基于LabVIEW的汽車穩態回轉測試系統的研制

顧彤彤 佘冬翠

摘要：對數值計算與現場試驗復雜耗時的難題，提出基于虛擬試驗技術的汽車穩態回轉仿真實試驗方案。探究基于LabVIEW汽車穩態回轉測試系統的設計方案，驗證汽車穩態回轉測試系統的精確性，依據國標GB/T6323-2014仿真分析汽車穩態回轉試驗。結果表明，仿真試驗結果與測試圖形結果基本吻合，從而驗證了測試系統的可靠性?；谏鲜鲂阅茉囼?，得到符合國標的汽車穩態回轉試驗方法，為研究汽車操縱穩定性的回轉特性提供了一種仿真試驗的方法。

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.

關鍵詞：汽車穩態回轉;測試系統;LabVIEW;系統可靠性

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的汽車穩態回轉試驗數據分析的軟件。由于操縱穩定性穩態回轉試驗測試結果處理過程復雜，僅靠人工現有通用軟件進行數據處理，不就耗費大量的人力和時間，而且很難使處理結果規范統一[1]。數據處理很大程度上加重了試驗人員的負擔，所以才會開發專門的軟件用來對操縱穩定性的實驗數據進行處理，以此獲得符合測試報告所需要規范的數據處理結果。

1? 穩態回轉試驗概述

1.1 穩態回轉試驗的檢測原理

汽車穩態回轉試驗需要檢測和評估的參數包括：不足轉向度、中性轉向點的側向加速度及車身側傾度[2]等，并基于這三個參數全面評價汽車的穩態回轉特性[3]。

依據國家標準GB/T 6323-2014，規定了固定轉向盤轉角連續加速的穩態回轉試驗方法[4]：在符合實驗要求的場地上，被測汽車按左轉和右轉兩個方向，每個方向測三次，記錄仿真過程中整車穩態回轉的運動軌跡，整車行駛速度和方向盤輸入信號的時間歷程曲線，側向加速度、橫擺角速度和車身側傾角的時間歷程曲線。根據公式（1）和公式（2），在仿真過程中，還需要進一步計算和分析，轉彎半徑比、車身側傾角、汽車前后軸側偏角差和側向加速度在不同時刻的關系曲線。

式中：

Rk為第k點轉彎半徑，m;

Vk為第k點車速瞬時值，m/s;

rk為第k點橫擺角速度瞬時值，（°）/s;

σ1為前軸側偏角，（°）;

σ2為后軸側偏角，（°）;

L為汽車軸距，m。

在LabVIEW中程序框圖中，它先后讀入、轉換輸出數據，提取所需的數據，最后依根據數學運算實現了處理后數據的實時顯示。

1.2 穩態回轉試驗的評價標準

據文獻[3]的定義和要求[5]，中性轉向點的側向加速度an，是指側向加速度和前后軸側偏角差關系曲線上，斜率為零處的側向加速度;不足轉向度U即為前后軸側偏角差與側向加速度關系曲線上，側向加速度值為2m/s2處的平均斜率（通過將縱坐標值除以橫坐標值來計算）[8];車身側傾度K？覫是指在車身側傾度與側向加速度關系曲線上，側向加速度為2m/s2處的平均斜率（通過縱坐標值除以橫坐標值來計算）[7]。在側向加速度an值、不足轉向度U值、車身側傾度K？覫值確定后，分別計算出an的評價計分值Na、U的評價計分值Nu、K？覫的評價計分值N？覫，最后將這三個計分值取平均值，以獲得穩態回轉試驗的綜合評價計分值Nw。

2? 測試系統的軟件設計

2.1 軟件設計的一般流程

LabVIEW軟件上機位軟件設計流程，如圖1所示。

根據操作順序，程序主要流程可分為以下三個部分[6]：①通訊參數配置部分。在這一部分中，首先選擇要測試的項目，然后需要完成用于串口通訊的參數設置;②數據采集，存儲部分。從系統接收從串口發送的數據，根據通訊協議對數據進行匹配，匹配正確后進行解碼和存儲;③數據處理部分。選擇存儲的文件并讀取有效數據，同時計算和評估車輛性能，最后形成評分報告[7]。

