越野汽車軟地面通過性動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)

張和明, 魏 建, 趙 明

(63969部隊(duì),南京 210028)

越野汽車軟地面通過性動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)

張和明, 魏 建, 趙 明

(63969部隊(duì),南京 210028)

軟地面通過性是越野汽車的重要性能指標(biāo)之一，現(xiàn)有的通過性試驗(yàn)和測試手段比較單一，無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏已成為地面通過性試驗(yàn)評價(jià)研究的一大阻礙.針對該問題，提出以車輪力傳感器為核心的動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，集成GPS、高清攝像機(jī)以及便攜式土壤測試儀等傳感器，對輪壤間相互作用的關(guān)鍵物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)同步采集.在鋪裝地面和3種軟地面工況下進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能夠用于越野汽車地面通過性的試驗(yàn)評價(jià)研究.

軟地面通過性；車輪力傳感器；動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)；試驗(yàn)評價(jià)

越野汽車的軟地面通過性是指車輛以一定速度通過泥濘、灘涂、沼澤以及沙漠等各種松軟路面的能力.越野汽車需要能夠適應(yīng)各種不同的地域條件，良好的軟地面通過性是其執(zhí)行各種任務(wù)的重要保證.因此，研究越野汽車的軟地面通過性具有十分重要的意義.

軟地面通過性研究是車輛地面力學(xué)的重要部分，其研究方法理論和試驗(yàn)并重.目前，針對車輛軟地面通過性的研究方法主要有3種：半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头╗1]；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头╗2]；數(shù)值模擬法[3].每種研究方法都有相應(yīng)的試驗(yàn)裝備.半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ú捎秘愂蟽x和剪切環(huán)分別測量土壤的承壓參數(shù)和剪切參數(shù).經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄖ簧婕耙粋€(gè)土壤綜合機(jī)械指標(biāo)，即土壤圓錐指數(shù)，采用圓錐指數(shù)儀測量.典型的數(shù)值模擬法有有限元分析法和離散元分析法等[4-5]，通常使用模型試驗(yàn)來驗(yàn)證理論模型，如被廣泛使用的單輪土槽試驗(yàn)臺[6-7].由此看出，目前的試驗(yàn)方法主要集中于靜態(tài)土壤參數(shù)測試和模型臺架試驗(yàn).近年來，國外開始提出用實(shí)車試驗(yàn)方法來支持車輛軟地面通過性研究[8-9]，主要引入了車輪力傳感器、雷達(dá)、視覺傳感器等檢測技術(shù)對輪壤相互作用結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量.國內(nèi)的相關(guān)研究，仍然以模型試驗(yàn)為主.

基于以上考慮，本文綜合集成多種傳感器和測量手段，搭建了一套車輛軟地面通過性實(shí)車動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng).基于該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并進(jìn)行一系列實(shí)車試驗(yàn)，在驗(yàn)證系統(tǒng)有效性的同時(shí)來揭示實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)在車輛地面通過性理論研究中的潛力與價(jià)值，以期為輪壤模型的進(jìn)一步研究奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

1 動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)

根據(jù)輪壤相互作用模型的參數(shù)測量需求[10]，動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)以車輪力傳感器為核心，集成GPS、輪速傳感器、高清攝像機(jī)和便攜式土壤測試儀等設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.車輪力傳感器來測量輪壤相互作用中最為關(guān)鍵的3個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即掛鉤牽引力Dp、載荷W及驅(qū)動(dòng)扭矩T；GPS測量車速V；輪速傳感器采集車輪轉(zhuǎn)速ω，用于計(jì)算車輪滑轉(zhuǎn)率s；高清攝像機(jī)記錄輪壤相互作用情況，用于估計(jì)車輪的沉陷量；圓錐指數(shù)儀及含水率測試儀測量土壤圓錐指數(shù)CI和含水率MC，評估土壤綜合特性.多傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)同步采集后，經(jīng)過小波濾波的預(yù)處理，最后輸出并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖1 軟地面通過性動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)硬件配置

