汽车操纵稳定性道路试验测试方法研究

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。

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：

⎪⎩

⎪⎨⎧++=++=⎰⎰t c c c t c c c dt v y y dt v x x 0000)sin()cos(ϕβϕβ 其中，c x 、c y ———质心在地面固定坐标系中的坐标 传感器 数据 采集器 过程监控/数据记录/离

线分析

0c x 、0c y ———轨迹起始点坐标

c v ———车速,汽车质心处速度矢量在地平面上的投影

t ———有效试验时间

由上式可以看出,轨迹测量最终归结为车速c v 、质心侧偏角β和汽车方位角ψ的测量问题,而车速c v 和质心侧偏角β的测量可具体为汽车纵向速度cx v 和侧向速度cy v 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ϕ。汽车纵向速度cx v 和侧向速度cy v 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ϕ,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 Ⅲ、1台Vector Crescent 、1台便携式计算机和电源等组成。VBOX Ⅲ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0·1 km/h[7]。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︒10.0(σ

1)。

测试系统框架图

测试系统中的2台VBOX Ⅲ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Dopple r 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φf 、φr 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。

θ为基线与G G x o 轴的

夹角, β为汽车质心侧偏角，其定义为

)1(f ϕυβ-=

式中，υ———汽车纵轴线与正北方向的夹角

)2(2θπυ-=

通过GPS 测量得到A 、B 处的位置(A x ，A y )、

(B x ，B y ) ，则

B

A B A x x y y x y --=∆∆=arctan arctan θ 对式(2)直接计算得到的υ值进行修正，即

)

2()

2(πυϕπυυπυϕυυ≥-+=≤-=f f