2.2 基于LabVIEW數據處理軟件設計及分析

2.2.1 數據處理軟件設計

利用Lab VIEW操作平臺，對已知參量時間（t）、角速度（ω）、車身側傾度（fi）、汽車前進車速（v），通過公式（3）、（4）及（5）的轉換。

其中：R為汽車轉彎半徑;

R0為汽車初始半徑，本文取0.94m;

ay為汽車側向加速度;

Ф為汽車前后軸側偏角差;

L是汽車軸距，本文取3m。

編寫出基于轉彎半徑、側向加速度、前后軸側偏角的程序框圖如圖2所示。

2.2.2 數據處理軟件分析

完成測試過程后，考慮到良好的人機交互性，進入數據處理的部分，在讀取數據時，使用路徑選擇函數的功能，用戶自由選擇要處理的測試數據，并計算出測試結果。

使用Lab VIEW平臺下的Read Test VI，選擇要處理的測試數據。讀取所存儲的數據后，根據存儲協議，提取測試項目并計算所需的測試數據的相應列，數據的計算和處理要以汽車操縱穩定性指標極限值和評估方法為計算標準[8]。

因為光纖陀螺儀的輸出是脈沖輸出，所以測量角速度時會有很大的噪聲。噪聲是一個隨機誤差，其平均值為零，它是疊加在正常輸出上的，其量級約為1.5°/h，遠遠超過了光纖陀螺儀精度0.5°/h的量級。因此，對于采集到的角速度，在數據處理過程中，首先對數據進行1s的窗口平滑平均處理，以消除隨機噪聲的影響[9]。在計算車輛轉彎半徑的過程中，有必要對車輛前進速度和轉向角速度進行三次插值樣條擬合，根據采集到的數據，依據上式計算仿真過程中各點的轉向半徑，得到的汽車轉向半徑與側向加速度的曲線[10]。

處理過的數據可以以LabVIEW的讀取表的形式進行讀取，輸出的曲線分別為圖3、圖4、圖5所示。

2.2.3 穩態回轉性能的評價

根據文獻[5]的定義和要求，側向加速度越大，表明在轉向過程中，汽車的操縱穩定性越好，轉向翻車的可能性也就越小;側向加速度值越小，表明汽車出現過度轉向就過快，從而導致翻車。車身側傾度越大，汽車的安全性就越差，側傾值過大，將直接導致汽車失去控制。盡管汽車都具有不足轉向的特性，但不足轉向特性并不是越大越好，因為不足轉向越大，轉向側向力越弱，這不利于汽車的操縱性;如果較小，則汽車轉彎時會更早的進入不穩定狀態，操縱穩定性好的汽車應具有適度的不足轉向特性[11]。

上述結果可知，圖3為轉向半徑與側向加速度曲線，由圖可以看出，此車為中性轉向汽車，轉向半徑始終大于R0，中性轉向點的側向加速度值的評價計分值為100[7]。

圖4為車身側傾度與側向加速度曲線，可知，當側向加速度an值為2m/s2時，所以不足轉向度U為0.42/[（°）/（m/s2）]。

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

表1描述了穩態回轉性能的質量，得分值越高，表明該項目越好;得分值越低，表明該項目越糟糕。從表中分析可以得出：不足轉向度U指數和車身側傾度指數不高，并且偏離了理想值，因此可以有針對性地調整參數使其接近理想值，從而提高汽車的操縱穩定性。

3? 結論

使用LabVIEW進行數據處理和分析，處理數據過程中的工作量將會被極大的降低，同時可以將大量的手工圖轉換為基于LabVIEW的虛擬儀器技術來繪制工程圖以提高效率，使得到的圖線更加的精準。

經過計算和分析中性轉向點的側向加速度、不足轉向度U以及車身側傾度三個評價指標，得出穩態回轉試驗的綜合評價計分值，表明了該試驗車輛具有不足轉向特性。

該研究為將來的數據處理分析提供了一定的借鑒作用，并為調整參數以提高汽車操縱穩定性提供了依據。

參考文獻：

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[11]姜立標，侯文超，谷方德.基于正交試驗的汽車穩態回轉性能仿真[J].北京航空航天大學學報：自然科學版，2011，37（8）：969-972.