基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)能?chē)輪六分力傳感器試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0汽車(chē)道路試驗(yàn)系統(tǒng)方面,我國(guó)對(duì)汽車(chē)內(nèi)隨著我國(guó)汽車(chē)儲(chǔ)量的不斷增加和科學(xué)研究水平的不斷提高，對(duì)不同汽車(chē)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、舒適和安全性評(píng)價(jià)的重要性越來(lái)越明顯。如何獲得車(chē)輛行駛中的不同參數(shù)指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同評(píng)估的先決條件。汽車(chē)整車(chē)道路試驗(yàn)在實(shí)際工況下進(jìn)行,能夠真實(shí)地感受行駛過(guò)程中阻力、慣量、多維運(yùn)動(dòng)和重心位置等外界因素的影響,是準(zhǔn)確獲得各種環(huán)境下汽車(chē)性能參數(shù)的重要手段。以汽車(chē)車(chē)輪力測(cè)量技術(shù)為核心的汽車(chē)道路試驗(yàn)系統(tǒng)作為汽車(chē)整車(chē)道路試驗(yàn)的重要的機(jī)電一體化設(shè)備,在發(fā)達(dá)國(guó)家已獲得廣泛研究和初步應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始,國(guó)外許多公司從汽車(chē)車(chē)型開(kāi)發(fā)和質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面考慮,已經(jīng)進(jìn)行車(chē)身和車(chē)輪力動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的研究。目前,汽車(chē)道路試驗(yàn)技術(shù)以美國(guó)、日本、德國(guó)最為先進(jìn),美國(guó)MTS公司、瑞士Kistler等公司已有成熟產(chǎn)品面世,但價(jià)格昂貴,關(guān)鍵技術(shù)保密。我國(guó)對(duì)多維力傳感器的研究起步較晚,特別是對(duì)汽車(chē)用車(chē)輪六分力傳感器(six-componentwheelforcetransducer,WFT)技術(shù)的研究幾乎是空白,其主要原因是它對(duì)結(jié)構(gòu)和安裝要求較高,并且存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及各信號(hào)之間的耦合問(wèn)題。此外車(chē)輪傳感器的工作環(huán)境惡劣,負(fù)載、沖擊、振動(dòng)及溫差變化均比腕力等傳感器大,從而導(dǎo)致較大的研究難度。這不但制約了我國(guó)汽車(chē)道路試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),也嚴(yán)重影響了各項(xiàng)整車(chē)試驗(yàn)及系統(tǒng)評(píng)價(jià)的深入開(kāi)展。東南大學(xué)一直致力于汽車(chē)道路試驗(yàn)技術(shù)的研究,并且對(duì)基于車(chē)輪單維力、三分力傳感器的汽車(chē)道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)有所突破。目前已成功研制出WFT,利用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)男盘?hào)耦合方式和串并結(jié)合的總線(xiàn)構(gòu)架使整個(gè)系統(tǒng)的采樣頻率大大提高。汽車(chē)道路試驗(yàn)系統(tǒng)提供了良好的用戶(hù)界面,使得試驗(yàn)人員能夠通過(guò)實(shí)時(shí)觀察采集到的車(chē)輛信息,準(zhǔn)確把握制動(dòng)或轉(zhuǎn)彎的最佳時(shí)機(jī),取得了較為滿(mǎn)意的結(jié)果。1車(chē)輪中心六分制設(shè)計(jì)1.1右轉(zhuǎn)臺(tái)定位系汽車(chē)之所以能夠自如地行進(jìn)、停車(chē)和轉(zhuǎn)彎,是汽車(chē)車(chē)輪與路面接觸的作用結(jié)果。車(chē)體和車(chē)輪坐標(biāo)系及各個(gè)力和力矩的定義如圖1所示。圖中,{O}定義為汽車(chē)連體坐標(biāo)系,它與車(chē)體固聯(lián)。將{O}平移到汽車(chē)車(chē)輪中心得車(chē)輪平臺(tái)坐標(biāo)系{O1},它與{O}保持相對(duì)靜止,而車(chē)輪連體坐標(biāo)系{O2}隨車(chē)輪一起繞各自車(chē)輪的回轉(zhuǎn)軸滾動(dòng)。