汽車操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭潤(rùn)清，姜兆娟，高明秋

（1. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300 2. 一汽豐田技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，天津 300457）

汽車操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭潤(rùn)清1，姜兆娟2，高明秋1

Guo Runqing1，Jiang Zhaojuan2，Gao Mingqiu1

（1. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300 2. 一汽豐田技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，天津 300457）

汽車的操縱穩(wěn)定性（操穩(wěn)）直接影響汽車的主動(dòng)安全，針對(duì)整車道路試驗(yàn)建立操穩(wěn)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，解決了各操穩(wěn)試驗(yàn)變量物理信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存，基于Matlab GUI開(kāi)發(fā)操穩(wěn)試驗(yàn)后處理軟件，實(shí)現(xiàn)了操穩(wěn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析和打分。利用測(cè)試和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，完成某款國(guó)產(chǎn)轎車操穩(wěn)性能的道路測(cè)試和評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)和后處理軟件的實(shí)用性。

汽車；操縱穩(wěn)定性；道路試驗(yàn)；Matlab GUI

0 引 言

汽車的操縱穩(wěn)定性是影響汽車高速行駛安全性的主要因素，其由相互聯(lián)系的操縱性和穩(wěn)定性2部分組成。操縱性是指汽車能快速準(zhǔn)確地響應(yīng)駕駛員轉(zhuǎn)向指令的能力；穩(wěn)定性是指汽車在受到擾動(dòng)后能恢復(fù)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力[1]。隨著道路的改善，現(xiàn)代汽車趨于高速化，車流密集化，但駕駛員的駕駛技能趨于非職業(yè)化，這對(duì)現(xiàn)代汽車的操縱穩(wěn)定性提出了更高的要求[2]。汽車的操縱穩(wěn)定性已成為現(xiàn)代汽車性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，所以，被稱為“高速汽車生命線”的汽車操縱穩(wěn)定性的研究日益受到重視，成為現(xiàn)代汽車的研究重點(diǎn)[3，4]。

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、主動(dòng)安全性、平順性和通過(guò)性等性能的不解體實(shí)車測(cè)試[5]。汽車的操縱穩(wěn)定性能是由整車多系統(tǒng)的性能和相互匹配程度決定的，如轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、懸架和輪胎等[1]，其道路試驗(yàn)測(cè)試及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是較大的難點(diǎn)。

文中建立了集成度高、可靠性強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集同步、接口模塊化的操穩(wěn)道路測(cè)試系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)了交互式的后處理軟件，實(shí)現(xiàn)了操穩(wěn)道路試驗(yàn)變量的精確采集和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理。

1 操穩(wěn)道路試驗(yàn)要求

1.1 試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)量變量

現(xiàn)行國(guó)內(nèi)汽車操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的依據(jù)是GB/T 6323—1994和QC/T 480—1999，標(biāo)準(zhǔn)推薦了6項(xiàng)操穩(wěn)試驗(yàn)項(xiàng)目，分別是蛇行試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入）、轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)車輛產(chǎn)品公告主要基于轉(zhuǎn)向回正性能、轉(zhuǎn)向輕便性和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)3項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)車輛操穩(wěn)性能進(jìn)行評(píng)判，所以文中主要針對(duì)這3項(xiàng)操穩(wěn)試驗(yàn)進(jìn)行研究。

表1給出了3項(xiàng)試驗(yàn)的測(cè)量變量、評(píng)價(jià)指標(biāo)以及需要繪制的變量特性圖，可見(jiàn)主要的測(cè)量變量是車身側(cè)傾角、車輛側(cè)向加速度、車輛橫擺角速度、車輛前進(jìn)車速、轉(zhuǎn)向盤作用力矩和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角?；诒?要求，設(shè)計(jì)操穩(wěn)試驗(yàn)測(cè)試硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上述各操穩(wěn)試驗(yàn)變量的快速精確采集，并自主開(kāi)發(fā)操穩(wěn)試驗(yàn)計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)軟件，實(shí)現(xiàn)相關(guān)變量特性圖的繪制和評(píng)價(jià)指標(biāo)的自動(dòng)化分析。

表1 操穩(wěn)試驗(yàn)測(cè)量變量和評(píng)價(jià)指標(biāo)要求

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)開(kāi)始前，應(yīng)測(cè)定車輪定位參數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)向系、懸架系進(jìn)行檢查，并按規(guī)定進(jìn)行調(diào)整、緊固和潤(rùn)滑。樣車若用新輪胎，輪胎至少應(yīng)經(jīng)過(guò)200 km正常行駛的磨合；若用舊輪胎，試驗(yàn)終了，殘留花紋高度應(yīng)不小于1.5 mm。試驗(yàn)汽車為廠定最大總質(zhì)量狀態(tài)（含駕駛員、試驗(yàn)員及測(cè)試儀器的質(zhì)量）。乘員和裝載物的分布應(yīng)符合GB/T 12534中3.1.2、3.1.3的規(guī)定，輪胎氣壓應(yīng)符合GB/T 12534中3.2的規(guī)定。試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)為干燥、平坦且清潔的水泥或?yàn)r青路面，任意方向的坡度不大于 2%。試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速應(yīng)不大于5 m/s，大氣溫度在0～40℃之間。

