道路坡度测试方法试验研究

道路坡度测试方法试验研究 农业装备与车辆工程 AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING 53No(2 2015年2月 February2015年2015 doi:10(3969,j(issn(1673,3142(2015(02(002 汪旭明 (230601安徽省合肥市安徽江淮汽车股份有限公司技术中心试验部) ,摘要,道路坡度是影响车辆安全行驶和稳定操纵的重要参数。提出了三种道路坡度的测试方法，搭建了基于 GPS、VN100传感器和车身CAN控制器的汽车道路试验系统，并对试验结果进行误差分析。基于坡度阻力的 方法，建立了滚阻系数、风阻系数、传动系效率3个未知系数的运动学非线性微分方程，根据实车滑行试验数据，利用Matlab求解出各阻力系数，并作为已知参数带入到汽车行驶方程式，计算出道路坡度。爬坡试验误差分析结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，基于GPS和VN100传感器的方法准确性较高，基于坡度阻力的方法坡度估计误差稍大，主要原因是坡度阻力方法中存在模型复杂和模型参数辨识精度低的问题，但都在7%以内，从而验证了这三种方法测试坡度的准确性和可行性，实际——————————————————————————————————————————————— 应用中可根据汽车工况选定。,关键词,道路坡度;测试方法;滑行 试验;坡度阻力;数据处理,中图分类号,U467.1;TP23 ,文献标志码,A ,文章编号,1673-3142(2015)02-0006-06 ExperimentalResearchonTestMethodsofRoadSlope WangXuming (AnhuiJianghuaiAutomobileCo(Ltd(TechnicalCenter，HefeiCity， AnhuiProvince230601，China) ,Abstract,Roadslopeisthekeyfactorthatinfluencesvehicle’ ssafetyandstabilitycontrol(Threemethodsforroadslopetest wereputforward， andthecorrespondingtestsystemsweresetupbasedonGPS， VN100sensorsandCANcontroller(Basedonthesetestsystems， thesystematictestswereconductedandthetestresultswereanalyzedcompar atively(Inthemethodoftestingsloperesistance， thedynamicnonlineardifferentialequationswerebuilt， anditsrollingresistancecoefficient，airresistanceco-efficient， andtransmissionefficiency， wereidentifiedbasedonthecoastingtestdatawithMatlabsoftwareandusedf orthevehi-cledrivingequation(ThecomparativetestresultsindicatedthatthemethodofGPSandVN100sensorswasmoreaccuratethanthemethodofslo peresistance， ——————————————————————————————————————————————— becauseofitscomplexdynamicmodelandlowparametersidentificationpreci sion(Howevertheirtesterrorswerealllessthan7,(Thesethreetestmeth odsforroadslopewereaccurateandfeasible， andcouldbechosentousedependentonthevehicledrivingstate( ,Keywords,roadslope;testmethods;coastingtest;sloperesistance;dataprocessing 0引言 道路坡度是影响车辆行驶安全及其电控系统 此外，通过基于加速度传感器、发动机输出转矩[6]、滑行阻力等的方法也能对道路坡度进行估计。基于滑行阻力的方法，需要对汽车行驶方程式中的各阻力系数进行标定，滑行阻力模型中包含的未知参数个数不同，带入微分方程求解得到的各阻力系数精度也有一定差异[7-9]。 本文引入了3种车载仪器的道路坡度测试方法，即GPS方法、VN100传感器法、滑行阻力法，详细给出每种测量方法原理及其实现，并通过实车试验来对比分析此3种方法的实用性。 准确控制的重要参数。