地面對(duì)輪胎的作用有三個(gè)力和三個(gè)力矩:地面切向反作用力(或縱向力)Fx、側(cè)向力Fy、法向力(或垂直載荷)Fz、翻轉(zhuǎn)力矩Mx、扭矩My以及回正力矩Mz,以上各力矩的方向按右手坐標(biāo)系確定。輪胎的許多性能參數(shù)均由此坐標(biāo)系和六分力確定,本文所設(shè)計(jì)的車(chē)輪六分力傳感器就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)上述三個(gè)力和力矩的準(zhǔn)確測(cè)量。1.2圖1:美國(guó)模式集成化車(chē)輪力六維傳感器主要由彈性體和信號(hào)傳輸系統(tǒng)兩個(gè)部分組成,其組成和安裝圖如圖2所示。集成化車(chē)輪力六維傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:數(shù)據(jù)采樣頻率為1kHz,力Fx、Fy、Fz的量程皆為10kN,力矩Mx、My、Mz的量程皆為5000N·m,非線(xiàn)性度小于0.5%,整體測(cè)量精度為1%,過(guò)載能力為200%。1.3鈦合金材料的加工該車(chē)輪力傳感器的測(cè)力敏感元件是一種采用E形模片結(jié)構(gòu)的彈性體,它的實(shí)物造型如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的彈性體屬于力-應(yīng)變變換型,材料選用優(yōu)質(zhì)的合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNi-MoA,具有較高的彈性極限和沖擊韌性,而且機(jī)械加工和熱處理性能亦十分理想,國(guó)外有公司采用鈦合金材料,但加工困難,價(jià)格昂貴。在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,參照國(guó)外研發(fā)的多維輪力傳感器,選擇適合安裝和高速旋轉(zhuǎn)的盤(pán)式形狀,內(nèi)部采用八梁輪幅式對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。多組應(yīng)變片按不同的方向粘貼于彈性體的相應(yīng)位置,并通過(guò)特殊的組橋方式構(gòu)成六路惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)三維空間中三維力和三維力矩信息的獲取以及六分力測(cè)量通道間信號(hào)的直接解耦輸出,使得各維間的耦合達(dá)到最小。傳感器彈性體安裝于車(chē)輪輪轂和輪輞之間,它的外環(huán)和內(nèi)環(huán)分別通過(guò)螺栓與輪輞和輪轂相連。車(chē)輪的制動(dòng)扭矩My通過(guò)輪轂傳遞給彈性體的內(nèi)環(huán)面,引起應(yīng)變梁彎曲變形;車(chē)輪的縱向力Fx、側(cè)向力Fy、回正力矩Mz、側(cè)傾力矩Mx通過(guò)輪輞傳遞給彈性體的外環(huán)面,引起應(yīng)變梁彎曲變形;車(chē)輪的垂直載荷Fz則是通過(guò)內(nèi)環(huán)面的螺栓和配合面以及外環(huán)面的螺栓和配合面?zhèn)鬟f。因此,汽車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)輪上各維載荷的變化能夠通過(guò)此彈性體準(zhǔn)確測(cè)出。1.4車(chē)橋車(chē)輛力信號(hào)耦合器的設(shè)計(jì)由圖2可以看出,整個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)由與車(chē)輪一起高速旋轉(zhuǎn)的部件以及與車(chē)體固聯(lián)的非旋轉(zhuǎn)部件兩部分組成。因此,解決旋轉(zhuǎn)部件與非旋轉(zhuǎn)部件間的非接觸式信號(hào)傳輸也極為關(guān)鍵。常用的信號(hào)耦合方式有光電耦合、電容耦合、無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)取Ｄ壳?電容耦合最快速率為15kHz,光電耦合速率可達(dá)100kHz。而電容耦合精度不穩(wěn)定,光電耦合采用光的方式傳播信息,抗干擾能力強(qiáng)。無(wú)線(xiàn)傳輸在信號(hào)傳輸距離和抗干擾等方面還存在著許多技術(shù)困難,但是它的傳輸速率可達(dá)兆赫級(jí),打破了以上兩種耦合方式在傳輸速率上的瓶頸,使得車(chē)輪力的采樣速率能夠提升到千赫級(jí),是車(chē)輪力信號(hào)耦合方式的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)采用Nordic公司的無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸芯片nRF2401來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部件之間的信號(hào)非接觸式傳輸。