(1)車輪力傳感器

車輪力傳感器作為重要的汽車道路試驗(yàn)研究技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于車輛性能試驗(yàn)研究中.車輪力傳感器的詳細(xì)測量原理可參考文獻(xiàn)[11]，可測量車輪所受六維輪力，包括：縱向力Fx、側(cè)向力Fy、垂向力Fz和側(cè)傾力矩Mx、側(cè)向力矩My、回正力矩Mz.結(jié)合輪壤相互作用模型中力的定義可知[10]，六維輪力中的縱向力Fx即為輪壤相互作用中的掛鉤牽引力Dp，垂向力Fz為垂向載荷W，而側(cè)向力矩My為驅(qū)動(dòng)扭矩T.因此，車輪力傳感器可用于測量核心動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)Dp、W和T，表1給出了其測量精度.

表1 車輪力傳感器測量精度

(2)GPS和輪速傳感器

車輪滑轉(zhuǎn)率s是輪壤模型研究中一個(gè)關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)觀測量.研究表明掛鉤牽引力、扭矩、牽引效率等都和滑轉(zhuǎn)率密切相關(guān)[6].可利用車速和轉(zhuǎn)速估算滑轉(zhuǎn)率s，見式(1).運(yùn)用GPS測量車速V，GPS接收天線固定于車頂，接收機(jī)放在車內(nèi)與采集電腦相連接.使用輪速傳感器測量車輪轉(zhuǎn)速ω.

(1)

(3)視覺傳感器

采用類似研究者Reina提出的視覺估算方法來獲取車輪在松軟土壤中的沉陷量[12].高清攝像機(jī)對車輛行進(jìn)中車輪與軟地面的接觸情況進(jìn)行記錄.如圖2所示，帶有吸盤的支架將高清攝像機(jī)固定在車輪左側(cè)車身，車輪邊緣噴成白色以提高土壤和車輪的分辨效果.視覺方法對環(huán)境要求較高，也可采用如文獻(xiàn)[13]所提出的基于激光測距的車輪沉陷量測量方法，以提高沉陷量的估算精度.

(4)土壤參數(shù)測量設(shè)備

在場地試驗(yàn)中，需要對土壤狀況進(jìn)行綜合性評估.動(dòng)態(tài)測試采用兩款便攜式土壤測試儀：sc-900土壤緊實(shí)度儀和基于土壤導(dǎo)電率的含水率測試儀，實(shí)現(xiàn)對土壤圓錐指數(shù)和土壤含水率的快速測量.

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于硬件選型配置原因，視覺傳感器及土壤參數(shù)測量傳感器暫未接入上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而是獨(dú)立進(jìn)行采集，試驗(yàn)后手動(dòng)錄入采集系統(tǒng)軟件.因此，上位機(jī)采集系統(tǒng)主要是要對車輪力傳感器、輪速傳感器和GPS 3個(gè)傳感器信息進(jìn)行實(shí)時(shí)同步獲取.

采集系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)圖見圖2，主要包括系統(tǒng)配置、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)管理4個(gè)子功能模塊.系統(tǒng)配置模塊主要用于試驗(yàn)前對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行管理及進(jìn)行基本的系統(tǒng)設(shè)置；實(shí)時(shí)控制模塊主要用于對試驗(yàn)過程進(jìn)行控制，以完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程；實(shí)時(shí)顯示模塊提供友好的顯示界面，以便實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)及對試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控；數(shù)據(jù)管理模塊用于查詢以往數(shù)據(jù)文件，并提供數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析功能.采集系統(tǒng)軟件界面見圖3.

圖2 采集系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖3 上位機(jī)采集系統(tǒng)軟件界面

2 實(shí)車試驗(yàn)及分析

為檢驗(yàn)所提出動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的有效性及體現(xiàn)其在輪壤模型研究中具有的潛力，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列場地試驗(yàn).首先，鑒于硬地面上車輛的動(dòng)態(tài)性能研究已較為成熟，視為已知，可用于驗(yàn)證系統(tǒng)有效性；其次，根據(jù)硬地面測試結(jié)果對動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)微調(diào)，并選取水稻田進(jìn)行軟地面通過性試驗(yàn).輪壤模型研究中，要求得到盡可能大的滑轉(zhuǎn)率變化范圍及車速變化范圍，實(shí)車試驗(yàn)主要以直線加速制動(dòng)試驗(yàn)為主.

