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汽車試驗(yàn)中車速信號(hào)的測量方法

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福建工程學(xué)院機(jī)電及自動(dòng)化工程系

介紹了汽車試驗(yàn)中常見的幾種車速測量方法，比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并對當(dāng)今較為先進(jìn)GPS測量車速方法的工作原理做了較詳細(xì)的介紹。

車速測量；GPS；第五輪儀

車速信號(hào)是汽車制造廠家、科研院所和高校進(jìn)行汽車性能檢測、道路試驗(yàn)及科學(xué)研究時(shí)常測量的重要參數(shù)之一。它與車輪力(力矩) 、踏板力、車輪轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)角)等參數(shù)相結(jié)合，對汽車整車動(dòng)態(tài)性能的分析、制動(dòng)系統(tǒng)的性能匹配等有著重要的意義和應(yīng)用價(jià)值[1]。

1 傳統(tǒng)測速方法

目前，在汽車試驗(yàn)上采用的速度測量系統(tǒng)主要分為第五輪儀和相對式光電編碼器。

第五輪儀有兩種：一種是常規(guī)的接觸式第五輪儀，它的測距傳感器由外周長設(shè)定的測量輪(第五輪) 和電脈沖發(fā)生器兩部分組成。測量輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，脈沖發(fā)生器就產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)，這個(gè)角度大小與測量輪的滾動(dòng)周長相對應(yīng)，保證測量輪每行駛一定距離(一般為0. 01 m)，脈沖發(fā)生器就輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。計(jì)算機(jī)對這些脈沖進(jìn)行計(jì)算，得到距離值。儀器內(nèi)部高精度的晶振通過分頻電路得到基本時(shí)間脈沖信號(hào)，對這些時(shí)間脈沖的采樣、計(jì)數(shù)就是第五輪儀的時(shí)基。接觸式第五輪儀給出的速度量是儀器計(jì)算系統(tǒng)對上述兩種脈沖同步采樣、計(jì)算得到的計(jì)算量。如圖1所示。

圖1 接觸式第五輪儀

另一種是光電式非接觸式第五輪儀，利用光學(xué)原理測量出車輛與地面的相對移動(dòng)距離信號(hào)。車輛行駛時(shí)，非接觸式第五輪儀光源發(fā)出的光垂直照射地面，空間濾光片傳感器接受地面反射來的光信號(hào)，把其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸送到主機(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理，得到速度電壓模擬量輸入車輛數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。由車輛數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)把速度電壓模擬量轉(zhuǎn)換為速度電壓數(shù)字量，并把結(jié)果保存為二進(jìn)制文件。如圖2所示。

圖2 非接觸式第五輪儀

光電式編碼器使用測周法或測頻法，通過測量相連脈沖的間隔時(shí)間或單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換算出車速，但路況和安裝不當(dāng)會(huì)使編碼器在行使過程中產(chǎn)生抖動(dòng)，影響測量精度。

2 GPS-RTK測速方法

2.1 GPS簡介

GPS全稱為全球定位系統(tǒng)(global positioning system)，是美國國防部自20世紀(jì)60年代起花了20年時(shí)間、耗費(fèi)100億美元研制開發(fā)成功的，它利用人造衛(wèi)星跟蹤、監(jiān)控既定目標(biāo)，從而達(dá)到及時(shí)防御、救援的目的。該系統(tǒng)最初僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代以來，隨著技術(shù)的不斷成熟，GPS先在民航飛機(jī)、遠(yuǎn)航輪船等領(lǐng)域得到廣泛使用，繼而深入到國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的各個(gè)方面。GPS是一個(gè)基于衛(wèi)星的導(dǎo)航、定位及計(jì)時(shí)的系統(tǒng)。接受器通過（GPS）衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)計(jì)算二維（經(jīng)度、緯度）或三維（經(jīng)度、緯度、高度）位置。在軍事領(lǐng)域中，GPS單獨(dú)使用時(shí)其圓周率精度約12 m，當(dāng)基站與一起使用時(shí)，差分GPS的精度可提高到2 m～5 m。民用GPS采用CA碼，在引入人為選擇可用性SA誤差后精度約為100 m，差分GPS可將精度提高到約10 m[3]。近年來，隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的快速發(fā)展，RTK（Real Time Kinematics）測量技術(shù)也日益成熟，RTK測量技術(shù)因其精度高、實(shí)時(shí)性和高效性，使得其在工程中的應(yīng)用越來越廣。比如NovAtel公司最新推出的第三代GPS 接收機(jī)作為基準(zhǔn)站和移動(dòng)站接收機(jī)，它是一種高精度GPS 接收機(jī)，在RTK 差分模式下，定位精度可達(dá)到0.01 m，速度精度為0.03 m/s[5]。GPS -700 天線采用了NovAtel的風(fēng)火輪技術(shù)( Pinwheel)，是目前世界上唯一不需要外置扼流圈的零相位中心天線，能在惡劣自然環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度定位。

