（机械设计及理论专业论文）车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计.pdf

摘要 本论文主要研究了汽车制动性能道路检测方法，设计了基于l a b v i e w 和 m a t l a b 混合编程的汽车制动性能虚拟检测仪。该仪器利用汽车轮速及加速度测 量结合计算机软测量方法实现了车辆道路制动性能的便携式综合检测。为简化结 构，降低成本，提出从a b s 控制器接口获取轮速传感器信号，利用u s b 总线进行 数据采集，并且整个系统基于l a b v i e w 虚拟仪器平台的设计方案，并且在车载 传感器信号不易获取的情况下提出了替代软测量算法。虚拟制动性能检测仪检测 内容主要分为三部分：车辆整车行车制动性能，a b s 防抱死制动系统工作性能以 及制动稳定性检测。该虚拟汽车制动性能检测仪不仅为汽车性能道路检测方法提 供了新思路，更为整车以及汽车制动器参数设计提供了试验平台，是面向设计的 虚拟试验仪器。 全文主要内容包括： 一、提出仅外接加速度传感器就可以实现车辆制动性能道路检测的方法，设 计了相应的便携式车辆制动性能检测的总体方案。 二、基于u s b 总线系统的数据采集器设计。作为检测仪主要的硬件设备， u s b 数据采集器不仅能够成功实现数据采集，而且接口简单，使用方便，很适合 便携式设备使用。 三、基于扩展卡尔曼滤波的车辆制动状态估计软测量设计，提出了基于七自 由度车辆动力学模型的汽车制动参数以及轮胎受力参数的卡尔曼滤波估算方法。 该算法主要利用轮速以及车身纵向和横向加速度作为观测参数，保证硬件测量容 易实现，并且避免了传统车辆运动模型中轮胎模型的建立，从而大大简化了运算 过程，同时利用自适应算法实现了系统噪声以及测量噪声统计特性的在线估计。 四、提出了一种基于踏板力输入及整车线性模型估计制动性能的替代算法。 替代算法主要应用于车载传感器信号难以获取的情况，采用纵向和横向线性分步 建立汽车运动模型，简化算法。 五、基于l a b v i e w 与m a t l a b 混合编程的虚拟仪器控制软件平台设计。把 计算机硬件资源和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，通过软件实现对数据 的分析处理和显示表达。 ，_一 哆。 i 一l k f ， v 关键词：制动性能检测，a b s 防抱死系统，制动稳定性，l a b v i e w ，m a t l a b ，u s b 总 线数据采集，卡尔曼滤波状态估计 。 i a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e dt h ev e h i c l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t i n gm e t h o d a n dd e s i g n e dt h ep o r t a b l et e s t i n gi n s t r u m e n tb a s e do nl a b v i e wa n d m a t l a bm i x e d p r o g r a m m i n g t h e m e a s u r e m e n tv e c t o r sa r ev e h i c l e a c c e l e r a t i o na n dw h e e lv e l o c i t yw h i c ha c q u i r e df r o mt h ev e h i c l ea n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e m se c u o t h e rp a r a m e t e r sa r ee s t i m a t e db ys o f tm e a s u r e m e n t a l g o r i t h m t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb a s e do nu s bb u s t h ew h o l e s o f t w a r ep l a t f o r mi sb a s e do nt h ev i r t u a ld e v i c e ( l a b v i e w ) s y s t e m t h e r ea r e t h r e ep a r t so ft e s t i n gc o n t e n t ：t h ew h o l ev e h i c l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t ，t h e a b sw o r kp e r f o r m a n c et e s ta n dt h ev e h i c l eb r a k i n gs t a b i l i t yp e r f o r m a n c et e s t t h ev i r t u a lt e s t i n gi n s t r u m e n tn o to n l yp r o v i d e dt h en e wi d e af o rv e h i c l e p e r f o r m a n c er o a dt e s ta n da l s oo f f e r e dt h et e s tp l a t f o r m f o rc o r r e l a t e d p a r a m e t e r sd e s i g n 。 