对道路坡度进行系统测试和分析方法研究，能为汽车电控系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、功能验证，以及整车设计提供依据和手段。 传统的道路坡度测量方法，如利用水箱或钟摆等仪器直接读取倾斜角作为道路的坡度角，受到路面条件、行驶车速、仪器安装位置等制约，测试精度差。国外对道路坡度估计相关研究较多，主要有基于卡尔曼滤波器[1~2]，比例积分观测器[3]，扩展卡尔曼滤波和龙贝格——————————————————————————————————————————————— 联合观测[4]，GPS[5]方法等。 1基于GPS的道路坡度测试 GPS即全球定位系统，通过选择多个GPS接 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51105001)收稿日期:2014,12,15 修回日期:2015,01,04 收机天线、架设基准站等方式，可以实现精确定 7 位、测速、测姿等测试，目前在汽车测试领域应用较为普遍。汽车在行驶时，利用GPS系统可以实时解算并输出位置坐标，通过计算坡道两点的坐标推算出坡度值。 送，所用帧数的多少取决于定义的CAN协议[11]。根据CAN协议对所关心的位置信息包括经度、纬度和高程信息进行解析，利用高斯变换将经纬度信息投影到东北天左边系中。这样就能得到汽车在行驶过程中每一时刻的三维位置坐标。利用道路坡度定义坡度等于坡高与底长之比，即(1)i=h=tanα 式中:i———道路坡度;h———坡道高度;l———坡道——道路坡度角。其中，h可以由移动站底长;α— 1.1硬件系统搭建 搭建GPS测试系统，硬件框图如图1，由GPS基准站和车载移动站两部分组成。GPS基准站由 GPS接收机、GPS天线、数传电台及发射天线、外 ——————————————————————————————————————————————— 置电源等组成，放置在试验场地附近。GPS移动站选用美国Trimble公司的SPS852接收机及GA 810双频天线。SPS852接收机CAN物理接口是Lemo口的4脚(CANH)和5脚(CANL)[10]，比特率 是250kbps。设备主要性能参数如表1所示。 GPS直接输出，l可以通过高斯投影得到的任意两 点间的坐标间接求得。 1.2软件系统设计 基于Matlab平台，编写数据采集程序，边采集边解析CAN数据，并实时处理根据试验需要将关心的数据写入到文本文件中。对采集的数据进行滤波、同步处理后，根据坡度定义式(1)即可求得道路的坡度。 2基于VN100传感器道路坡度测试 2.1VN100传感器 VN100是一款微型的表面贴装的高性能高精 度的惯性测量单元(IMU)和姿态航向参考系统 图1系统结构框图 (AHRS)[12]。它将3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁传感器、气压传感器，以及一个32位处理器融合成一个微型表面贴装芯片。VN100开发套件提供了VN100表面贴装芯片安装的PCB板，能够很方便地访问VN100的所有功能和引脚。与VN100通信是通过USB或者RS232串口通信端口实现的。实车试验时，为了方便数据的采集，——————————————————————————————————————————————— 将数据格式统一成CAN数据，此时需要通过软件编程将 Fig.1Systemstructurediagram表1主要传感器与设备性能参数 Tab.1Performanceparametersofsensorsandequipments 传感器 设备美国Trim-精度与性能 GPS车载移动基站接收机 bleSPS852中国华测 GPS地面基站接收机及数传电台数据输出物理接口 X60,DL300 RTK水平定位精度8mmRMS,速度精度0.1km/hRMS 为车载接收机提供RTKCMR格式;差分改正信息，主要信息1帧/s配置数据协议 供电形式 数据更新速率 VN100输出的串口数据转换为CAN数据。 VN100传感器能实时输出汽车的俯仰角，试 验时将传感器放置在汽车质心位置，在汽车不发生俯仰，即汽车匀速行驶或缓慢行驶时，车身几乎不发生俯仰运动，可以认为汽车的俯仰角度近似等于道路的坡度。由于汽车在道路行驶中，路况不同使得汽车匀速行驶的比例不同，如在市区内行驶，汽车保持匀速几乎很难做到，但在郊区、山路或在高速公路上，匀速工况比例较大，这种方法测得的道路坡度就有很大的可行性。 ——————————————————————————————————————————————— CAN×1串口×1串口×1 20Hz(最高)差分信息1Hz，基站信息0.2Hz NEMA格式GPGGA,GPRMC GPGST TrimbleCMR 内置电池内置或外部供电 移动站GPS接收机选用标准NMEA格式输出，包括位置(GPGGA)、速度和水平速度方向(GPVTG)和定位精度(GPGST)等信息，通过CAN接口发送至数据采集CAN模块，设置数据更新频率为20Hz。