【QC317】汽车道路试验系统设计【开题报告+任务书】
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qc317
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【QC317】汽车道路试验系统设计【开题报告+任务书】,qc317,汽车,道路,试验,实验,系统,设计,开题,报告,讲演,呈文,任务书
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黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 本文在分析国、内外现有的汽车道路试验技术的基础之上，深入地研究了汽车道路试验设备的特性以及试验数据采集、数据处理和数据分析的方法。采用虚拟仪器软件 合 立开发和研制出基于 个流程是：先进行 其达到较高的定位精度；然后利用笔记本电脑来接收、处理和分析数据，完成汽车道路试验相关项目。 本课题中所用 采用 供多种通信方式 (，具有高速率数据采样、低速率延迟、快速信号重捕、功耗低、抵抗恶劣环境、抗射频干扰等优势。可以达到较高的定位精度，准确的输出车辆的行驶位置经纬度，为汽车产品试验提供可靠的试验参数。 本课题从动态测量的角度出发，根据最新的国家标准和国际标准，开发出新的道路试验系统配套的软件。软件实现了通过串口来实时发送和接收试验命令和数据，满足高速率、大流量数据采样要求，并在其中加入以往试验软件中没有实现的功能：自动生成数据存放目录、试验车辆的轨迹、各种运动参数关系曲线的实时显示等。配套本软件的新系统可以进行以 下试验项目：汽车最高车速试验、最低稳定车速试验、加速试验、滑行试验和制动试验。从而使新系统大大提高了道路试验的实时性、可靠性和精度。 关键词： 汽车 道路 试验 ； 数据； 串口 黑龙江工程学院本科生毕业设计 on of of as a PS of a PS s to to in PS is s EM it as a a of a to a of to of of to of in to to no in of of s of in of So 龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 I 1 章 绪 论 1 车道路试验概述 1 设计研究的目的和意义 1 设计国内外研究现状 2 设计研究内容 2 第 2 章 道路试验系统硬件选择 4 言 4 件设计总体方案 4 统简介 4 统的组成 4 位误差分析 6 号接收模块 7 口通讯技术 7 速度传感器 8 据采集卡 9 本章小结 10 第 3 章 道路试 验系统软件设计 11 件介绍 11 件流程设计 12 统总体指标 13 术要求 13 能要求 13 据的处理 13 句读取 15 速度 15 移 16 黑龙江工程学院本科生毕业设计 据的显示 16 本框显示 16 形图显示 16 验模块程 序的实现 16 章小结 17 第 4 章 系统试验 19 言 19 低稳定车速试验 19 验方法 19 验过程演示 19 高稳定车速试验 20 速性能试验 21 行试验 21 动性能试验 22 车道路测试 23 章小结 23 结 论 24 参考文献 25 致 谢 26 附 录 A 外文文献 27 附 录 B 外文文献的中文译文 31 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 绪 论 车 道路 试验 概述 汽车 道路 试验是伴随着汽车工业的建立而逐渐成长起来的，而汽车工业的发展又离不开汽车试验的发展。在汽车产品的市场竞争中，要想立足和发展，产品的质量至关重要。因此，世界上汽车工业发达的国家和所有的汽车生产厂商，都不惜花费人力、物力和财力，建立汽车试验场和汽车试验研究中心，在把一种成熟的汽车产品投入市场之前，开展大量的试验 研究工作，目的就是保证产品在实际使用环境下最大限度地不受损坏。汽车工业的特点是产量大、品种多、产品的使用条件复杂，对产品的性能、寿命、重量、成本各方面的要求都很高，影响产品质量的因素多，而产品的质量问题所造成的后果又极为严重。试验研究工作成为生产竞争的重要手段。所以，汽车工业特别重视试验工作，无论是新设计或是己投入生产的产品，不论在设计制造上考虑得如何周密，都必须经过试验来检验。通过试验来检验设计思想是否正确，设计意图是否实现，设计产品是否符合使用要求。另一方面，虽然在实验室中能够按照设计者意图对自然环境包 括驾驶状况进行模拟并通过计算和试验获取大量产品信息，但是，就是用世界上最先进的计算机进行多次复杂的运算或逼真的模拟所得到的结果，也不如真正到自然环境中去进行试验获取的结果准确。因此，汽车厂商需要进行一系列道路试验才能满足各个地区、各种环境的特殊需求。 汽车试验有如下两个作用 : (1)通过给样车作大量的试验获得其技术参数，为产品改进提供参考 ； (2)可以为新开发的车进行定型试验，为新车的批量生产提供依据。 这也是汽车工业特别重视试验的原因。