試驗(yàn)時(shí)使用了一輛5.2噸重的四驅(qū)越野汽車，并將動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車安裝.具體的試驗(yàn)步驟如下：

(1)試驗(yàn)前，使用便攜式圓錐指數(shù)儀和含水率測試儀對試驗(yàn)場地的土壤條件進(jìn)行測量與記錄，選取同一片場地中不同測試點(diǎn)進(jìn)行多次測量來減小測量誤差；

(2)打開各路傳感器，檢查并確認(rèn)各傳感器均處于正常工作狀態(tài)；

(3)駕駛車輛按設(shè)定試驗(yàn)路線進(jìn)行場地試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由集成采集系統(tǒng)獲取并保存；

(4)同一場地同一工況，進(jìn)行2至3次重復(fù)性試驗(yàn)，以避免由意外狀況引起數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤或丟失.

2.1 硬地面試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的有效性，在硬地面上進(jìn)行了最高速度分別為30 km/h、40 km/h、50 km/h的直線加速制動(dòng)試驗(yàn).圖4為一組最高通過速度40 km/h的直線加速制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)過程中，車輛從靜止?fàn)顟B(tài)加速至40 km/h，然后緊急制動(dòng)直至停止.圖4(a)為車輛掛鉤牽引力Dp和扭矩T的對比圖.曲線比較準(zhǔn)確地反映了車輛的整個(gè)行駛過程：在加速階段，Dp保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值范圍，提供車輛加速所需牽引力；當(dāng)剎車時(shí)，Dp快速地由正值下降至負(fù)值，對應(yīng)剎車及行駛阻力給輪胎的制動(dòng)力.由車輛動(dòng)力學(xué)可知，Dp是隨著T的輸入變化而變化，此過程中，Dp保持著與T相同的變化趨勢，符合車輛動(dòng)力學(xué)原理.圖4(b)為載荷與扭矩的對比情況.試驗(yàn)車輛自重5.2噸，分配到右前輪的重量大約為1.5噸.從曲線可以看出，加速過程中，W保持在15 kN附近；制動(dòng)的瞬間，W有較大幅度的增加，由緊急制動(dòng)引起的車體俯沖造成，數(shù)據(jù)來自右前輪，因此表現(xiàn)為數(shù)值上的突然增加.從T、Dp和W曲線后半部分均可看出，在緊急制動(dòng)過程之后，數(shù)據(jù)曲線有一個(gè)劇烈振蕩的過程，且幅度較大.這是由于車輛從40 km/h的速度緊急停止后，車輛巨大的慣性引起車身劇烈的前后俯仰所造成.圖4(c)是車輛行駛過程中車速和輪速的情況.在加速過程中，由于滑轉(zhuǎn)率的存在，車速的增長慢于輪速，在減速過程中，情況相反.圖4(d)為對應(yīng)的車輪滑轉(zhuǎn)率，加速過程中穩(wěn)定在0.1左右，減速過程中變?yōu)樨?fù)值.

硬地面試驗(yàn)分析表明，無論在數(shù)值還是變化趨勢上，試驗(yàn)曲線與實(shí)際試驗(yàn)過程表現(xiàn)均相一致.

圖4 硬地面直線加速制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 軟地面試驗(yàn)驗(yàn)證

在對動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行硬地面試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一系列軟地面通過性試驗(yàn)，旨在獲取有效的車輛軟地面行駛數(shù)據(jù)，以展示其在輪壤模型研究中的潛力.試驗(yàn)選取3種不同類型軟地面進(jìn)行了場地試驗(yàn)，分別為水稻田地、翻耕地和沙地.使用圓錐指數(shù)儀和含水率測試儀對土壤狀況進(jìn)行了快速測定，表2為3種軟地面不同深度下的土壤圓錐指數(shù)，對應(yīng)的含水率分別為39%、22%和17%.表3為測定的3種類型土壤樣本的物理參數(shù).