一条GPS语句需要多条CAN帧来发 2.2硬件系统 基于美国NI公司的嵌入式系统CompactRIO 8 农业装备与车辆工程2015年 (简称cRIO)搭建硬件测试系统如图2所示。cRIO的主要功能是将VN100传感器采集的串口数据转化为CAN数据输出。之所以选用CAN数据输出是因为在同时采集多通道CAN数据时，有利于数据处理实现数据同步。 f=f0+f1ua(3) 式中:f0———滚动阻力系数中的常数项;f1———滚动阻力系数中的一次项系数。将(3)带入式(2) -δmηdu=CDAua2+G(f0+f1ua) ——————————————————————————————————————————————— 式中:ρ———空气密度，取1.225kg?m-3。定义k1=G?f0，k2=G?f1，k3=CA，k4=1 (4) 21.15δmη ,则式 (4)改写为 (5)-1du=k1+k2ua+k3ua2 k4dt 设滑行试验初始速度为u0，对式(5)按时间积 图2系统结构框图 分有 Fig.2Systemstructurediagram k4t= u 乙du 1 2a u0 3a (6) 2.3软件编程 基于LabVIEW软件和硬件采集系统cRIO控制器，编写串口转CAN——————————————————————————————————————————————— 程序，并将程序固化到硬件采集板卡中，提取汽车俯仰角并实时通过CAN输出。 对(6)式两边同乘以ds，并对s积分有 k1+k2u0+k3u021s=ln-kt12a3a343 (7) 式(7)表明了滑行速度ua，滑行距离s和滑行时间t之间的关系。取一次滑行试验所测得4个不同时刻的点(两相隔点速度差不小于10km/h)带入方程(7)，即可解出未知数k1、k2、k3、k4。然后带入参数求出滚动阻力系数、空气阻力系数和传动系效率。 3基于坡度阻力的道路坡度测试 基于坡度阻力的方法主要是通过滑行试验标 3.1滑行试验标定阻力系数 定出滚动阻力、空气阻力和传动系阻力系数，然后根据汽车行驶方程式和坡度阻力定义求得道路坡度的大小。 汽车在水平路面滑行时，驱动力和坡度阻力为0，此时行驶阻力除了滚动阻力、空气阻力和加速阻力之外，还存在传动系阻力[14]。传动系阻力包括配合副相对运动引起的机械阻力和旋转副搅动润滑油引起的液力阻力，且不同挡位传动效率也不一样。在空挡滑行时,对传动效率弱化并统一记作η集成到惯性阻力中，此时汽车行驶纵向动力学方程可表示为 3.2测试系统构建 由标定试验得到的CDA、f、η，结合式(2)，搭建测试系统，——————————————————————————————————————————————— 如图3所示，由GPS系统和车身动力总成控制器系统组成。 Gf+CAua2+δmηdu=0 (2) 式中:δ———旋转质量换算系数;η———传动系效率;du/dt———减速度;CD———空气阻力系数;——迎风面积,m;m———汽车总质量，kg;G———A— 汽车总重，N;f———整车滚动阻力系数;u———车 2 图3系统结构框图 Fig.3Systemstructurediagram 速，m/s;ua———车速，km/h。 滚动阻力系数f在车速较低的情况下可以认为与车速存在线性关系，建立滚动阻力系数模型 4实车试验 结合图1和图2搭建的硬件测试系统框图， 4.1基于GPS和VN100道路坡度实车试验 9 基于某国产乘用车在安徽农大驾校训练场进行爬坡试验，部分实物图如图4所示。试验场地空旷， 取上坡阶段为例，两种方法测得的道路坡度随路程的变化曲线如图6所示。由图6可以看出，与基于VN100测得的坡度相比，基于GPS的方法测得的道路坡度有一定的波动，但都在误差允许范围之内。——————————————————————————————————————————————— 此外，两条曲线在刚上坡时并不吻合，可能原因是汽车刚上坡时车速不稳定和俯仰波动，导致VN100与GPS测量曲线不完全重合。 GPS信号好，取其中几组试验数据进行分析。图5 为其中1组的GPS信号结果，可以看出GPS信号差分龄期都在2s以内，高程误差在5cm以内，没有出现丢包现象。汽车从第10s开始上坡，经过9s汽车达到坡顶。爬坡过程中，汽车车速并不能保证匀速。 1 2 3 10 4 图6 基于GPS和VN100的道路坡度 9 5 Fig.6RoadslopemeasuredbyGPSandVN100 4.2滑行标定实车试验 根据滑行试验国家标准GB/T12536-90，在 8 7 6 ——————————————————————————————————————————————— 水平良好的路面上进行若干次滑行试验[14]，初始车速为50km/h,风速在3m/s以下，湿度95%以下，滑行时转向盘不动直到停车。试验往返路线尽量重合，多次试验取平均值。 试验场地选择合肥市机场高速附近的一条长度大于1000m的平直路面，道路坡道恒定在2%以内，路面干燥，平均风速在3m/s以下，试验时关闭汽车门窗。图7为滑行时间t与滑行车速u、滑行距离s之间的关系曲线以及滑行轨迹曲线。 