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汽車道路綜合試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

2012-10-25 12:38滕艷瓊徐延海孫澤海
中國(guó)測(cè)試 2012年6期
關(guān)鍵詞:串口車速軌跡

滕艷瓊,徐延海,唐 嵐,孫澤海

(西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院,四川 成都 610039)

0 引 言

目前使用的汽車性能道路試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)系統(tǒng)大多基于光學(xué)速度傳感器以及機(jī)械陀螺儀進(jìn)行開(kāi)發(fā),無(wú)論在功能上還是使用上都存在很大的局限性,不能獲得精度較高的汽車行駛軌跡,易受路面條件干擾,使用安裝復(fù)雜,便攜性差且測(cè)量參數(shù)種類有限等;因此,有必要研制一套便攜性強(qiáng)、安裝方便且測(cè)試精度高的汽車綜合性能道路試驗(yàn)系統(tǒng)。本團(tuán)隊(duì)從2007年開(kāi)始著手研制基于Windows CE的便攜式汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng),2009年完成基本調(diào)試,經(jīng)過(guò)3年多在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中不斷的完善和修改,目前該測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能用于車輛的道路試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體功能分析

根據(jù)汽車道路試驗(yàn)方法通則的要求[1],實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS、XW-AHRS 5100及AM-2012轉(zhuǎn)向力角測(cè)試儀的數(shù)據(jù)同步采集,通過(guò)相關(guān)的算法進(jìn)行計(jì)算和處理獲得汽車道路試驗(yàn)所需的物理參數(shù),構(gòu)建相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目。系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能:(1)試驗(yàn)過(guò)程直觀性強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的接收、計(jì)算、分析和繪圖,實(shí)時(shí)顯示行駛距離、速度、加速度等動(dòng)態(tài)參數(shù),觀察到汽車真實(shí)的運(yùn)行軌跡及試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)和特征,并顯示汽車的軌跡;(2)動(dòng)態(tài)繪制試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線,系統(tǒng)能與數(shù)據(jù)采集同步顯示波形;(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存,能夠以文件形式保存移動(dòng)站GPS接收機(jī)原始數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果,以便試驗(yàn)后的進(jìn)一步分析和處理;(4)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置直觀靈活,試驗(yàn)人員可以自行設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)[2],能夠很好地適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)的變化要求,測(cè)控精度高、可靠性好。

2 硬件組成

根據(jù)GB/T 12534-1990《汽車道路試驗(yàn)方法通則》所要求的測(cè)量參數(shù),構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。硬件連接圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的硬件連接

測(cè)試系統(tǒng)硬件部分主要包括GPS測(cè)量系統(tǒng)[3-4]、姿態(tài)航向參考系統(tǒng)XW-AHRS 5100、轉(zhuǎn)向力角測(cè)試儀AM-2012、OK6410 ARM11開(kāi)發(fā)板及觸摸顯示屏等。GPS在衛(wèi)星信號(hào)良好的情況下,其單點(diǎn)定位準(zhǔn)確度可以達(dá)到2m,測(cè)量準(zhǔn)確度能達(dá)到6cm,如果使用差分定位其準(zhǔn)確度能提高到0.45m,測(cè)試準(zhǔn)確度能達(dá)到2mm。XW-AHRS 5100測(cè)量的角度、角速度和加速度準(zhǔn)確度可達(dá)到 1.5°、0.8°/s、5 m/s2。AM-2012 的轉(zhuǎn)力和轉(zhuǎn)角的測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到2N和4°,這些儀器的性能完全滿足試驗(yàn)精度要求。從測(cè)試系統(tǒng)的便攜性和操作上考慮,測(cè)試系統(tǒng)選用了OK6410 ARM11開(kāi)發(fā)板以及觸摸顯示屏作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)[5-6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求,試驗(yàn)項(xiàng)目中所需采集數(shù)據(jù)有汽車車速、行駛軌跡、距離、姿態(tài)角、加速度、角速度、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)力、轉(zhuǎn)角以及試驗(yàn)時(shí)間。軟件流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

運(yùn)行試驗(yàn)程序,進(jìn)入試驗(yàn)主界面,首先進(jìn)入串口設(shè)置,對(duì)GPS和XW-AHR S5100串口通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,完成后選擇所需進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目,進(jìn)入各試驗(yàn)項(xiàng)目界面。進(jìn)入界面后對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,如A/D參數(shù)(通道、偏置電壓等)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存路徑、坐標(biāo)、試驗(yàn)條件等。設(shè)置完成后單擊開(kāi)始試驗(yàn)按鈕,先判斷參數(shù)設(shè)置是否正確,比如串口的波特率、奇偶位和A/D通道等,若設(shè)置不正確,返回主界面,重新進(jìn)行設(shè)置;若設(shè)置正確,則開(kāi)始試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中程序會(huì)通過(guò)串口采集GPS、XW-AHRS 5100的數(shù)據(jù),GPS數(shù)據(jù)采集程序流程圖見(jiàn)圖3。通過(guò)A/D讀取轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)力,對(duì)所讀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算,獲得汽車的試驗(yàn)項(xiàng)目所需的物理量,并對(duì)所獲得的物理量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成繪圖所需的坐標(biāo)值,然后實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)中物理參數(shù)的瞬時(shí)值并繪制曲線,最后保存試驗(yàn)數(shù)據(jù),保存的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)后處理和對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中汽車的各種性能的分析。當(dāng)試驗(yàn)完成,點(diǎn)擊“停止試驗(yàn)”按鈕,試驗(yàn)停止,其中有部分試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置試驗(yàn)條件自動(dòng)停止試驗(yàn)。

