（精密仪器及机械专业论文）便携式汽车道路试验数据采集及分析系统研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 便携式汽车道路试验数据采集及分析系统，是评价汽车整车特性的重要技术手段。汽车运动本身是一 个复杂的动态过程，预 量汽车行驶过程中车身姿态和轨迹、车轮上各维载荷的变化等参数，对分析与评价 汽车动态性能，如制动，操纵稳定性、悬架特性等，以及对路谱数据采集和台架路谱再现等具有重要的应 用价值。因此，便携式汽车道路试验数据采集及分析系统的设计与研究对于汽车设计、开发以及性能评价 都具有重要的意义。 依托本课题组承担的江苏省交通科学研究计划项目车辆安全性能评价及检测装置研究( 项目编号： 0 5 c 0 2 ) ，以设计开发一种便携式的汽车道路试验数据采集及分析系统为目的，本文研究了多传感器测量技 术原理和采集方案，设计了车身姿态与轨迹测量方法、数据采集装置等硬件及相关软件，并组成系统在汽 车道路试验中得以应用，验证了系统设计的正确性和可靠性。论文完成的工作如下： 1 在确定以捷联惯性测量系统( s i m s ) 和g p s 联合测量车身姿态与轨迹的方案后，设计了一种车身姿 态与轨迹的测量装置，采用嵌入式测量电路进行信号采集、处理与存储，从而实现对车身姿态与轨迹的直 接测量。 2 采用分布式设计思想，设计了一种由单一主通讯控制卡和多个从测量卡组成主一一从式结构的数据 采集装置。每块从测量卡实现对类多路前端传感器信号的调理和采集，主通讯控制卡控制各个从测量卡 的同步和各路数据汇总，存储在非易失性存储器，并可将数据导出至上位机。系统可通过增加不同功能的 测量卡，实现测量对象和测量通道的扩展。 3 以图形化界面设计上位机的数据采集，处理与分析软件采集软件监控数据采集的整个过程，并实 现数据的上传。根据不同需求。处理与分析软件可对试验数据进行各种处理与相关分析，最终可进行曲线 输出和报表输出。 4 完成整个系统的设计制作后，便携式汽车道路试验数据采集及分析系统被应用于各项汽车道路试验 中，结果表明，该系统设计合理。使用方便，测量的各项数据满足汽车道路试验的国家相关标准要求。 本文提供了一种汽车道路试验用的数据采集及分析系统的方寨，系统的设计过程和设计方案，对类似 系统的设计开发具有借鉴意义。本文介绍的汽车道路试验数据采集及分析系统已实现产品化。 关键词：汽车道路试验数据采集及分析系统车身姿态与轨迹多传感器融合小波分析数据处理与 分析软件 东南大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 1 1 ”p i ) - a ( p o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s ) s y s t e mf o ra u t o m o b i l er o a d w a yt e s t , i sak i n do f i m p o r t a n te q u i p m e n tf o rv e h i c l et e s ln 培m o v e m e n to fv e h i c l ei sak i n do fc o m p l e xd y n a m i cp r o c e s s s oi ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et om e a s u r et h ec a r r i a g ea n dt r a c ko ft h eb e d y w o r ka n dw h e e lf o r c ei nm u l t i - d i r e c t i o nf o r r e s e a r c h i n ga n de s t i m a t i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，s u c ha sb r a k i n g ( i n c l u d i n gs w e r v e ) , s u s p e n s i o n , n a v i g a t i o ns t a b i l i t ya n dr o a dp r o f i l ec o l l e c t i n g r e l y0 1 1t h ep r o j e c to fj i a n g s o 自m 塌cs c i e n c er e s e a r c hp l a n r e s e a r c ho fv e h i c l es e