学士学位论文基于gps的汽车动力性道路试验系统设计.docx
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学士学位论文基于gps的汽车动力性道路试验系统设计
毕业设计说明书
题目:
基于GPS的汽车动力性道路试验系统设计
学院（直属系）:
交通与汽车工程学院
年级、专业:
2009级车辆工程
姓名:
学号:
312009110209223
指导教师:
徐晓惠
完成时间:
2013年5月28日
基于GPS的汽车动力性道路试验系统的设计
摘要
汽车动力性是指在良好、平直的路面上行驶时，汽车由所受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。
汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性。
所以，动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能，它代表了汽车行驶可发挥的极限能力。
本文研究了汽车动力性评价的各种方法和评价指标，并针对汽车动力性道路试验的试验项目和试验方法做了详尽的阐述。
为了得到汽车动力性道路试验评价指标，用GPS测试系统提取速度信号，并采用LabVIEW软件设计了一套汽车动力性道路试验系统。
该测试系统能实时采集GPS测试系统的数据，以监测汽车的实时车速，结合汽车动力性道路试验国家标准，进行了汽车最低稳定车速试验、最高稳定车速试验、直接挡加速试验和连续挡加速试验。
试验结果表明，该系统能很好的采集GPS测试系统的数据，并适时以波形图表和仪表盘的方式显示出来。
在进行各试验项目测试时，该系统能很方便的操作和控制数据的采集，并以波形图表的形式实时显示测量的数据，最后保存数据，使得各个试验项目能顺利完成。
关键词：
汽车，动力性，道路试验，GPS，Labview
DesignofRoadTestSystemforVehicleDynamicQuality
BasedonGPS
Abstract
Automobilepowerperformanceistheexternalforceoflongitudinalwhichisdecidedbytheaveragespeedswhichthevehiclecanachievewhendrivingonflatroad.Thevehicleisanefficientmeansoftransportation,andthetransportefficiencyishighorlowwhichdependsonthepowerperformanceofthecar.Therefore,thepowerperformanceofvehicleisthemostbasicandmostimportantamongtheotherperformances.Theperformanceofthevehiclerepresentsthelimitpower.
Thispaperstudiesevaluationmethodsandevaluationindicatorsofthevehicleperformance,andhasmadethedetailedelaborationtothetrialsofthepathofautomobilepowerperformancetestprojectandtestmethod.Inordertogetthepathofautomobilepowerperformancetestevaluationindex,theGPSmeasurementsystemhasbeenusedtoextractvelocitysignal,andtheLabVIEWsoftwarehasbeenadoptedtodesignasetofautomobilepowerperformancetestsystem.Thistestsystemcancollectreal-timeGPSdataofthetestingsystemforreal-timemonitoringofthevehiclespeed.Combiningwiththepathofautomobilepowerperformancetestofnationalstandard,wehasconductedtheloweststablespeedcartest,stablehighspeedtest,acceleratedtestdirectlyandcontinuouslyacceleratedtest.
ThetestresultsshowthatthesystemcanbeaverygoodcollectionofGPSdataofthetestingsystem,anddisplayedintheformofwaveformgraphsanddashboardintime.Whentestingforeachproject,thesystemcanbeveryconvenientoperationandcontrolofdataacquisition,andreal-timedisplaythemeasureddataintheformofwaveformdiagram,finallysavethedataandmakeeachtestprojectworksmoothly.