3.2 GPS相對定位原理

GPS 相對定位是通過使用高性能的衛(wèi)星接收器，利用位置已知的衛(wèi)星( ≥4 個(gè)) 的坐標(biāo)來確定一個(gè)被測目標(biāo)的坐標(biāo)()，通過地面接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)來的星歷參量和導(dǎo)航電文，根據(jù)衛(wèi)星所發(fā)射的無線電波信號(hào)的傳播延時(shí)，可以測定衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間⊿，利用高等解析幾何來構(gòu)造模型，建立三維位置量和一個(gè)時(shí)間量的方程，測量各衛(wèi)星與目標(biāo)位置的距離，利用這些計(jì)算結(jié)果，接受器通過三角定位求出衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離，進(jìn)而可確定接收器在地面上的位置[2]。如圖3所示，假設(shè)時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下4個(gè)方程式：

圖3 GPS 相對定位原理圖

式中為待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。

xyz(=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3衛(wèi)4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。Vt(=12、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。o為接收機(jī)的鐘差。

d=△t(=1、2、3、4)。

d(=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。

△t(=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。

為GPS信號(hào)的傳播速度（即光速）。

由以上4個(gè)方程即可解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)和接收機(jī)的鐘差o。

2.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）定位技術(shù)

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RTK) 定位技術(shù)是GPS 測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合，是GPS 測量技術(shù)中的一個(gè)新突破。RTK定位是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS 測量技術(shù)，其基本思想是：兩臺(tái)GPS接收機(jī)一臺(tái)設(shè)為靜態(tài)基準(zhǔn)站，一臺(tái)設(shè)為動(dòng)態(tài)移動(dòng)站（用戶觀測站），在基準(zhǔn)站上GPS 接收機(jī)，對所有可見GPS 衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給動(dòng)態(tài)移動(dòng)站（用戶觀測站）。在用戶站上，GPS 接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位原理，在系統(tǒng)內(nèi)將這些信號(hào)合成為差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)地解算整周模糊度未知數(shù)并計(jì)算顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。此方法可以消除多項(xiàng)測量誤差，從而得到較為精確的動(dòng)態(tài)待測點(diǎn)位置信息，實(shí)時(shí)給出精度達(dá)厘米級(jí)的點(diǎn)定位坐標(biāo)[6]。隨著美國對民用衛(wèi)星定位精度的進(jìn)一步放開及RTK 技術(shù)的不斷發(fā)展， GPS 測量精度越來越高，使得用來獲取高精度汽車狀態(tài)信息成為可能[5-6]。

2.4 測速方法

GPS-RTK動(dòng)態(tài)相對定位是將一臺(tái)GPS 接收機(jī)架設(shè)在固定的參考點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，另一臺(tái)GPS 接收機(jī)(移動(dòng)站) 架設(shè)在被測目標(biāo)上，兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測相同的衛(wèi)星，以確定被測目標(biāo)相對參考點(diǎn)的位置。實(shí)地測定車速時(shí)，將GPS 基準(zhǔn)站架設(shè)在無遮蔽的高地上，把移動(dòng)站架設(shè)在實(shí)驗(yàn)車上，就可以測得目標(biāo)車的運(yùn)動(dòng)速度。GPS 采集車速可以分為跟車法和實(shí)驗(yàn)車法。這兩種方法都是用安裝在實(shí)驗(yàn)車頂部的GPS 移動(dòng)站，記錄車輛行駛過程中衛(wèi)星的原始星歷文件，與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)相參照解算出實(shí)驗(yàn)車的行駛軌跡，從而求解車速。二者的差別在于，跟車法是在選定路段上駕駛實(shí)驗(yàn)車對符合觀測標(biāo)準(zhǔn)的車輛進(jìn)行跟蹤測量，GPS 移動(dòng)站所記錄的數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)車的動(dòng)態(tài)位置[4]。由于實(shí)驗(yàn)車是在跟蹤前方被測車輛，所以數(shù)據(jù)能間接反應(yīng)被測車輛的行駛狀態(tài);實(shí)驗(yàn)車法是選定若干名駕駛員，由這些駕駛員分別駕駛實(shí)驗(yàn)車在選定路段上以自己習(xí)慣的方式自由駕車，故移動(dòng)站記錄的數(shù)據(jù)即為被測車輛(也即是實(shí)驗(yàn)車本身) 的真實(shí)值。

