汽車操縱穩(wěn)定性道路試驗測試方法研究

1、汽車操縱穩(wěn)定性道路試驗測試方法研究汽車道路試驗是在規(guī)則路面輸入和典型駕駛輸入下對汽車的動力性、制動性、主動安全性和操作穩(wěn)定性等性能的不解體實車進行測試。汽車道路試驗檢測技術(shù)是推動汽車技術(shù)進步的一種極為重要的力法，也是保證產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力的重要手段，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展其作用和地位不斷提高。因此，如何通過有效的試驗方法和檢測系統(tǒng)來檢測、評價汽車的性能具有重要的意義。 目前，關(guān)于汽車道路試驗的研究主要可分為兩個方向：一是根據(jù)汽車道路試驗的特點，在提高道路試驗的可靠性、測試方法、測試精度等方面做文章，因此催生出了一大批相關(guān)的新型傳感器和測試方法。二是道路模擬試驗技術(shù)的發(fā)展，在實驗室進

2、行道路模擬試驗，可以排除氣候等因素的影響，大大地縮短試驗周期和節(jié)約資金，并且試驗的可控性好，試驗結(jié)果的重復性強、精度高，便于對比，可以提高汽車測試效率，具有重要的工程應用價值。本文著重對前者的技術(shù)發(fā)展狀況做一個梳理。位移、軌跡、速度、加速度和平面運動角速度等是汽車運動性能的主要描述參數(shù)，汽車的各種動力性能試驗、制動性能試驗和操縱穩(wěn)定性能試驗主要是通過對以上參數(shù)的時問特性進行測量和分析，以達到性能評價的目的。由于汽車道路試驗涉及的內(nèi)容比較多，這里主要以操縱穩(wěn)定性為例，結(jié)合汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(vehicle stability control system，簡稱VSC) 對汽車位置姿態(tài)測量技術(shù)、車

3、輪力測量技術(shù)和為解決客觀評價引入的汽車道路試驗轉(zhuǎn)向機器人技術(shù)的國內(nèi)外研究進展進行闡述。汽車道路試驗特點及測試系統(tǒng)架構(gòu)汽車道路試驗測試系統(tǒng)為車載,而試驗法規(guī)要求對汽車進行充分激勵才能完成有效測試,故對測試系統(tǒng)的可靠性要求很高。傳感器等的安裝不能要求改變原車的結(jié)構(gòu),對傳感器的安裝位置、體積、質(zhì)量等提出了更高的要求。另外,汽車信號屬于低頻信號(通常在25 Hz以下),且由于是短時測量,大多數(shù)變量對采樣頻率、測量精度等要求不高,但各信號采樣需有較好的同步性?；谝陨咸攸c構(gòu)建的汽車道路試驗測試系統(tǒng)是汽車道路試驗的基礎(chǔ),圖1所示是汽車道路試驗系統(tǒng)的原理圖,主要由傳感、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄和分析3部分組成。根

4、據(jù)可靠性和具體的測試方法,這3部分或集成在一起,或部分集成。具有CAN節(jié)點的車載測試傳感器,集成CA節(jié)點和數(shù)據(jù)存儲、LCD過程顯示等功能的數(shù)據(jù)采與處理裝置是汽車道路試驗測試系統(tǒng)的發(fā)展方向。過程監(jiān)控/數(shù)據(jù)記錄/離線分析傳感器數(shù)據(jù)采集器圖1車身運動姿態(tài)和質(zhì)心軌跡的測量長期以來由于缺乏有效的測試技術(shù)手段，汽車做曲線運動的速度難以準確測取 ，汽車質(zhì)心動態(tài)軌跡無法精密測定，以至涉及汽車安全的汽車制動方向穩(wěn)定性能和高速操縱穩(wěn)定性試驗條件控制困難、測試結(jié)果不能全面反映汽車的動態(tài)特性 2。傳統(tǒng)的測量方法是：其中，、質(zhì)心在地面固定坐標系中的坐標、軌跡起始點坐標車速,汽車質(zhì)心處速度矢量在地平面上的投影有效試驗時間

5、由上式可以看出,軌跡測量最終歸結(jié)為車速、質(zhì)心側(cè)偏角和汽車方位角的測量問題,而車速和質(zhì)心側(cè)偏角的測量可具體為汽車縱向速度和側(cè)向速度的測量。通常利用垂直陀螺或汽車操穩(wěn)性測試儀直接測量得到的橫擺角速度,經(jīng)一次積分得到汽車方位角。汽車縱向速度和側(cè)向速度通常采用雙向非接觸式光學速度傳感器進行直接測量15,但由于安裝位置的影響,需要利用橫擺角速度進行補償?？梢钥闯觯鲜鰷y量方法存在以下不足：通過橫擺角速度積分得到汽車方位角,積分存在累積誤差，且誤差發(fā)散；忽略了地球自轉(zhuǎn)角速度的影響；對橫擺角速度沒有進行姿態(tài)補償，測量存在原理性誤差，在轉(zhuǎn)向制動等大的激勵輸入下測量誤差較大。針對傳統(tǒng)方法對汽車運動學參數(shù)測量的局

6、限性，近年來有許多學者將慣性導航技術(shù)和衛(wèi)星測量技術(shù)應用于汽車道路試驗測試中,如路面附著系數(shù)識別，速度、側(cè)偏角、位置和姿態(tài)的精確測量，汽車動力學控制應用，以及測試系統(tǒng)同步機制實現(xiàn)。其中捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)(strapdown inertial measurement system，簡稱SIMS)和GPS組合測量汽車軌跡姿態(tài)方法有效解決了測量高精度和低成本間的矛盾。利用這種方法可以精確測量得到汽車的軌跡、姿態(tài)、質(zhì)心側(cè)偏角，以及運動坐標系和車體坐標系下的線(加)速度、角速度等重要的運動學參數(shù)，成為汽車運動學參數(shù)測量方法新的發(fā)展方向。差分定位方式(DGPS)就是利用兩臺GPS接收機來確定待定點在地心坐標中