t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e sf i v ep a r t s ： f i r s t l y , t h es c h e m a t i cd e s i g no ft h ev e h i c l ep e r f o r m a n c ep o r t a b l et e s t i n g i n s t r u m e n t w er e a l i z e dt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c er e a dt e s t i n go n l yu s i n g a c c e l e r a t i o ns e n s o r s e c o n d l y , t h ed e s i g no fu s bd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a st h em a i n l yh a r d w a r e d e v i c eo ft h et e s t i n gi n s t r u m e n t ，t h eu s bd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c en o to n l yc a n s u c c e s s f u l l yc o l l e c tt h ed a t a b u ta l s oh a ss i m p l ei n t e r f a c et h a tf i tf o rp o r t a b l e i n s t r u m e n tu t i l i z i n g t h i r d l y , t h ev e h i c l eb r a k i n gs t a t ee s t i m a t i o nb a s e do ne x t e n d e dk a l m a n f i l t e r w ee s t i m a t et h ev e h i c l eb r a k i n gs t a t ea n dt i r ef r i c t i o nf o r c e sb a s e do n s e v e n - d e g r e eo ff r e e d o mv e h i c l ed y n a m i cm o d e la n da d a p t i v ek a l m a n f i l t e r w et o o kt h ew h e e lv e l o c i t ya n dt h ev e h i c l ea c c e l e r a t i o na sm e a s u r e m e n t v e c t o r t h i sm e t h o da l s oa v o i d e dt oc r e a t et h et i r em o d e it h a ts i m p l i f i e dt h e c a l c u l a t ep r o c e s sa n dr e a l i z e dt h eo n - l i n ee s t i m a t i o nf o rt h es t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i co fs y s t e mn o i s ea n do b s e r v a t i o nn o i s e f o u r t h l y ，t h es u b s t i t u t ea d t h m e t i cd e s i g nw h i c hb a s e do nb r a k ep e d a lf o r c e i n p u t t h es u b s t i t u t ea r i t h m e t i cs e t su dl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ld i r e c t i o nl i n e a r e q u a t i o na n dt h ev e h i c l em o d e li ss i m p l i f i e d f i f t h l y 。t h es o f t w a r ep l a t f o r md e s i g nb a s e do nl a b v l e wa n dm a t l a bm i x e d p r o g r a m m i n g k e y w o r d s ：b r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t , a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，b r a k i n gs t a b i l i t y , l a b v i e w , m a t l a b ，u s bd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e , k a l m a nf i l t e rs t a t ee s t i m a t i o n 学号2 里i 2 生! 