nRF2401無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片和藍(lán)牙一樣,都工作在2.4GHz全球開(kāi)放的ISM自由頻段,能夠在全球無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)暢通無(wú)阻。nRF2401支持多點(diǎn)間通信,最高傳輸速率1MB/s,卻具有更高的傳輸速度與簡(jiǎn)單的通信協(xié)議,是業(yè)界體積最小、功耗最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。它采用SOC方法設(shè)計(jì),將所有高頻元件已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部,使得一致性良好,性能穩(wěn)定且不受外界影響,適合于車(chē)載工況下的應(yīng)用。基于上述的無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸模塊,設(shè)計(jì)出一個(gè)通用的基于無(wú)線(xiàn)傳輸方式的車(chē)輪力信號(hào)耦合器,其三維與實(shí)物裝配對(duì)比圖如圖4和圖5所示。信息耦合器具體包括以下兩個(gè)模塊:(1)車(chē)輪力信號(hào)采集與發(fā)送模塊。該模塊完成對(duì)彈性體電橋輸出信號(hào)的采集、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等功能,它與nRF2401模塊通過(guò)SPI總線(xiàn)進(jìn)行連接,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)射,此部分及彈性體均由內(nèi)嵌電池組供電,利用內(nèi)部電壓比較器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電狀態(tài),當(dāng)供電電壓小于額定電壓時(shí),觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。由于電池組安裝于耦合器內(nèi)部,不適于經(jīng)常拆卸,因此開(kāi)發(fā)了配套的充電器實(shí)現(xiàn)4個(gè)車(chē)輪力信號(hào)耦合器的在線(xiàn)充電。(2)車(chē)輪力信號(hào)接收與上傳模塊。內(nèi)嵌nRF2401模塊接收來(lái)自旋轉(zhuǎn)部分發(fā)射模塊傳來(lái)的車(chē)輪力信號(hào),并且頂端集成了一個(gè)光電式編碼器,用來(lái)同步測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角,并與車(chē)輪力數(shù)據(jù)一并封裝,通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)CAN-BUS(BoschCAN2.0B規(guī)范)通信方式上傳至相應(yīng)的車(chē)輪力信號(hào)采集卡,此部分由車(chē)載電源供電。以上兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì),均選用美國(guó)Cygnal公司的片上系統(tǒng)SOC系列芯片C8051Fxxx作為處理核心。車(chē)輪力接收與傳送模塊選用C8051F040作為設(shè)計(jì)核心,它內(nèi)部集成了一個(gè)功能強(qiáng)大的帶有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(programmablecounterarray,PCA),利用PCA可以自動(dòng)地完成對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量;同時(shí)它還集成了一個(gè)符合BoschCAN2.0B規(guī)范的CANBUS控制器,可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)上傳的設(shè)計(jì)要求。此新型信號(hào)耦合器的設(shè)計(jì)最終使得車(chē)輪力信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸速度達(dá)到了1ms/幀,即車(chē)輪力的采樣速率從原來(lái)光電耦合的100～200Hz提升到了1kHz,實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。2系統(tǒng)整體架構(gòu)目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流架構(gòu)方案為前端傳感器+智能采集單元+普通工控計(jì)算機(jī),但是這種方案通常采用ISA總線(xiàn)或PCI總線(xiàn)的插槽連接方式,難以滿(mǎn)足車(chē)載工況下的振動(dòng)和沖擊的要求,并且普通工控計(jì)算機(jī)體積大、功耗高,不適合車(chē)載使用。