CN102768177B

CN102768177B - 一种路面附着系数实时检测方法与测试系统

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Publication number: CN102768177B
Application number: CN201210241407.4A
Authority: CN
Inventors: 刘玉梅; 王丽; 王恒刚; 熊明烨; 苏建; 王鹤鸣; 赵聪聪; 张志远; 刘琦峰; 徐观; 张立斌; 潘洪达; 陈熔; 林慧瑛; 赖政见; 李梦
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Wanxiang Qianchao Co Ltd
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: CN102768177A

Abstract

本发明涉及一种路面附着系数实时检测方法与测试系统，属于汽车智能检测和监测技术领域，用于路面附着系数实时准确检测。该方法包括：建立汽车制动工况下路面附着系数实时检测模型和测试系统；车辆平路行驶条件下，实施制动，驾驶员在踩下制动器踏板同时踩下离合器踏板，隔绝发动机制动；信息采集系统采集前后车轮的转速、汽车质心纵向加速度、汽车车速、前后车轮垂向载荷；通过路面附着系数计算模型，获取路面附着系数；在显示装置上实时显示附着系数。系统包括用于实时采集汽车信息的信息采集单元，用于处理所述信息采集单元输入信息的数据处理单元，用于控制数据采集、实现数据计算分析并控制结果输出的单片机系统，一个LED输出显示装置。

Description

一种路面附着系数实时检测方法与测试系统

技术领域

本发明涉及一种检测方法与测试系统，属于汽车智能检测和监测技术领域，用于路面附着系数实时检测。

背景技术

路面附着系数不仅影响汽车的加速性能、制动性能，而且影响汽车的操纵稳定性，实时了解路面的附着系数，并充分利用路面附着性能，可以极大地改善汽车的加速性能、制动性能和操纵稳定性。实时在线检测路面附着系数，是车辆主动控制所必需的关键技术之一。由于影响道路附着系数的因素较多，一般采用估算的方法获取路面附着系数存在较大的误差。

经检索，国内外学者对于路面识别技术的研究大多限于理论方面，难以满足实际需要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高效、准确并能够实时地在线提供路面附着系数的实时检测方法和测试系统。

本发明的目的是这样实现的，提出了一种路面附着系数实时检测方法，该测试方法包括如下步骤：

(1)建立汽车制动工况下路面附着系数实时测试模型和测试系统；

(2)车辆平路行驶条件下，实施制动，驾驶员在踩下制动器踏板的同时，踩下离合器踏板，以隔绝发动机制动；

(3)信息采集系统分别采集前后车轮的转速、汽车质心纵向加速度、汽车车速、前后车轮垂向载荷；

(4)通过路面附着系数计算模型，获取路面附着系数；

(5)在显示装置上实时显示附着系数。

所述的一种路面附着系数实时测试方法，其特征是以汽车平路制动过程中能量传递及消耗为基础，根据能量守恒定律构建路面附着系数实时检测模型，测得路面附着系数。

从能量守恒的观点来看，汽车的减速制动过程，实质上是将汽车的机械能(动能和势能)转化为热能而耗散的过程。汽车动能和势能的耗散用于克服摩擦片和制动盘(制动鼓)之间的摩擦力、汽车运行时产生的空气阻力、轮胎材料的内部摩擦力、轮胎与路面滑动摩擦力、汽车传动系统中的摩擦力以及推动发动机及其附件的旋转，各种摩擦力最后转变为热能耗散掉。其中轮胎与路面的摩擦阻力(滚动摩擦和滑动摩擦)、轮胎内部材料摩擦阻力、轮胎滚动时受到的空气阻力以及胎面花纹撞击路面发声消耗的能量统称为滚动阻力损失，整车能量消耗模型如①式所示：

ΔE±ΔT＝W_μ+W_F+W_f+W_T+W_C ①

上式中：ΔE为汽车动能的减量，ΔT为汽车势能的变化量，W_μ为制动器的摩擦功，W_F为空气阻力消耗功，W_f为滚动祖力损失功，W_T为发动机气缸内气体推动活塞及附件运转做的功，W_C为传动系统摩擦损伤功。