c u r i t ye s t i m a t ea n d m e a s u r i n ge q u i p m e n t ，e n da i m i n ga td e v e l o p i n gak i n do fg e n e r a lp d a as y s t e mf o ra u t o m o b i l er o a d w a yt e s t , t h ep r i n c i p l ea n dp r e c e p to fm u l t i s e n s o r sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a sw e l la st h e d e s i g no fc a r r i a g ea n dt r a c ko ft h eb o d y w o r km e a s u r i n gi n s t r u m e n t , t h ep d a am a c h i n ea n ds o f t w a r e n 硷 s y s t e mi sc o n s t r u c t e da n da p p l i e di nr o a d w a yt e s tt ov a l i d a t et h ep r e c i s e n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m 1 1 d i s c u s s i o nc o v e r s ： 1 u s i n gg y r o s c o p ea n dg p sa st h ec a r r i a g ea n dt r a c ko f t h eb e d y w o r ks e n s o r , a ne m b e d d e dc i r c u i ti sd e s i g n e d t os a m p l ea n dt r a n s m i t t e da n ds a v et h ec a r r i a g ea n dt r a c ko ft h eb o d y w o r ks i g n a | t h ec a r r i a g ea n dt r a c ko ft h e b o d y w o r kj n s t r u m a n ti sc o n s t r u c t e do f e m b e d d e dc i r c u i t , w h i c hc o u l da c h i e v ed i r e c tm e a s u r e m e n to f t h ec a r r i a g e a n dt r a c ko f t h eb o d y w o r k 2 ap d a am a c h i n ei sd e s i g n e dh im e d u l a r i z e ds t r u c t u r e c o m p o s e do fam a i nm o d u l ec a r da n ds e v e r a l f u n c t i o n a lm o d u l ec a r d s a f t e rs i g n a li nd i f f e r e n tc h a n n e l si ss a m # e db yt h ef u n c t i o n a lm o d u l ec a r d ，t h em a i n m a d u l ec a r dc o l l e c ta l il l l ed a t aa n ds t o r et h e mi ut h ef l a s hm e m o r y , a n dd a t af i l e sc o u l db eo u t p u tt ot h ep c t h es y s t e mc o u l db ee x p a n d e df o rd i f f e r e n to b j e c t so rc h a n n e l sb ya d d i n gf u n c t i o n a lc a r d s 3 t h es o f t w a r ei np ci sd e s i g n e di ng r a p h i ci n t e r f a c et oa c h i e v ed a t as a m p l ea n da n a l y s i s s a m