汽车操纵稳定性道路试验测试方法研究.doc

汽车操纵稳定性道路试验测试方法研究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。汽车道路试验检测技术是推动汽车技术进步的一种极为重要的力法，也是保证产品性能、提高产品质量和市场竞争力的重要手段，随着汽车工业的发展其作用和地位不断提高。因此，如何通过有效的试验方法和检测系统来检测、评价汽车的性能具有重要的意义。 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。本文着重对前者的技术发展状况做一个梳理。位移、轨迹、速度、加速度和平面运动角速度等是汽车运动性能的主要描述参数，汽车的各种动力性能试验、制动性能试验和操纵稳定性能试验主要是通过对以上参数的时问特性进行测量和分析，以达到性能评价的目的。由于汽车道路试验涉及的内容比较多，这里主要以操纵稳定性为例，结合汽车稳定性控制系统(vehicle stability control system，简称VSC) 对汽车位置姿态测量技术、车轮力测量技术和为解决客观评价引入的汽车道路试验转向机器人技术的国内外研究进展进行阐述。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。传感器等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25 Hz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,图1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3部分组成。根据可靠性和具体的测试方法,这3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CA节点和数据存储、LCD过程显示等功能的数据采与处理装置是汽车道路试验测试系统的发展方向。过程监控/数据记录/离线分析传感器数据采集器图1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 2。传统的测量方法是：其中，、质心在地面固定坐标系中的坐标、轨迹起始点坐标车速,汽车质心处速度矢量在地平面上的投影有效试验时间由上式可以看出,轨迹测量最终归结为车速、质心侧偏角和汽车方位角的测量问题,而车速和质心侧偏角的测量可具体为汽车纵向速度和侧向速度的测量。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。汽车纵向速度和侧向速度通常采用双向非接触式光学速度传感器进行直接测量15,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,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，在转向制动等大的激励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，汽车动力学控制应用，以及测试系统同步机制实现。其中捷联惯性测量系统(strapdown inertial measurement system，简称SIMS)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。测试系统结构如图1所示，由2台VBOX、1台Vector Crescent、1台便携式计算机和电源等组成。VBOX是单天线系统,由英国Racelogic公司研制的面向汽车测试应用的仪器，其主要特点是数据更新速率高(100 Hz)、集成有多路AD接口、提供外部CAN通信接口、提供基于内部数据的数字或模拟信号接口给其他设备同步采集。其标称水平速度精度是01 km/h7。Vector Crescent是加拿大hemisphere GPS公司研发的双天线定向仪器，可以以20 Hz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，在基线长度为2 m时标称测量精度为()。测试系统框架图测试系统中的2台VBOX均可测量得到天线处的水平速度及其速度方向，由于是单频单天线系统，只能工作在标准定位模式(SPS),其测速是基于Doppler频移技术。根据刚体运动学理论,在两天线距离已知时可以求出车身天向横摆角速度。下图所示是由GPS测量数据计算汽车车身侧偏角的方法示意图。图中OGxGyG为高斯水平直角坐标系，图中AB连线尽量位于汽车纵向对称平面，A点尽量位于汽车质心上方，AB间距离尽可能拉大，称AB连线为基线，A处放置的天线为主天线，B处放置的天线为辅天线。uA、uB和f、r分别为A、B天线处的水平速度及其与正北方向的夹角，由GPS接收机分别测量得到。为基线与轴的夹角, 为汽车质心侧偏角，其定义为式中，汽车纵轴线与正北方向的夹角通过GPS测量得到A、B处的位置(，)、(，) ，则对式(2)直接计算得到的值进行修正，即然后代入式(1)进行计算。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。测力车轮的核心部分为车轮力传感器(wheforce transducer,简称WFT)。图4是KistlInstrument AG RWD结构简图,其结构具有代表性。对传统车轮轮辋改进后,通过两个连接法兰将WFT传感体串联在车轮轮辋和制动器轮毂之间,地面对车桥的作用力传递路线变为:地面胎体改制轮辋轮辋调节法兰传感体轮毂调节法兰制动器轮毂,所以测力车轮能够更为准确地测量地面和汽车对车轮的作用力。目前东南大学在进行WFT的产业化研究，研发的某型WFT实物车上安装。所研发的WFT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。其中对WFT的动态标定和解耦是研究的难点，需要借助轮胎试验设备。利用轮胎试验设备模拟实际路况进行复合载荷加载标定，构造合适的算法进行维间耦合动态解耦和补偿可以显著提高WFT的测量精度。另外，针对汽车道路试验的特点，减小传感器体积、提高通用性和可靠性也是产业化过程中需要解决的重要问题。转向力的测量为了有效解决VSC产业化过程中道路试验方向盘转角精确控制问题，需要研究驾驶机器人代替人类驾驶员实现对转向速度、转向精度的精确控制。图6所示是清华大学为满足DSC产业化开发而研制的转向机器人设计原理图。图中两虚线方框给出的是GPS定位测速系统车载其余部分是转向机器人控制系统，其中GPS系统通过RS232接口为转向机器人系统实时提供精确的位置、速度等信息。GPS系统的接收机为加拿大novAtel公司的产品，均工作在载波相位差分模式,通过两电台实现差分数据由基站向移动站的实时传输，移动站RTK数据更新速率为50 Hz。汽车道路试验用转向机器人研究主要技术包括：转向机器人安装后不影响驾驶员驾驶操作，且在适当的时候对其工作进行主动干预；硬件设计移植性好，现场可快速装配和拆卸；模拟真实人的转向操作，具有足够的转向力度和角度；构造可靠实时控制算法、路径跟踪准确和转向控制精确等。