2 操穩(wěn)道路試驗(yàn)硬件平臺(tái)建立

2.1 硬件組件

為實(shí)現(xiàn)表 1中各操穩(wěn)試驗(yàn)變量的同步精確采集，建立了一套集成度高、可靠性強(qiáng)、接口模塊化的硬件試驗(yàn)系統(tǒng)，其邏輯原理圖如圖1所示。該道路試驗(yàn)用汽車操縱穩(wěn)定性集成測(cè)試評(píng)價(jià)平臺(tái)包括測(cè)量各試驗(yàn)變量的陀螺儀、轉(zhuǎn)向盤適配器和 GPS速度計(jì)，與多個(gè)車載傳感器相連的實(shí)時(shí)接收車載傳感器所采集信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)所采集的信息進(jìn)行處理的主控PC機(jī)以及自主開(kāi)發(fā)的操穩(wěn)自動(dòng)評(píng)價(jià)軟件。

其中，陀螺儀采用的是WATSON的MEMS等級(jí)的 DMS-SGP01陀螺儀，該陀螺儀體積尺寸小，其三軸向傳感器裝置配備串行接口并通過(guò)串行接口發(fā)送所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為 HIOKI8430-21型可擴(kuò)展多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其所有通道為10 ms掃描方式高速采樣率，數(shù)據(jù)可直接存儲(chǔ)至CF卡并通過(guò)USB接口與主控PC機(jī)連接，其各通道采集的操穩(wěn)試驗(yàn)物理量信號(hào)如表2。轉(zhuǎn)向盤適配器使用的是KYOWA 的SFA-B-10035轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩傳感器，其采樣精度和范圍均能滿足試驗(yàn)要求。車輛前進(jìn)車速通過(guò)GPS YT-100速度計(jì)獲得，采樣車速精度達(dá)0.01 km/h，采樣周期能到達(dá)10 ms。信號(hào)放大器是KYOWA的WGA-670B，將轉(zhuǎn)向盤適配器的轉(zhuǎn)角和力矩微電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后傳送到數(shù)采系統(tǒng)。后處理分析程序則實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，自動(dòng)處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)儲(chǔ)存的操穩(wěn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)QC/T 480—1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)車輛的操縱穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。安裝有自主開(kāi)發(fā)的后處理軟件的PC主機(jī)為一款平板電腦，其可以通過(guò)USB接收數(shù)采的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理分析。

根據(jù)水利工程的功能，水利工程可分為防洪工程、農(nóng)田水利工程、水力發(fā)電工程、巷道港口工程、城鎮(zhèn)供排水工程、環(huán)境水利工程、漁業(yè)水利工程、海涂圍墾工程等。對(duì)于大多數(shù)類型的水利工程，施工建設(shè)會(huì)對(duì)山體結(jié)構(gòu)以及植被造成破壞，并不同程度地改變當(dāng)?shù)氐牡匦危蚨魅趿酥参锏墓夂献饔靡约氨３炙?、調(diào)節(jié)溫度等功能，當(dāng)?shù)氐臏囟?、降雨量、地表蒸發(fā)量等氣候條件都會(huì)出現(xiàn)一定的變化。

表2 數(shù)采系統(tǒng)各通道所代表的物理量信號(hào)

2.2 各組件功能

該測(cè)試評(píng)價(jià)平臺(tái)，基于陀螺儀實(shí)時(shí)獲取整車試驗(yàn)中的車身側(cè)傾角、橫擺角速度和側(cè)向加速度，基于GPS速度傳感器實(shí)時(shí)獲取操穩(wěn)試驗(yàn)中整車的前進(jìn)車速，基于轉(zhuǎn)向盤適配器實(shí)時(shí)獲取車輛轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角和作用轉(zhuǎn)向盤的力矩。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在整車道路試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)接收、監(jiān)控、存儲(chǔ)和再現(xiàn)汽車操縱穩(wěn)定性各變量的信號(hào)，且均以差分模擬物理量形式實(shí)時(shí)輸入給可擴(kuò)展的多通道平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。HIOKI8430-21型多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收傳感器輸入的差分模擬物理信號(hào)，可進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將采集結(jié)果實(shí)時(shí)展現(xiàn)于寬屏、高亮度的彩色液晶屏上，具有很好的直觀性。數(shù)采系統(tǒng)通過(guò)USB串行端口將儲(chǔ)存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送到主控PC機(jī)，便可通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的汽車操縱穩(wěn)定性后處理分析程序快速地完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和本次操穩(wěn)試驗(yàn)的打分。該汽車操縱穩(wěn)定性后處理分析程序是基于 Matlab GUI開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互式軟件，代碼近萬(wàn)行，具有獨(dú)立的原創(chuàng)性。