p l es o f t w a r e c o n t r o l st h ew h o l ep r o c e s so ft h et c s t , a n dt r a n s m i t t e dd a t at op c a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u e s td i s p o s a la n d a n a l y s i ss o f t w a r ec a na c h i e v ed i f f e r e n tt a s k , a n dc o u l dp r o v i d ec u r v e ，r e p o r tf o r m s ，r e s u l t sa n dp l 舢啪o f t h e t e s ta u t o m a t i c a l l y 4 f i n a l l yt h es y s t e mi sa p p l i e di nr o a d w a yt e s t a l lt h ed a t am e e t st h en a t i o n a ls t a n d a r dr e q u i r e m e n ta n dt h e r e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n dc o n v e n i e n tf o ru s e t l l i sp a p e rp r o v i d e sag e n e r a lp r e c e p tf o rt h ed e v e l o p m e n to f d a qs y s t e mf o ra u t o m o b i l er o a d w a yt e s t t h e d e s i g nm e t h o do ft h i ss y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rd e s i g n i n gs i m i l a rs y s t e m s 1 1 d a qs y s t e mh a sb e e n m a d ei n t op r o d u c t , p r o v i d i n gf o u n d a t i o n sf o rs y s t e mu p g r a d i n ga n df u r t h e rd e s i g n k e yw o r d s ：a u t o m o b i l er o a d w a yt e s t , p d a as y s t e m ，c a r r i a g ea n d a m a l g a m a t i o n , w a v e l e t , d a t as a m p l ea n da n a l y s i ss o f t w a r e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生躲赃日期：基望! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全都或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车工业的迅猛发展，目前我国个人汽车保有量超过1 2 0 0 万辆。汽车工业已被国家确定为国民 经济的支柱产业，是国家重点扶持和发展的产业之一。按照国家“十一五”规划的要求，中国汽车市场体 系的建设将进一步加快，汽车需求量和保有量将继续增长，汽车消费环境将不断改善，全社会汽车化水平 将不断提高。到2 0 1 0 年，国内汽车市场需求量将达到8 0 0 万一9 0 0 万辆，其中轿车占5 3 ；汽车保有量将 达到5 5 0 0 万辆左右；汽车化水平将达到4 0 辆，千人，汽车工业增加值占g d p 比重提高到2 5 。 提高我国汽车行业自主研发和自主创新的能力是我国汽车工业在“十一五”期间将重点解决的问题之 一。近年来，国外大量技术含量高、结构新的汽车试验系统已进入中国市场。为提高国产汽车试验设备的 国际竞争力，急需加快这方面的开发力度。就目前国内计算机技术、电子技术、自动控制技术、机电一体 化及相关制造技术，已完全可以开发研制出具有国外同类产品水平的汽车试验数据采集与分析系统，其价 格将大大低于进口设备。既填补了国内空白，又为国家节省了外汇 汽车试验主要分为台架试验和道路试验两种。