ATV車操縱穩(wěn)定性測試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

葉芳，徐中明，譚海偉，翟喜成

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 400052；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030；3.德國艾默克測試測量有限公司 上海代表處，上海 200052；4.重慶合川職教中心，重慶 401520）

0 引 言

ATV（All-terrain-vehicles）車，又稱全地域車，是具有跨騎式座椅、把式轉(zhuǎn)向、三輪或四輪結(jié)構(gòu)，采用大尺寸、低氣壓輪胎的單人多用途車輛［1］，在國內(nèi)通常被稱為沙灘車。ATV 車主要應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、狩獵、景觀美化、牧場經(jīng)營、探險(xiǎn)、工業(yè)、建筑及軍事等，被國內(nèi)外市場廣泛認(rèn)同。然而目前對ATV 的操縱穩(wěn)定性的考察還有缺陷，操縱穩(wěn)定性的研究常采用試驗(yàn)和仿真來進(jìn)行，仿真分析的方法準(zhǔn)確性較弱，個(gè)體差異較大，不能正確和定量地評價(jià)ATV 的操縱穩(wěn)定性，所以有必要開發(fā)出適合ATV 試驗(yàn)工況的測試分析評價(jià)系統(tǒng)。

1 ATV 車操縱穩(wěn)定性評價(jià)方法

車輛的操縱穩(wěn)定性，指的是車輛在高速行駛下，接受駕駛員的控制能力及行駛方向的穩(wěn)定性［2-5］。為評價(jià)ATV操縱穩(wěn)定性，主要進(jìn)行4 個(gè)試驗(yàn)：穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤階躍試驗(yàn)、蛇形試驗(yàn)。試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理方法等參照GB 6323《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性描述了汽車在轉(zhuǎn)向輸入下能否穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)，當(dāng)車速大于某臨界車速時(shí)，過多轉(zhuǎn)向的汽車受到輕微轉(zhuǎn)向干擾也會發(fā)生運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象［6-7］。因此不允許汽車轉(zhuǎn)向特性有過多轉(zhuǎn)向，然而很多汽車在側(cè)向加速度ay到達(dá)一定值后，會出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，這個(gè)側(cè)向加速度an稱中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)。對一般乘用車，an不應(yīng)小于5 m/s2，一般的說ay=4 m/s2時(shí)，（α1-α2）=2°左右最好，不應(yīng)大于4°。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)是指給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)突然的固定不變的轉(zhuǎn)角δsw輸入，相當(dāng)于給系統(tǒng)一個(gè)階躍位移干擾。如果系統(tǒng)穩(wěn)定，在此干擾下，將從一個(gè)穩(wěn)態(tài)(直線行駛)過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)（轉(zhuǎn)圈行駛），主要用橫擺角速度γ（t）來表達(dá)多個(gè)評價(jià)指標(biāo)［8］。

橫擺角速度相對阻尼系數(shù)ξ 隨車速V 的增大而減小。為激起橫擺角速度的振動(dòng)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)的試驗(yàn)車速都比較高。在ISO 7410-88《側(cè)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)方法》中，要求試驗(yàn)車速為80 km/h；在GB/T 6323.2-94《轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入方法》中，規(guī)定試驗(yàn)車速為被測汽車最高車速的70%。具體試驗(yàn)方法是，被測車輛在加速路段以試驗(yàn)車速V 等速轉(zhuǎn)向行駛，進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段后，繼續(xù)以穩(wěn)定車速V 按場地要求路線行駛。同時(shí)記錄，當(dāng)車輛行至指定地點(diǎn)，駕駛員應(yīng)以最快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤（或手把）至預(yù)先確定的轉(zhuǎn)角，并保持轉(zhuǎn)向盤（或手把）轉(zhuǎn)角不變，同時(shí)保持節(jié)氣門和油門開度不變。從駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤開始，至本次試驗(yàn)結(jié)束，記錄時(shí)間應(yīng)為6s 左右，預(yù)先確定好的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角位置，由試驗(yàn)要求達(dá)到的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度值決定。

汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)結(jié)果，比較理想的數(shù)據(jù)處理方法是對橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間歷程γ（t）進(jìn)行非線性曲線擬合，計(jì)算出上述指標(biāo)數(shù)值。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)是為得到作為線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的車輛的頻率響應(yīng)特性，以此體察車輛轉(zhuǎn)向輸入響應(yīng)的真實(shí)以及失真程度［9］。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先標(biāo)定直線行駛位置，然后給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)三角脈沖轉(zhuǎn)角輸入，即向左轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，并迅速轉(zhuǎn)回原處保持不動(dòng)。記錄橫擺響應(yīng)全過渡過程，直至車輛回復(fù)到直線行駛狀態(tài)。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入脈寬為0.3～0.5 s,其最大轉(zhuǎn)角應(yīng)使本次試驗(yàn)過渡過程中最大側(cè)向加速度為4 m/s2左右，當(dāng)車速為80 km/h 時(shí)，轎車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角約為70°～90°，試驗(yàn)期間，車速保持不變。

試驗(yàn)應(yīng)在往返兩個(gè)行駛方向進(jìn)行，每個(gè)行駛方向至少按左、右方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤（轉(zhuǎn)角脈沖輸入）各3 次。對于車速低的，可以將試驗(yàn)車速定低點(diǎn)。

要得到汽車的橫擺角響應(yīng)的頻率特性圖，可將采集的數(shù)據(jù)在專用的信號處理設(shè)備上用快速傅立葉變換得到，也可通過專用軟件實(shí)現(xiàn)。

蛇形試驗(yàn)屬于閉路系統(tǒng)試驗(yàn)，反映汽車進(jìn)行急劇轉(zhuǎn)向的能力，同時(shí)反映車輛舒適性和安全性［10］。試驗(yàn)時(shí)駕駛員駕駛被試車輛以基準(zhǔn)車速通過有效標(biāo)樁區(qū)，小型汽車的基準(zhǔn)車速為65 km/h；最大質(zhì)量大于6 t 的汽車，基準(zhǔn)車速為60 km/h；若大于15 t，基準(zhǔn)車速為50 km/h。汽車進(jìn)入入口前，打開儀器進(jìn)行記錄，一直記錄到汽車駛出出口，如圖1 所示。

圖1 蛇形穿桿試驗(yàn)示意圖

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述評價(jià)方法，操縱穩(wěn)定性測試系統(tǒng)由陀螺儀、車速傳感器，信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、外觸發(fā)電路、交換機(jī)、普通網(wǎng)線、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 所示。系統(tǒng)工作原理：通過GPS 車速傳感器和角速度陀螺儀測量車輛質(zhì)心位置處的車速信號和橫擺角速度信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路得到適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?，由采集系統(tǒng)將幾路信號采集并存儲于PC 硬盤或CF 卡中［13］。

圖2 操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)測試系統(tǒng)框架圖

測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集箱必須便攜、穩(wěn)固、抗干擾，擁有6 個(gè)以上通道同步采樣，通道可擴(kuò)展。選擇IMC 設(shè)備公司開發(fā)的便攜式數(shù)據(jù)采集器（IMC PL2/UICP8）,該系統(tǒng)具有8 模擬通道進(jìn)行同步采集,提供了16 位數(shù)字通道以備外觸發(fā)。使用以太網(wǎng)接口技術(shù),數(shù)據(jù)采集機(jī)箱和計(jì)算機(jī)完全分離,操作方便，并且可利用Hub 進(jìn)行多臺采集器并聯(lián)，擴(kuò)展通道。

利用IMC 采集模塊提供的16 位數(shù)字輸入模塊以及內(nèi)部的5V 恒流源，配備普通開關(guān)，設(shè)計(jì)了外觸發(fā)模塊。選用DIN_Bit01 作為觸發(fā)源，在DSUB-PLUG 數(shù)字盒內(nèi)的BIT_01 端和LCOM 端接一個(gè)節(jié)點(diǎn)開關(guān)。開始觸發(fā)測量為高電平，結(jié)束觸發(fā)測量為低電平。圖3 所示為其電路圖。角速度陀螺儀選型為IMU201 六自由度慣性傳感器［11］。車速傳感器選用自主開發(fā)的VDL-1 型GPS 車速傳感器。

圖3 數(shù)字接口盒的電路圖

2.2 傳感器開發(fā)與應(yīng)用

車速的精確測量直接影響車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)的車速測量儀使用不便，測量誤差相對較大，針對本測試系統(tǒng)，利用GPS 測速技術(shù)研制了一款高精度、低成本的車速傳感器（VDL-1 型GPS 車速傳感器），將其應(yīng)用在汽車操穩(wěn)性試驗(yàn)中，降低了汽車操穩(wěn)性試驗(yàn)條件的困難程度［12］。

