基于GPS的汽车动力性道路试验系统开发.docx
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基于GPS的汽车动力性道路试验系统开发
目录
摘要III
1绪论1
1.1背景1
1.2研究现状1
1.3设计依据、目的和意义1
1.3.1设计的依据1
1.3.2设计的目的2
1.3.3设计的意义2
2汽车动力性能评价指标与试验方法3
2.1汽车动力性概述3
2.2汽车动力性评价指标3
2.2.1最高车速3
2.2.2加速时间3
2.2.3爬坡能力3
2.3汽车动力性能检测标准3
2.4汽车动力性试验方法3
2.4.1试验准备4
2.4.2道路试验4
2.5本章小结4
3试验系统的硬件结构5
3.1GPS系统原理概述5
3.2GPS测试技术7
3.2.1GPS的定位原理7
3.2.2差分GPS9
3.3试验用NovAtelGPS接收机RTK系统9
3.4GPSRTK系统接线图11
3.5计算机11
3.6本章小结12
4试验系统的软件设计13
4.1LabVIEW概述13
4.2测试系统软件模块划分13
4.3系统软件流程图14
4.4系统程序设计15
4.4.1初始界面程序设计15
4.4.2登陆系统程序设计16
4.4.3主界面程序设计17
4.5本章小结21
5实车验证22
5.1实车验证目的22
5.2实车验证过程22
5.3实车验证结果22
5.4本章小结27
结论28
总结28
展望28
致谢语29
参考文献30
基于GPS的汽车动力性道路试验系统的开发
摘要：
汽车动力性是汽车最重要的性能之一，汽车动力性的评价分为主观评价和客观评价，客观评价主要通过试验来完成。
本文针对汽车动力性评价，利用GPS信号作为基本参数，结合虚拟仪器技术，根据国家相关标准和要求，通过LabVIEW平台开发一套汽车动力性道路试验系统。
该试验系统能实现对汽车的速度进行实时采集与显示，并能选择不同的试验项目进行不同参数设置、数据实时显示、数据保存、历史数据查询及试验报表生成。
试验结果表明，该试验系统能很好的完成各个试验项目，试验精度满足国家标准要求。
关键词：
LabVIEW；动力性；GPS；测试系统
1绪论
汽车作为我们的交通代步的工具，它的产生和发展，给我们带来了很多方便。
汽车越来越多，对于汽车的性能好坏人们也越来越讲究。
1.1背景
每个人对汽车的要求不同。
人们越来越重视汽车的品质和性能好坏。
因此汽车的的品质和性能需要不断提高。
在汽车技术的发展过程，根据市场的变化和用户需求的不断出现，需要研究的新问题也不断出现。
汽车测试的本质是让我们可以知道使用汽车的这些现象和规律。
除此之外，汽车试验还可以解决那些无法经过理论计算和分析获取结论的问题。
可见，汽车试验是汽车发展的非常重要的方法。
汽车试验可以提高车辆性能、质量，提升汽车产品的竞争力。
1.2研究现状
科学在进步，汽车技术在发展，汽车产品种类增多，汽车性能检测技术自然也是不断在发展。
早期的汽车大多采用手工单间方式生产，产品数量少，性能又不好，成本还高。
到二十世纪四十年代，汽车开始普遍实行规模生产和流水生产。
这时候的道路条件变好了，车速于是提高了，汽车的各项性能问题随之就暴露出来了。
这期间汽车试验技术通过从其他行业学习使用比较成熟的方法，形成自己的试验方法和试验设备，比如转鼓试验台、闭式试验台及疲劳试验台等。
这些设备除结构和控制方面有所改进外，其基本原理沿用至今[1-14]。
于是就这样子，道路试验慢慢得到了重视，成为汽车试验的基本方法之一。
这样说吧，早些时候的汽车试验条件虽然简陋，但是汽车试验的基本方法已经在慢慢形成了。
第二次世界大战以后到20世纪70年代这段时间里，汽车产量的增大，还有它向多品种和高技术发展的趋势让汽车试验技术得到了新的发展。
试验技术的发展与试验仪器设备有相当大的关系。
如果能有科学的试验方法，还有先进的仪器，要准确测试汽车的性能就容易的多了。