前者主要是针对汽车零部件系统的性能进行检测、研究 和评价，以及整车部分特性的试验研究，如在转鼓试验台上作汽车动力性试验、在制动试验台上作汽车制 动性能试验等；而后者则注重于汽车整体系统的性能匹配和动态特性的研究。相比台架试验手段而言，汽 车道路试验作为汽车产品出厂前的最后一道检测环节，在整个汽车产品化的过程中处于举足轻重的地位， 它具有以下优点：汽车在真实工况下进行试验( 其试验环境完全符合实际使用情况) ，可进行整车动力学 方面的研究( 如动力性、制动性、平蹶性、操纵稳定性等) ：试验系统成本较低，由于汽车在实际道路上 进行试验，省去了对汽车行驶工况模拟部分，其费用较台架试验系统大大减小。 发展汽车道路试验数据采集与分析系统是对汽车的部件和整体性能进行准确研究和评价的有效途径a 目前我国国产汽车道路试验数据采集与分析系统只停留在部分参数的测量和进行局部分析的水平，缺乏系 统化、集成化的产品。因此，为了提高我国汽车工业的整体水平和效益，研究与开发系统的、高集成度的 汽车道路试验数据采集与分析系统及其相关技术具有十分重要的技术意义和经济价值。 1 2 国内外现有研究水平 1 2 1 国外的研究情况 汽车道路试验数据采集与分析系统作为汽车整车试验的重要的机电一体化设备，在发达国家已获得广 泛研究和初步应用。国外许多公司从汽车车型开发和质量评价等方面考虑，进行车身和车轮力动态测试技 术的研究。这些研究，一方面使汽车研究人员对汽车的性能从定量角度认识得更加清楚，便于进行整车和 零部件的性能匹配研究；另一方面对汽车在各种公路情况下行驶的载荷( 路谱) 有了直接获取的手段，为 进行计算机仿真和实验室模拟再现提供试验依据。该项技术研究在国外正向高精度、多参数、动态实时测 量等方向发展，并且逐步应用到汽车设计、开发、生产、检测和维修等汽车工业大部分领域。目前，汽车 道路试验技术以美国、日本、德国最为先进，已研制出各种先进的随车专用传感器以及数据采集与分析系 统，如车速五轮仪、方向盘力角测量仪、踏板力计、车轮力传感器以及便携式多通道试验数据采集装置篝， 可进行汽车动力性能，制动性能、操纵稳定性以及道路载荷谱采集等多种汽车道路试验“” 国外从上世纪八十年代中期开始研究以车轮力传感器为核心装置的便携式汽车道路试验数据采集与 分析系统。目前，美国d a t r o n 、m t s 、a t i i n d u s t r i a l a u t o m a t i o n 、m i c h i g a n s c i e n t i f i c c o r p o r a t i o n ；德国 l b f 研究所、c o r r s y s 研究中心【】j ；瑞士k i s t l e ri n s t r u m e n t 等均在进行这方面技术的研究，并取得一 定的成果”，。1 9 9 9 年3 月m t s 公司公布了基于测量汽车车轮载荷的车轮力传感器的汽车道路试验数据采 集与分析系统的重要新闻，同时申请了该产品的专利，它可以测量汽车在行驶过程中车轮上的六维作用力 ( 纵向力、侧向力、垂直力、侧倾力矩、扭矩、横摆力矩“”) 等车辆参数“，图1 1 为美国m t s 公司的车 轮六维力传感器在车轮上的安装示意图。 东南大学硕士学位论文 图i - im r s 车轮力传感器在车上的安装 除m t s 公司外，上述各大研究机构和公司均推出了相应的汽车道路试验数据采集系统。图1 2 为 c a e s a r 公司数据采集系统实物图。 ( a ) 安装了数据采集系统的道路试验车辆( b ) 数据采集系统的车内装置 ( c ) 系统数据采集与监控软件( d ) 系统数据分析软件 图1 2c a e s a r 公司道路试验数据采集系统 1 2 2 国内的研究水平 国内绝大多数的汽车生产厂商和检测单位，均花费巨资购买国外现有数据采集系统来进行整车道路试 验，包括车轮力传感器、车速传感嚣、轮速传感器、数据采集装置等分立设备，其测量得到的数据也是单 独分析和研究，缺乏一定的系统性。也有一些国内厂商开发并投产了踏板力传感器、车速传感器等分立参 数测量的前端装置，但同样存在上述问题。就且前而言，国内尚未出现企业或其他研究机构，进行规模化 的开发和生产具有一定系统性和集成性的汽车道路试验数据采集与分析系统。 东南大学汽车工程学院一直致力于汽车测控技术的研究，以及汽车应用电子、汽车测控系统的开发。 经过多年的技术积累与系统开发，陆续成功研制了基于车轮单维力、多维力等的汽车道路试验数据采集与 分析系统。 1 2 2 1 基于车轮单维力测量的汽车道路试验数据采集与分析系统 2 第一章绪论 1 9 9 6 年，由学院与跃进汽车集团共同承接原机械部重点立项“车轮力传感器及汽车道路数据采集系统 研究”，1 9 9 8 年通过鉴定。