丝 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的屙志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 弓1 咏 签字日期：2 。p 石年亏月厂口4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：谚郦 导师签名：暖至一 签字日期：如。年弓月z 口日 签字日期： 以年岁月口日 学位论文作者毕业后去向。 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 第一章绪论 摘要本章介绍课题研究背景，国内外相关研究发展情况以及汽车制动性能检测标准与检测 方法概述。在此基础上，详速了课题研究意义，并且介绍了本文主要研究内容以及研究重点 和难点 关键词：制动性能检测检测标准台试法路试法 1 1 课题背景 随着汽车工业的快速发展以及人民生活水平的不断提高，我国的汽车需求 量也在与日俱增，特别是加入w t o 以后，我国的汽车拥有量迅速增长，汽车 已经成为当代中国社会最重要的交通运输工具。 汽车在给人们的生活带来极大便利的同时，也带来不少社会问题：汽车的 废气和噪声对环境造成了严重的污染，随着汽车人均拥有量的增加造成交通拥 堵，环境秩序混乱，特别是因其造成的交通安全事故给人类的生命财产安全带 来了严重的威胁。我国汽车保有量只占全世界的1 9 ，但事故死亡人数却占全 世界的1 5 左右，已经成为世界上道路交通事故最为严重的国家。在2 0 0 4 年 的交通事故中，因机械故障造成的死亡人数为4 5 2 7 人，而机械故障中主要是 由于制动失效和制动不良所引起的。可见，制动系统是保证行车安全的重要系 统。汽车本身又是一个复杂的系统，随着行驶里程的增加和使用时间的延续， 其技术状况将不断恶化。因此，一方面要不断研制性能优良的汽车；另一方面 要借助维护和修理，恢复其技术状况。无论是对在用车还是新车进行检测都是 非常必要的【3 】。 不仅如此，汽车的制动性能还直接影响到汽车行驶的燃料经济性和生产运 输效率。因此作为汽车安全以及经济效益检测的重要指标，汽车制动性能检测 具有十分重要的意义。 1 2 国内外汽车检测技术发展概况 国外汽车检测技术发展概况 _ 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 汽车检测技术是从无到有逐步发展起来的，早在2 0 世纪5 0 年代一些工 业发达国家就形成了以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术并生产单项检 备。6 0 年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、 理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化的检测技术。进入7 0 年代以来， 随着计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、数据采集处理自动化、检测结 果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。在此基础上，为了加强汽车管 理，各工业发达国家相继建立了汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化【4 l 。 国内汽车检测技术发展概况 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究汽车检测技术。7 0 年代，我国大力发展 了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委的开发应用项目。 进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的发展， 汽车检测及诊断技术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通 运输业发展迅猛，对汽车检测技术和设备的需求也与日俱增。我国机动车保有 量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社会问题。如何保证车辆快 速、经济、灵活，并尽可能不造成社会公害等问题，逐渐被提到政府有关部门 的议事日程，因而促进了汽车诊断与检测技术的发展。2 0 世纪8 0 年代初，交 通部在大连市建立了国内第一个汽车检测站；8 0 年代中期，公安部在交通部建 设汽车检测站的基础上，进行了推广和发展，形成了全国的汽车检测网。目前， 我国已能自己生产全套汽车检测设备，如大型的技术较复杂的汽车底盘测功机、 发动机综合分析仪、四轮定位仪、悬挂检验台、制动检验台、排气分析仪、灯 光检验仪等。