圖3 串口接收GPS數(shù)據(jù)流程圖

4 汽車動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算

汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)主要包括質(zhì)心運(yùn)行軌跡和車身姿態(tài),對(duì)其表述需要定義坐標(biāo)系,并定義主要的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)[7],如圖4所示。圖4(a)給出3個(gè)姿態(tài)角定義,即航向角h、側(cè)傾角φ和俯仰角θ,圖4(b)給出了大地坐標(biāo)系和汽車軌跡、汽車方位角ψ、汽車側(cè)偏角 β、行進(jìn)方向角(ν=ψ+β)的定義。

本文研究的測(cè)試系統(tǒng)所選用的慣性測(cè)量單元為AHRS,采用高可靠性和穩(wěn)定性的MEMS傳感器,能較精確獲得動(dòng)態(tài)測(cè)量和導(dǎo)航所需的姿態(tài)角、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。利用這種方法可以精確測(cè)量得到汽車的軌跡、姿態(tài)、質(zhì)心側(cè)偏角,以及運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和車體坐標(biāo)系下的線(加)速度、角速度等重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

根據(jù)GPS經(jīng)過(guò)串口傳送的信號(hào),可以得到汽車在任意時(shí)刻的基于WGS-84世界大地坐標(biāo)系的經(jīng)緯度(B,L)觀測(cè)值,再按照高斯-克呂格變化將WGS-84坐標(biāo)變成平面直角坐標(biāo)(x,y),這樣就可以在軟件中實(shí)現(xiàn)車輛軌跡的再現(xiàn)。同時(shí)根據(jù)汽車在轉(zhuǎn)換后的平面直角坐標(biāo)系中的參數(shù),通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算得到汽車的縱向和側(cè)向速度以及加速度等動(dòng)態(tài)參數(shù)。基于GPS的定向接收設(shè)備直接對(duì)汽車方位角測(cè)量。從GPS接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)中可提取出車速νC、車速方向角α和車體航向角 h,如圖 4(b),則 β=h-a,ψ=n/2-h。

圖4 汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)示意圖

5 實(shí)車試驗(yàn)

該道路試驗(yàn)系統(tǒng)能進(jìn)行整車動(dòng)力性中的最低穩(wěn)定車速、最高車速試驗(yàn)、起步連續(xù)換擋加速試驗(yàn)、最高擋和次高擋加速試驗(yàn)、滑行試驗(yàn)、制動(dòng)性能試驗(yàn),以及操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)中的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、蛇形試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)這4項(xiàng)主要試驗(yàn)項(xiàng)目。

圖5為本文基于Windows CE硬件平臺(tái)[8-9],ARM為開(kāi)發(fā)板的便攜式觸摸屏,屏幕顯示的是正在進(jìn)行的最低穩(wěn)定車速試驗(yàn)界面。試驗(yàn)前,連接好各測(cè)試儀器和硬件,通過(guò)GPS命令發(fā)送窗口,設(shè)置GPS采樣頻率,發(fā)送命令,檢查測(cè)試系統(tǒng)工作是否正常。試驗(yàn)時(shí),選定一段不小于50 m的試驗(yàn)路段,并且兩端有足夠的準(zhǔn)備距離。將汽車擋位置于要求擋位,讓汽車保持一個(gè)很低的能穩(wěn)定行駛的車速通過(guò)測(cè)試路段,然后迅速踩下加速踏板,同時(shí)保證汽車不出現(xiàn)傳動(dòng)系顫抖和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火,并能平穩(wěn)加速,滿足上述要求則為汽車最低穩(wěn)定車速[10]。測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí),在交互操作界面上根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)保存路徑、試驗(yàn)距離以及坐標(biāo),本次試驗(yàn)時(shí)設(shè)置的測(cè)試距離為100m。

圖5 最低穩(wěn)定車速試驗(yàn)界面

圖6為試驗(yàn)過(guò)程中汽車行駛軌跡,可以看出測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得汽車行駛軌跡與汽車實(shí)際行駛軌跡是一致的。圖7為試驗(yàn)時(shí)汽車速度隨時(shí)間變化的曲線,圖8為汽車行駛距離隨時(shí)間變化的曲線,其中實(shí)線為本文研究的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù),虛線為AM-2600測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)。

分析圖7可知,本次研制的測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的速度變化趨勢(shì)和采用光電式傳感器AM-2600汽車道路試驗(yàn)系統(tǒng)所測(cè)得的速度變化情況基本一致,并且和汽車試驗(yàn)過(guò)程中所觀測(cè)的速度變化情況相同。由圖8可見(jiàn)兩者所測(cè)得距離也基本相同。由此可以說(shuō)明本次研究的測(cè)試系統(tǒng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲得汽車的行駛軌跡、車速和行駛距離。

圖6 車輛軌跡圖

圖7 速度-時(shí)間曲線

圖8 距離-時(shí)間曲線

由于GPS與光電式傳感器相比,安裝簡(jiǎn)單可靠,且不受路面干濕狀態(tài)的影響,因此由圖8的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出本文研究的測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的速度比AM-2600測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的速度曲線要光平滑平順。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用Windows CE系統(tǒng)多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多傳感器的同步采集和處理,通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)對(duì)所研究的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證,并根據(jù)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)完成了主要的汽車試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)時(shí)可靠地獲得汽車性能試驗(yàn)所需要的測(cè)試參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)的顯示采用了觸摸顯示屏,具有很好的操作性,且硬件平臺(tái)體積小,具有較好的便捷性。通過(guò)與主要采用光電式傳感器為元件的商用儀器AM-2600汽車性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),證明了該測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]GB/T 12534—1990汽車道路試驗(yàn)方法通則 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1990.

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