汽車道路試驗速度計比較與分析

隨著國內(nèi)汽車標(biāo)準(zhǔn)體系的日益細(xì)化及完善，國內(nèi)量產(chǎn)車型品質(zhì)提升的同時也對檢測機構(gòu)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的檢測要求。汽車整車動態(tài)性能的檢測要求，亟需高性能尤其具有高度靈活性的速度計以適應(yīng)多變的道路試驗要求。為此，研究單位及檢測機構(gòu)先后開發(fā)了不同于傳統(tǒng)的車速測量儀器。目前較常用的有從原始的接觸式速度計即采用開關(guān)－時間－距離法、第五輪法方法的速度計，到光學(xué)式、紅外線式、微波式、及運用GPS原理的各種不同的非接觸式速度計，用來作為汽車路試中，測量標(biāo)準(zhǔn)距離和時間以求得速度數(shù)據(jù)的車輛工具。

在檢測試驗過程中，各類速度傳感器都有各自的特點和適用場合，下面做一比較分析。

開關(guān)－速度測速法

開關(guān)－速度測速法也稱壓帶測速法。用兩個開關(guān)(壓帶觸發(fā))平置于路面，計算車輛經(jīng)過兩個開關(guān)的時間，再計算出通過的平均速度。這種方法安裝較繁瑣，只適用于檢測大批量車輛最高車速及校核車速里程表的試驗。

五輪儀測速法

即在車后裝上一個第五輪在路面上滾動，感應(yīng)輪具有編碼器，依此來感應(yīng)車身速度及距離，如圖所示。五輪儀有兩種類型，一種是機械式，它由傳動機構(gòu)、機械記錄機構(gòu)、時間信號發(fā)生器(機械式電時鐘機構(gòu))等部分組成，測量誤差大，安裝也不方便，現(xiàn)已被淘汰。另一種是電子式，其中又分金屬膜紙帶記錄式和數(shù)字顯示式兩種。這種五輪儀的特點是測量數(shù)據(jù)的處理簡便直觀，與機械式相比試驗準(zhǔn)度較高，使用較方便。五輪儀的電子裝置原理如圖所示。但由于五輪儀本身是接觸地面進(jìn)行測量的，高速時第五輪的滑動、跳動和輪胎氣壓的變化都會產(chǎn)生誤差，因此五輪儀已經(jīng)無法滿足當(dāng)前高標(biāo)準(zhǔn)的檢測要求。

光電式測速法

光電式測速法是目前普遍運用的測試方法，也是國際上通用的方法。它是利用一個單向或雙向式的光柵，透過1—2個燈泡，打在路面上，反射光回光柵，造成明暗效果，以此產(chǎn)生距離脈沖信號V=△D／△t，它的可靠度及靈敏度一直是用戶最信賴的。光電頭是一種特殊的傳感器，由投光器和受光器組成。投光器強光射在地面上，由于地面上小石塊、沙粒、柏油路面的各種粒子，輪胎印在路面上的不規(guī)則紋路，或凹凸不平等形成陰暗對比度不同的反射斑紋(色斑、凹凸斑等)，由受光器中梳狀光電管接受，并將特定的反射圖像變換為頻率信號。傳感器輸出的信號經(jīng)TRF型帶通跟蹤濾波器濾波和整形后，轉(zhuǎn)換為TTL脈沖輸出，每一脈沖嚴(yán)格對應(yīng)汽車相對地面走過的一段距離。將輸出信號經(jīng)過計數(shù)和微機處理后就可實時顯示車輛行駛速度、行駛路程、加速度和經(jīng)歷時間。

微波式測速法

微波式速度計是以一個2.4GHz的基頻打在路面上，當(dāng)車輛移動時，會造成都卜勒效應(yīng)，類似雷達(dá)的作用。微波是波長很短的無線電波，微波的方向性很好，速度等于光速。當(dāng)微波在行進(jìn)的過程中，碰到物體時，會被反彈，而且其反彈回來的波，其頻率及振幅都會隨著所碰到的物體的移動狀態(tài)而改變，若微波所碰到的物體是固定不動的，那么所反彈回來的無線電波其頻率是不會改變的。然而，若物體是朝著無線電線發(fā)射的方向前進(jìn)時，此時所反彈回來的波會被壓縮，因此該波的頻率會隨之增加；反之，若物體是朝著遠(yuǎn)離無線電波方向行進(jìn)時，則反彈回來的無線電波，其頻率則會隨之減小。由這兩個不同頻率的差值，便可以依特定的比例關(guān)系，計算出相對移動地面的速度。