这些年来，因为传感器技术的进步，大规模集成电路的出现，电脑控制和以电脑为核心的智能仪器的发展，让汽车试验检测技术不断改良成长起来。
1.3设计依据、目的和意义
1.3.1设计的依据
GPS是一种高精度的卫星定位系统。
它具有以下特点：
全球覆盖信号，不需要在用户数量上的限制，能够得到运动物体的空间坐标，定位精度高，抗干扰性能好，保密性强，观测时间短，可以进行简单的操作等，这些特点让它很好地运用于军事、测量、交通运输、农业等领域。
LabVIEW在汽车测试中使用普遍。
汽车道路试验需要过程控制、在线监控等,除此之外还要进行数据采集、数据分析、数据通信等[15,16]。
LabVIEW可以很方便地满足汽车试验的需要。
综合上述，我们选择用LabVIE作为软件设计的工具来完成我们这次的关于基于GPS的汽车动力性道路试验系统开发。
1.3.2设计的目的
通过基于GPS的汽车动力性道路试验系统开发，希望能够帮助汽车使用者更好了解汽车动力性能。
设计过程中首先要学会使用LabVIEW软件。
然后在使用LabVIEW进行软件前面板设置、程序编制。
程序需要实现：
第一是能够顺利进行汽车动力性能检测中的4个实验项目；第二是能够进行串口通信设置，用EXCLE电子表格保存测试数据；第三是能够根据存储的测试数据绘制速度-时间、路程-时间曲线；第四是能够生成报表以便以后分析。
1.3.3设计的意义
其一，建立于实车验证基础上的汽车动力性试验，其试验结果可以在改进汽车结构、优化汽车性能等方面做出贡献。
其二，汽车道路试验检测是汽车性能的方法之一，检测出来的结果和实际计较相符。
然后是考虑到传统仪器使用测得的数据相对不准确、不完全，而且效率不高，费人力、费物力。
所以，我们提出了基于GPS的汽车动力性道路试验系统开发，完成对汽车加速性能试验、车速试验的检测，并进行实车验证，希望能够帮助汽车使用者更好了解汽车动力性能。
2汽车动力性能评价指标与试验方法
2.1汽车动力性概述
汽车的动力性是汽车最基本、最重要的性能之一，是指汽车直线行驶在良好路面上所能达到的平均行驶速度[17,18]。
汽车运行效率取决于运行速度。
当运行条件一定时，汽车的动力性便决定了汽车的平均运行技术速度。
所以，汽车动力性越好，汽车运行的平均技术速度就越高，汽车运行效率也就越高。
汽车动力性的重要性便体现出来了。
2.2汽车动力性评价指标
汽车动力性的评价指标有：
汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。
2.2.1最高车速
汽车的最高车速，是指汽车满载在水平良好的路面（混凝土或沥青）上所能达到的最高行驶速度[19]。
这不是瞬时值，但最高车速可以是汽车连续行驶一定距离得到的。
2.2.2加速时间
评价汽车的加速能力，我们选用汽车在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价。
因为加速度的数值直接测量起来很不方便，我们采用加速时间来衡量汽车的加速能力。
汽车的加速时间很大程度上影响着平均行驶速度，尤其对于轿车而言，重视加速时间更甚。
2.2.3爬坡能力
在良好路面上，满载或者某一载质量的汽车的最大爬坡度表示汽车爬坡能力。
爬坡度是指最大爬坡度表示汽车极限爬坡能力，由于在实际坡道行驶时，应考虑到坡道上停车后顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力、克服坡道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求，汽车应比实际行驶中遇到的道路最大坡度超出很多[20-22]。
2.3汽车动力性能检测标准
汽车性能试验可依据的标准主要有：
GB/T12534——1990《汽车道路试验方法通则》，GB/T12544——1990《汽车最高车速试验方法通则》，GB/T12543——1990《汽车加速性能试验方法通则》[23]。