该车轮力传感器属于单维力测量，通过自行设计的车轮扭矩传感器弹性体和信 号耦合器，能在不改变车轮安装方式的情况下，实现了汽车在道路运行工况下对扭矩的实时测量。 以该扭矩传感器为核心，项目组扩展其他前端装置，包括踏板力传感器、热电偶式的制动蹄片温度传 感器、车速五轮仪、管路压力传感器等。以便携式工控机为基础，通过在i s a 总线上扩展a d 卡、数字i o 卡、通讯卡等板卡，构成了一个多物理量测量、多通道的道路试验数据采集与分析系统。自行开发数据采 集和分析软件，在工控机的触摸屏上实现人机界面，完成车载工况下的数据采集。该数据采集系统可对汽 车道路试验中的制动试验等常规试验进行实时数据采集。数据采集系统如图1 - 3 所示。 ( a ) 车轮单维力传感器安装图( ”以工控机为核心的数据采集装置 图1 3 基于车轮单维力测量装置的数据采集系统 1 2 2 2 基于车轮多维力测量的汽车道路试验数据采集与分析系统 2 0 0 0 年，由江苏省汽车工程重点实验室立项，课题组在原有的一维车轮力传感器的基础上。开展车轮 多维力传感器的研究，重点研究了传感器的安装形式、结构优化、精度分析、误差补偿、多分力结构解耦、 多路信号传输方式、附加转速测量和抗干扰技术以及传感器标定和性能评价等问题。并设计出能对六维力 信号进行近似解耦输出的六维轮力传感器“。 基于六维轮力传感器，以开发通用型汽车道路试验数据采集系统为目的，本课题组经过多方论证，开 发了基于六维轮力传感器的数据采集系统。其特点如下： 1 ) 以一体型工业控制计算机a t - 1 3 1 为基础，搭建数据采集系统； 2 ) 基于p c 机和板卡扩展的采集系统方案。以i s a 总线为与p c 机的接口方式； 3 ) 根据不同试验对象自行开发基于i s a 总线的专用板卡：采集四路六维轮力传感器输出的串行数据、管 路压力模拟信号和制动蹄片温度信号等： 4 ) 采用司机助手实时显示当前车速、踏板力等测量参数； 5 ) 放弃附加蓄电池供电方式，采用车载电源经逆变器输出2 2 0 v 交流电供电方式； 6 ) 在以上硬件的基础上，该系统采用面向对象的编程语言d e l p h i 5 编制了相应的数据采集与分析软件， 具有十分友好的人机界面，操作简单； 该系统对构建以车轮多维力测量为核心的汽车道路试验数据采集与分析系统，作出了积极的探索，并 在内置式车轮力测量电路、非接触信号传输方式、多路串行数据采集等方面，提供了非常有效的解决方案。 数据采集系统如图l - 4 所示。 东南大学硕士学位论文 ( a ) 车轮多维力传感嚣安装图( ”以工控机为核心的数据采集装置 图l - 4 基于车轮多维力测量装置的数据采集系统 2 0 0 4 年，学院与交通部公路科学研究所共同承接交通部西部交通建设科技项目“多功能汽车制动性 能检测台及检定设备的研制”。该项目属于多单位联合申报项目，本课题组主要承担检测台检定设备的研 制与开发。在原有的研究基础上，项目组经过详细论证，改变以往系统软硬件结构，开发出一套新型汽 车道路试验数据采集系统。该系统通过国家交通部鉴定，达到国内领先水平。 通过对通用型汽车道路试验数据采集系统的开发，项目组发现该方案还存在一定的缺陷，有待进一 步研究与探讨： 1 ) 系统目前只能对车轮纵向力、垂直力和扭矩等三维轮力进行测量。真正意义上的六维轮力( 纵向力， 侧向力、垂直力、侧倾力矩、俯仰力矩和横摆力矩) 测量还未完全实现。 2 ) 系统在车身姿态与轨迹测量方面存在缺陷。系统在车身运动参数测量方面只有车速五轮仪，因此只 能测出车身在前进方向的一维信息，无法对车身侧偏，转弯和减速度等参数进行直接测量与研究。 3 ) 手持式试验监控设备不能直观地显示各参数实时变化情况。手持仪目前只能简单显示车速与踏板力 的示值，无法对各参数变化曲线实时显示，使试验存在一定的不可预测性。 1 3 本论文主要研究内容及意义 基于上述的分析与研究，继承课题组现有的研究成果，参照国外成熟的系统和产品开发的趋势，本文 提出了一种新型的便携式汽车道路试验数据采集及分析系统的设计方案。主要的技术意义如下： 1 ) 改变传统的以工控机和扩展总线为基础来构建系统的方案。将数据采集装置设计成由单一主通讯控制 模块和多个嵌入式从测量模块构建而成的分布式系统。每个从测量模块独立完成对一类信号的测量与 采集，且受控于主通讯控制模块。这种方式便于系统扩展新的采集对象和更多的采集通道，同时各从 测量模块并行独立工作，有利于故障检查和模块更换。 2 ) 试验数据采集和分析软件分离。