这些检测设备对推动我国汽车工业和汽车维修行业的繁荣和进步 起到了积极作用。虽然检测设备的研制生产水平取得了很大的进步，但与世界 先进水平相比还有一定距离吲。 由于汽车制造业和电子技术的飞速发展，一些发达国家的汽车制造商纷纷研 制各种车用计算机控制系统。为了在行驶中掌握车辆的动态和工况，他们在车辆 的关键部位安置了各类传感器，并由电子线路将信号处理后送到车载计算机，计 算机分析这些信号再根据事先设置的程序，控制各种机电执行机构，自动进行调 节从而使车辆处于最佳工况各种随车诊断检测系统也就应运而生。这种系统将 车辆上各种相关的反映车辆工况的参数读入后，即可分析测得的各种反应车辆技 2 - 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 术状况的数据。国内专家以为这种随车传感器系统可能在不久的将来使我国的汽 车检测技术步入又一个新的阶段，而且有可能使目前流水线式的检测形式发生根 本的变化。但是，这种随车诊断系统与故障分析系统的组合要取代目前的检测线 必须首先解决以下两个关键问题。一是必须更全面地获取反映车辆技术状况的信 息。因为目前的随车传感器系统只能提供一些单项参数信息如温度、压力、真空 度、液面等等参数，还不能获取诸如前轮定位、制动性能、底盘输出功率这样的 综合参数信息。二是系统的标准化问题。因为目前各厂家设计针对自己产品的系 统，在获取信号的规范化与通用化方面还有很多工作要做。嘲 1 3 车辆制动性能评价研究 汽车的制动性能指汽车在行驶过程中制动时新具有的强制减速( 或连续下坡 时维持一定速度) 乃至停车的能力。 对于汽车制动性能的评价和要求，各国都制定了一些法规，我国的强制性 标准是g b l 2 6 7 6 - 1 9 9 9 汽车制动系结构、性能和试验方法、g b 7 2 5 8 机动车 运行安全技术条件。汽车各项性能指标除应满足设计任务书的规定和国家标 准、法规制定的有关要求外，也应考虑销售对象国家和地区的法规和用户要求。 汽车制动系必须具有足够的制动效能，包括行车制动效能和驻坡制动效能。 行车制动效能是用在一定的制动初速度下或最大踏板力下的制动减速度和 制动距离两项指标来评定，它是制动性能最基本的评价指标。表1 - 1 列出了某些 国家对轿车行车制动系统的要求嘲。 3 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 表1 1 轿车行车制动性能要求 项目中国欧洲经济共同体美国1 0 5瑞典f 1 8 ( e e c ) 7 1 3 2 0 试验路面干水泥路面附着良好 s k i dn o 8 1 谚= o 8 载重 满载一个驾驶员或满载轻，满载任何载荷 制动初速8 0 k m ，h8 0 k n l ，h9 6 5 4k m h8 0 k m h 制动稳定性不许偏出不抱死跑偏不抱死偏出不拖死跑偏 3 7 m 通道 3 6 6 m 制动距离或 s 5 0 7 m5 0 7 m6 5 8 m5 8 m s 2 制动减速度 5 8 m s 2 踏板力 5 0 0 n 5 0 0 n6 6 7 n - 6 6 7 n o 时，s ( s c ，需增加s 掌( o 时，s ) s c ，需减少s 宰：0 时，s = s c ，需保持s 根据g b l 3 5 9 4 9 2 ( 汽车防抱制动性能要求和试验方法) ，进行附着系数利用 率试验，首先计算制动因数z ： z = 0 5 6 ，t 。 t 一车辆初速为5 0 k m h 时进行制动，测出车速从4 0 k m ，h 减速到2 0 k m h 时所经历的时间。 多次制动后得到最大制动因数。 然后确定附着系数峰值破。： 小鬻只i + 等乙 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 e 一静法向力总和： 毛。一前轴静法向力： e ：一后轴静法向力： 日一车辆质心高度： 工一轴距 最后确定附着系数利用率占： z 占= 一 缸 由于台试法中普遍使用的反力滚筒式制动测试台无法检测出a b s 系统的 工作情况，而目前生产的汽车基本上都配备了a b s 系统，因此台试与实际情况 下汽车的制动性能会由于a b s 调节与否而产生较大的差异。因而作为体现路试 优点的重要一环，a b s 性能检测必不可少。 2 2 3 制动稳定性检测 所谓汽车制动时的方向稳定性是指制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去 转向能力的性能。制动跑偏是指汽车直线行驶制动时自动向左或向右偏驶的现 象。侧滑是指汽车制动时，某一轴的车轮或两轴的车轮发生横向滑动的现象， 其最危险的情况是高速制动时后轴发生侧滑。汽车制动时，前轴抱死使汽车失 去转向能力，但汽车处于稳定状态；后轴抱死则可能使汽车失去控制，处于非 稳定状态，因此若出现后轮先抱死，则很可能发生侧滑。汽车制动过程中的跑 偏与侧滑，是影响汽车行驶安全性，乃至造成交通事故的主要原因。因此，世 界各国汽车行业都很关注对汽车制动稳定性的研究。在我国汽车质检工作中， 也明文规定将汽车制动方向稳定性作为车辆主要检测项目之一【1 5 1 。 对于车辆制动稳定性检测方面，传统的做法是通过测量制动时轮胎偏移痕 迹进行简单判断。国标中也仅仅是做出不许偏出3 7 m 轨道的笼统规定。