該傳感器將廣泛應(yīng)用于定位的GPS 技術(shù)應(yīng)用在瞬時(shí)車速測量上，利用單片機(jī)PIC16F877 作為控制器的核心，E580 OEM 模塊接收GPS 信號，形成了由6 個(gè)模塊組成的GPS 車速傳感器系統(tǒng)，分別為：1）電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)+12 V 和+5 V 供電2 種方式供電，實(shí)現(xiàn)+12 V 向+5 V，+5 V 向+3 V，+12 V 向+3 V 的多種電壓轉(zhuǎn)換；2）GPS 接收模塊，采用國產(chǎn)GPS 導(dǎo)航模塊E580 接收GPS 衛(wèi)星信號；3）電平轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)、GPS 模塊與計(jì)算機(jī)異步串行通訊接口之間的通訊；4）單片機(jī)控制模塊，選用Microchip 公司的PIC 8 位單片機(jī)16F877 A作為主控元件，實(shí)現(xiàn)信號通訊、轉(zhuǎn)換、控制、顯示等功能；5）D/A 轉(zhuǎn)換模塊，選用美國MAXIM 公司的8 位串行D/A芯片MAX518，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號向模擬信號的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號雙輸出，以便采集器采集；6）顯示模塊，選用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，將速度信號對應(yīng)的ASCII 碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，通過單片機(jī)串行口RB0～RB7 直接輸出到八段LED 數(shù)碼管a～dp 上，實(shí)現(xiàn)車速的實(shí)時(shí)顯示［13］。

該傳感器可測車速范圍為0～200 km/h，靈敏度為51（km/h）/V。成本低廉，測量精度較高，抗干擾性能好，易于擴(kuò)展升級。應(yīng)用在ATV 操穩(wěn)性試驗(yàn)中，提高了測試精度，降低了試驗(yàn)條件。

3 數(shù)據(jù)分析軟件開發(fā)

由于采集器采集到的原始數(shù)據(jù)為famos 格式，為了避免讀取數(shù)據(jù)的繁瑣，提高有效性，選擇了IMC 提供的Famos 平臺進(jìn)行軟件開發(fā)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)化編程的思想將軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)成幾個(gè)模塊，根據(jù)系統(tǒng)的整體需求，操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)分析系統(tǒng)分為：數(shù)據(jù)錄入、試驗(yàn)分析模塊、退出模塊［14］如圖4 所示。

圖4 操縱穩(wěn)定性分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

其中穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向子程序又可以分為：前處理模塊，參數(shù)輸入模塊，結(jié)果計(jì)算模塊，數(shù)據(jù)保存模塊。

轉(zhuǎn)向階躍分析子程序可以分為：前處理模塊，零位校正模塊，圖形顯示模塊，波形截取模塊，結(jié)果計(jì)算模塊，生成報(bào)告模塊。

轉(zhuǎn)向脈沖子程序可以分為：前處理模塊，零位校正模塊，圖形顯示模塊，波形截取模塊，頻譜計(jì)算模塊，生成報(bào)告模塊。

蛇形穿桿子程序可以分為：前處理模塊，零位校正模塊，參數(shù)輸入模塊，結(jié)果計(jì)算模塊，生成報(bào)告模塊。

軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，即進(jìn)行各底層子模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，以程序流程圖（圖5）的形式表現(xiàn)出來。

圖5 數(shù)據(jù)分析處理程序流程圖

4 測試系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)

參照GB/T 6323—1986《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》，結(jié)合ATV 的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)選用以上所述測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)試驗(yàn)前在加速度振動(dòng)臺上進(jìn)行標(biāo)定［15］。

試驗(yàn)時(shí)天氣晴好，車輛技術(shù)狀況符合試驗(yàn)要求，駕駛員體重在70 kg 左右，乘騎人員為專職試車員，經(jīng)驗(yàn)豐富。試驗(yàn)路面等級等同于B級路面。具體試驗(yàn)方法按前述評價(jià)方法進(jìn)行。標(biāo)定好傳感器，將車速傳感器，角速度陀螺儀綁在車架尾部，并確保在車身縱向中心線位置。為了方便脫機(jī)采樣，設(shè)置好外觸發(fā)，并將開關(guān)由駕駛員控制采樣開始，采集試驗(yàn)階段的橫擺角速度信號和車速信號。采樣時(shí)間250s，如圖6 所示。

