汽車操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)測(cè)試方法研究汽車道路試驗(yàn)是在規(guī)則路面輸入和典型駕駛輸入下對(duì)汽車的動(dòng)力性、制動(dòng)性、主動(dòng)安全性和操作穩(wěn)定性等性能的不解體實(shí)車進(jìn)行測(cè)試。汽車道路試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)是推動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)有效的試驗(yàn)方法和檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)、評(píng)價(jià)汽車的性能具有重要的意義。 目前，關(guān)于汽車道路試驗(yàn)的研究主要可分為兩個(gè)方向：一是根據(jù)汽車道路試驗(yàn)的特點(diǎn)，在提高道路試驗(yàn)的可靠性、測(cè)試方法、測(cè)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(cè)試方法。二是道路模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，可以排除氣候等因素的影響，大大地縮短試驗(yàn)周期和節(jié)約資金，并且試驗(yàn)的可控性好，試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性強(qiáng)、精度高，便于對(duì)比，可以提高汽車測(cè)試效率，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文著重對(duì)前者的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r做一個(gè)梳理。位移、軌跡、速度、加速度和平面運(yùn)動(dòng)角速度等是汽車運(yùn)動(dòng)性能的主要描述參數(shù)，汽車的各種動(dòng)力性能試驗(yàn)、制動(dòng)性能試驗(yàn)和操縱穩(wěn)定性能試驗(yàn)主要是通過(guò)對(duì)以上參數(shù)的時(shí)問(wèn)特性進(jìn)行測(cè)量和分析，以達(dá)到性能評(píng)價(jià)的目的。由于汽車道路試驗(yàn)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(jiǎn)稱VSC) 對(duì)汽車位置姿態(tài)測(cè)量技術(shù)、車輪力測(cè)量技術(shù)和為解決客觀評(píng)價(jià)引入的汽車道路試驗(yàn)轉(zhuǎn)向機(jī)器人技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。汽車道路試驗(yàn)特點(diǎn)及測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)汽車道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為車載,而試驗(yàn)法規(guī)要求對(duì)汽車進(jìn)行充分激勵(lì)才能完成有效測(cè)試,故對(duì)測(cè)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?cè)嚨慕Y(jié)構(gòu),對(duì)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(hào)屬于低頻信號(hào)(通常在25 Hz以下),且由于是短時(shí)測(cè)量,大多數(shù)變量對(duì)采樣頻率、測(cè)量精度等要求不高,但各信號(hào)采樣需有較好的同步性?；谝陨咸攸c(diǎn)構(gòu)建的汽車道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)是汽車道路試驗(yàn)的基礎(chǔ),圖1所示是汽車道路試驗(yàn)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。根據(jù)可靠性和具體的測(cè)試方法,這3部分或集成在一起,或部分集成。具有CAN節(jié)點(diǎn)的車載測(cè)試傳感器,集成CA節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD過(guò)程顯示等功能的數(shù)據(jù)采與處理裝置是汽車道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向。過(guò)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(yùn)動(dòng)姿態(tài)和質(zhì)心軌跡的測(cè)量長(zhǎng)期以來(lái)由于缺乏有效的測(cè)試技術(shù)手段，汽車做曲線運(yùn)動(dòng)的速度難以準(zhǔn)確測(cè)取 ，汽車質(zhì)心動(dòng)態(tài)軌跡無(wú)法精密測(cè)定，以至涉及汽車安全的汽車制動(dòng)方向穩(wěn)定性能和高速操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)條件控制困難、測(cè)試結(jié)果不能全面反映汽車的動(dòng)態(tài)特性 2。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是：其中，、質(zhì)心在地面固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、軌跡起始點(diǎn)坐標(biāo)車速,汽車質(zhì)心處速度矢量在地平面上的投影有效試驗(yàn)時(shí)間由上式可以看出,軌跡測(cè)量最終歸結(jié)為車速、質(zhì)心側(cè)偏角和汽車方位角的測(cè)量問(wèn)題,而車速和質(zhì)心側(cè)偏角的測(cè)量可具體為汽車縱向速度和側(cè)向速度的測(cè)量。通常利用垂直陀螺或汽車操穩(wěn)性測(cè)試儀直接測(cè)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(xué)速度傳感器進(jìn)行直接測(cè)量15,但由于安裝位置的影響,需要利用橫擺角速度進(jìn)行補(bǔ)償?？梢钥闯觯鲜鰷y(cè)量方法存在以下不足：通過(guò)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(duì)橫擺角速度沒(méi)有進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，測(cè)量存在原理性誤差，在轉(zhuǎn)向制動(dòng)等大的激勵(lì)輸入下測(cè)量誤差較大。針對(duì)傳統(tǒng)方法對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測(cè)量的局限性，近年來(lái)有許多學(xué)者將慣性導(dǎo)航技術(shù)和衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于汽車道路試驗(yàn)測(cè)試中,如路面附著系數(shù)識(shí)別，速度、側(cè)偏角、位置和姿態(tài)的精確測(cè)量，汽車動(dòng)力學(xué)控制應(yīng)用，以及測(cè)試系統(tǒng)同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)。其中捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)(strapdown inertial measurement system，簡(jiǎn)稱SIMS)和GPS組合測(cè)量汽車軌跡姿態(tài)方法有效解決了測(cè)量高精度和低成本間的矛盾。