汽车操纵稳定性道路试验和评价系统设计

北
汽车的操纵稳定性是影响汽车高速行驶安全性 态响应试验（转向盘转角阶跃输入）、转向瞬态响应
的主要因素，其由相互联系的操纵性和稳定性 2 部 分组成。操纵性是指汽车能快速准确地响应驾驶员
试验（转向盘转角脉冲输入）、转向回正性能试验、 转向轻便性试验和稳态回转试验。目前，国内车辆
京
转向指令的能力；稳定性是指汽车在受到扰动后能 恢复初始运动状态的能力[1]。随着道路的改善，现
进行数值计算，将采集结果实时展现于宽屏、高
亮度的彩色液晶屏上，具有很好的直观性。数采
系统通过 USB 串行端口将储存的试验数据传送到
图 2 汽车操纵稳定性后处理软件系统主界面
主控 PC 机，便可通过自主开发的汽车操纵稳定性
软件导入的数据文件格式是 excel，滤波操作
北
后处理分析程序快速地完成试验数据的处理和本 提供了曲线平滑、中值滤波、均值滤波、限幅滤
次操稳试验的打分。该汽车操纵稳定性后处理分 波和限幅均值滤波 5 个选择，曲线拟合可实现多
京
析程序是基于 Matlab GUI 开发的人机交互式软 项式 1～5 次拟合。根据 QC/T 480—1999 汽车操纵
件，代码近万行，具有独立的原创性。
稳定性指标限值与评价方法，评判打分实现了操
汽
3 操稳后处理软件系统开发
1.2 试验条件 试验开始前，应测定车轮定位参数，对转向系、
悬架系进行检查，并按规定进行调整、紧固和润滑。 样车若用新轮胎，轮胎至少应经过 200 km 正常行 驶的磨合；若用旧轮胎，试验终了，残留花纹高度 应不小于 1.5 mm。试验汽车为厂定最大总质量状态 （含驾驶员、试验员及测试仪器的质量）。乘员和装 载物的分布应符合 GB/T 12534 中 3.1.2、3.1.3 的规 定，轮胎气压应符合 GB/T 12534 中 3.2 的规定。试 验场地应为干燥、平坦且清洁的水泥或沥青路面， 任意方向的坡度不大于 2%。试验时风速应不大于 5 m/s，大气温度在 0～40℃之间。
前进车速，基于转向盘适配器实时获取车辆转向
盘的转角和作用转向盘的力矩。该平台实现了在
整车道路试验过程中实时接收、监控、存储和再
现汽车操纵稳定性各变量的信号，且均以差分模
拟物理量形式实时输入给可扩展的多通道平台数
据采集系统。HIOKI8430-21 型多通道数据采集系
统实时接收传感器输入的差分模拟物理信号，可
2 车辆横摆角速度/(°/s) 3 车身质心侧向加速度/(m/s2) 4 转向盘适配器转角/(°) 5 转向盘适配器力矩/(N⋅m)
6 车速/(km/h)
精度
量程
±0.2% ±0.2 ±0.04 ±0.4% ±0.5% ±0.01
-90～90 -50～50 0～1g -3 404～3 404 0～39.1 0～500
产品公告主要基于转向回正性能、转向轻便性和稳 态回转 3 项试验对车辆操稳性能进行评判，所以文
汽
代汽车趋于高速化，车流密集化，但驾驶员的驾驶 技能趋于非职业化，这对现代汽车的操纵稳定性提
中主要针对这 3 项操稳试验进行研究。 表 1 给出了 3 项试验的测量变量、评价指标以
车
出了更高的要求[2]。汽车的操纵稳定性已成为现代 及需要绘制的变量特性图，可见主要的测量变量是
残留横摆角速度 值（Δr） 横摆角速度总方 差（ET）
转向盘作用力矩（M） 转向盘转角（θ）
汽车前进速度（v）
转向盘作用力矩-转 向盘转角
转向盘平均作用 力（Fs） 转向盘最大作用 力（Fm）
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制和评价指标的自动化分析。
4.1 试验车辆
量数据通过图 1 中的各输出端口储存到平台的数
前文建立的汽车操纵稳定性试验软硬件平台， 据采集器中，再通过 USB 串行端口转存到 PC 机
实现了该试验数据的精确采集和快速处理。下面以 进行后处理。基于自主开发的后处理软件系统，
某款国产轿车为例，基于平台，具体分析该车操纵 该国产车在稳态回转、转向回正和转向轻便性中
2 操稳道路试验硬件平台建立
2.1 硬件组件 为实现表 1 中各操稳试验变量的同步精确采