作为 重要的车辆制动性能评价指标，便携式制动性能检测仪对制动稳定性做了更为 具体，定量的分析。主要通过对车辆横摆角速度的测量，迸行稳定性检测。这 部分主要是通过软测量方法进行参数估算 1 7 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 目前对于汽车行驶稳定性研究基本上是以二自由度或四自由度模型为基 础，把汽车整体看成刚体，使用线性轮胎模型，不能准确反映汽车的实际运动 状态。但是由于车辆运动时轮胎受力的复杂特性，要建立准确的轮胎非线性模 型进行计算十分困难。本文将采用基于扩展卡尔曼滤波的汽车行驶状态估计方 法进行车辆制动稳定性软测量，具体的估算方法将在下面的章节中详细说明。 2 3 方案优缺点比较 相对于传统的汽车制动性能检测仪，该设计方案有如下的优缺点。 设计方案优点： 1 实现了车辆制动性能综合检测，除了完成g b 厂r 1 2 6 7 6 1 9 9 9 规定测试内 容外，加入a b s 以及操纵稳定性检测，使得检测仪更适应现代轿车发展需求。 2 采取硬件测量与软测量( 计算测量) 相结合的方法，在保证仪器结构简单， 安装拆卸方便的同时，满足测量精度的要求，并节约了成本。 3 采用从a b s 的e c u 中读出车载传感器信号的方法”3 1 ，避免改变车辆本 身结构，同时节约了成本数据采集系统基于u s b 总纠1 4 1 ，可方便地与便携 式电脑相连，实现了数据实时采集同时也更适用于非专业的普通用户。 4 软件设计主要基于l a b v l e w 虚拟仪器平台，既能充分利用电脑强大的 数据处理功能进行软测量，又能利用l a b v l e w 软件强大的信号处理功能，对 传感器信号进行滤波处理。 5 便携式测量使得检测过程不受试验场地限制，可以在实际路面上使用， 更方便非专业用户使用。 6 虚拟制动性能检测仪不仅是以软件为主体的检测仪器，更为整车以及汽 车制动器参数设计提供了试验平台，是面向设计的虚拟试验仪器。 设计方案缺点： 1 因为需要从a b s 的e c u 中读出轮速信号，因而待检测车辆必须配备 a b s 系统，相对限制了使用范围。但是随着计算机技术与现代控制理论的迅 1 8 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 速发展，目前全世界已有9 0 以上的汽车装备了a b s 系统。因此设计的便携 式检测仪应该能基本满足市场的需求。 而不同车型，不同型号的a b s 系统e c u 安装方位不同，车轮转速传感器 信号接口位置也各有不同，对于某些难以实现轮速信号测量的车辆只能采用加 速度单输入检测，影响了检测精度，但也足以完成国标要求。 2 u s b 数据采集系统的采样频率相对于其余嵌入式采集卡稍有不足，而 且软件处理数据的复杂特性在检测数据实时传输显示时仍然会有延时的情况出 现，这对于测量实时性会产生影响。但如果在采集数据同时进行数据存储则可 以对采样数据离线处理。 3 由于舍弃了非接触式光电传感器的使用，而是用基于状态估计的软测 量代替，难免会有假设模型带来的系统误差。在计算过程中将采用自适应算法 进行适当地误差补偿。 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 第三章数据采集系统设计 摘要数据采集系统是虚拟汽车制动性能检测仪的主要硬件，整个数据采集系统可以分为三 部分：传感器部分、信号预处理部分和数据栗集器其中，数据采集器是硬件系统核心， 这里为配合虚拟仪器使用，选取基于u s b 总线的数据采集方式，采集器设计包括硬件电路 设计和软件程序设计 关键词：u s b 总线车栽传感器轮速采集p d i u s b d l 2目件驱动程序 3 1 传感器部分研究 要达到测量目的，关键的测量量为车辆轮速信号、车辆车速信号、踏板压 力信号或制动管路压力信号。如果外接轮速传感器，则其安装拆卸十分不便， 也会改动车辆结构。而外接专用的车速传感器( 如五轮仪，非接触式光电传感 器) 则使设备结构庞大，而且价格昂贵，因此考虑从a b s 控制器中接出轮速传 感器信号的方案。 由于有的车辆( 一般为欧洲车) 只能用专用诊断测试仪才能读取a b s 控制 单元代码。唧为提高产品通用性，决定直接用示波器搭接在轮速传感器的信号 输出端子上，对轮速传感器的输出电压信号进行测量。目前比较通用的是磁电 式转速传感器，可以根据传感器输出电压信号频率计算车轮转速f 1 6 1 。 国= 等， ，电压信号频率，r _ 一车轮半径，卜齿轮齿数 兰筝为常数，因而误差主要来自，的测量，该方法在轮速较高时误差较大。 而采用在固定测量时间内对轮速传感器发出的脉冲信号进行计数的方法在轮速 较低时误差较大，因而通常结合这两种方法，采用多倍周期法。 轮速脉冲信号按固定分频数进行分频，对被测周期进行倍乘，从而计算轮 速脉冲频率，。 ，= 予= 景 小一周期倍乘数；n - m 个周期内累计的时标脉冲个数：f 一时标信号周期 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 目前国内仅在一些四轮驱动车辆的a b s 系统或悬架电控系统中安装加速 度传感器【1 1 l ，为提高产品精度，需外加加速度传感器对由车轮轮速计算而来的 车速进行补偿。本实验采用压电式加速度传感器。 由于，= k 口。 佟一归一化系数。 因此只要测得加速度传感器的输出频率即可得到车辆加速度信号。 