GPS 的定位精度受多種因素的限制，主要因素是電離層的天氣狀況造成的信號(hào)延遲及從附近建筑物和地面反射造成的延遲。在手持式娛樂用GPS 接收器中，速度每秒鐘測量一次，通過現(xiàn)在的位置值減去之前的位置值來計(jì)算。這種計(jì)算方法受以上誤差的影響，結(jié)果不適合于需要高精度的數(shù)據(jù)分析。目前，比較先進(jìn)的GPS 定位測量系統(tǒng)使用多普勒變換轉(zhuǎn)換從每顆衛(wèi)星來的載波信號(hào)，一個(gè)雷達(dá)槍用來計(jì)算速度[2]。這樣，載波頻率就不會(huì)受到電離層和反射的影響，最終速度的精度能達(dá)到1 cm/ s，這種技術(shù)使GPS 成為測量移動(dòng)車輛速度精度最高的方法之一。

在測試中，只要汽車所在位置的坐標(biāo)值能準(zhǔn)確確定，即汽車行駛軌跡中每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值確定了，那么包括速度、加速度、制動(dòng)距離、里程以及與汽車行駛有關(guān)的其它狀態(tài)信息也就隨之確定[5]。

4 幾種測速方法的比較

車速測量系統(tǒng)的好壞主要取決于其測量精度和不同路面的適用性。

接觸式第五輪儀價(jià)格較低，在低、中速范圍尚能滿足一般測試需要，其缺點(diǎn)是輪圈直徑有誤差。另外，在速度較高時(shí)，路面稍許不平會(huì)出現(xiàn)一定的跳躍現(xiàn)象，因?yàn)檐囕v顛簸造成的“卷起”使第五輪滾回去然后停下來，使測量時(shí)間比其他傳感器記錄的長一些，從而帶來測量誤差。如果路面不平度增大，其誤差會(huì)變得更大。此外，第五輪儀需要支架固定，安裝非常不便?，F(xiàn)在不多使用。

光電式非接觸式第五輪儀價(jià)格比接觸式第五輪儀高一些，但精度也有明顯提高。但在潮濕的低附著系數(shù)路面上測量時(shí)非常容易出現(xiàn)信號(hào)丟失現(xiàn)象，這是由于光電式非接觸第五輪儀是靠內(nèi)部的空間濾光片傳感器接受地面反射來的光來進(jìn)行信號(hào)采集，而濕的低附著系數(shù)路面無法實(shí)現(xiàn)光線的良好反射，導(dǎo)致信號(hào)丟失、儀器失效。

GPS車速測試系統(tǒng)，體積小，攜帶、安裝方便，而且安裝后即可進(jìn)行工作，不需要進(jìn)行繁雜的調(diào)試，測量不受路面情況限制，但價(jià)格昂貴。另外，由于是靠衛(wèi)星來定位，可以進(jìn)行側(cè)向、垂向運(yùn)動(dòng)和空間位置的測量，這是其顯著優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是當(dāng)車輛穿行在城市高樓區(qū)、立交橋、林蔭道和隧道等處時(shí)，常出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)遮擋問題，隨著GPS 定位技術(shù)的不斷提高、通信衛(wèi)星的免費(fèi)使用，加上數(shù)據(jù)采集的方便性，該類測試系統(tǒng)逐漸成為車輛性能測試的主要設(shè)備[2]。

[1] 陸晶晶, 等. 基于GPS和加速度計(jì)的車速測量系統(tǒng)的開發(fā)與研制[J]. 測控技術(shù), 2007, 26(8).

[2] 張利鵬,等. 幾種車速測量裝置的工作原理與性能比較[J]. 公路與汽運(yùn), 2008(2).

[3] 徐哲, 等. GPS在汽車運(yùn)輸中的應(yīng)用[J]. 交通企業(yè)管理, 2006(8).

[4] 黃天. GPS 在車速采集中的應(yīng)用方法[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2005 , 18(1).

[5] 楊春生, 等. 基于RTK-GPS的汽車行駛記錄儀檢測系統(tǒng)[J].汽車技術(shù), 2007(10).

[6] 楊春生, 等. 基于GPS -RTK 技術(shù)的汽車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版.

The Measurement Method of Vehicle Speed in Vehicle Testing

Dai Cungong

（Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China）

The common measurement methods of vehicle speed in the vehicle testing were introduced. The advantages and disadvantages of the measurement methods were compared. The modern speed measurement method based on global positioning system (GPS) was focused.

vehicle speed measurement; global positioning system (GPS)；the fifth wheel

福建省教育廳項(xiàng)目（JA08166），福建省科技平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（2008J1002）。