3 操穩(wěn)后處理軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

Matlab GUI即Matlab圖形用戶界面編程，是在圖形界面下創(chuàng)建顯示與用戶交互的組建元素，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等操作實(shí)現(xiàn)組件的特定功能，程序會(huì)直觀顯示運(yùn)行結(jié)果[6]。操穩(wěn)試驗(yàn)采集的各變量數(shù)據(jù)較龐大，針對(duì)這一特點(diǎn)，基于Matlab GUI開(kāi)發(fā)了交互式的操穩(wěn)試驗(yàn)后處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確處理和試驗(yàn)車輛操穩(wěn)性能評(píng)判。

該軟件主界面如圖2所示，主要由繪圖區(qū)、試驗(yàn)信息區(qū)和向?qū)讲僮鲄^(qū)3部分組成。繪圖區(qū)顯示程序處理完獲得的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑比、前后軸側(cè)偏角差值和車廂側(cè)傾角3個(gè)重要特性圖，轉(zhuǎn)向回正的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角時(shí)間里程曲線和橫擺角速度時(shí)間里程曲線，以及轉(zhuǎn)向輕便性的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)向盤力矩關(guān)系曲線。試驗(yàn)信息區(qū)則提供了試驗(yàn)信息輸入的窗口，試驗(yàn)信息主要包括變量采集周期、轉(zhuǎn)彎半徑、試驗(yàn)車輛的轉(zhuǎn)向盤直徑、軸距、車型、最大總質(zhì)量和最高車速等，它們是試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和操穩(wěn)性能評(píng)判的已知量，檢測(cè)員必須根據(jù)實(shí)際情況填寫。同時(shí)，試驗(yàn)信息區(qū)會(huì)顯示試驗(yàn)中各測(cè)量變量在試驗(yàn)車輛靜止或直線行駛時(shí)的初始值，程序處理時(shí)將從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中去除這些初始值，消除試驗(yàn)儀器的影響，提高試驗(yàn)精度。操作區(qū)是向?qū)降?，符合人們的思維習(xí)慣。操作區(qū)自上而下主要由操穩(wěn)項(xiàng)目選擇，數(shù)據(jù)導(dǎo)入、處理，濾波繪圖，曲線擬合和評(píng)判打分5部分組成。

軟件導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件格式是excel，濾波操作提供了曲線平滑、中值濾波、均值濾波、限幅濾波和限幅均值濾波 5個(gè)選擇，曲線擬合可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式1～5次擬合。根據(jù)QC/T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法，評(píng)判打分實(shí)現(xiàn)了操穩(wěn)各項(xiàng)目的單項(xiàng)打分和整車操穩(wěn)性能的綜合打分，兩者的界面如圖3。

通過(guò)該后處理軟件，檢測(cè)人員可以在第一時(shí)間客觀地獲得試驗(yàn)車輛的操穩(wěn)性能評(píng)判，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操穩(wěn)試驗(yàn)和試驗(yàn)車輛的快速響應(yīng)，避免了二次試驗(yàn)造成的時(shí)間、財(cái)力和人力等資源的浪費(fèi)，提高了試驗(yàn)效率。

4 操穩(wěn)實(shí)例分析

4.1 試驗(yàn)車輛

表3 某款國(guó)產(chǎn)車操穩(wěn)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

該車最大總質(zhì)量1 500 kg，試驗(yàn)前車輛合理配載到1.5 t左右，試驗(yàn)中各傳感器的采樣周期為20 ms，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)彎半徑為15 m。該車最小轉(zhuǎn)彎直徑為10.1 m，所以輕便性試驗(yàn)中雙紐線的最小曲率半徑Rmin由式（1）計(jì)算得到為5.56m，從而設(shè)計(jì)出該車輕便性試驗(yàn)的雙紐線。