汽车在水平路面上行驶，其坡度阻力做功为0，若忽略汽车垂向势能的变化，则汽车的势能变化量为0。用功率方程来表述上述能量消耗模型，则功率模型如式②所示：

\frac{dE}{dt} = - P_{μ} - P_{F} - P_{f} - P_{T} - P_{ch}

②

上式中：E为汽车的动能，P_μ为制动器摩擦制动功率，P_F为空气阻力消耗功率，P_f为车轮滚动损失功率，P_T为推动发动机及其附件进一步旋转消耗的功率，P_ch为传动系统摩擦损失功率。

在汽车平路直线制动工况下，驾驶员踩下制动踏板，同时踩下离合器踏板，汽车动能消耗模型如式③所示：

③

式中：m为整车质量，kg；v为汽车行驶速度，km/h；I_i(i=1，2)为车轮的转动惯量，kg·m²；为车轮旋转角速度，rad/s；I_f为发动机飞轮的转动惯量，kg·m²；为发动机飞轮的旋转角速度，rad/s；I_ch为传动系统的等效转动惯量，kg·m²；为传动轴的旋转角速度，rad/s。

建立双轮车辆制动模型，参阅图4，通过构建车轮的运动学微分方程，以获取前后轮制动器制动摩擦功率模型，如式④所示：

④

式中：T_μi为制动器制动力矩，N·m；为车轮旋转的角速度，rad/s；F_Ni为车轮载荷，N；为轮胎与地面之间的纵向附着系数；R为车轮滚动半径，m；F_fi为车轮的滚动阻力，N；I_i为车轮的转动惯量，Kg·m²；为车轮的旋转角加速度，rad/s²。

汽车制动过程中，车轮受到滚动阻力偶矩的作用，建立滚动损失消耗的功率模型如式⑤所示：

⑤

式中：P_fi为车轮滚动损失功率，kw；T_μi为车轮制动器制动力矩N·m；f为滚动阻力系数。

在汽车以速度v(km/h)制动条件下，由于克服空气阻力做功，消耗了汽车一部分动能，最终转化为热量散失，建立汽车克服空气阻力消耗的功率模型如式⑥所示：

P_{F} = F_{w} \frac{v}{3.6} = \frac{C_{D} A}{76.14} v^{3}

⑥

式中：F_w为空气阻力，N；C_D为空气阻力系数；A为汽车的迎风面积，m²。

制动时，汽车通过驱动轮和传动系统带动发动机曲轴继续旋转。建立发动机气缸内气体推动活塞的功率模型如式⑦所示：

⑦

式中：T_tq为发动机转矩，N·m。

汽车传动系的功率损失由传动系中的部件——离合器、变速器、传动轴万向节、主减速器、差速器等的功率损失所组成，建立传动系的功率损失模型如式⑧所示：

P_ch＝P_l+P_b+P_x+P_j+P_c+P_z ⑧

式中：P_l为离合器摩擦损失功率，kw；P_b为变速器摩擦损失功率，kw；P_x为万向传动装置摩擦损失功率，kw；P_j为主减速器摩擦损失功率，kw；P_c为差速器摩擦损失功率，kw；P_z为半轴摩擦损失功率，kw。

对步骤(2)的制动条件，发动机处于怠速状态，发动机气缸内气体推动活塞的功率全部用来推动飞轮转动，根据公式⑦，发动机气缸内气体推导气缸活塞的功率模型如式⑨所示：

⑨

对步骤(2)的制动条件，压盘与摩擦片分离，飞轮转动不向外输出力矩，中断了向驱动轮的动力传递。传动系统的摩擦消耗了自身的惯性功率。根据公式⑧，传动系的功率损失模型如式⑩所示：

⑩

根据式③，进一步推导，可得路面附着系数检测模型式

所述的一种路面附着系数实时测试系统，该系统由四个部分组成，包括用于实时采集汽车信息的信息采集单元，用于处理所述信息采集单元输入信息的数据处理单元，用于控制数据采集、实现数据计算分析并控制结果输出的单片机系统，以及一个LED输出显示装置。路面附着系数实时检测系统结构框图参阅图1所示。

