成 潔

（西華大學，四川 成都 610039）

設計研究

基于LabVIEW的附著系數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

成 潔

（西華大學，四川 成都 610039）

附著系數(shù)是對汽車制動性判據(jù)的重要參考數(shù)據(jù)之一，文中采用LabVIEW軟件開發(fā)了一套基于虛擬儀器的路面附著系數(shù)測試系統(tǒng)。實驗表明：該程序可準確的檢測出車輪法向力和切向力，實現(xiàn)對附著系數(shù)實時變化的顯示以及數(shù)據(jù)的采集和處理，通過界面曲線來顯示數(shù)據(jù)和其變化等信息，能保存測試過程中的所有數(shù)據(jù)，并設置保存時間等附加功能。

附著系數(shù)；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集

CLC NO.:U461.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-01-03

前言

隨著交通運輸事業(yè)的發(fā)展，城鄉(xiāng)道路、高速公路及機場跑道等路面的防滑問題已引起國內(nèi)有關(guān)部門的普遍重視。汽車的驅(qū)動、制動或者操縱性在很大程度上取決于車輪與路面之間的關(guān)系，特別是車輪與路面之間的附著系數(shù)。附著系數(shù)是附著力與車輪法向壓力的比值。這個系數(shù)越大，可利用的附著力就越大，汽車就越不容易打滑。附著系數(shù)的數(shù)值主要決定于道路的材料、路面的狀況與輪胎的結(jié)構(gòu)、胎面花紋、材料及汽車運動的速度等因素[1]。

1、測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況

在附著系數(shù)評定方法的研究中，主要有兩種類型：一類是分析輪胎的力學特性，找出力學參數(shù)與附著系數(shù)之間的關(guān)系，從而利用測量設備檢測力學參數(shù)，計算出附著系數(shù)；另一類是分析摩擦過程中自身的影響因素和影響摩擦過程的各外部因素與附著系數(shù)之間的關(guān)系，利用測量裝置測量出各個影響因素，估算出附著系數(shù)。

依據(jù)以上原理，一些汽車工業(yè)發(fā)達國家己經(jīng)在路面附著系數(shù)估算領域取得了一定成果。根據(jù)測試手段和測量參數(shù)的不同將路面附著系數(shù)估算方法分為Cause-based和Effect-based兩種。Cause-based估算法是通過測量一些對路面附著系數(shù)影響較大的因素，并根據(jù)以往經(jīng)驗預測當前路面

附著系數(shù)的大小。Effect-based估算法是通過測試由路面附著系數(shù)或附著系數(shù)的變化在車體或車輪上產(chǎn)生的運動響應來估算路面附著系數(shù)的大小。上述幾種測試方法成本都較高，難以實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應用[2]。

LabVIEW是由美國NI公司創(chuàng)立的功能強大的圖形化虛擬儀器編程軟件，它編程簡單，界面形象直觀，因此在測量、過程控制與處理、科學研究等方面有廣泛的應用[3-4]。虛擬儀器是基于計算機的儀器，計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。本文應用比較簡單可行的基于虛擬儀器LabVIEW的軟件開發(fā)，實現(xiàn)了附著系數(shù)數(shù)據(jù)采集與分析，利用LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以動態(tài)實時地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效[5-6]。該方法避免了傳統(tǒng)的汽車實車附著系數(shù)測試中結(jié)果分析的事后性以及輔助程序測量數(shù)據(jù)的復雜性，直接測量路面附著系數(shù)，反應附著系數(shù)的實時變化情況，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和整理。

2、硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

車輪附著系數(shù)測試儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該測試儀由兩個部分組成，一部分為硬件部分，包括機架，輪胎，驅(qū)動機構(gòu)，導向機構(gòu)以及相應的加載裝置等部分，另一部分為軟件部分，包括兩個方向的拉壓力傳感器，驅(qū)動電機的控制部分，信號的采集，測試結(jié)果的顯示等部分。

硬件部分具有以下特點：整個裝置的機架部分為型材結(jié)構(gòu)，底部配有安裝孔；車輪與路面之間的關(guān)系采用了路面驅(qū)動車輪的形式；路面板的驅(qū)動采用直線推桿來進行驅(qū)動。驅(qū)動電機電壓12V，行程800mm,推力大小800kg，推桿速度10mm/s；能實現(xiàn)往返兩個方向的直線驅(qū)動。測量部分采用了兩個拉壓力傳感器，一個布置在加載處，一個布置在路面板底部，分別用來測量車輪的垂直載荷以及電動推桿的切向力大小。

附著系數(shù)測試系統(tǒng)通過加載裝置對車輪施加法向的壓力，開啟驅(qū)動電機，路面板在直線推桿的作用下開始運動，同時兩個拉壓力傳感器測出車輪法向和徑向的力信號，二力的比值即為路面的附著系數(shù)。

3、軟件部分程序設計

本文以NI公司的LabVIEW 2011作為開發(fā)平臺，實現(xiàn)測試系統(tǒng)軟件部分的設計。應用LabVIEW平臺開發(fā)的測試系統(tǒng)軟件主要涉及兩個部分：前面板和程序框圖。