7、的絕對位置。利用差分技術(shù)可以將衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差完全消除，傳播延遲誤差也可大部分消除，因此該方法的定位精度高目前最好GPS差分定位可達到厘米級的定位精度，因而能夠較好的滿足汽車性能試驗的要求。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2臺VBOX、1臺Vector Crescent、1臺便攜式計算機和電源等組成。VBOX是單天線系統(tǒng),由英國Racelogic公司研制的面向汽車測試應用的儀器，其主要特點是數(shù)據(jù)更新速率高(100 Hz)、集成有多路AD接口、提供外部CAN通信接口、提供基于內(nèi)部數(shù)據(jù)的數(shù)字或模擬信號接口給其他設(shè)備同步采集。其標稱水平速度精度是0·1 km/h7。V

8、ector Crescent是加拿大hemisphere GPS公司研發(fā)的雙天線定向儀器，可以以20 Hz的數(shù)據(jù)更新速率給出兩天線基座連線(基線)與真北方向的夾角，在基線長度為2 m時標稱測量精度為()。測試系統(tǒng)框架圖測試系統(tǒng)中的2臺VBOX均可測量得到天線處的水平速度及其速度方向，由于是單頻單天線系統(tǒng)，只能工作在標準定位模式(SPS),其測速是基于Doppler頻移技術(shù)。根據(jù)剛體運動學理論,在兩天線距離已知時可以求出車身天向橫擺角速度。下圖所示是由GPS測量數(shù)據(jù)計算汽車車身側(cè)偏角的方法示意圖。圖中OGxGyG為高斯水平直角坐標系，圖中AB連線盡量位于汽車縱向?qū)ΨQ平面，A點盡量位于汽車質(zhì)心上方

9、，AB間距離盡可能拉大，稱AB連線為基線，A處放置的天線為主天線，B處放置的天線為輔天線。uA、uB和f、r分別為A、B天線處的水平速度及其與正北方向的夾角，由GPS接收機分別測量得到。為基線與軸的夾角, 為汽車質(zhì)心側(cè)偏角，其定義為式中，汽車縱軸線與正北方向的夾角通過GPS測量得到A、B處的位置(，)、(，) ，則對式(2)直接計算得到的值進行修正，即然后代入式(1)進行計算。車輪力的測量汽車運動主要由地面對車輪的作用力引起，車輪力直接測量技術(shù)為汽車底盤運動控制系統(tǒng)(包括輪胎模型和懸架控制)開發(fā)和性能評價動力總成匹配、道路載荷譜采集和道路性能研究與評價等提供了新的手段。基于測力車輪對車輪力直接

10、測量是一種有效的方式。測力車輪的核心部分為車輪力傳感器(wheforce transducer,簡稱WFT)。圖4是KistlInstrument AG RWD結(jié)構(gòu)簡圖,其結(jié)構(gòu)具有代表性。對傳統(tǒng)車輪輪輞改進后,通過兩個連接法蘭將WFT傳感體串聯(lián)在車輪輪輞和制動器輪轂之間,地面對車橋的作用力傳遞路線變?yōu)?地面胎體改制輪輞輪輞調(diào)節(jié)法蘭傳感體輪轂調(diào)節(jié)法蘭制動器輪轂,所以測力車輪能夠更為準確地測量地面和汽車對車輪的作用力。目前東南大學在進行WFT的產(chǎn)業(yè)化研究，研發(fā)的某型WFT實物車上安裝。所研發(fā)的WFT基于電阻應變式測量原理，采用八梁輪輻式傳感體結(jié)構(gòu)，在應變片布片組橋、非接觸能量和信號傳輸、多分力信號

11、結(jié)構(gòu)解耦和標定、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)分析等方面進行了深入研究。WFT按測量原理分為電阻應變片測量和壓電效應測量，其研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感體設(shè)計、信號傳輸、標定與解耦等。其中對WFT的動態(tài)標定和解耦是研究的難點，需要借助輪胎試驗設(shè)備。利用輪胎試驗設(shè)備模擬實際路況進行復合載荷加載標定，構(gòu)造合適的算法進行維間耦合動態(tài)解耦和補償可以顯著提高WFT的測量精度。另外，針對汽車道路試驗的特點，減小傳感器體積、提高通用性和可靠性也是產(chǎn)業(yè)化過程中需要解決的重要問題。轉(zhuǎn)向力的測量為了有效解決VSC產(chǎn)業(yè)化過程中道路試驗方向盤轉(zhuǎn)角精確控制問題，需要研究駕駛機器人代替人類駕駛員實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向速度、轉(zhuǎn)向精度的精確控制。圖6所示是清華大學為滿足DSC產(chǎn)業(yè)化開發(fā)而研制的轉(zhuǎn)向機器人設(shè)計原理圖。圖中兩虛線方框給出的是GPS定位測速系統(tǒng)車載其余部分是轉(zhuǎn)向機器人控制系統(tǒng)，其中GPS系統(tǒng)通過RS232接口為轉(zhuǎn)向機器人系統(tǒng)實時提供精確的位置、速度等信息。GPS系統(tǒng)的接收機為加拿大novAtel公司的產(chǎn)品，均工作在