所述的一种路面附着系数的实时检测系统，其特征是，通过汽车平路制动工况，测试路面附着系数。

所述的信息采集单元其特征是包括前轮轮速传感器、后轮轮速传感器、汽车质心加速度传感器、车速传感器、前轮垂向线位移传感器(用于测试前轮垂向载荷)、后轮垂向线位移传感器(用于测试后轮垂向载荷)和制动踏板制动信号触发器、离合器踏板离合器分离信号触发器。

所述的信息采集单元中的前轮轮速传感器和后轮轮速传感器分别固装在前后轮轴上，前轮轮速传感器的信号输出线通过接线端子直接插接在斯密特7414触发器U5：A的接线端子1上，斯密特7414触发器U5：A的接线端子2连接在74ALS153双通道4输入多路复用器U6的信号引脚1X0上，后轮轮速传感器的信号输出线通过接线端子直接插接在斯密特7414触发器U5：B的接线端子3上，斯密特7414触发器U5：B的接线端子4连接在74ALS153双通道4输入多路复用器U6的信号引脚1X1上，前轮轮速传感器和后轮轮速传感器采集到的信号分别经过斯密特7414触发器U5：A和斯密特7414触发器U5：B滤波整形后，将数据信号传输给74ALS153双通道4输入多路复用器U6，参阅图2所示。

所述的信息采集单元中，车轮垂向载荷的测试，采用线位移传感器并列安装于车架与钢板弹簧座之间，通过标定垂向位移的变化量与车轮垂向载荷的变化量之间的关系，实现车轮垂向载荷的测量。

所述的信息采集单元中，前轮拉线式位移传感器信号输出线串联固定电阻R2，固定电阻R2连接到A/D数模转换器ADC0809的IN2引脚上，后轮拉线式位移传感器信号输出线串联固定电阻R6，固定电阻R6连接到A/D数模转换器ADC0809的IN3引脚，汽车质心加速度传感器信号输出线串联固定电阻R4，固定电阻R4连接到A/D数模转换器ADC0809的IN1引脚，车速传感器信号输出线串联固定电阻R5，固定电阻R5连接到A/D数模转换器ADC0809的IN0引脚

所述的信息采集单元中的前后轮拉线式位移传感器、汽车质心加速度传感器、车速传感器采集到的信息经过固定电阻分压后，将数据信号传递给模拟量处理模块8通道A/D数模转换器ADC0809，将模拟量转换为数字量后输给AT89C51单片机。所述的信息采集单元中，制动踏板制动信号触发器的信号输出引线连接到74HC4006芯片U7：A的C管脚上，离合器踏板离合器分离信号触发器的信号输出引线连接到74HC4006芯片U7：B的C管脚上，锁存器74HC4006芯片U7：A的X管脚与锁存器74HC4006芯片U7：B的X管脚短接，锁存器74HC4006芯片U7：A的Y管脚连接到或非门74LS02芯片U4：C的引线9上，锁存器74HC4006芯片U7：B的Y管脚连接到或非门74LS02芯片U4：C的引线8上，或非门74LS02芯片U4：C输出引线10连接到AT89C51单片机的P3.2引脚上。

所述的信息采集单元中的制动踏板制动信号触发器和离合器踏板离合器分离信号触发器，接收到触发信号脉冲后，经与非门74L502转换为低电平通过单片机的相应接口输送给单片机。

所述的数据处理单元主要包括实现模数转换的8通道A/D数模转换器ADC0809、用于为脉冲信号除噪的施密特触发器7414以及实现多数据锁存与传输的双通道4输入多路复用器74ALS153和实现三态输出的74LS373八D锁存器，参阅图2所示。