KeyWords：
Vehicle，Dynamicquality，Roadtest，GPS，Labview
1引言
1.1设计背景和意义
随着中国汽车市场的不断升温，汽车的品质越来越受到重视。
汽车生产商为了提高汽车的品质，道路试验逐渐被上升到更重要的位置。
然而，现如今市场上有很多类型的道路试验系统，但先进的技术大都掌握在国外一些企业手里[1-3]。
我国大部分汽车企业主要还是用光电头作为速度传感器来进行汽车动力性道路试验[4]，也有部分企业还在沿用五轮仪作为速度传感器进行汽车动力性道路试验[5]。
五轮仪由于安装不方便和受道路影响比较大，很早就被光电头取代了。
光电头测量原理是根据光照在路面的漫反射来计算得到速度，由此不仅数据处理量大，而且数据更新率不高，还会因为光电头的抖动有较明显的偏差。
为了得到更高精度和更简单方便的测试系统，本文利用GPS设计了一套汽车动力性道路试验系统。
GPS具有全天候高精度和无误差累计的优点，受到测试界广泛的关注[6-8]。
并且利用Labview编写了能对GPS信号进行实时采集、处理、存储和显示的程序，满足汽车道路试验标准，构成了一套基于GPS的汽车动力性道路试验系统。
该系统界面简洁清晰，操作方便，不仅能进行汽车动力性道路试验，还能对试验数据进行存储、查询分析和报表的生成。
该系统携带方便且可分析性强，采用LabVIEW软件设计的人性化界面，很好地发挥了虚拟仪器的数据采集、数据测试与分析以及结果输出显示的三大功能，能够实现实时车速显示、加速度显示及行驶路程显示及相关信号分析，并且在道路试验中可以直接得到测试结果。
1.2设计目的和主要内容
本设计旨在设计一套基于GPS的汽车动力性道路试验系统。
为提高测试效率、降低测试成本，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的测试要求，利用GPS结合NI公司的LabVIEW软件构建了汽车动力性道路试验系统。
学习汽车动力性试验标准和方法以及评价指标，为本次设计提供一套合适的试验方法。
利用LabVIEW软件编写一个基于GPS的动力性试验系统，该系统能实现对GPS数据的采集、处理和显示，并能实时保存数据，并且能模拟车速以实现离线模拟试验的目的。
1.3设计实现的方法及步骤
1）认真学习汽车动力性试验标准和方法以及评价指标
2）认真学习基于LabVIEW软件的串口通讯技术和对数据的处理及保存，认真学习基于LabVIEW软件的程序界面制作。
3）认真学习GPS测试系统，其中包括GPS定位原理、GPS接收机与上位机的通讯、GPS输出数据格式的解读等。
4）认真学习WORD和PPT等办公软件以便能更精确完整的表达出该该设计。
2
汽车动力性试验与评价介绍
评定动力性的试验方法可分为两类，即室外试验——道路试验；室内试验——台架试验[9]。
汽车是在各种不同环境条件下的道路上行驶，因此，根据汽车道路行驶状况评定汽车的各种性能是最符合实际、最可靠、最基本的评定方法。
在室内进行的台架试验不受或少受环境条件的干扰（如刮风、下雨、下雪、气温等），具有试验条件相对稳定、操作简单、试验误差小等优点，是评定汽车性能的重要方法，也是评定汽车总成性能的基本手段。
2.1道路试验方法
为使试验数据具有通用性、可比性、准确性，国内、外均用法规或标准统一规定汽车道路的试验条件、试验对象的状况以及试验方法。
我国对汽车道路试验分项目制定了系列的国家标准[10]。
2.1.1汽车道路试验方法通用条件
1）气候条件：
晴天或阴天，风速小于3m／s，气温0℃-40℃，相对湿度<95％。
2）道路条件：
平直、干燥、清洁的沥青或水泥路面，路面宽不小于8m，纵坡不大于正负0.1％。
试验路段长2km-3km。
3）试验仪器：
所用仪器设备须经计量检定，符合试验要求的精度。
4）试验对象：
汽车的装备及调整状况应符合该车技术条件的规定；试验用的燃料和润滑油的牌号、规格应符合该车技术条件的规定；轮胎规格、气压应符合该车技术条件的规定，轮胎气压误差不超过10kPa；汽车各总成的热状态在试验时应符合该车技术条件的规定，如技术条件无规定时，应符合下列条件：
发动机冷却水出水温度80℃--90℃，发动机润滑油温度50℃--90℃，变速器、驱动桥润滑油温不低于50℃，必要时可在试验前进行20min—30min较高车速的预热行驶，为达到上述热状况，允许采取保温措施，汽车试验时的装载质量应保持该车的额定装载质量，且分布均匀。
2.1.2最低与最高车速测试
1）试验应在符合汽车道路试验通用条件下进行。