在车辆制动过程中，a b s 系统实时监测车轮运动状态，并通过电磁阀调节 轮缸制动压力，使制动效果达到最佳。因此制动管路压力是车辆a b s 系统工作 时直接控制的参数，能够直接反映a b s 的工作过程，但由于传感器在不改变车 辆结构的前提下安装困难，本次设计就不测量了。仅采用踏板力传感器信号作 为制动触发信号，同时通过a b s 系统e c u 监测增压阀和减压阀的开关状态， 从而闻接了解a b s 系统工作状态。 最后确定系统d a q 将主要采集三种共7 路传感器信号，分别是：4 路车轮 转速信号、2 路加速度信号( 包括横向以及纵向) 、1 路脚踏板压力信号。这7 路信号的检测读取都相对简单，因而可以达到便携式设备要求。 3 2 信号预处理部分研究 车载系统由于环境复杂，干扰严重，因此有必要对传感器信号进行预先处 理。为防止干扰和使用失误造成的损害，采用稳压二极管作保护电路。【1 明 作为a b s 检测过程中最重要的参数，轮速信号测量值直接影响到检测精 度。在轮速采集过程中，轮速传感器输出正弦波，随着转速的变化，其频率及 幅值变化大，先采用r c 滤波电路滤去高频干扰信号，再经过l m 3 3 9 比较器进 行信号整形，输出方波。采用光电隔离技术，能有效抑制尖峰脉冲以及噪声干 扰，再用频率法计算出车轮转速。其中，轮速信号调理电路如下【1 卜1 9 1 ： 2 l 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 图3 - 1 轮速信号调理电路 轮速变化一般在5 m s 以上，所以最大采样频率在lk h z 或2 k h z 也就足够 了 另外，在模拟信号通道中仍需加入低通滤波器去除干扰信号。 由于管路压力难以测量，作为辅助信号的踏板力信号的精确度就显得尤为 重要。因此，除了选用高精度的压力传感器外，对于外围运算放大器精度也需 要得到保证。 作为重要测量参数的惯性敏感元件加速度传感器信号误差由于数学模型中 的积分公式得到了积累和放大，因此有必要对其进行数字滤波。 另外，利用l a b v i 刚软件强大的信号处理功能，还可以对各种传感器信 号进行滤波处理，从而得到更精确的试验结果。 3 3 数据采集器设计 为了配合便携式设备使用，将采用基于u s b 总线的数据采集器，汽车轮速 变化一般在5 m s 以上，所以最大采样频率在l k h z 或2 k h z 就足够了，因此用 u s b 总线传输的数据采集器足以满足要求。 数据采集器结构如图3 - 2 所示。 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 3 3 1 采集器硬件系统 图3 - 2 数据采集器结构图 整个数据采集系统的硬件大致可以分成三个部分：n d 转换器接口电路、 微控制器接口电路以及u s b 控制器接口电路。硬件系统框图如图3 3 所示： i3 路模l 信 刊一换p m c uu s b l a b v i e w i 拟信号l 号 微 控 调控 止 制 一 l4 路频 理 制 h、r 叫 主控平台 电 卜 t ， l 率信号 器片 路 图3 - 3 硬件系统框图 m c u 大部分时间处在对循环数据缓冲区中配置标志位的轮询状态中。上位 机通过u s b 端口向下位机发送信号，触发m c u 上u s b 通信的中断服务程序。 当m c u 接到a ，d 转换启动转换命令时，启动模数转换。当全部通道转换完成， m c u 将全部转换结果通过u s b 控制器发到上位机，完成一次数据采集。 转速传感器输出信号经滤波整形后，可直接接到5 1 单片机的定时，计数器 一 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 上，通过统计1 s 内的脉冲个数计算轮速。 现在的u s b 生产厂商很多几乎所有的硬件厂商都有u s b 的产品。u s b 控制器一般有两种类型【2 0 j ；一种是m c u 集成在芯片里面的，如i n t e l 的 8 x 9 3 0 a x 、c y p r e s s 的e z - u s b 、s i e m e n s 的c 5 4 1u 以及m 0 1 o l o r a 、 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s 等公司的产品；另一种就是纯粹的u s b 接1 3 芯片， 仅处理u s b 通信，加p h i l i p s 的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) 、p d i u s b p l l a 、 p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 、 u s b n 9 6 0 4 等。前一种由于开发时需要单独的开发系统，因此开发成本较高， 而后一种只是一个芯片与m c u 接口实现u s b 通信功能，因此成本较低，而且 可靠性高。因此本设计选用了p h i l i p s 公司生产的p d i u s b d l 2 作为u s b 接 口芯片【2 1 l 。 