3.1 流程設計

該程序的流程圖，如圖2所示。運行試驗程序，進入試驗主界面。首先設置實驗參數(shù)，如傳感器標定參數(shù)、通道以及保存文件路徑，正確設置試驗參數(shù)后可以開始試驗。試驗開始后，通過附著系數(shù)測試儀的加載裝置對輪胎施加垂向載荷，同時路面模塊滑動對輪胎施加的縱向力，布置在測試儀上的拉壓傳感器將兩個載荷以電壓的形式表現(xiàn)出來，數(shù)據(jù)采集卡對這兩個電壓信號進行采集和A/D轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，同時將測得的數(shù)據(jù)進行解碼，并實時顯示法向力、切向力等曲線，計算并顯示各瞬時附著系數(shù)。

在試驗過程中試驗員觀察試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可暫停試驗，重新調(diào)整后再開始試驗，若試驗過程順利，滿足試驗要求，停止試驗，系統(tǒng)會提示試驗員是否以電子表格或者文本文檔形式保存數(shù)據(jù)。保存的數(shù)據(jù)可用于數(shù)據(jù)后處理和對試驗過程中汽車的各種性能重新分析和評價。

3.2 數(shù)據(jù)的生成和處理

程序設置兩個數(shù)據(jù)采集通道，分別負責法向力和切向力的數(shù)據(jù)采集，允許采集的電壓信號設置區(qū)間為（-10V—10V），采樣頻率為10Hz。采集卡采集到拉壓傳感器的電壓信號，同時采集卡對電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并按照以下公式對數(shù)據(jù)進行處理。

程序主要完成經(jīng)過調(diào)試后信號的采集，實現(xiàn)對附著系數(shù)實時變化的顯示以及數(shù)據(jù)的處理和采集，通過界面上的曲線等來顯示測試的具體數(shù)據(jù)和變化等信息，反映真實道路上附著系數(shù)的情況，對附著系數(shù)的主要影響因素等。

4、測試系統(tǒng)驗證

汽車附著系數(shù)測試儀工作時，為實現(xiàn)車輪的垂向載荷、電機推桿的切向力同時動態(tài)測量與顯示，采用兩通道同步采集程序，利用每一個傳感器數(shù)據(jù)采集卡的一個通道去采集其電壓信號的變化。試驗中所得數(shù)據(jù)顯示在圖表中，并且得到隨施加載荷的變化而變化的曲線。程序中使用DAQ mx來完成數(shù)據(jù)的采集與讀取，把得到的三個動態(tài)數(shù)據(jù)寫入電子表格中，方便以后的查看與分析。

系統(tǒng)測試實驗時，路面板試樣為自制部件，用于模擬車輛行駛時路面情況，可以通過更換不同材料路面板測得不同道路情況下附著系數(shù)。在驅(qū)動電機的作用下，推桿能實現(xiàn)兩個方向的運動，為測量采樣車輪正反轉(zhuǎn)的充足數(shù)據(jù)提供條件。

5、結(jié)論

通過對路面附著系數(shù)測試儀的設計，并且結(jié)合其儀器特點，本文基于LahVIEW圖形化編程語言，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的設計，整個系統(tǒng)包含信號采集、信號處理和圖譜顯示的功能，并可完成系統(tǒng)的可靠性驗證。從最終的試車驗證可得到以下結(jié)論：（1） LabVIEW是圖形化編程軟件，它可以用來取代很多傳統(tǒng)的顯示儀器，用來構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、功能強大、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、實用性好，成本低等特點；（2）從試驗結(jié)果看，該試驗系統(tǒng)基本可滿足試驗要求。采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理顯示通過LabVIEW進行，可實時顯示試驗數(shù)據(jù)并且提供了保存實時數(shù)據(jù)的方法和路徑，相對傳統(tǒng)試驗該試驗系統(tǒng)更可靠、方便。

[1] 余志生等著 . 汽車理論[M] . 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 江文峰.行駛過程中輪胎與路面間附著性能的評價[學位論文].長安大學.2008.

[3] 楊樂平等著 . LabVIEW程序設計與應用[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] Ye Yu , Yangan Zhang , Xueguang Yuan. A LabVIEW-based real-time measurement system for polarization detection and calibration[J]. Light and Electron Optics.2013.

[5] 吳建，裴峰，王珺男，李曉紅. 基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J] 電子測試，2013（1）；52-54.

[6] 徐超 . LabVIEW在實時測控系統(tǒng)中的應用研究[學位論文].重慶大學.2005.

[7] 李立銘 .基于LabVIEW的振動測試系統(tǒng)研究[J].儀表技術(shù)，2013（2）：5-8.

Development of Adhesion Coefficient Data Acquisition System Based on LabVIEW

Cheng Jie
( Xi Hua University, Sichuan Chengdu 610039)

The adhesion coefficient is one of the important reference data of vehicle’s braking criterion. This paper using the software of LabVIEW developed a road adhesion coefficient test system based on virtual instrument. the results of the experiments showing that this programe can accruatly detected the normal force and tangential force of the wheel, showing the real-time change of the adhesion coefficient, gathering and processing the data, Through the curve interface to display detailed data and other changing information, storing all the testing data into a certain format.and setting the time-saving or other additional functions.

Adhesion coefficient; Virtual Instrument; Data collection

U461.3

A

1671-7988(2014)07-01-03

成潔，就讀于西華大學車輛工程專業(yè)，研究方向為汽車設計與制造。