安装于笔记本电脑的数据采集软件可以控制整个试验过程，并且实时 显示所有测量参数变化的曲线图；数据分析软件可安装于用户的任何p c 机或笔记本电脑，软件可将 所采集数据转换为标准格式的文件，供其他软件( 如：m a t l a b 等) 处理分析。同时，针对我国不同的 汽车道路试验国家标准，数据分析软件可以提供各种相关的曲线、图表或参数值等输出。 3 ) 增加捷联惯性测量系统( s i m s ) 和g p s 联合测量车身姿态与轨迹模块。此模块主要完成对车身二维 轨迹和行驶过程中的加速度等信号的直接测量，从而全面掌握试验过程中车身的完全运动状态。 根据上述所提及的新型设计方案和技术意义，系统总体结构如图1 - 5 所示。 4 第一章绪论 前端传蓐器 数据采集装置 图1 5 系统总体框图 从上图可知，本系统可以实现同步采集车辆行驶过程中六维轮力、车速、踏板力、管路压力、制动蹄 片温度和车身姿态与轨迹等参数。整个系统的工作过程如下： 1 ) 试验员操作运行于笔记本上的采集软件，点击开始试验按钮。 2 ) 主通讯控制卡通过通讯总线得到笔记本传输的开始命令，以一定的时问周期向所有从测量卡发送 同步采集指令帧，并接收各从测量卡回送的采集数据，接收完所有从卡回送的数据后将其以一定 的格式进行就地存储。 3 ) 试验员根据要求完成试验后，点击停止试验按钮。主通讯控制卡通过通讯总线得到笔记本传输来 的停止命令后。将不再发送同步采集指令帧。试验就此结束。 4 ) 如试验员需对存储的数据进行分析，可点击采集软件的数据上传按钮，主通讯控制卡将会把试验 存储的数据全部上传至笔记本。通过安装在笔记本上的数据分析软件，可进行各种分析，如：曲 线，参数等的输出。 系统的采样频率最高可达2 0 0 赫兹。各测量模块的具体技术指标要求如下表所示： 表1 i系统各测量模块技术指标归纳表 序号测量对象通道数通道明细量程要求精度要求频率要求 1车轮力( f 。f 。鼢1 4四轮士1 0 0 0 0 n不低于1 2 0 0 h ， 车轮力矩( 1 i 棚t 掩) 4四轮士2 0 0 0 n m不低于1 2 0 0 h z 2 车身姿态与轨迹 l不低于5 1 0 0 h z 3 车速 l0 - 1 6 0 k m h不低于1 2 0 0 h z 4削动踏板力10 1 0 c 删不低于2 2 0 0 h 2 5 制动管路压力 6前后桥，四轮o 1 0 m p a不低于2 2 0 0 h z 6制动蹄片温度4四轮0 8 0 0 不低于5 i h z 7 方向盘力信号2 15 0 0 n不低于0 5 2 0 h z 方向盘角信号2 1 1 6 2 0 0 不低于0 4 2 0f l z 注l ：此处的车轮力和力矩，均由六维轮力传感器和六维轮力测量卡测量。其篮程要隶是针对轿车车型的试验而言 注2 ：此处的方向盘力角信号的测量，由车身姿态与轨迹测量卡完成。其所接传感器为方向盘力角传感嚣。 东南大学硕士学位论文 1 4 论文的章节安排 本论文章节安捧如下： 第一章“绪论”。主要介绍汽车道路试验的重要性，开发汽车道路试验数据采集及分析系统的必要性 和紧迫性。介绍国内外现有的试验手段和试验装置，分析国内试验系统开发的现状和难点所在。最后，对 本课题组近年来的研究状况和取得的部分成果进行介绍，并指出进一步开发的可行性和必要性，提出课题。 第二章“汽车道路试验方案研究”。首先对国家标准所规定的部分汽车道路试验要求和方法进行分析。 然后，围绕本课题组承担的江苏省交通科学研究计划项目车辆安全性能评价及检测装置研究，进行相 关试验方法和评价指标研究。最后根据前面论述的试验方法归纳试验系统所需测量的对象，并对系统测量 这些对象所需的传感器进行选型。 第三章“汽车道路试验数据采集及分析系统软硬件设计”。本章作为全文的重点主要介绍根据第二章 所提到的汽车道路试验方法和评价指标，开发的一套便携式汽车道路试验数据采集及分析系统。其中包括 软件设计和硬件设计两大部分。 第四章“汽车道路试验相关理论研究”。集中讨论第二章提到的试验方案所需测得的物理量的具体处 理过程和一些相关的滤波方法的设计。处理后的各物理量是对试验对象( 车辆) 进行科学评价的依据。本章 主要从车轮多维力传感器测量信号的处理，车身姿态与轨迹测量信号的处理和试验数据滤波方法设计等三 个方面进行重点阐述。 第五章“汽车道路试验系统搭建与数据分析”。以第二章提到的试验方案进行实车试验，对采集到的 数据进行运算与分析，其中包括：同次制动试验驱动轮和非驱动轮参数对比；高、低附着系数路面制动试 验数据分析和国标规定参数的计算输出等。 6 第二章汽车道路试验方案研究 第二章汽车道路试验方案研究 本章将首先对国家标准所规定的都分汽车道路试验要求和方法进行分析。然后，围绕课题组承担的江 苏省交通科学研究计划项目“车辆安全性能评价及检测装置研究”，进行相关试验方法和评价指标的研究。 