2）试验路段设置在确定的试验道路上选定中间一段200m或500m为测速路段，其两端各设100m的准备路段，用以提示试验人员准备测试。
3）测试：
a）最低稳定车速测试：
根据汽车加速性能的优劣，选定充足的加速区间，使汽车进入测速路段前已具有该档位下最低的稳定车速。
测定汽车以该档位下的最低车速通过测速路段的时间，接连往返各测试一次。
b）最高稳定车速测试：
根据汽车加速性能的优劣，选定充足的加速区间，使汽车进入测速路段前已具有最高的稳定车速。
测定汽车以最高车速通过测速路段的时间，接连往返各测试一次。
4）整理试验结果根据测速距离及各次通过测速路段（
）的时间的平均值（t，s），算出车速v，即：
2.1.3加速性能测试
1）试验应在符合汽车道路试验通用条件下进行。
2）试验路段设置在确定的试验道路上选定1.5km作为加速试验路段，两端各设100m为测试速度路段。
3）测试：
a）直接挡加速性能测试：
以稍高于直接档的最小稳定车速为初速度（选5的整数倍，初速度偏差正负1km/h），等速通过100m路段至加速度测试路段的起始点处，急速将加速踏板踩到底，加速至该档最高车速的80%-100%。
试验往返各进行一次。
b）汽车起步连续换档的加速性能测试：
汽车停在加速路段起始点、从起步开始，加速踏板完全踩到底，以选择的最佳换挡车速，力求无声换档（一般换档时1s-1.5s）、直至最高档加速至1km终点．试验往返各进行一次。
4）整理试验结果：
a）绘制直接档加速性能曲线：
车速（km/h）-加速时间（s）曲线，车速（km／h）-加速行程（m）曲线。
b）绘制起步连续换挡加速性能曲线，求出通过1km试验路段的时间。
2.2室内试验
室内的动力性试验主要是进行驱动力、滚动阻力系数和空气阻力系数的测定。
汽车的驱动力是由汽车测功器来测量。
通常使用的单鼓式汽车测功器，就是我们常见的转鼓试验台。
试验时，汽车的驱动轮放在转鼓上，驱动轮的中心与转鼓的中心在同一垂直平面内。
转鼓轴端装有液力或电力测功器，能够产生一定的阻力并调节转鼓的转速（即试验时汽车的车速），由测力装置即可测出施加于转鼓的转矩，并依此计算出汽车的驱动力大小。
汽车的滚动阻力系数是在轮胎转鼓试验台上完成。
由电力测功器驱动的试验轮胎放在转鼓上，转鼓轴连接着作为制动装置的测功器，通过试验测出驱动轮胎的转矩和作用于转鼓的制动力矩，并由此计算出汽车的滚动阻力系数风洞是用来测量汽车空气阻力系数的试验装置。
风洞就是用来产生人造气流（人造风）的管道。
在这种管道中能造成一段气流均匀流动的区域。
汽车风洞有模型风洞、实车风洞和气候风洞等。
模型风洞较实车风洞小很多，其投资及使用成本也相对小些，在模型风洞中只能对缩小比例的模型进行试验，其试验精度也相对低些。
实车风洞则很大，建设费用及使用费用极高。
目前世界上的实车风洞还不多，主要集中在日、美、德、法、意等国的大汽车公司。
气候风洞主要是模拟气候环境，用来测定汽车的一般性能（如空洞性能等）的风洞。
国外的汽车公司在进行汽车开发时，其车身大都是先制成1∶1的汽车泥模，然后在风洞中做试验，根据试验情况对车身各部分进行细节修改，使风阻系数达到设计要求，再用三维坐标测量仪测量车身外形，绘制车身图纸，进行车身冲压模具的设计、生产等技术工作。
2.3评价方法
汽车动力性直接影响汽车平均技术速度，汽车动力性的好坏通常以汽车加速性、最高车速及最大爬坡度等项目作为评价指标。
动力性代表了汽车行驶可发挥的极限能力。
在评价汽车动力性时，由于汽车用途和使用条件的不同，要求也不一样。
如经常在公路干线上行驶的汽车，起主要作用的是汽车最大速度，而加速度的要求居于次位。
而市内行驶的汽车正好相反，由于城市内交通繁忙，汽车在行驶中需要经常制动、停车和起步，汽车加速性能便成为评价这类汽车的主要指标。
下面就讨论对于不同的工况选择同一评价标准。
2.3.1不同工况选择同一评价标准
1）良好路面
主要在良好路面（路面质量为三级以上，坡度等符合高速公路条件要求）行驶的各类车辆，包括轿车、货车、越野车及客车，在良好路面，对于汽车的最高车速和加速时间有一定的要求，因而通过最高车速和加速时间的测定，能主要反映汽车的动力性。
但此时，通过汽车的爬坡度并不能纵向比较汽车的动力性。
此时，汽车的爬坡度对于三指标评价汽车动力性而言，所占比重不大。
2）丘陵及山丘行驶
汽车的实际使用工况主要是在丘陵及山区地带行驶的各类车辆，包括货车、农用汽车、越野车等。
由于汽车行驶的路面坡度比较大，因此，发动机的后备功率主要是用来克服坡度阻力功率。