表2 軟地面土壤圓錐指數(shù)CI/kPa

表3 軟地面物理參數(shù)

圖5以水稻田為例顯示軟地面通過性測試結(jié)果.從圖5(a)可以看出，掛鉤牽引力Dp隨著扭矩T的變化而變化，有較好的跟隨效果.曲線充分反映了直線加速制動(dòng)的整個(gè)過程，與實(shí)際駕駛行為相符.圖5(b)為動(dòng)態(tài)載荷W變化與扭矩T比對圖.在剎車的瞬間，載荷W有較為明顯的增加，車輛停止后恢復(fù)靜態(tài)載荷狀態(tài).總體來看，軟地面

上呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化與硬地面相類似，但是在數(shù)值上體現(xiàn)出了明顯的區(qū)別.軟地面加速行駛過程中，相似的駕駛行為得到了較低的掛鉤牽引力Dp和扭矩T響應(yīng)，T為500 Nm左右，Dp約為800 N；而在硬地面加速過程中，T維持在1 500 Nm左右，Dp在2 500 N附近.在制動(dòng)過程中，軟地面上所能提供的制動(dòng)力與制動(dòng)扭矩T也有大幅度的降低，在硬地面上出現(xiàn)的制動(dòng)過程曲線振蕩并沒有出現(xiàn)在軟地面動(dòng)態(tài)響應(yīng)中，制動(dòng)力的降低減弱了緊急制動(dòng)效果，劇烈的車身晃動(dòng)效果有所削弱.以上分析表明，車輛在軟地面上的通過性能較硬地面有明顯降低.此外，滑轉(zhuǎn)率s的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也印證了這一點(diǎn).圖5(c)為軟地面試驗(yàn)中車速V與輪速ω響應(yīng)，對應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率s表現(xiàn)如圖5(d)所示.加速過程中，滑轉(zhuǎn)率s較硬地面上有顯著的提高，最高為0.9左右，而硬地面滑轉(zhuǎn)率s始終維持在0.1左右.滑轉(zhuǎn)率s的升高意味著車輛行駛效率的降低，同時(shí)也反映出車輛通過性能力的降低.加速過程中獲得了較寬滑轉(zhuǎn)率s范圍0-0.9，有利于輪壤模型的研究.

軟地面測試結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)在軟地面上同樣具有良好的測量表現(xiàn)，試驗(yàn)曲線較好地刻畫了整個(gè)測試過程，完成了對扭矩T、載荷W、掛鉤牽引力Dp和滑轉(zhuǎn)率s的實(shí)時(shí)采集.

圖5 水稻田通過性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，在幾種不同路面的試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)都具有良好的測試表現(xiàn)，可以準(zhǔn)確地測量車輛試驗(yàn)過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)，能夠正確再現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的連續(xù)變化過程，測試精度滿足研究需求，可以為越野車輛軟地面通過性研究奠定良好的試驗(yàn)基礎(chǔ).

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Dynamic Testing System for Soft-terrain Trafficabilityof Off-road Vehicle

ZHANG He-ming, WEI Jian, ZHAO Ming

(63969 Troops， Nanjing 210028,China)

Soft-terrain trafficability is very important for a military off-road vehicle. The existing experiments and the testing methods are relatively simple, without the function for hte dynamic measurement. The lack of the experimental data has become a major obstacle for studying the testing evaluation of the vehicle trafficability. In order to solve the problem, a dynamic testing system is proposed based on the wheel force sensors, in which a GPS, a high-definition camera and some portable soil sensors are equipped. The dynamic synchronization acquisition for the key parameters of the wheel-soil interaction can be realized in real time. The tests of the real vehicles are carried out on both a paving road and three kinds of soft terrains. The experimental data shows that the designed dynamic testing system is of stable and reliable performance for ground trafficability evaluation research of the military off-road vehicle.

soft-terrain trafficability; wheel force sensor; dynamic testing system;test evaluation

1009-4687(2016)04-0009-06

2016-7-6

張和明(1976-),男，碩士，高級工程師.

U467.4

A