最后根据前面所论述的试验方案归纳试验系统所需测量的对象，并对系统测量这些对象所需的传感器进行 选型。 2 1 国家汽车道路试验的部分试验内容与相关标准 2 1 1 汽车制动防抱系统性能要求和试验方法 制动防抱系统是指在制动过程中，能自动控制车辆的一个或几个车轮在其旋转方向上的滑移程度的系 统。汽车的制动防抱系统性能是汽车主动安全性的重要指标，具有良好的防抱性能才能保证在安全行驶的 条件下提高行驶车速而获得高的运输生产率。今后所有车辆国家将强制安装防抱系统。汽车的防抱制动性 能主要由路面附着系数利用率这个指标来评价。 路面附着系数利用率( ) ，是最新颁布的g b t1 3 5 9 4 2 0 0 3 针对目前市场车型广泛采用车辆制动防抱死 系统( a b s ) 的情况而特别提出的一个评价指标。在附着系数等于或小于0 ，3 5 和约为0 8 ( 干路面) 的两种 路面上以5 0 k m h 的初速度进行测量，若满足了垃o 7 5 ，则认为车辆的防抱系统符合要求。 试验应在车辆满载和空载两种情况下进行。最高试验车速( v 。) ，在高附着系数路面上，不同车辆类 型分别为0 8 v 。s 8 0 k n o b 和0 8 v m 。x ：i l j - l 式中：r 一平均横摆角速度，。s ； ，。一有效转弯区域，横摆角速度最大值口，s ； 三 4 ) 平均车身侧倾角：巾= o 2 5 乏：i m ，l j 1 1 式中：m 一平均车身侧倾角，( o ) ； o 一有效转弯区域，平均车身侧倾角最大值，( 。) ； 上 5 ) 平均侧向加速度；吩= o 2 5 l 哆，l j 1 1 式中：口一平均车身侧倾角，m s 2 ； a 一有效转弯区域，平均车身侧倾角最大值，m s 2 ； 试验过程中需要的测量仪器为：车身姿态轨迹传感器。车速五轮仪，方向盘力角传感器，时间计数器。 2 1 4 汽车滑行试验 g b t1 2 5 3 6 - 1 9 9 0 定义了汽车滑行试验方法及要求。 试验方法： 1 ) 在长约1 0 0 0 m 的试验路段两端立上标杆作为滑行区段，汽车在进入滑行区段前车速应稍大于5 0 k m h 。 2 ) 汽车驶入滑行区段前，驾驶员将变速器排档放入空档( 松开离合器踏板) ，汽车开始滑行，当车速为 5 0 k m h 时( 汽车应进入滑行区段) ，用车速五轮仪进行记录，直至汽车完全停住为止。在滑行过程中。 驾驶员不得转动方向盘。 3 ) 记录滑行初速度( 应为5 0 + 0 3 k i n h ) 和滑行距离。 4 ) 试验至少往返滑行各一次，往返区段尽量重合。记录结果。 数据处理方法为：按实测初速度和实测滑行距离，按式( 2 - 6 ) 和( 2 - 7 ) 算出标准初速度v a = 5 0 k m h 的滑行距离。 r 。：一 s ：- b + 1 l b + a c ( 2 - 6 ) 2 a 口：v o 2 - 。b s ( 2 7 ) s “ 式中：s 一初速度为5 0 k m h 时的滑行距离，m a 一计算系数，l s 2 ； v o 一实测滑行初速度，m s ； b 一常数，n 汰2 ( b ：o 2 ；当车重_ 4 0 0 0 0 n 且滑行距离_ 1 一 罾 一胛l i t 嘲m s 3 。2 2 0 巨 x z m ic 2 8 1 2 匕 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l e c a n 、。，。，。，。，。，。一、i 图3 - 2 主通讯控制卡电路原理框图 1 9 东南大学硕士学位论文 图3 3 软件流程图 3 1 4 车身姿态轨迹测量卡设计 1 车身姿态轨迹测量卡主要完成工作如下： 1 ) 通过串口接收捷联惯性测量系统( s i m s ) 和g p s 信号，同时对两路方向盘转向力角模拟信号进行采 样，在同一时基( 由d s p 内部3 2 位硬件定时器提供全程时间基准) 下通过联邦卡尔曼滤波方式进 行数据融合，并且根据一定的格式封装后将其存储于卡上大容量f l a s h 存储器。 2 ) 接收由主控制卡发出的试验开始、停止等命令信号。 3 ) 试验过程中，通过c a n 总线实时接收主通讯控制卡发送的整个采集系统的同步采集命令帧，并将其 与3 2 位时基信号同步保存。 4 ) 接收上位机上传命令，将数据通过u s b 总线从大容量f l a s h 存储器中读取出上传至上位机。 2 具体电路设计 1 ) 微控制器部分 本卡采用与主通讯控制卡相同的m c u 芯片1 m s 3 2 0 c 2 8 1 2 。