顧彤彤 佘冬翠

摘要：對(duì)數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場試驗(yàn)復(fù)雜耗時(shí)的難題，提出基于虛擬試驗(yàn)技術(shù)的汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真實(shí)試驗(yàn)方案。探究基于LabVIEW汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)的精確性，依據(jù)國標(biāo)GB/T6323-2014仿真分析汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。結(jié)果表明，仿真試驗(yàn)結(jié)果與測試圖形結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的可靠性?；谏鲜鲂阅茉囼?yàn)，得到符合國標(biāo)的汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法，為研究汽車操縱穩(wěn)定性的回轉(zhuǎn)特性提供了一種仿真試驗(yàn)的方法。

Abstract： Aiming at the difficult problem of numerical calculation and field test， a real test method for steady state rotation of automobile based on virtual test technology is presented. Based on LabVIEW， the design scheme of the vehicle steady state rolation test system is explored， the accuracy of the vehicle stability test system is verified. The automobile steady state rotation test according to the national standard GB/T6323-2014 is analyzed. The results show that the simulation results are basically consistent with the test results， so as to verify the reliability of the test system. Based on the above performance test， the experimental method of steady state rotation is obtained， which provides a simulation test method for studying the rotation characteristics of the vehicle's handling stability.

關(guān)鍵詞：汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn);測試系統(tǒng);LabVIEW;系統(tǒng)可靠性

Key words： car steady rotation;test system;LabVIEW;system reliability

0? 引言

本課題是研制出一款基于LabVIEW的汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的軟件。由于操縱穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)測試結(jié)果處理過程復(fù)雜，僅靠人工現(xiàn)有通用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不就耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而且很難使處理結(jié)果規(guī)范統(tǒng)一[1]。數(shù)據(jù)處理很大程度上加重了試驗(yàn)人員的負(fù)擔(dān)，所以才會(huì)開發(fā)專門的軟件用來對(duì)操縱穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以此獲得符合測試報(bào)告所需要規(guī)范的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

1? 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)概述

1.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的檢測原理

汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)需要檢測和評(píng)估的參數(shù)包括：不足轉(zhuǎn)向度、中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度及車身側(cè)傾度[2]等，并基于這三個(gè)參數(shù)全面評(píng)價(jià)汽車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性[3]。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6323-2014，規(guī)定了固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角連續(xù)加速的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法[4]：在符合實(shí)驗(yàn)要求的場地上，被測汽車按左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩個(gè)方向，每個(gè)方向測三次，記錄仿真過程中整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，整車行駛速度和方向盤輸入信號(hào)的時(shí)間歷程曲線，側(cè)向加速度、橫擺角速度和車身側(cè)傾角的時(shí)間歷程曲線。根據(jù)公式（1）和公式（2），在仿真過程中，還需要進(jìn)一步計(jì)算和分析，轉(zhuǎn)彎半徑比、車身側(cè)傾角、汽車前后軸側(cè)偏角差和側(cè)向加速度在不同時(shí)刻的關(guān)系曲線。

式中：

Rk為第k點(diǎn)轉(zhuǎn)彎半徑，m;

Vk為第k點(diǎn)車速瞬時(shí)值，m/s;

rk為第k點(diǎn)橫擺角速度瞬時(shí)值，（°）/s;

σ1為前軸側(cè)偏角，（°）;

σ2為后軸側(cè)偏角，（°）;

L為汽車軸距，m。

在LabVIEW中程序框圖中，它先后讀入、轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，提取所需的數(shù)據(jù)，最后依根據(jù)數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了處理后數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

1.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)文獻(xiàn)[3]的定義和要求[5]，中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度an，是指側(cè)向加速度和前后軸側(cè)偏角差關(guān)系曲線上，斜率為零處的側(cè)向加速度;不足轉(zhuǎn)向度U即為前后軸側(cè)偏角差與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上，側(cè)向加速度值為2m/s2處的平均斜率（通過將縱坐標(biāo)值除以橫坐標(biāo)值來計(jì)算）[8];車身側(cè)傾度K？覫是指在車身側(cè)傾度與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上，側(cè)向加速度為2m/s2處的平均斜率（通過縱坐標(biāo)值除以橫坐標(biāo)值來計(jì)算）[7]。在側(cè)向加速度an值、不足轉(zhuǎn)向度U值、車身側(cè)傾度K？覫值確定后，分別計(jì)算出an的評(píng)價(jià)計(jì)分值Na、U的評(píng)價(jià)計(jì)分值Nu、K？覫的評(píng)價(jià)計(jì)分值N？覫，最后將這三個(gè)計(jì)分值取平均值，以獲得穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值Nw。

2? 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)的一般流程

LabVIEW軟件上機(jī)位軟件設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

根據(jù)操作順序，程序主要流程可分為以下三個(gè)部分[6]：①通訊參數(shù)配置部分。在這一部分中，首先選擇要測試的項(xiàng)目，然后需要完成用于串口通訊的參數(shù)設(shè)置;②數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)部分。從系統(tǒng)接收從串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)通訊協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，匹配正確后進(jìn)行解碼和存儲(chǔ);③數(shù)據(jù)處理部分。選擇存儲(chǔ)的文件并讀取有效數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算和評(píng)估車輛性能，最后形成評(píng)分報(bào)告[7]。