因此，汽车试验贯穿于汽车开发的整个过程，在汽车开发过程中占有十分重要的 地位。 设计 研究 的 目的和意义 汽车技术的发展要求不断提高现有试验技术水平来表达或反映人们对汽车品质和个性的追求，汽车道路试验及其测试技术的研究与开发具有重要的理论意义和工程应用价值。由理论方法和技术手段的分析可见，汽车道路试验其核心是对运动物体的实时精确定位问题。这一问题恰是新兴的全球卫星定位技术适合应用的领域。卫星定位技术在车辆的自主导航和运行监控方面已有很多应用，但在汽车试验技术研究方面的开发和应用鲜见报道，应用卫星定位技术解决汽车道路试验的急需技术难题是本论文的研究目的，对完善汽车性能测试方 法，推动汽车可靠性试验技术的进步具有重要意黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 义和经济价值。本文以 据汽车道路试验中需要测试的性能参数，编制出了基于 套试验系统利用 迹、速度等性能参数，能够实时、同步采集 过处理后可以得到汽车的轨迹、速度、加速度等物理量。其试验结果可以为汽车结构的改进、性能的优化提供重要的参考价值。 设计 国内外研究现状 汽车道路试验是伴随着汽车技术的发展而发展的。随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术的进步，汽车道路试验也飞速发展。目 前人们能依靠各种先进的仪器设备，能够对汽车各个工况进行各种性能的测试，而且安全、迅速、可靠。 早在 50年代，在一些工业发达国家就形成以性能测试为主的单项测试技术和生产单项测试设备。进入 70年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车性能测试、数据采集处理自动化、测试结果直接打印等功能的汽车性能测试仪器和设备。我国汽车性能测试经历了从无到有，从小到大；从引进技术、引进测试设备，到自主研究开发并推广应用；从单一性能测试到综合测试的巨大进步。尤其是测试设备的研制、生产得到了快速发展，就这样逐渐缩小了与先进国家的差距 。 国内汽车试验中，较早使用的试验仪器主要有：汽车性能综合测试仪、操纵稳定性测试仪等。而这些仪器的精度较低，且容易受到外界的干扰，因此，测试效果不太理想。 2007年，广西汽车拖拉机研究所研制的多功能汽车性能测试系统与 2008年山东理工大学 2008非接触便携式智能汽车性能检测仪都能够对汽车的多个性能进行测试，但实用性还需进一步的证实；并且价格昂贵，精度还有待提高。 近年来，随着无线电技术、微电子技术和光电技术的发展，汽车的导航定位技术发展较快，特别是 捷方便的特点 ，能够获得较好的试验结果。随着汽车工业的发展，汽车行业标准不断完善，对汽车性能测试系统的精确性、可靠性、高效率性的要求也越来越高。基于 用方便、可靠性好等突出的优点，广泛应用于以后汽车领域。 设计 研究内容 汽车道路试验系统中所用 人的主要工作是硬件调试，软件的设计和实现。具体工作内容如下： l、学习和了解当前国内外汽车道路试验系统组成、测试方法和试验标准。学习使用最新版本的 2、根据具体试验要求掌握所 购置 令操作和软件使用的方法。设置新系统的硬件参数。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 3、根据硬件设备的技术特点和道路试验系统功能的要求进行软件设计：选择笔记本和 通讯方式，以便试验数据的实时采集； 按照软件开发流程，进行可行性研究、需求分析、概要设计和详细设计，同时功能要满足最新的国家道路试验标准。 4、系统软件 试验 ：在设计初期阶段进行算法验证；软件设计结束之后进行系统测试，检查系统漏洞，分析系统误差；在室内测试，根据实验员的要求进一步完善软件功能。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 道路试验系统硬件 选择 言 硬件是进行道路 试验的基础，根据试验要求正确地选择硬件直接关系到试验结果的准确性，汽车性能测试中要准确地获得汽车的行驶轨迹、速度、加速度、姿态角以及角速率等，要求仪器有较高的精度。 通过坐标变换后可以得到物体的运动轨迹和速度。在卫星信号良好的情况下，单点定位精度能达到 2m，测量精度能达到 6角速度传感器 可以测量运动物体角速度， ， 因此，这两个仪器的选择完全满足试验要求。本章对试验过程中用到的 速度传感器 的结构组成、通讯原理、技术指标和使用方法进行了介绍和分析 ，为下一章的软件编制奠定了基础。 件设计总体方案 图 件设计总体方案 统简介 统的组成 间 面监控系统；用户 （ 1）空间 星星座由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成，记作 (21+3)座，如图2示。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾斜角为 55 度，各个轨道平面之间相距 60 度，即轨道的升 交点赤经各相差 60 度。