1(VN100芯片2(VN100封装3(移动站天线4(基准站天线5(基准站接收机6(基准站电台7(移动站接收机8(Kvaser9(cRIO数据采集器10(笔记本电脑 图4传感器与测试仪器实物图 Fig.4Picturesofsensorsandtestinstruments 图5爬坡试验GPS信号图7初速为50km/h滑行试验 Fig.5GPSsignalofclimbingtestFig.7Coastingtestatthespeedof50km/h 10 农业装备与车辆工程2015年 结合图7，每隔10km/h取4组[tus]数据，带入式(7)，应用MATLAB非线性方程求解 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数K= 基于坡度阻力计算得到的坡度与GPS坡度曲线如图9所示。 fsolve(函数名，初始值)。其中，初始值[k1,k2,k3,k4]的选取对方程的求解非常重要，可根据经验值确定，本文选取初始值[1401.10.430.0008]，结合 ——————————————————————————————————————————————— 整车总质量(包括整车整备质量和载人载货质量)，即m=1650kg，汽车旋转质量换算系数δ= 1.04，求解得到结果如表2所示。 表2滑行试验标定的阻力系数 Tab.2Resistancecoefficientstandardizedincoastingtests组别传动效率η空气阻力系数CDA 滚动阻力系数f 图9基于GPS和坡度阻力的道路坡度 123 0.79380.81870.7857 0.68330.72470.6857 f=0.0084+0.000024uaf=0.0089+0.000025uaf=0.0085+0.000024ua Fig.9RoadslopemeasuredbyGPSandsloperesistance 图9表明，从第6m到11m(即汽车刚上坡到车身稳定时)，坡度阻力法曲线比GPS曲线偏大，但整体趋势一致。可能原因是，汽车刚上坡时，随着坡高的增大，汽车需要克服坡度阻力，踩下加速踏板，发动机转速增加，扭矩增大，导致计算得到的道路坡度偏大。 为了减小汽车刚上坡时汽车车身姿态变化对道路坡度测量的影响，取曲线坡度稳定时的平均坡度作为道路的坡度，多次试验取平均值。三种方法得到的测试结果如表3所示。用直尺测量标准坡道的坡度，坡道长度为12m，坡高为1.42m，根据式(1)计算得到测量值为11.83%。 ——————————————————————————————————————————————— 表3三种测试方法测得的道路坡度 将基于多次滑行试验数据求解得到的系数值取平均值，作为计算坡道阻力的已知参数，具体为 f0,0.0086，f1,0.000024，CDA=0.6979，η=79.94%。4.3基于坡道阻力的道路坡度实车试验 搭建如图3的硬件系统，在某驾校训练场进行爬坡试验。汽车以6km/h的速度从坡道底部开始上坡，随着坡道的上升，为了保持一定的车速行驶，在第9s时踩下加速踏板，从而克服坡度阻力。试验测得部分曲线如图8所示。 Tab.2Roadslopemeasuredbythreetestmethods组别 GPS11.72%11.38%11.26%11.45%3.18% VN10012.03%11.77%12.17%11.99%11.83%1.35% 坡度阻力 123平均值测量值误差 11.51%11.17%10.65%11.11%6.09% 表3表明，基于GPS和VN100的方法测得的道路坡度与标准坡道测量值误差均在5%范围内，满足精度要求。而基于坡度阻力的方法，由于参数很多会参数误差积累，这种方法误差值稍高，但误差都在7%以内。从而验证了三种方法测量道路坡度的可行性和准确性。 5结论 图8车身动力总成曲线 Fig.8Vehiclepowerassemblycurves ——————————————————————————————————————————————— 1)引入了基于GPS、VN100传感器和坡度阻 [5] 11 力的三种道路坡度测试方法，实车试验结果表明，基于VN100惯性传感器方法误差最小，GPS的方法次之，坡度阻力方法中模型复杂和参数估计精度低导致误差稍大，但误差都在7%以内，可以满足实际应用需要。 HongSB,JihanR， GerdesJC.Roadgradeandvehiclepa-rameterestimationforlongitudinalcont rolusingGPS,C,,IEEE,ITS2001,Oakland,CA,2001,08:25-29. [6][7][8][9][10] 钱立军.自动变速器控制的道路坡度计算方法研究[J].拖拉机与农用运输车,2004,31(6):5,7. 韩宗奇，李亮.测定汽车滑行阻力系数的方法[J].汽车工程, 2)实际应用中，3种方法可根据汽车实际行驶工况进行选择使用。