集，建立了一套集成度高、可靠性强、接口模块化 的硬件试验系统，其逻辑原理图如图 1 所示。该道 路试验用汽车操纵稳定性集成测试评价平台包括 测量各试验变量的陀螺仪、转向盘适配器和 GPS 速度计，与多个车载传感器相连的实时接收车载传 感器所采集信息的数据采集系统，连接数据采集系 统对所采集的信息进行处理的主控 PC 机以及自主 开发的操稳自动评价软件。
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文章编号：1002-4581（2015）06-0037-05
汽车操纵稳定性道路试验和评价系统设计
郭润清 1，姜兆娟 2，高明秋 1
Guo Runqing1，Jiang Zhaojuan2，Gao Mingqiu1
（1. 中国汽车技术研究中心，天津 300300 2. 一汽丰田技术开发有限公司，天津 300457）
试验根据标准要求，稳态回转、转向回正中
次试验造成的时间、财力和人力等资源的浪费， 分别进行左转、右转 3 次试验，转向轻便性中试
提高了试验效率。
验车沿双纽线行驶 3 圈，车速保持在 10 km/h 左右。
4 操稳实例分析
陀螺仪、转向盘适配器和 GPS 速度计实时测量试 验中的侧倾角、横摆角速度、侧向加速度、转向 盘转角、转向盘作用力矩和前进车速，各变量测
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a. 单项目打分界面
b. 整车综合打分界面
图 3 汽车操纵稳定性评判打分界面
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通过该后处理软件，检测人员可以在第一时 4.2 试验后处理结果
间客观地获得试验车辆的操稳性能评判，从而实 4.2.1 操稳特性图
现对操稳试验和试验车辆的快速响应，避免了二
转向盘 直径/mm
采样 周期/s
转弯 半径/m
的侧向加速度达到 6.5 m/s2”的要求，试验中车厢
输入下对汽车的动力性、主动安全性、平顺性和 稳试验计算机评价软件，实现相关变量特性图的绘
通过性等性能的不解体实车测试[5]。汽车的操纵稳
表 1 操稳试验测量变量和评价指标要求
定性能是由整车多系统的性能和相互匹配程度决 定的，如转向系、制动系、悬架和轮胎等[1]，其道
操稳 项目
测量变量
变量特性图
评价指标
6
陀螺仪侧倾角信号输出端口
可
北
1
陀螺仪
陀螺仪横摆角速度信号输出端口
扩
张
陀螺仪侧向加速度信号输出端口
多
京 4
通 USB 串行端口 道
数
汽
2 转向盘适配器
放大器 1
转向盘转角信号输出端口
据
5
采
PC 机
后处理软件
车
放大器 2
转向盘力矩信号输出端口
集
系
统
7
8
Matlab GUI
3
GPS 速度计
前进车速信号输出端口
稳各项目的单项打分和整车操稳性能的综合打
分，两者的界面如图 3。
车
Matlab GUI 即 Matlab 图形用户界面编程，是 在图形界面下创建显示与用户交互的组建元素， 用户可以通过鼠标、键盘等操作实现组件的特定 功能，程序会直观显示运行结果[6]。操稳试验采集 的各变量数据较庞大，针对这一特点，基于 Matlab GUI 开发了交互式的操稳试验后处理系统，实现 了试验数据的快速准确处理和试验车辆操稳性能 评判。
汽车侧向加速度（ay） 汽车横摆角速度（r） 汽车前进车速（v）
侧倾角-侧向加速度 转向半径比-侧向加 速度 前后轴偏角差-侧向 加速度
中性转向点侧向
加速度（an） 不足转向度（U） 车厢侧倾度（KΦ）
转向 回正
转向 轻便 性
汽车前进速度（v） 横摆角速度（r） 侧向加速度（ay）
横摆角速度-时间 转向盘转角-时间
稳定性能。试验在通县交通部试验场进行，该车的 某次试验数据处理结果如图 4，图中浅色曲线为 3
试验信息和操稳相关参数见表 3。
次拟合曲线。
表 3 某款国产车操稳试验相关参数
可以看出，在稳态回转试验中，车辆侧向加
速度达到 7.0 m/s2，满足 GB/T 6323 中“直至汽车
最大总 质量/kg
最高车 速/(km/h)
关键词：汽车；操纵稳定性；道路试验；Matlab GUI
中图分类号：U467.1+1
文献标志码：A
DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2015.01.012