因此,借鑒已有成果并以克服上述缺點(diǎn)為目標(biāo),自行設(shè)計(jì)出一套完備的數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)和基于cPCI的傳感器-集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-上位機(jī)的系統(tǒng)整體構(gòu)架方案。其總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。4個(gè)獨(dú)立的CAN-BUS車(chē)輪力信號(hào)采集卡及其他傳感器信號(hào)采集卡作為子模塊,各自獨(dú)立完成對(duì)一個(gè)車(chē)輪力傳感器數(shù)據(jù)以及相應(yīng)通道傳感器數(shù)據(jù)的高速采集。由于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)鸟詈戏绞绞沟脭?shù)據(jù)采樣速率達(dá)到了1kHz,因此,在后續(xù)的傳輸中必須維持這樣的高速傳輸速率才能使信號(hào)暢通無(wú)阻,這就對(duì)數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。如果使用傳統(tǒng)的CAN-BUS,由于其本質(zhì)上仍然是數(shù)據(jù)串行傳輸,那么它并不能滿(mǎn)足上述的要求。分析主從模塊間的數(shù)據(jù)交換的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn):子模塊傳送到主模塊的是周期性的大量的數(shù)據(jù)流,對(duì)傳輸速度要求較高,且數(shù)據(jù)流僅從各從模塊流向主模塊,為單向的傳輸;而主模塊發(fā)給各從模塊的控制命令,以及從模塊回給主模塊相應(yīng)信息,為雙向的突發(fā)的短幀數(shù)據(jù)。針對(duì)兩種通信的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯蜗虿⑿锌偩€(xiàn)和用于各模塊間控制信息傳輸?shù)碾p向串行總線(xiàn)并存的先進(jìn)總線(xiàn)結(jié)構(gòu),同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)調(diào)的通信控制。主模塊將采集到的數(shù)據(jù)按照1ms定時(shí),通過(guò)USB總線(xiàn)上傳至上位機(jī)保存和顯示。自行開(kāi)發(fā)了配套數(shù)據(jù)處理/分析軟件對(duì)各類(lèi)采集信號(hào)進(jìn)行分析和處理。3車(chē)輪六分力傳感器的數(shù)據(jù)處理3.1維間耦合系數(shù)b東南大學(xué)研制了一臺(tái)液壓式車(chē)輪六分力傳感器標(biāo)定臺(tái),以實(shí)現(xiàn)六分力/力矩的單獨(dú)靜態(tài)標(biāo)定。在靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)中,向多維力傳感器施加各單維力/力矩,同時(shí)測(cè)量各信號(hào)通道的輸出及標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出,由此確定各維力/力矩與其他幾路的耦合關(guān)系,得到耦合矩陣C。但是,由于傳感器的輪輻式結(jié)構(gòu),在現(xiàn)有標(biāo)定臺(tái)上施加單維力/力矩的同時(shí),還會(huì)附加上另外的一維或二維力/力矩的影響,因此,耦合矩陣還需作進(jìn)一步處理。經(jīng)多次試驗(yàn)后確定,各維力/力矩對(duì)傳感器的影響符合迭加原理,可用迭代法求解維間耦合系數(shù)。其基本思想是:根據(jù)當(dāng)前的標(biāo)定數(shù)據(jù),確定主力/力矩并估計(jì)其他力/力矩對(duì)其的影響,然后通過(guò)迭代,逐步將影響成分去除,構(gòu)造出純粹施加單維力的數(shù)據(jù),并且同時(shí)更新耦合矩陣C,即使用多維力耦合的數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)學(xué)方法來(lái)模擬一個(gè)單維力的標(biāo)定環(huán)境。3.2車(chē)輪六分力的測(cè)量車(chē)輪力傳感器安裝在汽車(chē)車(chē)輪上與車(chē)輪一起旋轉(zhuǎn),其傳感器坐標(biāo)系與汽車(chē)車(chē)輪連體坐標(biāo)系{O2}重合。因此,在傳感器坐標(biāo)系與車(chē)輪平臺(tái)坐標(biāo)系中定義的力矢量不同,必須建立它們之間的變換關(guān)系,對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,才能得到具有物理意義的車(chē)輪受力狀態(tài)。