每个轨道平面内各颢卫星之间的升交角相差 90 度，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的卫星超前 30 度。笔记本电脑 陀螺仪传感器 数据采集卡 收机 线 口 龙江工程学院本科生毕业设计 5 图 座分布图 在两万 公里高空的 地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为 12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前 4分钟见到同一颗 于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到 4颗 。最多可见到 11颗。在用 了结算测站的三维坐标，必须观测 4颗 为定位星座。这 4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时问段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时地观测。 （ 2） 地面监控系统 对于导航定位来说， 位置是依据卫星发射的星历中描述卫星运动及其轨道的参数计算得到的。每颗 由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用 是保持各颗卫星处于同一时间标准 就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 个注入站和五个监测站。 (3)用户 够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的 大和处理，以便测量出 译出 时地计算出测站的三维位置，甚至三维 速度和时间。 线黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 和电源组成。 下图为用户 图 号接收 模块 图 号 天线 位误差分析 历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点较精确的三维坐标，必须对 4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播 延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。在高精度的 如地球动力学研究 )，还会注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等的影 响。表 上述误差，按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是从对定位结果的危害性讲都比偶 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 然误差大得多，它是 差源。但系统误差有一定的规律可循，因此可以采取一定的措施加以消除。 表 量误差及对距离影响 误差分类 误差来源 对测量距离的影响（ m） 卫星部分 星历误差；时钟误差；相对论效应 15 信号传播 电离层；对流层；多路径效应 15 信号接收 钟的误差；位置误差； 天线相位中心变化 5 其他影响 地球潮汐；负荷潮 号接收模块 动态定位数据处理中，一般用最小二乘法或卡尔曼滤波方法。利用最小二乘法处 理 须了解动态接收机的运动学特征，使用的是静态函数模型。在 态接收机的天线是一个遵循一定规律不断变化的动态系统，不同时刻对该系统的状态所进行的观测存在一定的相互联系，最小二乘法难以充分利用这些规律和相互联系。卡尔曼滤波是在线性无偏最小方差估计原理下推得的一种递推滤波方法，它引入了状态空间的概念，借助系统的状态转 移方程根据前一时刻的状态估值和当前时刻的观测值递推估计新的状态 值。与最小二乘法相比，卡尔曼滤波方法更适合于 导航型 的数据格式有两种一种是十进制 种是二进制码，市面上以使用 0813的最为普遍。 0813是美国国家海洋电子协会制定的通讯格式 。 其中规定了海用和陆用 间、卫星状态、接收机状态等信息，目前被广泛采用的是 0813 813协议规定的 种语句格式相同，所表达的定位信息各有侧重。 目前市场上的 很多种，由加拿大马可尼 公司所研制开发的在苛刻的条件下给用户提供高可靠性的三维坐标、速度、时间、卫星星历以及其他状态信息，并能处理编译来自基站的差分改正。 口通讯技术 本次设计过程中， 针串口通讯技术。串口通讯线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，许多仪器和设备都采用它与外界 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 进行通讯，如图 口采用 定义了串口的电气特性 (如电压值 )、机械特性 (如接头形状 )及功能特性 (如脚位信号 )等。协议允许一个发送设备连接到一个接收设各以传送数据，最大传输速度为 115200b/s。 