤差是很小的。3 結(jié)論該文提出了采用基于車輪多維力傳感器構(gòu)成汽車

15、道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行輪胎動特性研究的新方法。通過汽車制動試驗數(shù)據(jù)的采集分析,證明該方法切實可行。該方法能夠克服臺架試驗存在的所需儀器價值昂貴,工況模擬不準(zhǔn)確等缺點。所開發(fā)的汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已被國內(nèi)一些研究部門采用。該系統(tǒng)同樣能夠用于汽車操縱穩(wěn)定性試驗研究。隨著車輪多維力傳感器性能的提高和完善,汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必將為汽車產(chǎn)品的開發(fā)提供既經(jīng)濟又方便的研究手段。參考文獻(xiàn):1 宋國民,張為公,翟羽健. 新型非接觸式車輪扭矩傳感器設(shè)計J . 測控技術(shù),2001 ,20(1) :11 - 13.2 張為公1 一種六維力傳感器的新型布片和解耦方法J . 南京航空航天大學(xué)學(xué)報,1999 ,

16、(2) :119 - 222.3 王文成1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在汽車工程中的應(yīng)用M . 北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.4 Park D C ,Sharkawi M A ,Marks R J . Electric load forecastingusing a neural network J . IEEE Trans on Power System ,1991 ,6(2) :442 - 449.文章綜述：本文以車輪多維力傳感器為基本，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一個監(jiān)測、檢驗、預(yù)測輪胎特性的平臺，克服了國外儀器價格昂貴、模擬不準(zhǔn)確的問題，并在一些部門已步入實際使用階段。本文通過以車輪多維力傳感器（WFT）為核心構(gòu)建了汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)集中了多維了、油壓、踏板力、輪速、車速等一系列傳感器，實現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)的采集一體化。根據(jù)實際測得數(shù)據(jù)的非線性，又采用了具有并行分布處理和自學(xué)習(xí)能力的BP