数模转换器ADC0809的数字信号输出引脚2.1～2.8通过数据总线连接在AT89C51单片机的P0.0～P0.7引脚上，数模转换器ADC0809的ADDC引脚与锁存器74ALS373的Q2引脚相连，数模转换器ADC0809的ADDB引脚与锁存器74ALS373的Q1引脚相连，数模转换器ADC0809的ADDA引脚与锁存器74ALS373的Q0引脚相连，锁存器74ALS373的D0引脚与AT89C51单片机的P0.0引脚相连，锁存器74ALS373的D1引脚与AT89C51单片机的P0.1引脚相连，锁存器74ALS373的D2引脚与AT89C51单片机的P0.2引脚相连。多路复用器74ALS153的1Y引脚与AT89C51单片机的P3.4引脚相连，多路复用器74ALS153的A引脚与AT89C51单片机的P2.4引脚相连，多路复用器74ALS153的B引脚与AT89C51单片机的P2.3引脚相连，多路复用器74ALS153的1E引脚与2E引脚短接后，连接在AT89C51单片机的P3.2引脚上。

所述的控制、计算、分析系统采用AT89C51单片机，该单片机内置路面附着系数求解模型。

所述的路面附着系数求解模型其特征是对信息采集单元采集的汽车信息进行运算处理，解算出路面附着系数，路面附着系数求解模型参阅图3所示。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明采用了具有多通道的汽车信息采集单元，因此本发明方法能够实时在线对路面附着系数进行测量。2、本发明通过单片机对由数据处理单元得到的汽车状态数据进行运算处理，能够实时得到路面附着系数，并能够将处理后的结果通过LED显示器显示。检测系统结构简单，适用范围广，测试精度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1附着系数测试系统结构框图

图2附着系数测试系统电路图

图3路面附着系数求解模型

图4双轮车辆制动模型

具体实施方式

为了能实时测试路面附着系数，本发明提供了一种路面附着系数实时检测方法和测试系统。

本发明的路面附着系数实时检测方法包括如下步骤：

(4)通过路面附着系数计算模型，获取路面附着系数；

(5)在显示装置上实时显示附着系数。

所述的一种路面附着系数实时测试方法，其特征是以汽车平路制动过程中能量传递及消耗为基础，根据能量守恒定律构建路面附着系数实时检测模型，

所述的信息采集单元中，前轮拉线式位移传感器信号输出线串联固定电阻R2，固定电阻R2连接到A/D数模转换器ADC0809的IN2引脚，后轮拉线式位移传感器信号输出线串联固定电阻R6，固定电阻R6连接到A/D数模转换器ADC0809的IN3引脚，汽车质心加速度传感器信号输出线串联固定电阻R4，固定电阻R4连接到A/D数模转换器ADC0809的IN1引脚，车速传感器信号输出线串联固定电阻R5，固定电阻R5连接到A/D数模转换器ADC0809的IN0引脚

所述的信息采集单元中的前后轮拉线式位移传感器、汽车质心加速度传感器、车速传感器采集到的信号经过固定电阻分压后，将数据信号传递给模拟量处理模块8通道A/D数模转换器ADC0809，将模拟量转换为数字量后输给AT89C51单片机。所述的信息采集单元中，制动踏板制动信号触发器的信号输出引线连接到74HC4006芯片U7：A的C管脚上，离合器踏板离合器分离信号触发器的信号输出引线连接到74HC4006芯片U7：B的C管脚上，锁存器74HC4006芯片U7：A的X管脚与锁存器74HC4006芯片U7：B的X管脚短接，锁存器74HC4006芯片U7：A的Y管脚连接到或非门74LS02芯片U4：C的引线9上，锁存器74HC4006芯片U7：B的Y管脚连接到或非门74LS02芯片U4：C的引线8上，或非门74LS02芯片U4：C输出引线10连接到AT89C51单片机的P3.2引脚上。

工作时，将信息采集单元的各个传感器安装在被测汽车上，驾驶员踩下制动器踏板的同时，踩下离合器踏板。此时两踏板分别触发了制动踏板触发器和离合器踏板触发器，两触发器将信号传输给单片机，单片机接收到两触发信号后，控制数据采集系统开始采集汽车运行信息。