如车速匀速时使用VN100 惯性传感器方法和GPS方法，在加减速工况下可使用坡度阻力方法，并基于GPS信息对坡度阻力模型参数进行标定。 参考文献 2002,24(4):364,366. 高有山，李兴虎，黄敏，等.汽车滑行阻力分析[J].汽车技术, 2005(4):27~30. ——————————————————————————————————————————————— 李晓甫，赵克刚，黄向东，等.汽车行驶阻力模型参数的确定 [J].汽车工程,2011,33(8):645,648. TrimbleNavigationLtd.Gettingstartedguide-TrimbleSPS852modularGPSreceiver[M].Ver4.41ATrimbleNavigationLtd.,2011.[11][12][13][14] 张小龙，潘登，姜山，等.基于加速度的汽车悬架位移实时测试 方法试验研究[J].农业机械学报,2013,44(10):15,22. [1]LingmanP， SchmidtbauerB.Roadslopeandvehiclemasses-timationusingkalmanfiltering,R,.DepartmentofChassisEngineering,VolvoTruckCorporation. VectorNavLtd.VN-100UM001usermanual[M].Ver1.1.2009. 赵相君，张培培，雷良育，等.汽车滑行试验及阻力系数测定 [2]SatriaM,BestMC(Stateestimationofvehiclehandlingdy-namicsusingnon-linearrobustextendedadaptiveKalmanfil-ter ,J,(VehicleSystemDynamics,2004,41:103-112. [J](汽车实用技术,2013(3):24,27.GB/T12536-90，汽车滑行试验 方法[S]. 汪旭明(1976—)，男,高级工程师，主要从事汽车试验 [3]MammarS,GlaserS， NettoM(Vehiclelateraldynamicsesti-mationusingunknowninputproportional-integralobservers,C,(AmericanControlConference,2006. ——————————————————————————————————————————————— 作者简介 [4]YazidSebsadji,JamilDakhlallah(Roadslopeandvehicledy-namicsestima tion,C,(AmericanControlConference,2008. 技术研究。E,mail:wangxuming_dxl@163.com “中国收获杯”2014年全国农机化十大新闻揭晓 2015年1月13日，由中国农机化协会、中国 农机化导报主办，洛阳中收机械装备有限公司协办的“中国收获杯”2014年全国农机化十大新闻评选结果在广西南宁揭晓。“全国人大农委、农业部隆重庆祝《中华人民共和国农业机械化促进法》实施十周年，法律的实施为粮食十一连增、农民收入持续增长作出了重要贡献”“中央一号文件锁定加快推进农业现代化，要求坚持传统精耕细作与现代物质技术装备相辅相成的原则”等10条具有标志性意义的新闻条目脱颖而出，被评为2014年全国农机化十大新闻。 “中国收获杯”2014年全国农机化十大新闻: 水平突破60,，提前一年实现“十二五”规划目标。 4(国务院提出开展农机金融租赁服务，农业 部和中国农业银行联合开展的农机金融租赁试点项目落地新疆和广西。 5(国际农业与生物系统工程学会(CIGR)第十 八届世界大会在北京召开，李树君成为担任CIGR继任主席的首位中国人。 ——————————————————————————————————————————————— 6(中国国际农机展稳居亚洲第一、世界前五， 国际化程度陡升，世界农机大展地位确立。 7(深松整地首次列入《政府工作 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 》，2014 年深松整地面积达1(5亿亩，超 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 任务5000万亩。 1(中央一号文件锁定加快推进农业现代化， 要求坚持传统精耕细作与现代物质技术装备相辅相成的原则。 8(农机购置补贴制度创新力度加大，首次集 中曝光农机购置补贴产品经营黑名单，严惩违规企业。 2(全国人大农委、农业部隆重庆祝《中华人民 共和国农业机械化促进法》实施十周年，法律的实施为粮食增产、农民增收作出了重要贡献。 9(农机场库棚用地划归设施农用地范畴，“农 机安家难”有望得到解决。 10(中联重科并购奇瑞重工，成为国内农机工 业最大并购案。 3(2014年我国主要农作物耕种收综合机械化 ———————————————————————————————————————————————