紅外線式測速法

紅外線式速度計是目前全新的技術(shù)是光電式速度計的發(fā)展和延伸。它利用紅外線不可見光，打在路面，反射回鏡頭，其技術(shù)原理類似于光電式速度計，取出距離、速度及角度，它的輕薄、小巧將成為將來的傳感器主流，由于它同時具有光電式的穩(wěn)定及可靠度，隨著新技術(shù)的導(dǎo)入，可以克服水面障礙，再加上光頭的體積優(yōu)勢，將成為今后車速傳感器的主流。

GPS測速法

GPS原來用于輪船及飛行器的全球定位用途，但最近幾年也有人用于民用車輛的導(dǎo)航車速感應(yīng)。GPS的原理式利用環(huán)境與地球上方中底空衛(wèi)星用來指出目前接受全球定位資訊，但是GPS本身也存在許多限制及瓶頸。

讓我們先從GPS的原理說起。相對于每個衛(wèi)星，它都存在著一組特殊字串流，地面上的GPS解碼器就在接受這些字串流的時間差，由此時間差可以劃成一個以衛(wèi)星為中心點的圓，當(dāng)有兩個衛(wèi)星訊號，就可以劃成兩個圓，這兩個圓就有交叉面，當(dāng)有三個衛(wèi)星訊號，就可以劃成一條線，當(dāng)有四個衛(wèi)星訊號，就可以確定出一個交叉點，全球定位系統(tǒng)就是用這種方式來定位車輛目前的位置。

早期的GPS只開放給商用等級，所以位置誤差一般是±10m，近些年來美國開放了軍事等級給一些商用，所以其定位穩(wěn)定誤差CEP可以達(dá)到1m以內(nèi)，GPS速度就是用計算每個時間的GPS定位資訊從而轉(zhuǎn)成速度，速度訊號經(jīng)由積分再得到距離脈沖。

根據(jù)以往的經(jīng)驗，GPS的距離解析度約為10cm為單位元，速度也不能以0km／h開始計算，范圍從0.5-1800km／h左右。它的好處是只要一個天線即可上路，可以記錄路程，但只能用于基本單軸加速度測試，操縱安全性、操縱穩(wěn)定性及ABS、魚鉤試驗等就存在較大的問題。GPS也存在致命的缺陷，受太多干擾源的影響，如天氣、樹木、建筑物、操作條件、安裝位置、天空的衛(wèi)星數(shù)目(理論值是4個，最好是8個，但低空衛(wèi)星隨時可能會消失)。

單從環(huán)境干擾源而論，它就不能用于一般商用道路，只能用于開闊場地的測試專用跑道上，至于鬧市、山區(qū)、大樓旁，橋梁旁等都可能會有信號消失的現(xiàn)象。

從操作方式來看，GPS更適合于穩(wěn)定速度的測量，如最高車速，滑行。對于加速度及剎車所產(chǎn)生的距離誤差(延遲誤差)，有時候會非常嚴(yán)重，至于ABS、ESP、魚鉤試驗、操縱安全性、操縱穩(wěn)定性等會有大角度車身變化的操作也不可行。這是因為衛(wèi)星的角度會因車身角度的變化而短暫消失，從而引發(fā)訊號丟失的現(xiàn)象。

從衛(wèi)星數(shù)量來看，GPS的精確度與衛(wèi)星數(shù)量有最緊密的聯(lián)系，衛(wèi)星數(shù)量越多，測量越精確。但是如何監(jiān)測測試過程中天空衛(wèi)星的數(shù)量，從而保證數(shù)據(jù)的真實性，這也是目前我國對GPS車速儀校準(zhǔn)中出現(xiàn)的最具爭議的話題。據(jù)統(tǒng)計我國GPS車速儀的保有量已將近200臺，但是至今還未具有一套切實可行的校準(zhǔn)方案。

從GPS的真實性來看，由于所有的GPS信號都會采用一種特殊的卡爾曼濾波，這種濾波會去預(yù)測下一個時間的速度，雖然有些GPS號稱具有極快的記錄速度，但追根究底，目前大多數(shù)硬體IC引擎接收器還停留在20Hz的程度(最新上市的VBOX Ⅲ號稱具有100Hz的記錄速度)，然后通過補點法及預(yù)測法來求得速度訊號輸出，但預(yù)測必定會帶來一定的誤差。

結(jié)論

綜上所述，以開關(guān)一速度測速法、五輪儀測速法為代表的接觸式車速儀由于受功能或結(jié)構(gòu)引起的固有缺陷，正逐步被淘汰。目前最可靠的速度計還是以非接觸光電式為主，紅外線式及微波式速度計代表了將來速度計的發(fā)展方向，而GPS速度計還有較大的改進(jìn)及軟件升級空間。