信息采集单元将前后车轮轮速传感器测得的前后车轮的轮速信息，送入到施密特触发器7414，经其滤波整形后输入到单片机，由单片机分析、计算、存储或输出前后车轮轮速；信息采集单元将加速度传感器测得的汽车纵向加速度a_x信息、车速传感器测得的汽车车速v信息、前后车轮线位移传感器测得的车架的位移变化量信息送入到数模转换器ADC0809，将输入的模拟量转变为数据量，再传送给单片机，由单片机分析、计算、存储或输出汽车纵向加速度、汽车车速v、前后车轮载荷F_Ni(i=1，2)；单片机通过内置的路面附着系数求解模型对上述的信息进行分析计算，最后通过LED显示器显示测得的路面附着系数值。每次测量结束后，通过复位键清零。通过上述步骤后，能够精确测量路面的附着系数。实施例：

为验证所发明的路面附着系数实时检测方法与测试系统的可靠性，选定附着系数为0.8-0.9的干沥青路段试验。选定目标车速分别为50km/h、60km/h、70km/h。对质量为m的车辆，从0km/h加速至目标车速(50km/h、60km/h、70km/h)后维持5s后制动，驾驶员踩下制动踏板的同时，踩下离合器踏板，每种车速下重复试验三次。试验测得的路面峰值附着系数见表1、2、3。

表1目标车速50km/h时，试验路面峰值附着系数值

表2目标车速60km/h时，试验路面峰值附着系数值

表3目标车速70km/h时，试验路面峰值附着系数值

表4路面峰值附着系数试验数据分析

可以看出由路面附着系数实时检测系统测得的路面峰值附着系数的实时测试值X_i及均值均在标准值0.8～0.9范围内，说明路面附着系数实时检测系统能够精确地测试出路面的峰值附着系数。进一步进行误差分析，参阅表4所示，同一目标车速下反复制动测试时，其标准差最大不超过2.5％；不同目标车速多次制动测试时，其标准差也仅为0.7％，表明所发明的路面附着系数实时检测系统具有良好的重复性。

以上的实施例，证明了本发明具有较高的测试精度和良好的重复性，可用于路面附着系数的实时检测。上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构和参数等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种路面附着系数实时检测方法，其特征在于:

以汽车平路制动过程中能量传递及消耗为基础，根据能量守恒定律构建的路面附着系数实时检测模型，测得路面附着系数，具体步骤如下：

（1）建立汽车制动工况下路面附着系数实时检测模型和测试系统；

（2）车辆平路行驶条件下，实施制动，驾驶员在踩下制动器踏板的同时，踩下离合器踏板，以隔绝发动机制动；

（3）信息采集系统采集前后车轮的转速、汽车质心纵向加速度、汽车车速、前后车轮垂向载荷；

（4）通过路面附着系数实时检测模型，获取路面附着系数:

式中：C_D为空气阻力系数；A为汽车的迎风面积，m²；v为汽车行驶速度，km/h；m为整车质量，kg；a_x为汽车行驶纵向加速度，m/s²；F_Ni为前后车轮垂向载荷，N；为-车轮轮速，km/h；

（5）在显示装置上实时显示附着系数。

2.用于权利要求1所述的一种路面附着系数实时检测方法的测试系统，该系统主要由四个部分构成，包括用于实时采集汽车信息的信息采集单元，用于处理所述信息采集单元输入信息的数据处理单元，用于控制数据采集、实现数据计算分析并控制结果输出的单片机系统，以及一个LED输出显示装置，其特征在于:

所述信息采集单元包括前轮轮速传感器、后轮轮速传感器、汽车质心加速度传感器、车速传感器、用于测试前轮垂向载荷的前轮垂向线位移传感器、用于测试后轮垂向载荷的后轮垂向线位移传感器、制动踏板制动信号触发器、离合器踏板离合器分离信号触发器。

3.根据权利要求2所述的一种路面附着系数实时测试系统，其特征在于：

所述的车轮垂向载荷的测试，采用线位移传感器并列安装于车架与钢板弹簧座之间，通过标定垂向位移的变化量与车轮垂向载荷的变化量之间的关系，实现车轮垂向载荷的测量。