2.4汽车动力性试验方法
汽车试验分类：
（1）按试验特性的分类
①室内台架试验：
性能对比，可靠性，耐久性，总成，整车。
②试验场试验：
可靠性，环境，耐久性。
③室外道路试验
（2）按试验对象的分类：
整车，零部件，总成，大系统
（3）按试验目的分类：
质检，新产品定性，验证实验，科研实验
2.4.1试验准备
试验条件我们按照GB/T12534——1990《汽车道路试验方法通则》有关规定执行。
在汽车试验场的综合性能道路或飞机机场跑道上进行动力性能试验，要求路面平坦、坚硬、干燥、清洁，用沥青或混凝土铺装，不少于两公里直线段长度，对于大型汽车，要求更长，宽度不小于八米，纵向坡度在百分之零点一以内。
2.4.2道路试验
汽车动力性能在经过道路试验检测后，结果与实际运行情况对比起来更靠近。
汽车动力性能在道路试验系统中的检测项目包括最高稳定车速检测、最低稳定车速检测、直接档加速性能检测、连续档加速性能检测。
我们的测试系统便是要进行这四个试验。
2.5本章小结
本章讲述试验系统的理论基础，其一讲到动力性的三个评价指标：
汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。
其二是列出动力性检测所需的标准。
最后描述动力性试验的方法，重点提到的是道路试验。
3试验系统的硬件结构
3.1GPS系统原理概述
GPS，一种全球卫星定位系统。
这种系统是无线电导航定位系统，它的基础是卫星。
该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能。
（1）GPS系统组成
GPS系统的三部分组成包含空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分，如图3-1所示。
图3-1GPS的三大组成部分
①空间星座部分
空间卫星部分图3-2所示。
图3-2空间星座部分的空间部分
GPS空间星座部分由24卫星组成，其中包括3颗备用卫星，工作卫星分布在6个等间距的轨道面内，每个轨道面分布4颗卫星，卫星轨道倾角为55°，各轨道的平面升交点的赤经相差60°，在相邻的轨道上，卫星升交距角相差30°[24]。
②地面监控部分
GPS卫星是运动不定的已知点，其“已知数据”为表述卫星运动及其轨道参数的“卫星星历”，不必要经过卫星上设置庞杂的机构去计算测试和编制，只要通过地面站测试计算算完毕后以电文形式编制发送给卫星，然后由卫星转发给地面用户。
地面站可探测卫星设备的正常工作与否，启用配件，反映卫星操作，调整正确的轨道，让卫星在GPS时间系统内等。
由三大部分组成地面监控系统：
一个主控站、三个注入站和五个监测站。
图3-3是地面监控系统的三大组成部分。
图3-3地面监控系统的三大组成部分
地面控制部分具有以下功能：
数据采集；GPS卫星跟踪观察；编制导航电文；诊断状态；注入导航电文；调度卫星。
③用户设备部分
GPS接收机是用户设备部分的关键之处，它的组成包括主机、天线、电源和数据处理软件。
它可以得到的观测值的位置，可以提取的导航信息的广播星历，可以校正卫星时钟参数，可以进行数据处理，完成导航定位。
（2）GPS系统的特点
对于GPS系统，具有以下特点：
（1）全球、全天候连续导航定位；
（2）高精度三维定位；
（3）实时导航定位，1s既可完成一次定位。
（4）GPS系统隐蔽性好，可以容纳多用户。
（5）抗干扰性能好，保密性强。
3.2GPS测试技术
3.2.1GPS的定位原理
（1）二维情况
对于二维情况，至少需要2颗卫星。
如果是位置已知的卫星接收机，可以测量每个卫星到接收机的伪距，因此，接收机在一个直径等于两个伪距交叉口的接收器的位置，如图3-4所示。
图3-4两个伪距交
可用（3.1）方程计算未知接收机的位置：
（3.1）
式中：
和
是卫星的已知坐标；
，
是测量的伪距。
解完方程后，便可以大概算出所需参数了。