0引言
据是 GB/T 6323—1994 和 QC/T 480—1999，标准推
荐了 6 项操稳试验项目，分别是蛇行试验、转向瞬
该软件主界面如图 2 所示，主要由绘图区、试验 信息区和向导式操作区 3 部分组成。绘图区显示程序 处理完获得的稳态回转的转弯半径比、前后轴侧偏角 差值和车厢侧倾角 3 个重要特性图，转向回正的转向 盘转角时间里程曲线和横摆角速度时间里程曲线，以 及转向轻便性的转向盘转角-转向盘力矩关系曲线。 试验信息区则提供了试验信息输入的窗口，试验信息 主要包括变量采集周期、转弯半径、试验车辆的转向 盘直径、轴距、车型、最大总质量和最高车速等，它 们是试验数据处理和操稳性能评判的已知量，检测员
摘 要：汽车的操纵稳定性（操稳）直接影响汽车的主动安全，针对整车道路试验建立操稳试验测试平台，解决
了各操稳试验变量物理信号的实时采集和储存，基于 Matlab GUI 开发操稳试验后处理软件，实现了操稳数据的自动化分 析和打分。利用测试和评价系统，完成某款国产轿车操稳性能的道路测试和评价，验证了测试系统和后处理软件的实用 性。
路试验测试及试验数据处理是较大的难点。 文中建立了集成度高、可靠性强、数据采集
同步、接口模块化的操稳道路测试系统和开发了 交互式的后处理软件，实现了操稳道路试验变量 的精确采集和试验数据的自动化处理。
1 操稳道路试验要求
1.1 试验项目及测量变量 现行国内汽车操纵稳定性道路试验和评价的依
稳态 回转
车身侧倾角（Φ）
2.2 各组件功能
消除试验仪器的影响，提高试验精度。操作区是向导
该测试评价平台，基于陀螺仪实时获取整车 式的，符合人们的思维习惯。操作区自上而下主要由
试验中的车身侧倾角、横摆角速度和侧向加速度， 操稳项目选择，数据导入、处理，滤波绘图，曲线拟
基于 GPS 速度传感器实时获取操稳试验中整车的 合和评判打分 5 部分组成。
转角和力矩微电压信号进行放大，然后传送到数 采系统。后处理分析程序则实现了人机交互，自 动处理数据采集系统储存的操稳试验数据，依据 QC/T 480—1999 标准对试验车辆的操纵稳定性能 进行评价打分。安装有自主开发的后处理软件的
表 2 数采系统各通道所代表的物理量信号
通道序号
物理信号
1 车身重心侧倾角/(°)
汽车性能的重要评价指标，所以，被称为“高速汽 车身侧倾角、车辆侧向加速度、车辆横摆角速度、
车生命线”的汽车操纵稳定性的研究日益受到重视， 车辆前进车速、转向盘作用力矩和转向盘转角。基
成为现代汽车的研究重点[3，4]。
于表 1 要求，设计操稳试验测试硬件系统，实现上
汽车道路试验是在规则路面输入和典型驾驶 述各操稳试验变量的快速精确采集，并自主开发操
图 1 汽车操纵稳定性集成测试评价平台原理图
其中，陀螺仪采用的是 WATห้องสมุดไป่ตู้ON 的 MEMS 等级的 DMS-SGP01 陀螺仪，该陀螺仪体积尺寸 小，其三轴向传感器装置配备串行接口并通过串 行接口发送所有试验数据到数据采集系统。该数 据采集系统为 HIOKI8430-21 型可扩展多通道数 据采集系统，其所有通道为 10 ms 扫描方式高速 采样率，数据可直接存储至 CF 卡并通过 USB 接 口与主控 PC 机连接，其各通道采集的操稳试验物 理量信号如表 2。转向盘适配器使用的是 KYOWA 的 SFA-B-10035 转向盘转角和转向力矩传感器， 其采样精度和范围均能满足试验要求。车辆前进 车速通过 GPS YT-100 速度计获得，采样车速精度 达 0.01 km/h，采样周期能到达 10 ms。信号放大 器是 KYOWA 的 WGA-670B，将转向盘适配器的
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《北京汽车》2015.No.1
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PC 主机为一款平板电脑，其可以通过 USB 接收 必须根据实际情况填写。同时，试验信息区会显示试
数采的试验数据，现场进行数据后处理分析。
验中各测量变量在试验车辆静止或直线行驶时的初
始值，程序处理时将从试验数据中去除这些初始值，