此时，汽车的最高车速和加速时间并不能反映其所需的动力性。
虽然汽车的最高车速在一定程度上反映了汽车的爬坡能力，但在这种工况下通过确定汽车的最高车速来确定汽车的动力性显然是不准确的，此时，爬坡度对于汽车的动力性评价比重，明显较大。
3）无路地区行驶
对于主要行驶在坏路、无路地区（如沙漠、泥泞沼泽地、矿区等）的车辆，包括越野车、矿用车等，由于路面的附着系数较小，此时，不要求车辆有很高的速度，在评价动力性时，爬坡度和加速时间所占比重应该比较大。
4）市区路面
对于主要在城市内行驶的车辆，如公交车、各类公用车辆等，由于行车密度及城市交通的种种限制，此时，最高车速在评价汽车动力性时并没有多大意义，因为此时，汽车多以抵挡行驶，应加重加速时间的比重，以更好的评价汽车的实际使用动力性。
2.3.2不同用途汽车使用同一评价指标
1）客车
大客车动力性指标的优劣主要通过汽车在良好路面上能够达到的最高车速、加速时间和满载时的最大爬坡度3个指标进行综合评价，但3个指标相互独立，并没有综合的评价指标。
对于客车的动力性评价增大比功率，对提高大客车的动力性、经济性，改善环保性能都将产生积极的影响。
随着公路质量等级的提高和高速公路的迅速发展，客车设计中的最高车速应高于高速公路上规定的最高车速，实际上大多数大客车的设计最高车速已超过100km/h。
超车加速时间短，可使超车时与被超车辆并行行程短，行驶亦安全。
大型客车加速性能无论是对公交车辆的频繁起步，还是公路上的客运或旅游客车的超车都是非常实际的。
2）货车
货车的主要功能在于运输，提高车速能提高运输数量，所以其动力性也应满足最高车速的原则，不同吨位的货车使用不同的发动机，其动力性用3个指标来评价不能说明汽车的动力性，因而可以用比功率等检测参数进行评价。
3）轿车
最高车速和加速时间是评价轿车动力性最常用的两个评价指标，虽然最高车速越高，加速时间越快，能在一定程度上说明轿车的爬坡度越好。
但是同两款轿车，如甲轿车和乙轿车，如果最高车速一样，加速时间甲轿车大于乙轿车，而轿车的最大爬坡度远小于乙轿车，此时，我们并不能直观评判两者的动力性的优越。
4）越野车
越野车主要采用四轮驱动形式，主要在无路等路面行驶，对动力性要求较高，由于对爬坡度要求很高。
此时，如甲、乙两越野车，甲越野车爬坡度大于乙越野车，而乙越野车在最高车速和加速时间上大于甲越野车，我们也不能直观地评判两越野车的动力性优越。
2.3.3三大指标评价方法的主要问题
由于存在上述不同工况和不同用途的汽车，且三个指标互相独立，就无法用单一的评价指标直观地评判车辆的动力性好坏。
正如轿车注重最高车速和加速时间，而越野车却注重爬坡度，不能简单的说越野车的爬坡度好，越野车的动力性能就优于轿车；反之，轿车的最高车速大，加速时间短，也不能简单地说轿车的动力性能好于越野车。
同理，一辆在良好路面表现优越的汽车，并不能简单的说比在山丘路面表现优越的汽车动力性好，反过来说也同样不成立。
这些情况就表现了三大评价指标的一大缺陷。
此外在用汽车随着使用时间的延续、反映动力性的最高车速、加速能力和爬坡能力都会变差，如最高车速降低了，加速能力差了，最大爬坡能力小了，从而显示了具体在用汽车动力性量标固有量值变差的动态是其技术状况衰退变差进程的反映。
汽车使用者对所驾驶的汽车跑不快了、拉不动了、爬长坡的速度慢了的反映和体会，即是用这几个量标对所驾驶的汽车动力性状况的一种定性评定。
尽管汽车的最高车速、加速能力和最大爬坡度通俗、直观、易于理解，可以直接测定，但要将测得的具体在用汽车的这几个量标的量值与其固有的量值比较．对汽车动力性状况进行定量评价，就困难多了。
首先新车定型时的这几个量标的额定值是在规定道路条件下试验确定，或者是经计算得出。
要测得具体在用汽车的这几个量标值必须在符合定型试验条件的道路上进行试验，才具有可比性。
而路试检测汽车动力性受试验条件制约，通用性差，不适于广泛应用。
此外，汽车使用手册提出的额定值未加界定，如最大爬坡度就未界定爬坡度的速度，若越测同类同型汽车虽然都能爬上使用手册给定的最大坡度．但爬上最大坡度的速度却快慢不等。
因此．信息性差的量标就不适于用作在用汽车的检测参数。
实践表明，汽车的最高车速、加速能力、最大爬坡度等量标随汽车技术状况恶化变差而变化的幅值小，体现汽车技术状况的能力差，难以反映技术状况的微小变化，灵敏性差。
因此，不适于用作动力性检测参数，它们不能定量地评定汽车的技术状况。
汽车使用手册提供的汽车动力性评价量标的额定值均是在规定条件下，经道路试验确定。