（2）三维情况
三维情况的话，则需要3颗卫星。
伪距产生定位球体，而不是圆，如图3-5所示。
图3-5三个伪距交
求解（3.2）方程可以确定接收机的位置：
（3.2）
式中：
和
是卫星的已知坐标；
，
，
是测量的伪距。
3测量信号传播时间的接收机时钟与GPS时间不同步
测量信号的传播时间的接收机时钟与GPS时间不同步时，我们需要确定接收机时钟偏差之间的时间和GPS时间，与第四个卫星类的参数计算。
可以解（3.3）方程计算接收机位置和时钟偏差
（3.3）
式中：
和
是卫星的已知坐标；
，
，
，
是测量的伪距，c是光速，
，
，
，
是GPS卫星与接收机时钟偏差项。
速度测量的根据是多普勒频率位移原理。
每个卫星频率的多普勒位移是接收机和卫星沿它们之间直线相对的直接度量，由于卫星轨道运动和接收机所处地球旋转运动，每个卫星相对于一个静止接收机具有非常高的速度。
对之前介绍的思维导航解（伪距方程）对时间求导可以求出速度。
3.2.2差分GPS
差分定位，是指一个GPS接收器，位于已知坐标站（称为基准站）进行观察，根据基站的精确坐标，计算出基准站到卫星的相关校正数（距离、位置或载波相位），并实时由基准站发送这一改正数。
用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收基准站的改正数，，并对定位结果进行改正，从而提高定位精度，示意图如图3-6所示[25]。
图3-6差分GPS
GPS差分定位可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种类型。
GPS单基准站差分系统结构和算法简单，技术上较为成熟，适合小范围的差分定位工作。
由于本测试系统进行测试试验时所用试验场地范围较小，所以在此选用单基准站差分定位即可满足要求。
3.3试验用NovAtelGPS接收机RTK系统
本次道路试验系统采用NovAtel公司的GPS测量系统。
该套测量系统包括基准站GPS子系统、移动站GPS子系统以及用于实时传输GPSRTK差分数据的数据链子系统。
移动站GPS子系统用于对物体的位置直接测量，基准站GPS子系统得到的测量结果则通过RTK差分技术计算修正信息，进而对移动站的测量结果进行修正。
在此，移动站采用ProPak一GZ接收机、基准站采用DL一Plus接收机，差分数据链采用MDS4710数据电台。
该套产品安装和使用方便，精度较高，能够实时获得卫星信号，满足试验的要求。
（1）NovAtelProPak-G2GPS接收机
GPS接收机上有三个双向串行口，即COMI、COMZ、AUX接口，数据传输率最高可达230400位/秒，一个1/0口，一个电源接口，一个天线输入端和一个OSC接口，其中基站带有LED显示和键盘操作功能，各接口的位置和功能如图3-7所示。
1.电源输入端;2.COMI口，与电脑通讯:
3.COMZ口，与电台进行数据传递;4.AUX接
口，用于接受IMU数据或提供电源;5.1/O口，通常与某些设备一起使用;6.天线接口
图3-7ProPak-G2各接口位置和功能
（2）NovAtelGPS接收机设置软件——ComTerm2.02
NovAtelGPS接收机设置软件——ComTerm2.02：
用于查看接收机工作状态、设置接收机、记录GPS数据。
ComTerm2.02界面如图3-8所示。
图3-8ComTerm2.02界面
（3）配件
试验用到的配件包括GPS接收机电源线、DB9直通串口数据线（接头为一公一母）、DB9信号线、DB9Y型串口数据线（接头为两母头）、基准站PDL电台电源数据线（Lemo接头的孔径较大）、移动站PDL电台电源数据线（Lemo接头的孔径较小）、电源、及GPS天线。
3.4GPSRTK系统接线图
图3-9GPSRTK系统接线图
3.5计算机
本测试系统对计算机的要求不是很高，能顺利的运行试验系统软件，并能较顺利采集数据即可。
实际道路试验时，一般最低要求：