主要使用其片上a d 转换器采集两路方向 盘转向力角模拟信号、s c i a b 接收捷联惯性测量系统( s i m s ) 和g p s 信号、x i n t f 扩展外部存储器或接 口和片上e c a n 模块实现与主通讯控制卡的对接。 2 ) 数据存储器部分 本卡采用与主通讯控制卡相同的苍片：s a m s t m g 公司的n a n d 型f l a s h ：k 9 f i g 0 8 u m 和x i c o r 公司 的x 5 6 4 5 。 3 ) 上位机通讯接口部分 上位机与本卡的数据通讯，全部是在试验完成后进行。基于数据鼍大、随机存储内容多和传输速度要 求较高等特点，采用高速可靠的传输设备是本卡的首选。考虑计算机系统中u s b 接口的普遍性，决定采 用u s b 接口作为本卡与上位机的通讯接口。 目前u s b 2 0 协议在技术上占主流地位，基于此选用自带上位机驱动程序的p h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 作为u s b 控制器，完成与上位机的接口。1 s p l 5 8 1 是一种价格低、功能强的u s b 接口器件，它完全符合 u s b2 0 规范，并为基于l l c u 的系统提供了高速u s b 通信能力。 1 s p l 5 8 1 集成了p l l 的1 2 m h z 的晶体振荡器，有着良好的e m i 特性；集成了5 v 到3 v 的内置电压调 整器，可以5 v 或3 3 v 单独供电；可直接与a t a a t p i 外设相连、支持u s b2 0 的自检工作模式和u s b 】l 的返回工作模式：集成8 k 字节的多结构f i f o 存储器，端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现 实时数据传输：同大部分的微控制器，微处理器有单独的总线接口( 1 5 m 字节，秒或1 5 m 字秒) 4 )c a n 总线接口和电源部分 第三章汽车道路试验数据采集与分析系统软硬件设计 此部分与主通讯控制卡相对应部分完全相同 3 软件设计 t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 的嵌入式程序设计思路如下 1 ) 配置t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 的3 2 位c p u 定时器t i m e r 0 为满值循环计数方式，为整块板卡提供统一时基。 配置串口s c i a 为9 6 0 0 b p s 波特率的异步工作方式，接收g p s 信号：配置串口s c i b 为3 8 4 0 0 b p s 波特 率的异步工作方式，接收s i m s 信号。 2 ) 定时采集两路方向盘转向力角模拟信号，将其转换成数字量，保存于临时寄存器中，等待统一写入存 储器命令。 3 ) 等待主通讯控制卡通过c a n 总线发来的同步信号，将其与t i m e r 0 的当前值同步保存，以作为与其 他测量卡的采集信号同步标准。 4 ) 实时监控s i m s 信号和g p s 信号，出现任一中断立即读取t i m e r o 的当前值，与其捆绑保存；通过 e v a 的捕捉单元捕捉i p p s 信号，每次捕捉成功立即读取t 1 m e r o 的当前值，并且捆绑保存。 5 ) 导出模式下，当试验结束后，上位机首先通过u s b 口发送查看f l a s h 存储器存储状况要求指令， t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 从e 2 p r o m 中取出当前存储的所有数据文件的文件信息，发送给上位机；上位机选择 需要导出的数据文件，发送要求导出数据文件的指令，t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 从f l a s h 中读取对应的数据文 件，发送给上位机。 由于本卡所采集的数据种类并非单一、数据量大且计算繁琐，因此采取就地存储的方法：将本卡所采 集的所有信号存储在一块大容量f l a s h 存储器中。同时也引入同步问题，其中包括本卡内部不同信号之 间时间同步问题和与其他测量卡的测量信号的时间同步问题。本卡内部不同信号之间同步问题解决方法如 上面第一点所提到的，建立整块板卡统一时基，这样可以方便得出任一测量值被测量时刻的相对时间；与 其他测量卡的测量信号同步问题解决方法是：由于其他信号的采样周期为精准5 m s ，因此本卡在完成信号 测量的同时也接收主通讯控制卡周期5 m s 的同步采集命令，在接收到命令同时加l 计数，并将其与当