图 口的接口 对串口通讯参数设置的相关接口程序在 口程序的前面板包括通讯端口的设置、命令发送区、有效信息的数值显示等。在 现串口通讯有三种方式：直接调用 I； 用控件来控制访问串行口。 即数据的长度是可变的，利用 控件来控制访问串行口后发现所接收到的数据中经常发现数据丢失的现象，因此采用了 速度传感器 角速度传感器又叫 陀螺仪 ,是一种转动装置，能在旋转时能保持转动轴的方向不变，具有定向作用。世界上最早的陀螺仪是在 1852 年由法国物理学家福科研制成功的，而直到 1908 年，第一台航海用陀螺仪才在德国问世。目前陀螺仪已被广泛用于航空、航天、航海和军事领域近年来，陀螺仪还被用于电子测量领域。陀螺仪的种类很多，有音叉式陀螺仪、激光陀螺仪、 光纤陀螺仪、液浮陀螺仪等类型。 2002年， 由美国 司推出了新型单片偏航角速度陀螺仪 采用微电子机械加工技术制作，能精确测量转动物体的偏航角速度，适用于各种惯性测量系统，可用来检测汽车底盘的角速度。 本设计采用的就是此类型传感器。 本传感器 是基于“音叉陀螺仪”的原理，采用表面显微机械加工工艺和 价格低廉的角速度传感器。其内部包含两个角速度传感器、共鸣环、信号调理器等元件及电路，真正实现了角速度陀螺仪的单片集成化。其输出电压与偏航角速度成正比 ，电压的极性则代表转动方向（顺时针转动或逆时针转动）。 测量偏航角速度（以下简称为角速度）的范围是 300 ，灵敏度为 ，零位输出电压为 非线性误差为 .%F ，稳定度为， 带宽为 固有频率为 通过外部电阻和电容还可分黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 别设定测量角速度的范围、带宽及零位输出电压。 抗振动、抗冲击能力强、超小型、超轻薄化。其外形尺寸仅为 77 ，质量小于 很容易固定在转动物体上。 角速度传感器 内部的陀螺是经过显微机械加工工艺制成的， 工作时利用的是音叉陀螺仪（共鸣器）的原理。两个角速度传感器是用多晶硅制成的，每个传感器都包含靠静电力来产生谐振的抖动架，形成转动部件。采用两套角速度传感器的设计方案，能消除外部重力和振动对测量的影响。信号调理器的作用是在噪声环境下保证测量精度不变。 当物体在转动时，在科里奥利力的作用下，角速度传感器的转动方向不变，而旋转方向可以是顺时针，也可以是逆时针，由转动物体而定。 角速度传感器 通过电容对偏航角速度进行采样，再依次经过能产生 180相移的型解调器、低通滤波器和输出放大器对信号进行调理，最终获得与 据采集卡 数据采集 (是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或 者电量信号 ,送到上位机中进行分析 ,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号 ,包括对其进行增益或衰减和隔离 ,放大 ,滤波等 需要提供激励信号。数据采集卡，即实现数据采集 (能的计算机扩展卡，可以通过 源 线 (1394)、 图 据采集卡实物图 及电路图 在各种繁杂的数据采集过程中，数据的流量和精确度是相当大的一个问题。为了解决让数据传输更快更多的数据， 10 采集卡，就是数据采集卡采集数据后输入电脑设备的接口是 其从 数据卡采集的数据传输奠定了理论基础。用数据采集的原理，使用 终实现了 本章小结 硬件是进行测速系统的基础，根据试验要求正确地选择硬件直接关系到系统结果的准确性，要求仪器有较高的精 度。 通过坐标变换后可以得到物体的运动轨迹、速度和加速度。在卫星信号良好的情况下，单点定位精度能达到 2m，测量精度能达到 6此， 章对试验过程中用到的 讯原理、技术指标和信息采集进行了介绍和分析，为下一章的软件编制奠定了基础。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 第 3 章 道路试验 系统软件设计 件介绍 美国国家仪器公 司 (称 出的一种虚拟仪器开发平台。在该环境下， 用者可以灵活自如地设计各种应用程序。同时 数库和子程序库，用户可以很方便地组成自己需要的虚拟测试系统。 用户能够在 文设计 持 仪器的所有功能，运 行后用户完全可以不用手动操作仪器就能完成波形的产生、存储、 输出功能 。 与 一个完成任何编程任务的庞大函数库。 口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。 设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子 结果、单步执行等等，便于程序的调试。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（ 输出量被称为显示（ 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用 以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。图标 /连接器是子 口。