CPU要core以上处理器，内存512M以上，显卡为集成或独立显卡，硬盘要求80G以上，装有windows操作系统，装了USB-6215型数据采集卡的驱动软件。
道路试验时，为了方便可用笔记本电脑，只要能满足最低要求即可。
3.6本章小结
本章讲述试验系统的硬件系统，其一是GPS。
介绍了GPS系统组成及特点；其二是介绍了GPS的测量技术，包括GPS定位原理及差分GPS；其三是介绍试验用NovAtelGPS接收机RTK系统的零配件。
试验所需的计算机，为了方便我们选择使用笔记本电脑。
4试验系统的软件设计
4.1LabVIEW概述
LabVIEW是实现仪器编程、数据采集系统的好工具。
使用LabVIE进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，方便快捷又经济实惠。
LabVIEW的功能非常强大，是可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统，提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制，以及数据分析、显示和存储等应用程序模块，其强大的专用函数库使得它非常适合编写用于测试、测量以及工业控制的应用程序[26-28]。
LabVIEW的程序依靠数据流驱动。
根据数据流程序设计规定，目标顺利执行的前提是所有输入都必须有效。
目标有效的输出则在于程序的功能完全与否。
如此，LabVIEW程序的执行次序就经过方框图连接之间的数据流控制了，这不同于程序中的文本是受顺序执行的约束。
4.2测试系统软件模块划分
大部分设计良好的软件系统都是模块化结构，任何一个大的程序系统都是由若干个功能相对独立的模块组成，本实验系统的软件也是由几个相对独立的模块组成，系统的模块划分见图4-1。
图4-1实验系统软件模块划分
4.3系统软件流程图
图4-1系统总体流程图
首先将GPS接收机的连接设置，端口设置正确。
成功获取GPS数据后，进入系统,选择试验。
采样开始，试验车速就实时地显示在用户面前。
用户在选定的试验项目中,可以根据实际的试验条件修改其中的某些试验参数,参数选择好后即可进入等待试验状态。
当试验条件满足后,就可
以开始进行相关项目的试验过程。
在界面上能够实时地绘制汽车行驶轨迹曲线、汽车速度曲线以及汽车速度与位移曲线。
同时将试验瞬时的一些参数,如GPS信号的状态,汽车的瞬时速度、加速度、
行驶距离以及采样时间等显示出来。
当试验人员观察试验数据出现偏差时可以立即暂停试验或提醒驾驶员修正车辆状态。
如果一切顺利,当满足试验结束条件时,程序自动结束试验,提示试验人员是否保存试验结果和原始数据。
这些保存的试验数据可以利用绘图与报表功能,重新分析和评价试验结果。
下面是详细介绍。
4.4系统程序设计
4.4.1初始界面程序设计
初始界面前面板如图4-2所示。
图4-2初始界面前面板
界面中“退出按钮”是布尔型按钮，其他都是装饰界面用的。
“三明学院”图、“基于GPS的汽车动力性道路试验系统”为Word艺术字是用“Ctrl+C”复制，“Ctrl+V”粘贴得到的。
界面直观的显示了我们此次设计的试验系统的名称，系统的设计人、班级、指导老师。
下图4-3为初始界面的程序框图。
图4-3初始界面的程序框图
从程序框图我们可以知道，当使用者进入到初始界面之后，系统将进入一个平铺式顺序结构中，界面会停留在初始界面2000ms后才进入登录系统界面。
然后是While循环套事件结构，使用者如果单击退出系统按钮，系统会出现提示对话框让使用者选择到底要不要退出测试系统。
4.4.2登陆系统程序设计
登录系统前面板如图4-4所示
图4-4登录系统前面板
没有过多的装饰，简洁明了的出现用户名和密码的输入框，使用者正确输入内容便可以“快速登陆”。
下图4-5为登陆系统的程序框图。
图4-5登录系统的程序框图