4.2 試驗(yàn)后處理結(jié)果

4.2.1 操穩(wěn)特性圖

試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正中分別進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn) 3次試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向輕便性中試驗(yàn)車沿雙紐線行駛3圈，車速保持在10 km/h左右。陀螺儀、轉(zhuǎn)向盤適配器和GPS速度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)中的側(cè)傾角、橫擺角速度、側(cè)向加速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤作用力矩和前進(jìn)車速，各變量測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)圖 1中的各輸出端口儲(chǔ)存到平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集器中，再通過(guò)USB串行端口轉(zhuǎn)存到PC機(jī)進(jìn)行后處理?；谧灾鏖_(kāi)發(fā)的后處理軟件系統(tǒng)，該國(guó)產(chǎn)車在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正和轉(zhuǎn)向輕便性中某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4，圖中淺色曲線為3次擬合曲線。

可以看出，在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，車輛側(cè)向加速度達(dá)到7.0 m/s2，滿足GB/T 6323中“直至汽車的側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2”的要求，試驗(yàn)中車廂的側(cè)傾角隨車輛的側(cè)向加速度增大而不斷增大，最大側(cè)傾角達(dá)到9.0°；轉(zhuǎn)彎半徑比值也隨側(cè)向加速度的增大從1.0增大到1.5，說(shuō)明車輛在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)彎半徑不斷增加，為不足轉(zhuǎn)向；前后軸偏角差值也是遞增的，不存在中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)。轉(zhuǎn)向回正中，在試驗(yàn)員突然松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤后不到1 s的時(shí)間內(nèi)，車輛的橫擺角速度就已趨于很小且保持穩(wěn)定，說(shuō)明該車具有較好的轉(zhuǎn)向回正性能。圖 4中可以看出，力矩隨轉(zhuǎn)角變化很平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向盤左右轉(zhuǎn)角基本一致為 6 rad，最大轉(zhuǎn)向盤作用力矩僅為 4.0 N·m，說(shuō)明該車具有良好的輕便性。

4.2.2 操穩(wěn)性能評(píng)判結(jié)果

將本次操穩(wěn)試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件系統(tǒng)處理后，即可獲得該國(guó)產(chǎn)轎車操穩(wěn)性能的打分，計(jì)算效率大大提高。依據(jù)QC/T 480—1999，表4給出了本次試驗(yàn)處理后對(duì)該國(guó)產(chǎn)轎車操穩(wěn)性能的綜合評(píng)判?？梢钥闯鲈撥囋诜€(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)中不存在中性轉(zhuǎn)向點(diǎn) an，說(shuō)明該車在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)全程中表現(xiàn)為不足轉(zhuǎn)向，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求獲得滿分；左右方向不足轉(zhuǎn)向度U分別達(dá)到3.78 g和2.36 g，具有很高水平，說(shuō)明試驗(yàn)中樣車表現(xiàn)為較高的不足轉(zhuǎn)向特性；但該車車廂側(cè)傾度表現(xiàn)較差，僅為及格分?jǐn)?shù)，說(shuō)明試驗(yàn)中當(dāng)側(cè)向加速度達(dá)到一定值后，其側(cè)翻的趨勢(shì)較明顯。轉(zhuǎn)向回正中殘留橫擺角速度△r和橫擺角速度總方差ET都較小，分?jǐn)?shù)都達(dá)到90分以上，說(shuō)明樣車轉(zhuǎn)向系具有良好的自動(dòng)回正性能。該車輕便性表現(xiàn)優(yōu)異，轉(zhuǎn)向盤平均作用力和最大作用力 2項(xiàng)都為滿分。最終該車操縱穩(wěn)定性綜合得分為 93.2，說(shuō)明該車具有較優(yōu)良操縱性的同時(shí)兼?zhèn)漭^高的穩(wěn)定性。

表4 某國(guó)產(chǎn)轎車操縱穩(wěn)定性打分結(jié)果

5 結(jié) 論

1）汽車的操縱穩(wěn)定性對(duì)汽車的主動(dòng)安全有著最直接的影響，基于道路試驗(yàn)的操穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)集成度高，變量采集精確，直觀易操作，實(shí)用性高。

2）基于Matlab GUI開(kāi)發(fā)的操穩(wěn)試驗(yàn)后處理軟件，可以在第一時(shí)間客觀分析試驗(yàn)車輛的操穩(wěn)性能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操穩(wěn)試驗(yàn)和試驗(yàn)車輛的快速響應(yīng)，避免了二次試驗(yàn)造成的資源浪費(fèi)，提高了試驗(yàn)效率。

3）汽車操縱穩(wěn)定性軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫結(jié)合，為操穩(wěn)性能規(guī)?；囼?yàn)提供了可能。

4）基于操穩(wěn)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了某國(guó)產(chǎn)轎車操縱穩(wěn)定性的測(cè)試和評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示該車兼具優(yōu)良的操縱性能和穩(wěn)定性能。

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U467.1+1

A

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2014?09?22