图标是子 连接器则表示节点数据的输入 /输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。下面图示为温度计程序 (I)的图标和连接器。连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它。 使用 称为 序前面板、框图程序和图标 /连接器。 户可以把创建的 创建更复杂的程序， 而这种调用的层次是没有限制的。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 虚拟仪器的主要特点有： （ 1） 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 （ 2） 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 （ 3） 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国 件流程设计 图 件流程图 本套测试系统的软件设计流程图如图 行程序，进入主界面；首先进行程序运行 串口通讯参数设置 开始试验 读取 据 读取陀螺仪数据 数据处理 实时数据绘图、显示以及记录 采样结束关闭端口 保存数据 是否停止试验 数据处理 终止 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 通讯参数设置，如：串口号、发送命令等，设置完毕后界面上会显示车辆的速度和航向角，说明硬件已经正常工作；此时即可开始进行试验，分别读取 感器 采集的数据并进行数据处理得到汽车的轨迹、速度、加速度、姿态角和角速度等物理量，并对结果实时显示和绘制曲线；当试验完成时，关闭通讯端口并提示试验人员是否保存数据，数据保存后可以用于回放和对试验过程中汽车的各种性能进行分析。 统总体指标 术要求 本系统应用于小地域汽车道路试验，有如下技术要求： 1、 测控范围小，精度高，要求满足 12534 1990汽车道路试验 方法通则的要求； 2、 要求实时性好，并以以数值显示等方式显示车辆的轨迹、行驶距 离、速度、加速度等参数； 3、 以文件形式保存 4、系统精度高，可靠性好，综合性能高。 能要求 汽车道路试验系统软件除了能够实时的处理动力性试验的数据外，还能处理其他性能试验的数据，而且操作简洁： 1、 动力性试验：直接档加速能力、最高车速、最低稳定车速， 滑行试验： 2、 制动性试验：制动时的制动距离和制动减速度； 3、 试验参数设置直观灵活，试验人员可以自行设置试验参数，能够很好地适应新标准的变化要求。 4、 动态绘制试验数据曲线，试验过程直观性强，系统能与数据采集同步显示波形，能够实现试验数据的接收、计算、分析和绘图。观察到汽车真实的运行轨迹及试验数据变化的趋势和特征。 5、 数据保存和回放，系统软件能够将所有的原始试验数据 (每一次采样的车速、时间和距离 )以及试验结果保存在磁盘上。 据的处理 在串口程序中接收的数据是以字符串的形式传输个下一个环节的，首先 在数据处理中要先将所有接收的信息进行处理，这里我们利用了 th 属性，使得每行信息成为一个单元，而这个环节在 得每一条语句都可以被读取并利用。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 图 口通信程序流程图 准备 打开串口 正确打开串口 发送串口参数设置命令 读 取串口信息 数据处理 实验结束 关闭串口 N Y 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 图 口配置程序图 在获取每个字符串之后，进行字符串的处理。由于不同的语句的长度是不同的，所以贯穿整个过程的思想是基于字符串长度的条件结构。 句读取 图 序框图 在字符串长度小于 40大于 35的字符串和大于等于 80的字符串中找到字符串长度大于等于 69的字符串，然后在字符串中搜索 $ 在 $到时间信息，经过整理和连接字符串，得到时间信息 、 速度信息 ， 程序图如图 速度 通过 速度和时间的采集，将 加速度 计算出来，编程如下 ，如图 速度信号程序 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 移 一般的数字地图 (这里仅讨论矢量数字地图 )的位置信息是用某种用户坐标系，经过投影变换后形成的 投影平面直角坐标系。 在本 设计中 ，汽车的前进速度为重要测量变量，其它一些变量可以根据理论公式推导计算得出。首先，根据 们可以知道汽车在任意时刻的坐标值 (x， y)，这样就可以在软件中实现车辆轨迹的再现，这是以往进行汽车道路试验无法实现的；通过陀螺仪提供的数据，可以获得车辆的横摆角速度 ，可以知道汽车沿 x， u 、纵向车速 v 之间的关系如下： s os (1) c in (2) 式中： X， Y x、 u )； v )： ,汽车横摆角速度 ( )，
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