6 m h z 3 3v p u ；勤戎 再d + ttd 一 位时钟 恢复 1 j 鬈u i 玎b 鳓b s o f k h n t 雠t p h l u p s i 电压校准器i高 图3 - 4p d i u s b d l 2 内部结构框图 而主控制芯片则选用较为常用的a t 8 9 s 5 2 ，兼容m c s 5 1 系列指令芯片。 a d 芯片选用1 2 位逐次比较式a d 转换芯片a d l 6 7 4 。其转换速度快，可达1 0 0 k s p s ，且片内带有采样，保持器和具有三态输出的缓冲器，使电路设计更简单 且易与各种计算机接口。圈 其中数据采集部分具体硬件电路图r 啪】如图3 - 5 所示： 2 4 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 图3 - 5 数据采集器硬件电路图 3 3 2 采集器软件系统 采集系统软件部分主要分为两个部分：下位机程序设计即系统固件设计、 上位机驱动程序设计1 3 0 l 。 固件程序是指被固化到m c u 内部的程序，它主要完成两个任务：控制a ，d 芯片进行采样和通过p d i u s b d l 2 和主机进行通讯。m c u 控制a ，d 启动模数 转换，读取采样值，将数据存储到缓冲区并设定标志位等。 固件设计主要完成设备枚举、主机与设备的数据交换、设备端的数据处理 和控制等工作，它的最终目标是设备与主机以最大的传输速率通信。作为设备 端主控制器的m c u 要忙于处理许多设备控制和数据处理等任务，因此固件程 序设计成前后台模式，把设备端数据处理和控制作为m c u 的前台任务，枚举 及枚举成功之后的u s b 数据交换放在后台进行。这样可确保最佳的传输速率和 更好的软件结构，便于编程和调试。【3 0 】【2 0 l 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 固件程序的积木式结构如下【3 0 1 ： 各模块程序的分工如下f 2 噼1 j ： 硬件提取层：对单片机的i o d 、数据总线等硬件接口进行操作。 - p d i u s b d l 2 命令接口：对p d i u s b d l 2 器件进行操作的模块子程序集。 中断服务程序：当p d i u s b d l 2 向单片机发出中断请求时，读取p d i u s b d l 2 的 中断传输来的数据，并设定事件标志“e p p f l a g s ”和s e t u p 包数据缓冲区 “c o n r o l x f e r ”传输给主循环程序。 标准请求处理程序：对u s b 的标准设备请求进行处理。 主循环程序：发送u s b 请求、处理u s b 总线事件和用户功能处理等。 u s b 协议层的操作由p d i u s b d l 2 芯片的串行接口引擎( p s i e ) 完成。可以 通】过指令对器件进行操作。c p u 在前台对u s b 通信进行初始化，对接收到的 数据进行处理，如：分析数据，向端口提供待发送数据，协调u s b 通信与用户 程序的工作。后台为中断服务程序。它响应u s b 通信中断，通过读中断寄存器 辨别中断源，根据不同的中断请求调用相应的中断处理程序。包括：3 个端点 的输入及输出中断、总线复位、挂起改变及d m ae o t 中断。除了端点0 的控 制传输中断外，其他几个的中断服务程序只需设置相应的标志位，或通过指令 直接对端口进行读写操作就可以。端点0 的控制输入、输出处理程序完成u s b 通信的主要控制任务u s b 有1 1 种标准设备请求及厂商请求。控制传输完成 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 这些请求的传输与应答，以建立相应的u s b 通信；并更改相应的标志位，来提 示前台c p u 处理。图3 - 6 和图3 - 7 分别为前台主程序流程图和i s r 中断后台 处理程序流程图【静3 2 2 0 。 图3 - 6 主程序流程图图3 - 7 中断程序流程图 前台主程序主要完成检查事件标志并进入对应子程序进行处理。 p d i u s b d l 2 采用完全的中断式驱动方式，中断服务程序承担着非常重要的工作， 它处理f h p d i u s b d l 2 产生的中断，将数据从p d i u s b d l 2 的内部f i f o 取回到 m c u 存储器，并建立真正的事件标志来通知主循环进行处理。中断服务程序完 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检铡仪设计 全在后台进行，因此在u s b 与主机通讯过程中并不影响m c u 的事件处理，因而 传输速度可以大大加快。 图3 。8 为数据采集中断流程图。 入羲握采集程 n 芝糕掰哆户 、， y 毒沙 赢魂禽夸7 扣一 、” y 选通 4 l s 3 墨黧 镬存输 褡 挽避道 谠壤转换值 返西主程寄 u s b 设备驱动程序使用了 w i n d o w s 驱动程序模型( w d m ) 。处于 w i n 3 2 子系统和硬件抽象层( h a l ) 之 间。它可由4 个模块实现：初始化模块、 即插即用管理模块、电源管理模块以及 i 0 功能实现模块。 3 1 - 3 z 初始化模块提供一个d d v e r e n t r y 入口函数，来对所有的l ，o 请求包i r p 处理例程作定义。 电源管理模块负责设备的挂起与 唤醒。 即插即用管理模块实现u s b 设备 的热插拔及动态配置。