从图中可以看出，当进入登录系统时，系统将进入一个While循环中，While循环嵌套事件结构，有“快速登陆按钮：
值改变”、“退出按钮：
值改变”、“超时”几个分支。
在“快速登陆按钮：
值改变”分支里我们采用的是平铺式顺序结构，直观明了。
当我们测试系统使用者能够做到正确输入用户名和密码，然后系统就可以调用系统的主界面了。
不然的话，系统会出现提示说“输入错误，请重新输入”。
退出按钮的使用和初始界面一样，使用者在单击“退出按钮”时，系统会弹出提示对话框，提示用户选择是否确确定要退出测试系统。
4.4.3主界面程序设计
主界面的前面板如图4-6所示。
图4-6主界面的前面板
从图中我们可以看出，前面板分布着“系统自检、试验模拟、进入试验、绘图与报表、退出系统”等5个按钮。
图片是复制导入前面板，起装饰作用。
主界面程序框图如图4-7所示。
图4-7主界面程序框图
从图中可以看出，当进入主界面时，系统将进入一个While循环中，While循环嵌套条件结构，有“系统自检按钮：
值改变”、“试验模拟按钮：
值改变”、“进入试验按钮：
值改变”、“绘图与按钮：
值改变”“退出按钮：
值改变”、“超时”几个分支。
在每个分支里对应各自的按钮的局部变量及其VI。
这样当我们在前面板单击相应按钮时，界面便能够由主界面跳转到相应界面。
（1）试验模拟
试验模拟的前面板如图4-10所示。
图4-10试验模拟前面板
从图中可以看出，速度表盘的速度可调，实验项目可以从组合框里面选，实验的进程可以用“开始、暂停、结束、停止实验“等按钮进行控制。
右边的图表显示车速、加速度、路程与时间的曲线图。
还有数值显示框实时计算显示实验项目、时间、路程、平均速度、平均加速度。
试验模拟的部分程序框图如图4-11所示。
图4-11试验模拟的部分程序
由于实验项目有最高稳定车速、最低稳定车速、直接档加速、连续档加速，所以程序用到了条件分支结构。
程序里大量运用了数组函数。
这试验模拟的程序设计里While循环依然使用到了，当然还有平铺式顺序结构，也有For循环。
（2）进入试验
进入试验的前面板如图4-12所示。
图4-12进入试验的前面板
进入试验的前面板与试验模拟有些类似，多了VISA的串口通信设置。
VISA的串口通信设置的部分程序框图如下图4-13所示。
图4-13VISA的串口通信设置的部分程序框图
要先初始化串口,波特率是38400b/s,8位数据位,1位停止位,没有奇偶校验；其次设置读/写等相应模块的功能。
由于硬件在整个工作期间,以38400bit/s的速率连续向外发送数据,为了数据处理方便,可以采用LabVIEW中的SerialReadWithTime-out.vi模块,以保证每次从串口缓存中读出等量偶数个数据。
[28]
（3）绘图与报表
绘图与报表的前面板如图4-14所示。
图4-14绘图与报表的前面板
第一个历史数据打开之前存储的数据，进行数据载入之后，单击“确定”按钮，右边的波形图会生成相应的速度-时间曲线。
然后就能够提取数据，点击“报表生成“按钮测试系统就能生成报表自动弹出给用户观看试验结果。
绘图与报表的部分程序框图如图4-15所示。
图4-15绘图与报表的部分程序框图
4.5本章小结
本章讲述试验系统的软件设计。
首先介绍了LabVIE这款软件的功能情况。
然后通过系统流程图清晰明了的软件实现流程。
最后才通过介绍软件的主程序，附图加解释每个程序实现的功能。
5实车验证
5.1实车验证目的
通过实车路试来验证系统软件的可靠性和可操纵性。
验证设计的试验系统是否能够实现对汽车的速度进行实时采集与显示，并能根据所选择不同的试验项目进行不同参数设置、数据实时显示、数据保存、历史数据查询及试验报表生成。
5.2实车验证过程
（1）系统调试
将相关的驱动装置安装完毕后，笔记本电脑与GPS系统接收机通过COM1连
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