2.2 基于LabVIEW數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)及分析

2.2.1 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

利用Lab VIEW操作平臺(tái)，對(duì)已知參量時(shí)間（t）、角速度（ω）、車身側(cè)傾度（fi）、汽車前進(jìn)車速（v），通過公式（3）、（4）及（5）的轉(zhuǎn)換。

其中：R為汽車轉(zhuǎn)彎半徑;

R0為汽車初始半徑，本文取0.94m;

ay為汽車側(cè)向加速度;

Ф為汽車前后軸側(cè)偏角差;

L是汽車軸距，本文取3m。

編寫出基于轉(zhuǎn)彎半徑、側(cè)向加速度、前后軸側(cè)偏角的程序框圖如圖2所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理軟件分析

完成測試過程后，考慮到良好的人機(jī)交互性，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理的部分，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，使用路徑選擇函數(shù)的功能，用戶自由選擇要處理的測試數(shù)據(jù)，并計(jì)算出測試結(jié)果。

使用Lab VIEW平臺(tái)下的Read Test VI，選擇要處理的測試數(shù)據(jù)。讀取所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)存儲(chǔ)協(xié)議，提取測試項(xiàng)目并計(jì)算所需的測試數(shù)據(jù)的相應(yīng)列，數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理要以汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)極限值和評(píng)估方法為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[8]。

因?yàn)楣饫w陀螺儀的輸出是脈沖輸出，所以測量角速度時(shí)會(huì)有很大的噪聲。噪聲是一個(gè)隨機(jī)誤差，其平均值為零，它是疊加在正常輸出上的，其量級(jí)約為1.5°/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光纖陀螺儀精度0.5°/h的量級(jí)。因此，對(duì)于采集到的角速度，在數(shù)據(jù)處理過程中，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行1s的窗口平滑平均處理，以消除隨機(jī)噪聲的影響[9]。在計(jì)算車輛轉(zhuǎn)彎半徑的過程中，有必要對(duì)車輛前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向角速度進(jìn)行三次插值樣條擬合，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，依據(jù)上式計(jì)算仿真過程中各點(diǎn)的轉(zhuǎn)向半徑，得到的汽車轉(zhuǎn)向半徑與側(cè)向加速度的曲線[10]。

處理過的數(shù)據(jù)可以以LabVIEW的讀取表的形式進(jìn)行讀取，輸出的曲線分別為圖3、圖4、圖5所示。

2.2.3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的評(píng)價(jià)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的定義和要求，側(cè)向加速度越大，表明在轉(zhuǎn)向過程中，汽車的操縱穩(wěn)定性越好，轉(zhuǎn)向翻車的可能性也就越小;側(cè)向加速度值越小，表明汽車出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向就過快，從而導(dǎo)致翻車。車身側(cè)傾度越大，汽車的安全性就越差，側(cè)傾值過大，將直接導(dǎo)致汽車失去控制。盡管汽車都具有不足轉(zhuǎn)向的特性，但不足轉(zhuǎn)向特性并不是越大越好，因?yàn)椴蛔戕D(zhuǎn)向越大，轉(zhuǎn)向側(cè)向力越弱，這不利于汽車的操縱性;如果較小，則汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)更早的進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，操縱穩(wěn)定性好的汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性[11]。

上述結(jié)果可知，圖3為轉(zhuǎn)向半徑與側(cè)向加速度曲線，由圖可以看出，此車為中性轉(zhuǎn)向汽車，轉(zhuǎn)向半徑始終大于R0，中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度值的評(píng)價(jià)計(jì)分值為100[7]。

圖4為車身側(cè)傾度與側(cè)向加速度曲線，可知，當(dāng)側(cè)向加速度an值為2m/s2時(shí)，所以不足轉(zhuǎn)向度U為0.42/[（°）/（m/s2）]。

圖5為前后軸偏角差與側(cè)向加速度曲線，可知，當(dāng)側(cè)向加速度an值為2m/s2時(shí)，車身側(cè)傾度K？覫為0.48/[（°）/（m/s2）]。

表1描述了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的質(zhì)量，得分值越高，表明該項(xiàng)目越好;得分值越低，表明該項(xiàng)目越糟糕。從表中分析可以得出：不足轉(zhuǎn)向度U指數(shù)和車身側(cè)傾度指數(shù)不高，并且偏離了理想值，因此可以有針對(duì)性地調(diào)整參數(shù)使其接近理想值，從而提高汽車的操縱穩(wěn)定性。

3? 結(jié)論

使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，處理數(shù)據(jù)過程中的工作量將會(huì)被極大的降低，同時(shí)可以將大量的手工圖轉(zhuǎn)換為基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)來繪制工程圖以提高效率，使得到的圖線更加的精準(zhǔn)。

經(jīng)過計(jì)算和分析中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度、不足轉(zhuǎn)向度U以及車身側(cè)傾度三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值，表明了該試驗(yàn)車輛具有不足轉(zhuǎn)向特性。

該研究為將來的數(shù)據(jù)處理分析提供了一定的借鑒作用，并為調(diào)整參數(shù)以提高汽車操縱穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

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