当硬件检测到 u s b 设备接入时，w i n d o w s 查找相应 的驱动程序，并调用它的d r i v e r e n t r y 例程，即插即用管理器调用驱动程序的 a d d d e v i c e 例程，告诉它添加了一个设 备：然后，驱动程序为u s b 设备建立一 个f d o ( 功能设备对象) 。p o - 3 z 图3 - 8 数据采集中断流程图 在此处理过程中，驱动程序收到一个i r p m n s t a r t d e v i c e 的 i r p ，包括设备分配的资源信息。至此，设备被正确设置，驱动程序开始与硬 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 件对话。当然，设备运行过程中，如果设备的状态发生变化( 暂停、拔出等) ， 即插即用管理器也同样发出相应的i r p ，由驱动程序进行相应的处理。 l ，o 功能实现模块完成i ，o 请求的大部分工作。当应用程序提出i ，o 请求时， 它调用w i n 3 2 a p i 函数d e v i c e l o c o n t r o l 来向设备发出命令。然后，由l ，o 管理 器构造一个i r p ，并设置其m a j o r f u n c t i o n 域为i r p m j d e v i c e c o n t r o l 。u s b 设备驱动程序收到该i r p 后，根据其中的控制码，构造相应 的u s b 请求块，并把它放到一个新的i r p ，此i r p 被传递到u s b d 模块。u s b d 模块根据此i r p 执行相应的操作，并把结果通过i r p 返回给u s b 功能驱动程 序。u s b 功能驱动程序接到此i r p 后，将操作结果再通过i r p 返回给l ，o 管理 器，并由i o 管理器将结果最终返回给应用程序，至此，对u s b 设备的一次i ，o 操作完成。 3 0 - 3 2 驱动程序开发完成后，整个数据采集卡就是p c 上的一个外围设备，可以 对它进行读写等访问操作。为了使用户能够通过l a b v l e w 平台直接调用u s b 接口数据采集卡，必须重新编写其动态链接库( d l l ) 。d l l 可以在v i s u a lc + + 环境下编写，主要提供设备读、写操作的接口【3 5 】。 浙江大学硕士学位论文车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 第四章基于卡尔曼滤波的制动参数估算 摘要本章主要是介绍了在b e h z a ds a m a d i 的算法基础上，利用车载轮速传感器信号，以及纵 向和横向加速度传感器信号值作为观测参数，踏板力( 制动力矩) 作为输入参数，利用自适 应卡尔曼滤波方法进行车辆制动时状态参数以反轮胎受力估计 关键词：软测量卡尔曼滤波数学模型状态估计 4 。1 基于卡尔曼滤波状态估计方法介绍 在车辆性能检测过程中，一些重要的动力学参数难以直接测量，如车体速度， 质心侧偏角，轮胎侧偏角，横摆角速度，轮胎动态载荷分布等等。这些参数的测 量不准确直接影响到测试结果。在硬件测试难以实现的情况下，采用基手状态估 计的参数软测量方法是十分必要的。 汽车在行驶过程中的轮胎受力是影响汽车运动状态测算的最重要的非线性 因素。其中，r a y l r 在1 9 9 5 年对车辆行驶状态进行了研究 4 6 - - 4 7 ，通过扩展卡 尔曼滤波方法进行汽车状态及轮胎运动参数估计。他在建立五自由度整车模型和 分析轮胎受力模型基础上仿真车辆运动，构造e k b f 估计器估计轮胎受力。2 0 0 1 年，b e h z a ds a m a d i 对r a y l 。r 的算法进行了改进，在七自由度车辆模型基础上， 假设轮胎受力随机模型对汽车行驶状态以及轮胎受力进行了卡尔曼估计。m 垓算 法不需要建立传统算法的复杂轮胎模型，也无需知道轮胎参数和道路参数。对于 普及型汽车运动状态软测量，该算法十分适合。 基于状态估计的卡尔曼滤波方法是将参数测量问题转化为状态观测和状态 估计，即从可观测变量得到不可测或难测变量的估计值。设计卡尔曼估计器需要 系统的状态空间模型和过程与量测噪声方差值，它是对连续或离散问题的最优 解。卡尔曼滤波可分为时间更新过程( 预测) 和量测更新过程( 校正) 两部分。时间 更新过程根据当前时刻的系统状态获得对下一时刻的先验估计，量测过程将量测 和先验估计相结合获得改进的系统的后验估计。【1 5 1 4 2 构建数学模型 浙江大学硕士学位论文 车辆制动性能检测方法研究及其便携式检测仪设计 算法数学模型主要包括整车模型和制动器模型，其中整车模型为算法的基 础，制动器模型主要是为了实现从踏板力到制动力矩的传递过程。而在传统车辆 动力学建模中最为复杂的非线性轮胎模型则无需建立，将使用扩展卡尔曼滤波算 法预估。 4 2 1 整车模型 建立车辆纵向，侧向，横摆及四个车轮回转的七自由度四轮车辆数学模型。 假设前提如下： 1 、不考虑车辆制动过程中俯仰，侧倾以及车身振动对测试结果的影 响。 2 、 假设车体为刚性。 3 、 假设测试路面平坦，不考虑路面不平振动对测试结果的影响。 4 、 假设车辆方向盘转角与前轮转角成定比例关系。 5 、 假设整车质心与车体动坐标系原点重合。 6 、 不考虑空气阻力影响。 7 、 假设前、后轴轮胎所受侧向力