圖6 操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)儀器設(shè)備現(xiàn)場圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。進(jìn)行某方向試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果如表1 所示。

表1 某國產(chǎn)車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

圖7 汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性圖

汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性圖分別如圖7 所示。

從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，該ATV 車先呈現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向，再呈現(xiàn)一定程度的過多轉(zhuǎn)向。中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)出現(xiàn)在3 m/s2左右，且該車能達(dá)到的最大穩(wěn)定測向加速度不超過4 m/s2，這個(gè)值相對于轎車來講很低，這反映了四輪ATV 車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性差［13］。

2）轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍試驗(yàn)（表2）。

試驗(yàn)結(jié)果差距較大，需分析試驗(yàn)是否可靠。

3）脈沖試驗(yàn)。

從兩款車的脈沖響應(yīng)分析得到的諧振頻率可以看出，進(jìn)口車的諧振頻率比國產(chǎn)車要好，這同駕駛員的主觀操作感受符合。

表2 某國產(chǎn)車階躍數(shù)據(jù)結(jié)果

表3 國產(chǎn)/進(jìn)口車轉(zhuǎn)向脈沖試驗(yàn)結(jié)果

4）蛇形試驗(yàn)。

從表4中比較兩車的平均橫擺角速度，說明了進(jìn)口車的操穩(wěn)性優(yōu)于國產(chǎn)車。

5 結(jié) 論

1）針對ATV 操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評價(jià)，開發(fā)了便攜式ATV 操縱穩(wěn)定性測試系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，測試分析系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、滿足要求。

表4 進(jìn)口車蛇形試驗(yàn)結(jié)果

2）該系統(tǒng)能定性定量的評價(jià)ATV 車輛的操縱穩(wěn)定性，得到的評價(jià)指標(biāo)能夠較好地與乘騎人員的主觀感覺吻合，表明所建立的ATV 操縱穩(wěn)定性評價(jià)方法是合適的。

3）階躍試驗(yàn)由于轉(zhuǎn)角難控制，所以試驗(yàn)結(jié)果差距較大，因此后續(xù)改進(jìn)工作是開發(fā)相應(yīng)的儀器增加試驗(yàn)的重復(fù)性。

［1］ 李陸山.建設(shè)推出JS400“悍虎”全地形車［J］.摩托車技術(shù)，2005（5）：30.

［2］ 彭文中.基于ADAMS 的汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析及優(yōu)化［D］.長沙：湖南大學(xué)，2010.

［3］ 趙榮遠(yuǎn).某跑車操縱穩(wěn)定性分析和優(yōu)化［D］.長沙：湖南大學(xué)，2008.

［4］ 羅文水.基于ADAMS 的某跑車操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性仿真分析及優(yōu)化［D］.長沙：湖南大學(xué)，2007.

［5］ 中國工業(yè)汽車總公司.QC/T 480-1999 汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價(jià)方法［S］.

［6］ Cooper G E.The Use of Pilot Rating in the Evaluation of Aircraft Handling Qualities［M］.NASA TND-5153，1969.

［7］ International Standard Organization.ISO 4138-2004 Passenger cars：Steady-state circular driving behaviour：Open-loop test methods［S］.

［8］ Weir D H，Richard J.Correlat ion an Evaluation of Driver/Vehicle Directional Handling Date［R］.SAE paper780010，1978.

［9］ 馬濤鋒，薛念文.汽車操縱穩(wěn)定性的研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005，（3）：278-280.

［10］ 宗長富，劉蘊(yùn)博，孔繁森.汽車操縱穩(wěn)定性的模擬器閉環(huán)評價(jià)與試驗(yàn)方法［J］.汽車工程，2001，23（3）：205-208.

［11］ 倪佑民.陀螺儀及其在汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)中應(yīng)用的若干問題［J］.汽車技術(shù)，1975（1）.

［12］ 徐中明，葉芳，譚海偉，等.基于GPS 的車速傳感器開發(fā)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009（6）：62-65.

［13］ 葉芳，譚海偉.基于GPS 的車速傳感器在汽車操穩(wěn)性試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.貴州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（4）：86-90.

［14］ 倪佑銘.脈沖試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向輸入有缺陷引起數(shù)據(jù)處理誤差的初步判斷［C］//清華大學(xué)交流論文，1993.

［15］ 中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所.汽車整車試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)大全［M］.天津：中國汽車技術(shù)研究中心，1993.