當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),坐標(biāo)系{O2}相對(duì)于{O1}繞y軸旋轉(zhuǎn),傳感器輸出力信號(hào)矢量(Fx2、Fy2、Fz2、Mx2、My2、Mz2)與車(chē)輪受力矢量(Fx1、Fy1、Fz1、Mx1、My1、Mz1)之間有以下變換公式:[Fx1Fy1Fz1Μx1Μy1Μz1]=[cosθ0sinθ000010000-sinθ0cosθ000000cosθ0sinθ000010000-sinθ0cosθ][Fx2Fy2Fz2Μx2Μy2Μz2](1)?????????????Fx1Fy1Fz1Mx1My1Mz1?????????????=????????????cosθ0?sinθ000010000sinθ0cosθ000000cosθ0?sinθ000010000sinθ0cosθ?????????????????????????Fx2Fy2Fz2Mx2My2Mz2?????????????(1)由于車(chē)輪六分力傳感器提供了{(lán)O2}坐標(biāo)系下的力和以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)角信號(hào),因此通過(guò)各力的維間解耦和坐標(biāo)變換便可得到汽車(chē)連體坐標(biāo)系下的車(chē)輪六分力數(shù)值,其矩陣為Fout=RCD(2)式中,R為式(1)的坐標(biāo)變換矩陣;D為傳感器力信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的原始讀數(shù)矩陣。以汽車(chē)左后輪為例,通過(guò)標(biāo)定得到它的車(chē)輪受力矢量(Fx1、Fz1、Mx1、My1、Mz1)的解耦系數(shù)矩陣為試驗(yàn)中采集到的原始讀數(shù)經(jīng)過(guò)此矩陣解耦后的受力數(shù)值如圖7所示,利用R矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換后,解算出的真正受力數(shù)值如圖8和圖9所示。4制動(dòng)過(guò)程滑移率的測(cè)量應(yīng)用本文所述的汽車(chē)道路試驗(yàn)系統(tǒng),以基于國(guó)標(biāo)GB/T13594-2003所做的一系列ABS系統(tǒng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)為例,在其中的制動(dòng)性能試驗(yàn)和車(chē)輪滑移率測(cè)量試驗(yàn)中,利用本文所設(shè)計(jì)的車(chē)輪六分力傳感器以及整個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置成功地采集了車(chē)輪的制動(dòng)力、制動(dòng)扭矩、車(chē)輪轉(zhuǎn)速、踏板力和車(chē)輛速度。從采集到的數(shù)據(jù)可以明確地判斷車(chē)輛的制動(dòng)換擋時(shí)機(jī)、軸荷轉(zhuǎn)移情況和制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短,并且進(jìn)一步計(jì)算得到4個(gè)車(chē)輪的滑移率。在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力大于地面制動(dòng)力時(shí),車(chē)輪將抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。對(duì)車(chē)輪制動(dòng)時(shí)的滑移一般用λ來(lái)描述。λ的定義如下:λ=v-ωRv(4)λ=v?ωRv(4)式中,λ為車(chē)輪的滑移率;v為汽車(chē)整車(chē)速度;ω為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;R為滾動(dòng)半徑。車(chē)輪滑移率的測(cè)量,對(duì)評(píng)估制動(dòng)系統(tǒng)性能具有非常直觀的意義。如評(píng)估ABS性能時(shí),需要考察車(chē)輪制動(dòng)力最大時(shí)刻的車(chē)輪滑移率是否在0.2以下,且整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的車(chē)輪滑移率是否保持平穩(wěn)。通過(guò)本系統(tǒng)對(duì)車(chē)速、輪速以及踏板力的測(cè)量,運(yùn)用式(4)方便地得到了制動(dòng)過(guò)程中,4個(gè)車(chē)輪的滑移率隨踏板力和車(chē)速的變化情況,為進(jìn)行后續(xù)的評(píng)價(jià)和研究提供了理論依據(jù)。5汽車(chē)道路試驗(yàn)系統(tǒng)在bs評(píng)價(jià)試驗(yàn)中的作用以車(chē)輪六分力測(cè)量技術(shù)為核心的汽車(chē)道路試驗(yàn)系統(tǒng)的研制成功,為整車(chē)試驗(yàn),汽車(chē)性能分析評(píng)價(jià)以及新款車(chē)型的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)手段,目前已經(jīng)成功應(yīng)用到各種汽車(chē)試驗(yàn)和研究中。除了以