利用這種方法可以精確測(cè)量得到汽車的軌跡、姿態(tài)、質(zhì)心側(cè)偏角，以及運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和車體坐標(biāo)系下的線(加)速度、角速度等重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，成為汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測(cè)量方法新的發(fā)展方向。差分定位方式(DGPS)就是利用兩臺(tái)GPS接收機(jī)來(lái)確定待定點(diǎn)在地心坐標(biāo)中的絕對(duì)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(duì)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(dá)到厘米級(jí)的定位精度，因而能夠較好的滿足汽車性能試驗(yàn)的要求。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2臺(tái)VBOX、1臺(tái)Vector Crescent、1臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)和電源等組成。VBOX是單天線系統(tǒng),由英國(guó)Racelogic公司研制的面向汽車測(cè)試應(yīng)用的儀器，其主要特點(diǎn)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(hào)接口給其他設(shè)備同步采集。其標(biāo)稱水平速度精度是01 km/h7。Vector 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(zhǎng)度為2 m時(shí)標(biāo)稱測(cè)量精度為()。測(cè)試系統(tǒng)框架圖測(cè)試系統(tǒng)中的2臺(tái)VBOX均可測(cè)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(biāo)準(zhǔn)定位模式(SPS),其測(cè)速是基于Doppler頻移技術(shù)。根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,在兩天線距離已知時(shí)可以求出車身天向橫擺角速度。下圖所示是由GPS測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)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(biāo)系，圖中AB連線盡量位于汽車縱向?qū)ΨQ平面，A點(diǎn)盡量位于汽車質(zhì)心上方，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(jī)分別測(cè)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(guò)GPS測(cè)量得到A、B處的位置(，)、(，) ，則對(duì)式(2)直接計(jì)算得到的值進(jìn)行修正，即然后代入式(1)進(jìn)行計(jì)算。車輪力的測(cè)量汽車運(yùn)動(dòng)主要由地面對(duì)車輪的作用力引起，車輪力直接測(cè)量技術(shù)為汽車底盤運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(包括輪胎模型和懸架控制)開(kāi)發(fā)和性能評(píng)價(jià)動(dòng)力總成匹配、道路載荷譜采集和道路性能研究與評(píng)價(jià)等提供了新的手段。基于測(cè)力車輪對(duì)車輪力直接測(cè)量是一種有效的方式。測(cè)力車輪的核心部分為車輪力傳感器(wheforce transducer,簡(jiǎn)稱WFT)。圖4是KistlInstrument AG RWD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,其結(jié)構(gòu)具有代表性。對(duì)傳統(tǒng)車輪輪輞改進(jìn)后,通過(guò)兩個(gè)連接法蘭將WFT傳感體串聯(lián)在車輪輪輞和制動(dòng)器輪轂之間,地面對(duì)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(dòng)器輪轂,所以測(cè)力車輪能夠更為準(zhǔn)確地測(cè)量地面和汽車對(duì)車輪的作用力。目前東南大學(xué)在進(jìn)行WFT的產(chǎn)業(yè)化研究，研發(fā)的某型WFT實(shí)物車上安裝。所研發(fā)的WFT基于電阻應(yīng)變式測(cè)量原理，采用八梁輪輻式傳感體結(jié)構(gòu)，在應(yīng)變片布片組橋、非接觸能量和信號(hào)傳輸、多分力信號(hào)結(jié)構(gòu)解耦和標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行了深入研究。WFT按測(cè)量原理分為電阻應(yīng)變片測(cè)量和壓電效應(yīng)測(cè)量，其研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感體設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸、標(biāo)定與解耦等。其中對(duì)WFT的動(dòng)態(tài)標(biāo)定和解耦是研究的難點(diǎn)，需要借助輪胎試驗(yàn)設(shè)備。利用輪胎試驗(yàn)設(shè)備模擬實(shí)際路況進(jìn)行復(fù)合載荷加載標(biāo)定，構(gòu)造合適的算法進(jìn)行維間耦合動(dòng)態(tài)解耦和補(bǔ)償可以顯著提高WFT的測(cè)量精度。另外，針對(duì)汽車道路試驗(yàn)的特點(diǎn)，減小傳感器體積、提高通用性和可靠性也是產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中需要解決的重要問(wèn)題。轉(zhuǎn)向力的測(cè)量為了有效解決VSC產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中道路試驗(yàn)方向盤轉(zhuǎn)角精確控制問(wèn)題，需要研究駕駛機(jī)器人代替人類駕駛員實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向速度、轉(zhuǎn)向精度的精確控制。圖6所示是清華大學(xué)為滿足DSC產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)而研制的轉(zhuǎn)向機(jī)器人設(shè)計(jì)原理圖。圖中兩虛線方框給出的是GPS定位測(cè)速系統(tǒng)車載其余部分是轉(zhuǎn)向機(jī)器人控制系統(tǒng)，其中GPS系統(tǒng)通過(guò)RS232接口為轉(zhuǎn)向機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供精確的位置、速度等信息。GPS系統(tǒng)的接收機(jī)為加拿大novAtel公司的產(chǎn)品，均工作在載波相位差分模式,通過(guò)兩電臺(tái)實(shí)現(xiàn)差分?jǐn)?shù)據(jù)由基站向移動(dòng)站的實(shí)時(shí)傳輸，移動(dòng)站RTK數(shù)據(jù)更新速率為50 Hz。汽車道路試驗(yàn)用轉(zhuǎn)向機(jī)器人研究主要技術(shù)包括：轉(zhuǎn)向機(jī)器人安裝后不影響駕駛員駕駛操作，且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)ζ涔ぷ鬟M(jìn)行主動(dòng)干預(yù)；硬件設(shè)計(jì)移植性好，現(xiàn)場(chǎng)可快速裝配和拆卸；模擬真實(shí)人的轉(zhuǎn)向操作，具有足夠的轉(zhuǎn)向力度和角度；構(gòu)造可靠實(shí)時(shí)控制算法、路徑跟蹤準(zhǔn)確和轉(zhuǎn)向控制精確等。