由于道路试验和室内台架检测的条件不同，不可将道路试验确定的额定值用作室内台架检测评价汽车动力性的参照值。
而要建立各类型汽车的最高车速、加速能力的台架检测评价的通用限值体系，需要投入大量的资金．进行大量的实车试验，在全而深入分析试验数据的基础上才能形成切合实际、普遍实用的限值。
显然，开展这种基础性、仅具社会效益的工作．在当前是相当困难的，也是不必要的。
因此，汽车的最高车速、加速能力和爬坡能力用作台架检测参数受外部条件制约。
当然，同一辆汽车可通过台架检测其最高车速或加速能力在维修前后或运行前后的变化．对比评价其在维修前后或运行前后其动力性状况的变化。
《汽车技术等级评定标准》JT/Tl98—95规定汽车动力性可用发动机功率、底盘输出功率、汽车直接档加速时间3个参数中的任一参数评定，但只规定了发动机功率的限位，未规定后两个参数的限值（JT/T198一95中的评定技术要求），只规定将检测结果折算发动机功率后，再按发动机功率的跟值要求来评定。
这样，虽然JT/T198-95规定了汽车动力性可用3个参数检测，由于未规定底盘输出功率和加速时间的限值，实质上JT/T198-95只是规定了发动机功率一个参数用作汽车动力性的检测参数。
3
GPS测量系统介绍
3.1简介
由前面介绍可知，GPS测量系统是本测试系统的硬件系统的重要组成部分，它主要由空间GPS卫星星座、地面监测和控制系统以及用户设备三部分组成，如下图3.1所示。
图3.1GPS组成
1）空间卫星星座
空间部分如下图3.2所示，GPS卫星星座由24颗均匀分布在6个与赤道平面倾斜角为55°的轨道平面内的卫星组成。
其中有21颗工作卫星和3颗备用卫星，卫星高度为20200km[11]。
卫星绕地球一圈约为l2小时，位于地平线以上的可见卫星数会随着时间和地点发生变化，至少可见到4颗，最多则有11颗。
目前GPS卫星提供P码和C/A码两种定位服务，其中P码仅供军方使用，C/A码对全社会开放[12]。
由于GPS的C/A码免费开放，已被广泛用于各个领域的测量设备。
2）地面监测和控制系统
在导航定位中，GPS卫星的位置是通过利用卫星发射的星历中描述卫星运动及其轨道的参数进行计算获得，该工作主要由地面监控系统完成。
地面监测系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，其中主控站通过收集本站和各监测站的数据，计算每颗卫星的星历和时钟差等参数，再传送到相应的注入站，转发至卫星。
此外主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，保证各颗卫星统一时间标准。
图3.2GPS星座分布图
3）户设备
GPS的用户设备一般是指各类接收机。
GPS接收机硬件主要由主机、天线和电源组成。
其作用是：
捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，获得相应的导航和定位信息，通过跟踪这些卫星的运行，然后对所接收到的GPS信号进行变换、放大等处理以完成导航和定位工作。
3.2GPS差分定位技术
在地面被测点定位中需测量至少4颗卫星，该过程中，主要存在三部分误差。
一部分为公有误差，例如卫星钟误差、星历误差、大气对流程误差等；第二部分为传播延迟误差；第三部分为用户接收机固有误差，例如内部噪声、通道延迟等。
为了提高精度，消除误差以满足人们越来越高的使用要求，出现了差分定位技术。
GPS差分定位技术[13-14]实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。
以达到完全消除第一部分误差和大部分的第二部分误差目的，从而提高定位精度。
差分定位主要分为位置差分、伪距差分和相位差分三类。
这三类定位工作原理相同，都是通过基准站发送改正数，由用户站接收并改正其测量结果，以得到精确的定位结果。
所不同的是三类定位所发送的修正数的内容不一样。
位置差分是通过基准站的GPS接收机解算得到基准站的坐标，获得基准站的位置偏差，并利用该偏差来来校准用户位置，提高了定位精度，该方法只适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。
伪距差分是通过基准站的接收机计算它至可见卫星的距离，并将此距离与含有误差的测量值加以比较，利用一个α-β
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